Enfoque UTE es una revista de carácter técnico-científico, que publica artículos sobre trabajos de

investigación científica y tecnológica, revisión del estado del arte en un área específica del conocimiento y

trabajos de vinculación con la comunidad en los cuales se realizaron actividades de investigación científica.

La revista abarca las áreas temáticas de las ingenierías Ambiental, de Alimentos, Automotriz, Industrial,

Informática, Mecatrónica, y de Petróleos.

Enfoque UTE está dirigida a la comunidad de docentes, investigadores, y estudiantes universitarios, de

pregrado y posgrado en general.

Enfoque UTE

Volumen 7 – Número 4

Diciembre – 2016

Derecho de autor – 049110

e-ISSN: 1390-6542 (electrónico) / p-ISSN: 1390-9363 (impreso)

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Latinoamericana https://revistaslatinoamericanas.org/participantes/ (# 178)

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OALib http://mailer.oalib.net/journal/5934

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Contenido

Interacción basada en gestos de dibujos para complementar el proceso de enseñanza-aprendizaje……..

.................................................................................................................................................. pp. 1 - 15

Ariosto Vicuña, Orlando Erazo

Certificación de redes GPON, normativa ITU G.984.x ................................................................. pp. 16 - 30

Edison Quisnancela, Nikolai Espinosa

Evaluación de un reactor aerobio piloto con medio de soporte de polietilentereftalato (PET) para

tratamiento de efluente lechero .............................................................................................. pp. 31 – 42

Marcelo Muñoz, Jessica Reina, María Belén Aldás

Efecto del uso de hidrógeno en la potencia y rendimiento de un motor de combustión interna………...….

................................................................................................................................................ pp. 43 - 54

Edwin Tamayo, Carlos Rosales, Alex Guzmán, Paúl Pazmiño

Estrategias para la conservación del ecosistema páramo en Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador,

Ecuador… ................................................................................................................................. pp. 55 - 70

Patricio Lozano, Aracely Armas, Verónica Machado

Uso de tecnología de membranas y resinas para la separación y purificación de polifenoles del tomate de

árbol morado (Solanum betaceum Cav) .................................................................................... pp. 71 - 85

Elena Beltrán, Dominique Pallet, Edwin Vera, Jenny Ruales

Influencia de las variables climatológicas sobre la conexión inalámbrica: Base Emisora-Receptora

....................................................................................................................... ……………………….pp. 86 - 95

Rodolfo Najarro Quintero, Eduardo Samaniego Mena, Freddy Fares Vagas, Amilkar Puris Cáceres

Diseño e Implementación de una Antena Microstrip Yagi a 5.8 GHz ......................................... pp. 96 - 110

Gordón Andrea, Llugsi Ricardo

Coagulación natural para la descontaminación de efluentes industriales ............................... pp. 111 - 126

Carlos Banchón, Ricardo Baquerizo, Diego Muñoz, Leila Zambrano

Diseño experimental de una solución polimérica para mejorar la relación de movilidad de los fluidos en

un yacimiento previo a la implementación de un proyecto piloto de recuperación mejorada de petróleo

............................................................................................................................................ pp. 127 - 139

Vanessa Cuenca, Rubén Paredes, José Cóndor

Prefacio

La edición diciembre 2016 de Enfoque UTE cierra el séptimo año de existencia de la revista con

grandes logros y satisfacciones.

Más de veinte índices/catálogos/bases de datos incluyen a Enfoque UTE en sus listados,

destacándose entre ellos el reconocido Web of Science de la Thomson Reuters.

Desde que se implantó el sistema de administración OJS en el año 2013, y se empezó a registrar

estadísticas de acceso al contenido de la revista, más de treinta y tres mil artículos han sido revisados

y descargados del sitio web.

Actualmente se publican trimestralmente, aproximadamente diez artículos por edición, y se lo hace

digitalmente y en impreso, siempre de manera gratuita y libre.

Nada de esto hubiera sido posible sin todos los profesionales que colaboran con Enfoque UTE como

autores, revisores, diseñadores, asesores y, en general, como lectores de la revista. Gracias a todos!

Comité Editorial

Quito, diciembre 2016.

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/07/30 Aceptado (Accepted): 2016/11/15

CC BY-NC-ND 3.0

Interacción basada en gestos de dibujos para complementar el proceso

de enseñanza-aprendizaje

(Interaction Based on Drawing Gestures to Complement the Teaching-

Learning Process)

Ariosto Vicuña1, Orlando Erazo1

Resumen:

La interacción basada en gestos manuales ha experimentado notables avances en los últimos

años. Su utilidad ha sido verificada en diferentes ámbitos, particularmente en el educativo,

donde puede contribuir a mejorar la calidad de la educación. Sin embargo, aún existen temas

que han recibido poca atención, tales como el uso de gestos de dibujos realizados en el aire

con la mano. Por este motivo, este artículo analiza la viabilidad de emplear este tipo de gestos

con fines educativos. Para el efecto, se llevó a cabo un estudio en el cual los participantes

interactuaron con la aplicación desarrollada usando varios gestos de dibujos. Los resultados

cuantitativos y cualitativos obtenidos confirman la validez de la propuesta. Específicamente, el

rendimiento de los participantes fue aceptable de acuerdo con los valores de las métricas

utilizadas. Además, los participantes manifestaron que la propuesta es interesante y

entretenida. Como consecuencia, el uso de aplicaciones de este tipo, en el aula o en el hogar,

podría contribuir a incrementar el interés de los estudiantes en la asignatura correspondiente, lo

que debería conducir a obtener mejores resultados.

Palabras clave: gestos manuales; interacción sin contacto; tecnología de la información en

educación; interacción humano-computador.

Abstract:

Interaction based on hand gestures has experienced a great progress in recent years. Its utility

has been verified in several areas, particularly in the educational field, where it can contribute to

enhance the quality of education. However, there are still some topics that have received little

attention, such as the use of drawing gestures executed in the air with the hand. For this

reason, this article analyzes the feasibility of using this type of gestures with educational

purposes. With this aim, we conducted a study in which the participants interacted with the

developed application by means of several drawing gestures. The obtained quantitative and

qualitative results confirm the validity of our proposal. Specifically, the participants’ performance

was acceptable according to the values of the used metrics. Moreover, the participants

indicated the proposal is interesting and enjoyable. As a consequence, the use of applications

of this type, in the classroom or at home, could contribute to increase the students’ interest in

the corresponding subject, which should lead to obtain better marks.

Keywords: hand gestures; touchless interaction; information technology in education; human-

computer interaction.

1 Universidad Técnica Estatal de Quevedo, Quevedo – Ecuador ( avicuna, oerazo @uteq.edu.ec )

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

1. Introducción

Uno de los problemas con que deben tratar los docentes hoy en día, consiste en encontrar

actividades adecuadas para complementar el proceso de enseñanza-aprendizaje. Las

Tecnologías de la Información (TIs) han probado ser útiles para apoyar este proceso,

incrementando el acceso y mejorando la relevancia de la calidad de la educación (Tinio, 2003).

Además, los actuales estudiantes son nativos tecnológicos (Prenksy, 2001): más activos,

aprenden dentro y fuera del salón de clase, y lo hacen de manera diferente que generaciones

previas (Bennett, et al., 2008). La gran mayoría de estos estudiantes gustan mucho de los juegos

y de nuevas formas de interacción con computadores. Ellos, en calidad de usuarios, son más

exigentes, y por ende, satisfacer sus demandas apropiadamente se convierte en una tarea

desafiante. Por lo tanto, si se busca mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje con el apoyo

de TIs, las herramientas seleccionadas deberían permitir que los estudiantes se sientan atraídos

y/o motivados a usarlas, lo cual podría lograrse mediante enfoques lúdicos.

Los diferentes actores involucrados en el proceso de enseñanza-aprendizaje disponen hoy en día

de un sinnúmero de herramientas que pueden utilizar tanto dentro como fuera de la sala de clase.

El uso de un computador o de un dispositivo móvil por parte de cada estudiante puede

considerarse como la solución clásica. Cada estudiante interactúa con el software respectivo,

como por ejemplo los juegos serios que han demostrado ser muy atractivos para los estudiantes

al combinar aprendizaje con diversión (Susi, et al., 2007; Connolly, et al., 2012). No obstante, esta

solución puede presentar otros inconvenientes adicionales a los costos necesarios (Groff &

Mouza, 2008). Independientemente del software utilizado, y de si este se ejecuta en un

computador o en un dispositivo móvil, otras aplicaciones que funcionen al mismo tiempo de

realizar la actividad propuesta podrían causar distracciones como en el caso de correos

electrónicos, redes sociales, etc. (Fang, 2009; Fried, 2008). Estos inconvenientes podrían evitarse

si el estudiante interactuara únicamente con la aplicación deseada pero a cierta distancia, por

ejemplo, mediante el uso de gestos.

La interacción basada en gestos ha sido usada por muchos años, pero recientes avances ofrecen

nuevas oportunidades para el ámbito educativo. A partir del uso de guantes (Baudel & Beaudouin-

Lafon, 1993), pasando por sostener un dispositivo de mando en la mano (Holzinger, et al., 2010),

hasta llegar a la interacción sin contacto basada en movimientos del cuerpo y de las manos en

especial (Erazo & Pico, 2014), las aplicaciones basadas en gestos pueden contribuir a hacer el

proceso de aprendizaje más entretenido. Diversos trabajos dan muestras de estas oportunidades

(Erazo & Pico, 2014; Kandroudi & Bratitsis, 2012; Hsu, 2011). En particular, con este estilo de

interacción es posible, por ejemplo, controlar presentaciones, aprender alguna asignatura o tema

en particular, simular laboratorios, etc., y en diferentes niveles educativos (Lui, et al., 2013;

Johnson, et al., 2013; Meng, et al., 2013; Jagodziński & Wolski, 2015). Además, las aplicaciones

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

de este tipo pueden ser utilizadas tanto en el salón de clase como en el hogar gracias a sus

relativamente bajos costos.

Más allá de las utilidades mencionadas, la interacción basada en gestos aún podría ofrecer más

oportunidades que todavía están pendientes de ser investigadas. Específicamente, existe un tipo

de gestos que no ha recibido suficiente atención y que podría aportar beneficios. El tipo de gestos

en mención, denominado gestos de dibujos (Erazo & Pico, 2014), es un tipo de gesto icónico que

consiste en trazar en el aire el contorno de figuras (letras, números, etc.) utilizando la mano. A

base de lo expuesto, este trabajo propone el uso de gestos de dibujos con fines educativos. Para

el efecto, se ha llevado a cabo un estudio empírico con la finalidad de verificar si este tipo de

gestos es bien acogido por los estudiantes y si se motivan a usarlos como medio de interacción

con aplicaciones educativas. De ser así, el uso de aplicaciones de este tipo, en el aula o en el

hogar, podría contribuir a incrementar la motivación y/o intervención de los estudiantes en la

asignatura o tema correspondiente, conduciendo a mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje.

En consecuencia, este artículo contribuye con resultados cualitativos y cuantitativos acerca de la

factibilidad de esta propuesta, así como también discutiendo sus posibles implicaciones y

utilidades.

2. Trabajos relacionados

A partir de la idea que las personas utilizan gestos como un medio de comunicación entre ellas, el

uso de estos para “comunicarse” con computadores ha sido ampliamente estudiado a través de

los años. Uno de los primeros trabajos de este tipo consistió en un sistema para controlar

presentaciones que requería que el usuario usara un guante de datos (Baudel & Beaudouin-Lafon,

1993). Otras propuestas se han hecho posteriormente también usando guantes. Alternativas al

uso de guantes también aparecieron más adelante, tales como aquellas basadas en marcadores

de rastreo (Buchmann, et al., 2004) o en sostener un dispositivo como el Wii Remote de Nintendo

(Holzinger, et al., 2010) o un teléfono celular (Kühnel, et al., 2011). No obstante, los recientes

avances en visión por computador (ver por ejemplo (Wachs, et al., 2011)) junto con la salida al

mercado de nuevos dispositivos, como MS-Kinect y Leap Motion, han permitido eliminar el uso de

marcadores y el contacto físico con dispositivos. Todo esto, junto también con las mejoras en

hardware en general, ha facilitado el desarrollo de aplicaciones de este tipo. Así, las interfaces

basadas en gestos en la actualidad han trascendido el campo del entretenimiento (Wachs, et al.,

2011), aunque su uso aún no se ha masificado. Una cantidad considerable de investigaciones

confirman sus bondades en diferentes escenarios tales como museos (Mehler, et al., 2014),

negocios (Giovanni, et al., 2012), hogares (Panger, 2012), entre otros. En todos estos casos el

usuario controla las aplicaciones mediante movimientos de su(s) mano(s) (o de otra parte del

cuerpo) sin tener contacto con dispositivo alguno.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

De manera similar, diversos estudios han proporcionado evidencias de la utilidad de la interacción

basada en gestos sin contacto en ambientes educativos (Erazo & Pico, 2014; Kandroudi &

Bratitsis, 2012; Hsu, 2011). En términos generales, este estilo puede facilitar y mejorar el proceso

de enseñanza-aprendizaje porque provee interacciones significativas (Hsu, 2011). Los docentes

pueden emplear aplicaciones de este tipo en las salas de clases, o los alumnos pueden usarlas

como complemento educativo en sus hogares. En el primer caso, ellas pueden contribuir a

incrementar la participación de los alumnos, facilitar la manipulación de material educativo,

fomentar la discusión y crear clases más entretenidas (Hsu, 2011). Entre las utilidades que han

sido ilustradas en investigaciones previas se pueden mencionar:

Apoyar en la enseñanza de asignaturas como matemáticas o anatomía. Por ejemplo, en el

primer caso se pueden controlar funciones algebraicas o entender conceptos trigonométricos

con movimientos corporales (Johnson, et al., 2013; Nandi, et al., 2016), mientras que en el

segundo es posible manipular modelos tridimensionales que representan a órganos del cuerpo

(Meng, et al., 2013)

Controlar presentaciones empleando gestos manuales, tales como tocar un hombro o

“presionar” botones con la mano (Lui, et al., 2013)

Aprender otros idiomas, en cuyo caso el uso de la interacción gestual puede contribuir a

motivar el aprendizaje, por ejemplo, del inglés (Lee, et al., 2012). Así mismo, el uso de gestos

puede apoyar la adquisición de lenguaje porque la lectura de libros en sistemas basados en

gestos puede ser una actividad interesante y atractiva para los niños (Homer, et al., 2014)

Crear laboratorios virtuales tales como un laboratorio de química en el cual los alumnos

pueden llevar a cabo las mismas actividades que realizarían en un laboratorio real

(Jagodziński & Wolski, 2015). Así por ejemplo, se simulan las acciones de sujetar el equipo

necesario y combinar sustancias

Convertir una superficie cualquiera, como la pared de un salón de clases, en pizarras

interactivas con costos inferiores a los de una pizarra interactiva convencional (Şimşek &

Durdu, 2014)

Asimismo, los estudiantes pueden reforzar lo aprendido en clase manteniendo las ventajas antes

señaladas. Aunque en general se pueden utilizar en el hogar las mismas aplicaciones empleadas

en las instituciones educativas, algunas de ellas pueden ser más adecuadas de utilizar en el hogar

debido a, por ejemplo, limitaciones de espacio o tiempo, o esfuerzo físico requerido. Algunos

ejemplos de aplicaciones que podrían estar dentro de este grupo son descritos por Kandroudi y

Bratitsis (2012).

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

Las aplicaciones antes mencionadas ponen de manifiesto claramente la utilidad del uso de gestos

como medio de interacción con software con fines educativos, pero pocos trabajos han abordado

el uso de gestos de dibujos manuales sin contacto. Estos gestos son representaciones visuales de

símbolos (Piumsomboon, et al., 2013); es decir, su ejecución consiste en trazar o describir

icónicamente una ruta en el aire. Los trazos realizados típicamente corresponden a letras,

números o figuras geométricas, y usualmente son ejecutados manteniendo una pose estática de

la mano (Piumsomboon, et al., 2013)—por ejemplo, la mano cerrada o el dedo índice levantado.

Un ejemplo del uso de estos gestos consiste en trazar una “X” para cerrar la aplicación

correspondiente. A pesar de las evidencias que existen en cuanto a las preferencias de los

usuarios hacia este tipo de gestos (Piumsomboon, et al., 2013), su uso con fines educativos ha

sido escasamente explorado. Básicamente, los gestos de dibujos han sido empleados con la

finalidad de incrementar el nivel de aprendizaje de un segundo idioma y practicar las tablas de

multiplicar (Akazawa, et al., 2014b; Akazawa, et al., 2014a). En estos dos casos la evaluación

realizada proporcionó evidencia inicial de su utilidad, pero ambos presentan también limitaciones.

En el primero (Akazawa, et al., 2014b) los participantes manifestaron haber disfrutado la

experiencia pero el número de ellos fue muy limitado (dos personas). El otro estudio (Akazawa, et

al., 2014a), a pesar de contar con la participación de más niños, no consideró ciertos aspectos

importantes para concluir si el uso de gestos de dibujos puede ser adecuado o no con fines

educativos. Dichos aspectos corresponden a métricas de rendimiento al realizar las tareas y

opiniones de los participantes. Por lo tanto, el estudio descrito en este artículo busca también

superar las limitaciones previas según se explica en la siguiente sección.

3. Metodología

En esta sección se describe el estudio realizado con la finalidad de analizar la viabilidad de utilizar

gestos de dibujos como forma de interacción con aplicaciones educativas. En términos generales,

el estudio, llevado a cabo en un ambiente controlado, consistió en ejecutar varios gestos de este

tipo para interactuar con la aplicación desarrollada. Esto permitió recolectar datos cuantitativos y

datos subjetivos para verificar la propuesta. Los detalles del estudio son descritos a continuación.

3.1 Materiales

En primer lugar se procedió a desarrollar el software experimental a utilizar en el estudio (Figura

1). La aplicación consistió en hacer preguntas de opción múltiple a los usuarios quienes debían

responderlas realizando un gesto de dibujo en el aire con su mano. La utilidad de este enfoque de

preguntas/respuestas en educación ha sido demostrada previamente (Beekes, 2006) y además

puede ser aplicado en cualquier área. La aplicación mostraba automáticamente una pregunta a la

vez y registraba la respuesta correspondiente. Las respuestas eran ingresadas por los

participantes en forma de gestos grafiti (Castellucci & MacKenzie, 2008) que correspondían a las

cuatro primeras letras del alfabeto. Las representaciones gráficas de los gestos/letras, indicando el

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

punto de inicio, fueron colocadas junto a cada una de las cuatro posibles respuestas (ver Figura

1). El reconocimiento de gestos se llevó a cabo usando el algoritmo “Dynamic Time Warping”

(Senin, 2008), que es uno de los algoritmos exitosos para este tipo de tareas (Wachs, et al.,

2011). Las respectivas plantillas requeridas para hacer las comparaciones fueron generadas

previamente con la colaboración de otra persona (que no participó en el estudio). El uso de estas

plantillas, la precisión del algoritmo (aunque esta ha sido ampliamente demostrada) y los demás

aspectos del estudio fueron verificados en pruebas preliminares. La aplicación también siguió el

paradigma de realidad aumentada, que consistió en aumentar la percepción de lo que el sujeto

veía en su entorno real con los controles empleados como parte de la interfaz de usuario

(Piumsomboon, et al., 2013; Giovanni, et al., 2012). Es necesario tener en cuenta también que

este enfoque ya ha sido empleado adecuadamente en trabajos previos (Akazawa, et al., 2014b;

Akazawa, et al., 2014a), pero a diferencia de ellos, en este estudio se optó por no mostrar el

dibujo del gesto con la finalidad de evitar efectos de “feedback” (retroalimentación) visual (Kim, et

al., 2012). Además, el espacio de interacción fue definido según lo sugerido por Erazo y Pico

(2014) facilitando así la interacción (ver Figura 1). Adicionalmente, la aplicación realizaba los

cálculos y registros necesarios tal como se explica más adelante.

Figura 1. Configuración utilizada en el estudio.

El hardware utilizado (Figura 1) consistió en el computador en el cual se ejecutó la aplicación

antes descrita, y en un sensor Kinect y un proyector conectados a dicho computador. El uso de

Kinect y de su SDK para Windows, facilitó la tarea de hacer seguimiento de la mano mediante las

coordenadas obtenidas en tres dimensiones y la creación del ambiente aumentado usando las

imágenes RGB. El Kinect fue colocado aproximadamente a un metro de altura y debajo de la

pantalla proyectada.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

3.2 Participantes

Veinte estudiantes, diez hombres y diez mujeres, aceptaron participar en el estudio. Las edades

de ellos estuvieron comprendidas entre 18 y 19 años, y cinco fueron zurdos. Todas estas

personas se encontraban cursando el primer año de Ingeniería en Sistemas al momento de

realizar el estudio, por lo cual eran usuarios habituales de computadores. Ninguno de ellos recibió

compensación alguna por su participación.

3.3 Datos recolectados

Durante el estudio se recolectaron datos tanto cuantitativos como cualitativos. Estos datos fueron

recolectados de varias maneras, según se detalla a continuación:

Tiempo: la aplicación fue desarrollada de manera que calcule automáticamente el tiempo

requerido para ingresar cada respuesta; o sea, ejecutar el gesto. El tiempo fue calculado como

el intervalo desde que el participante levantaba la mano para responder hasta cuando la

regresaba a su lugar original (junto a las caderas) después de haber contestado. Estos valores

fueron guardados en forma de “logs” para todos los participantes.

Errores: se contaron como errores las veces en las cuales la aplicación no fue capaz de

reconocer el gesto ingresado por el participante, en cuyo caso debió repetir el gesto. Este

registro también se realizó en forma automática.

Cuestionario: los participantes completaron un cuestionario de seis preguntas al terminar la

tarea encargada. Este cuestionario tuvo dos clases de preguntas. Las primeras cuatro, que

debían responderse usando una escala de Likert de 1 (extremadamente baja o nada) a 7

(extremadamente alta) se refirieron a la dificultad de aprendizaje, fatiga, confort y dificultad de

realizar la tarea. Las otras dos preguntas solicitaban a los participantes opinar abiertamente

sobre posibles problemas experimentados y sobre la interacción.

3.4 Procedimiento

El estudio inició con una descripción general de él y la confirmación de participación de los

estudiantes luego de ser debidamente informados. Después de ello, los participantes recibieron

instrucciones sobre cómo realizar la tarea. Las instrucciones indicaban también la forma de iniciar

y terminar la respuesta a cada pregunta; es decir, usar la mano dominante y no levantarla hasta

tener preparada mentalmente la respuesta a ingresar. Esto permitió registrar exclusivamente el

tiempo requerido para realizar el gesto, ya que el estudio no se concentró en las operaciones

mentales necesarias para obtener la respuesta. Además, usando tales posiciones iniciales y

finales se evitó incrementar la fatiga que puede originarse cuando los usuarios mantienen sus

manos en el aire durante períodos de tiempo prolongados o innecesarios (Ren & O'Neill, 2013).

8

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

Después de recibir las instrucciones cada participante se colocó de pies, aproximadamente a tres

metros de la pantalla (tomando en cuenta las limitaciones del sensor (González-Jorge, et al.,

2013)). Desde ahí respondió a cada una de las preguntas que fueron mostradas una por una en

forma aleatoria. Las preguntas fueron elaboradas previamente a base del contenido de una de las

asignaturas que los participantes se encontraban estudiando durante el semestre en curso. Cada

participante respondió un total de doce preguntas (cuatro opciones por tres veces cada una)

dibujando el gesto correspondiente (gestos grafiti “A” – “D”, Figura 1). Sin embargo, debido a que

ninguno de ellos tenía experiencia previa con gestos de dibujos hechos en el aire (aunque algunos

habían utilizado algún juego basado en Kinect previamente) se consideró adecuado no incluir en

el análisis la primera ejecución de cada gesto.

4. Resultados

Los resultados reportados en esta sección fueron calculados con un total de 40 gestos para cada

letra; es decir, se utilizaron un total de 160 gestos. El análisis de varianza (ANOVA) reveló la

diferencia significativa entre gestos (F3,54 = 37.117, p < 0.0001). El orden de ingreso (la segunda y

tercera ejecución de cada gesto) no tuvo efecto en el tiempo (F1,18 = 0.002, ns), pero sí se observó

un efecto de interacción entre gestos y orden de ingreso (F3,54 = 3.691, p < 0.05). Sin embargo, el

test de comparación de pares (PostHoc) mostró que no hubo diferencias entre las segundas y

terceras ejecuciones de cada gesto, por lo cual se decidió usar el promedio de ambas. El análisis

estadístico también mostró que no hubo diferencia significativa por sexo (F1,18 = 0.709, ns), ni

efecto de interacción entre sexo y gestos (F3,54 = 0.157, ns). Así, la Figura 2 muestra los tiempos

promedio requeridos para realizar cada uno de los gestos.

Figura 2. Tiempo promedio (± 1 SD) para realizar cada gesto.

La presencia de errores fue escasamente observada en el estudio. El número total de errores fue

de siete entre todos los participantes, pero fueron cometidos únicamente por cinco de ellos. Dos

personas cometieron dos errores para el gesto “B” (uno en la misma respuesta y la otra en

diferentes respuestas). Los otros tres errores correspondieron al gesto “D”.

0 1000 2000 3000 4000

A

B

C

D

Tiempo (milisegundos)

Ge

sto

s

9

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

La Figura 3 muestra los puntajes en promedio asignados por los participantes a cada una de las

preguntas del cuestionario. Tanto la dificultad de aprender como de interactuar con la aplicación

usando los gestos propuestos recibieron puntajes de 2.5. Así mismo, la fatiga reportada fue baja

(1.7), mientras que el confort alcanzó un valor de 5.4.

Figura 3. Puntaje promedio (± 1 SD) de cada pregunta del cuestionario.

Aunque en general los participantes respondieron positivamente las preguntas abiertas, hay

algunos detalles que se considera necesario mencionar. Tres participantes señalaron haber

experimentado cierto tipo de problema. Dos de ellos dijeron que su “seudo” problema fue “olvidar

las alternativas a ingresar (pero que se solucionaría con práctica)”, mientras que los otros dos

manifestaron haber sentido una ligera incomodidad al responder pero sin dar detalles adicionales.

Aunque cuatro participantes no proporcionaron ningún comentario general, once dijeron

explícitamente que la tarea les pareció interesante, entretenida y/o fácil de realizar. Las personas

restantes hicieron ciertas sugerencias como “mostrar el dibujo del gesto quizá podría ser de

utilidad” y “mejorar el punto que indicaba el inicio del gesto”, pero no manifestaron estar en

desacuerdo con la propuesta.

5. Discusión

Los resultados descritos en la sección previa confirman la viabilidad de la propuesta de usar

aplicaciones basadas en gestos de dibujos como un complemento educativo. Sin embargo, es

necesario mencionar algunos aspectos adicionales referentes al diseño de aplicaciones de este

tipo y sus posibles usos.

En primer lugar, el rendimiento de los usuarios podría incrementar o disminuir según ciertas

condiciones. En este estudio los tiempos fueron calculados a base de posiciones iniciales y finales

específicas, pero en la realidad los usuarios pueden adoptar otras posiciones que podrían influir

en el tiempo requerido. Estas posiciones también podrían tener influencia en la fatiga de una o

más partes del cuerpo. Otro aspecto que también podría incrementar la fatiga, así como el tiempo

y errores, es la forma de realizar los gestos. En el estudio se pudo observar cierta incomodidad en

los participantes que utilizaron su mano izquierda para realizar los gestos. Este es un detalle

0 1 2 3 4 5 6 7

Dificultad aprendizaje

Fatiga

Confort

Dificultad de realizar

10

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

entendible debido a que se fijó un punto inicial para los gestos. Sin embargo, esta limitación

podría resolverse creando plantillas con otros puntos de inicio, o mejor aún, utilizando un algoritmo

que no dependa de un punto inicial específico como el descrito por Anthony y Wobbrock (2010).

El feedback visual es otro factor que podría tener efecto en el rendimiento de los usuarios. En

base a hallazgos previos (Kim, et al., 2012), la aplicación desarrollada no mostró el trazo de los

gestos realizados. Aunque algunos de los participantes propusieron mostrar el “dibujo”, esto

podría hacerse en ciertos casos. Se puede así sugerir que si el objetivo perseguido requiere

visualizar el trazo realizado, entonces se puede incorporar este feedback visual en la aplicación.

Por el contrario, si los gestos corresponderán a comandos, entonces podría omitirse su

visualización, pero el comando ejecutado deberá informar al usuario que la acción se ha llevado a

cabo, como es el caso de la aplicación aquí usada (es decir, se acepta la respuesta).

Las limitaciones del hardware actual también podrían afectar no solo la eficiencia de los usuarios

sino además la experiencia de interacción en general. Así por ejemplo, si se utiliza el Kinect (u

otro sensor similar) en ambientes expuestos a la luz solar o si se incrementa mucho la distancia a

la que se encuentra el usuario, la precisión en el reconocimiento disminuirá (Gonzalez-Jorge, et

al., 2013).

Además, aunque el estudio fue realizado en un ambiente de laboratorio, a base de otros trabajos

antes mencionados se puede inferir que el estilo de interacción propuesto podría usarse para

complementar el proceso de enseñanza-aprendizaje adecuadamente ya sea en el hogar o en la

sala de clases. En primer lugar, la aplicación empleada incluyó preguntas de un área concreta,

pero esta podría ser de utilidad también en otras áreas simplemente cambiando las preguntas y

respuestas. De hecho, la aplicación podría ser mejorada hasta convertirse en un producto

terminado que permita al docente gestionar sus propias preguntas y respuestas, así como también

incorporar otras opciones adicionales como número de respuestas, gestos usados para

responder, etc. Este software resultante podría ser empleado en clase, por ejemplo, para

preguntar a los estudiantes sobre su entendimiento del tema abordado pero de forma lúdica. En

este caso, la interacción podría no necesariamente realizarse desde un lugar específico sino más

bien desde el asiento del alumno que participa, lo que requiere abordar otros problemas como la

resolución de conflictos al tener varios usuarios (Plaumann, et al., 2016) y el número de personas

que se pueden reconocer y seguir simultáneamente. Por el contrario, el mismo software podría ser

empleado para complementar el aprendizaje pero desde el hogar. Un posible ejemplo de esto es

que el alumno repase el tema estudiado en clase, o que incluso lo haga en compañía de sus

familiares o amigos, caso en el cual quizá sería más adecuado darle el enfoque de juego serio

(Susi, et al., 2007). En definitiva, la aplicación desarrollada para este estudio constituye un

ejemplo del uso que se le puede dar a los gestos de dibujos en ambientes educativos.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

Desde luego, muchas otras aplicaciones podrían considerarse a futuro usando el mismo estilo de

interacción propuesto. De hecho, algunas de las aplicaciones desarrolladas en trabajos

relacionados podrían incorporar el uso de gestos de dibujos, y en particular los juegos serios

(Susi, et al., 2007; Connolly, et al., 2012). Un ejemplo de estas aplicaciones puede consistir

“dibujar” el número que corresponde a la respuesta de una operación matemática (similar a la

propuesta de Akazawa et al. (2014a)). Otro ejemplo es ingresar la letra que corresponde a una

palabra que se trata de adivinar (como en el juego “el ahorcado”) o cuya pronunciación ha sido

emitida en forma auditiva (análogo a lo planteado por Akazawa et al. (2014b)). Otras opciones

podrían incluir también el uso de figuras geométricas o símbolos, por ejemplo, para complementar

una clase donde se usen fórmulas.

6. Conclusiones

Si se tiene en cuenta que una cantidad considerable de trabajos han reportado beneficios de las

interfaces basadas en gestos para apoyar el proceso de enseñanza-aprendizaje, este artículo ha

abordado un tipo de gestos que no ha sido suficientemente estudiado: los gestos de dibujos en el

aire. Efectivamente, los resultados del estudio realizado confirman la utilidad de este tipo de

gestos con fines educativos de acuerdo con las métricas utilizadas y las opiniones de los

participantes.

En primer lugar, los tiempos requeridos para realizar los gestos se pueden considerar aceptables

(2.7 segundos en promedio). Aunque superiores, estos valores son comparables tanto con los

reportados por otras técnicas para hacer selecciones basadas en gestos en el aire (Ren & O'Neill,

2013) (asumiendo que se pretende seleccionar una respuesta de otra forma) como con los

requeridos para ejecutar el mismo tipo de gestos en otros estilos de interacción (Castellucci &

MacKenzie, 2008). En cualquier caso, estas diferencias de tiempo podrían no ser tan relevantes

en comparación a los demás beneficios que el uso de este estilo de interacción puede aportar.

El aceptable rendimiento al realizar los gestos según el factor tiempo se complementa con la

pequeña cantidad de errores observados. Este aspecto es notable especialmente porque todos

los participantes ejecutaban este tipo de gestos por primera vez. Además, estos errores, al igual

que el tiempo requerido, deberían disminuir aún más con la respectiva práctica.

De manera similar, los resultados obtenidos a base del cuestionario complementan lo inferido a

partir de las métricas. Según la opinión de los participantes, los gestos utilizados fueron fáciles de

aprender y de ejecutar, se sintieron confortables al realizarlos y les ocasionaron una fatiga

mínima. Adicionalmente, más de la mitad de ellos expresó claramente haber disfrutado la

experiencia. Todo esto permite concluir que los gestos de dibujos son bien acogidos por los

estudiantes y podrían contribuir a incrementar su motivación al momento de realizar tareas

educativas.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.1 - 15

Finalmente, los aspectos referentes al diseño de aplicaciones del tipo propuesto y sus usos

adicionales antes discutidos podrían considerarse en investigaciones futuras. Así mismo, podrían

abordarse otros aspectos tales como contar con diferentes tipos de participantes (por ejemplo,

niños), realizar la evaluación en un ambiente real (por ejemplo, durante una clase) y verificar en

qué medida contribuye el uso de gestos. Tanto los resultados aquí reportados como los de estos

posibles trabajos futuros deberían conducir a mejores aplicaciones basadas en gestos que ayuden

a complementar y mejorar el proceso de enseñanza-aprendizaje.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/08/16 Aceptado (Accepted): 2016/11/18

CC BY-NC-ND 3.0

Certificación de redes GPON, normativa ITU G.984.x

(GPON networks certification, standard ITU G.984.x)

Edison Quisnancela1, Nikolai Espinosa¹

Resumen:

El presente artículo describe la metodología para certificar redes FTTH GPON con el objetivo

de minimizar los errores que se evidencian durante la ejecución de este proceso dentro de una

red óptica. La certificación se basa en estándares y normas técnicas nacionales e

internacionales, lo cual garantiza el óptimo funcionamiento de la red. El trabajo se realiza con

métodos empíricos en el campo mediante procesos de caracterización, medición y análisis de

resultados, factores que permitirán identificar que las mediciones estén dentro del rango

establecido con el uso de herramientas y equipos debidamente configurados y actualizados. Se

establece la necesidad de una regulación efectiva en certificación de una red FTTH GPON que

traiga máximos beneficios para las empresas proveedoras de servicio del país y satisfaga la

demanda de ancho de banda del cliente final. Se busca garantizar la aplicación de nuevas

tecnologías que ayuden a optimizar el uso de la infraestructura orientada hacia la convergencia

de servicios, a la implementación de Redes de Nueva Generación y hacia la inversión en

sectores estratégicos.

Palabras clave: FTTH; GPON; certificación; caracterización; medición, análisis.

Abstract:

This article describes the methodology to certify a FTTH GPON network, in order to minimize

the errors that tend to show up during the execution of this process within an optical network.

The work is based on national and international technical standards, ensuring optimal

performance of the network. Empirical methods are used in the field through processes

characterization, measurement and analysis of results, which will identify the factors allowing

that measurements are within the range set with the use of tools and equipment properly

configured and updated. The need for an effective regulation is established in the certification of

a FTTH GPON network to bring maximum benefits for companies providing service in the

country and meeting the demand for bandwidth of the end customer, ensuring the application of

new technologies helping to optimize the use of convergence oriented service, the

implementation of Next Generation Networks and towards infrastructure investment in strategic

sectors.

Keywords: FTTH; GPON; certification; characterization; measurement, analysis.

1 Universidad de las Fuerzas Armadas – ESPE, Sangolquí – Ecuador ( efquisnancela, ndespinosa

@espe.edu.ec).

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

1. Introducción

Ecuador en los últimos años evidencia una revolución en las telecomunicaciones, el MINTEL

(Ministerio de Telecomunicaciones y de la Sociedad de la Información) ha desarrollado

importantes acciones para fomentar la diversificación y universalización de las TIC (Tecnologías

de la Información y Comunicación), (MINTEL, 2016). El país cuenta aproximadamente con 60 mil

kilómetros de fibra óptica, el despliegue en el 2016 se incrementó en el 30%, lo que permitió que

la mitad de la población ecuatoriana acceda a las TIC. (Ecuador Inmediato, 2015).

A fin de posibilitar el acceso a servicios de gran ancho de banda a usuarios localizados a

distancias que no es posible llegar con tecnologías xDSL, (x línea de suscripción digital) por sus

limitaciones técnicas en cuanto a sus condiciones de funcionamiento (Abreu, 2009), se vuelven

atractivas las tecnologías disponibles y topologías implementables de redes FTTH (fibra óptica

hasta el hogar por su traducción en español) (CNT EP, 2015).

Una red de arquitectura FTTH con tecnología GPON (Red Óptica Pasiva con Capacidad de

Gigabit por su traducción en español) permite soluciones con mayor eficacia en transporte de

información, mayor ancho de banda, tecnologías en servicios de internet, voz, televisión IP entre

otras. Comparado con las redes de cobre, la fibra óptica ofrece mayor seguridad de la

información, mayor estabilidad, resistencia a las interferencias electromagnéticas, menor

degradación de la señal, permitiéndole trabajar con altos niveles de tráfico de datos, contenidos

multimedia y otros, de manera confiable y rápida, a través de una red certificada bajo normas y

estándares establecidos.

La expansión de las Redes Ópticas metropolitanas a niveles de red troncal, distribución y

dispersión, generan un nuevo reto para los diseños, técnicas de implementación y mantenimiento

de redes de acceso. Una vez superadas las dificultades de los costos de diseño, implementación y

certificación, las nuevas redes ópticas pasivas PON son el nuevo escenario para las redes de

acceso, de esta manera se resuelven los problemas de ancho de banda, fiabilidad, operación,

mantenimiento y cobertura que se presentan en las redes de cobre.

La presente investigación tiene como objetivo describir la metodología para la certificación de

redes ópticas, con el fin de minimizar los errores que se evidencian en el proceso de certificación

de una red FTTH GPON y que impactan en la caracterización de toda la red a nivel general; por lo

cual es necesario explicar el proceso para realizar los diferentes tipos de pruebas aplicando los

estándares y especificaciones definidos en la norma ITU G.984, finalmente determinar la calidad y

capacidad de transmisión en una red ODN (red de distribución óptica por su equivalencia en

español), mediante un conjunto de mediciones en cada uno de los elementos que conforman los

segmentos de red.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

2. Marco Teórico

En esta sección se describen las características generales y los componentes principales de una

red FTTH GPON, así como también de cada uno de los equipos de certificación de una red de

fibra óptica.

2.1. Arquitectura FTTH GPON

La Figura 1 muestra los elementos que forman la arquitectura de una red FTTH GPON la cual

consiste de:

OLT: Terminal de Línea Óptico (optical line terminal) ubicado en la oficina central.

ODN: Red de distribución óptica (optical distribution network) se compone de la red troncal

o feeder, red de distribución y red de dispersión.

ONT: Terminales de Red Ópticos (optical network terminals) también conocidas como

ONU (optical network unit), se encuentran en las instalaciones del usuario final y presentan

las interfaces hacia los dispositivos.

Figura 1. Arquitectura FTTH GPON.

2.2. Norma ITU-T G.984

La norma ITU-T G.984.x (x = 1, 2, 3, 4, 5, 6) (ITU-T, 2011) es una recomendación extensa y muy

compleja que no solo ayuda a tomar bases en el diseño y certificación de topologías GPON, sino

también proporciona un criterio amplio que busca optimizar los recursos como elementos pasivos,

además de proyectar diseños ideales para evitar trabajos después de la construcción. A

continuación la Tabla 1 detalla los parámetros más importantes para certificar una red FTTH

GPON.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

Tabla 1. Parámetros para certificar una red FTTH GPON (ITU-T G.984.x)

Norma ITU-T G 984.x

ITU-T G.984.1 (ITU-

T, 2011)

Características generales.

Arquitectura del sistema OAM. Tipos de servicio.

Tipos de interfaz: servicio, usuario.

Tasa física de transmisión y recepción.

Alcance lógico. Rendimiento del sistema.

ITU-T G.984.2 (ITU-

T, 2012)

Medios físicos dependientes.

Parámetros Class B+ ONT OLT

Potencia óptica máxima + 5 dBm + 5 dBm

Potencia óptica mínima +0,5 dBm +1,5 dBm

Sensibilidad mínima -27 dBm -28 dBm

Potencia óptica mínima de sobrecarga

- 8 dBm - 8 dBm

ITU-T G.984.3 (ITU-

T, 2014)

Convergencia de transmisión

Subcapas GPON TC Formato de trama

Rango Seguridad

Ancho de Banda Dinámico.

Operaciones, administración y mantenimiento.

ITU-T G.984.4 (ITU-

T, 2011)

Gestión ONT, especificación de la interfaz de control.

Interoperabilidad entre OLTs y ONTs de diferentes proveedores.

ITU-T G.984.5 (ITU-

T, 2014)

Mejoramiento de banda.

Define longitudes de onda reservados para las señales de servicio adicionales utilizando WDM en la futura red GPON.

Especifica los requisitos técnicos para la aplicación del filtro de longitud de onda en la ONT.

ITU-T G.984.6 (ITU-

T, 2012)

Mayor alcance.

Describe los parámetros de la arquitectura y la interfaz para los sistemas GPON con mayor alcance.

2.3. Medios físicos dependientes

La certificación de la ODN implica verificar la continuidad y los niveles de atenuación en los

diferentes elementos de la red. La Tabla 2 indica los valores de referencia de los elementos de la

ODN a certificar.

Tabla 2. Valores de referencia de los medios físicos dependientes(ITU-T G 984.x)

Medios físicos dependientes.

Máxima velocidad Downstream: 2,488 Gbit/s.

Máxima velocidad Upstream: 1,244 Gbit/s.

Máximo alcance físico 20 Km

Máximo alcance lógico 60 Km

Atenuación en puntos de fusión. ≤ 0,30 dB

Atenuación en conectores mecánicos. ≤ 0,50 dB

Atenuación en conectores. ≤ 0,75 dB

Atenuación en mangas. ≤ 0,15 dB

Margen de seguridad +3 dB

Atenuación λ = 1310 nm 0,35 dB/Km

Atenuación λ = 1550 / 1490 nm 0,22 dB/Km

Divisor óptico (splitter)

1:64 ≤ 20,5 dB

1:32 ≤ 17,5 dB

1:16 ≤ 13,8 dB

1:8 ≤ 10,6 dB

1:4 ≤ 7,5 dB

1:2 ≤ 3,8 dB

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

2.3.1. Especificaciones técnicas de elementos pasivos

En la Tabla 3 se detallan las principales características de los elementos que son parte de una red

FTTH GPON.

Tabla 3. Especificaciones técnicas de elementos pasivos.

Especificaciones de elementos pasivos.

Elemento Descripción Figura

Fibra óptica (ITU-T, 2010) Hilo de vidrio, flexible y frágil, cada hilo está compuesto por un núcleo, un revestimiento y

un recubrimiento.

Splitter (Orion, 2012) Elemento pasivo que permite dividir la señal

óptica en varios canales.

Manga de empalme (Optronics, 2016)

Elemento utilizado para sellar herméticamente los empalmes aéreos y canalizados.

Caja de distribución óptica (NAP). (FURUKAWA,

2014)

Es un punto de conexión entre la red de distribución y las conexiones individuales de

cada abonado.

Roseta óptica, caja terminal óptica. (DESCA,

2015)

Punto terminal óptico que se acopla al cable óptico de acometida que accede al domicilio

del cliente.

2.3.2. Especificaciones técnicas de los equipos de certificación

En la Tabla 4 se detallan las características de cada uno de los equipos de certificación de una

red FTTH GPON.

Tabla 4. Especificaciones técnicas de equipos de certificación.

Especificaciones de equipos de certificación.

Equipo Descripción Figura

Localizador visual de fallas (VFL). (Viavi solutions,

2016)

Permite inyectar luz en un extremo de la fibra para localizar las posibles fallas de la dispersión de la

misma.

Microscopio óptico Permite observar el estado de la sección transversal del conjunto: núcleo revestimiento de un conector de

fibra óptica.

Fusionadora Permite unir dos hilos de fibra del mismo tipo.

OTDR (reflectómetro)

Equipo que Permite obtener la traza de atenuación total con su respectivo cuadro de resultados

Power Meter Permite transmitir y medir niveles de potencia.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

2.4. Cálculo del presupuesto de atenuación óptica

Uno de los principales elementos en el diseño de una red óptica es el cálculo teórico del

presupuesto de pérdidas ópticas. La Ecuación 1 indica los elementos que se deben considerar en

el cálculo de la atenuación óptica en todo el trayecto de la ODN. En otras palabras, el presupuesto

de pérdida óptica es una indicación de cómo se utilizará la potencia óptica disponible. (Corning

Optical Communications, 2015)

𝑥 = (𝑎 + 𝑏) + (𝑐 ∗ 𝑑) + (𝑒 ∗ 𝑓) + (𝑔 ∗ ℎ) Ec. (1)

Dónde:

x: Atenuación total teórica [dB]

a y b: Atenuación del splitter 1 y splitter 2 [dB]

c: Atenuación de la longitud de onda [dB/Km]

d: Distancia del enlace a diseñar [Km]

e: Atenuación del punto de empalme [dB]

f: Cantidad total de puntos de empalme en el enlace [u]

g: Atenuación de los conectores [dB]

h: Cantidad total conectores en el enlace [u]

3. Metodología

La presente investigación se realizó a través de la aplicación de métodos empíricos en el campo,

para, después de revisar la normativa ITU-T G.984 y la “Norma técnica despliegue y tendido redes

físicas telecomunicaciones” del ARCOTEL vigentes, realizar un análisis comparativo entre los

valores teóricos y las mediciones obtenidas en una red FTTH GPON implementada, con el fin de

garantizar que los valores medidos se encuentren dentro de los parámetros de certificación

indicados en la Tabla 2.

La metodología para el proceso de medición y certificación de las redes de acceso GPON se ha

dividido en tres fases, las mismas que se describen a continuación.

En la primera fase, con la ayuda del VFL y el microscopio óptico, se realizarán las mediciones de

caracterización de los elementos pasivos de la red que tienen conectores (splitters, ODFs, NAPs,

rosetas ópticas y otros), para garantizar su óptimo funcionamiento antes de ser instalados en la

red y evitar futuros contratiempos. Además en este punto se realiza el cálculo del presupuesto

óptico teórico del enlace con el fin de tener un valor de referencia, y también se hace la revisión

de las fechas de actualización del software de los equipos de medición.

Una vez conectados estos elementos a los segmentos de red, en la segunda fase se realizan las

mediciones con el OTDR (reflectómetro) para comprobar que los parámetros de atenuación de los

elementos estén dentro de los valores definidos para fusiones, conectores, distancia del cable y

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

otros. En el caso de las fusiones de fibra, el equipo muestra un valor de referencia de atenuación

al momento de alinear los núcleos de la fibra, factor que permite identificar que esté dentro del

rango establecido.

En la tercera fase, una vez finalizada la implementación de la red de acceso ODN, se procede a

certificar en los extremos de los segmentos de red mediante pruebas reflectométricas con el

OTDR y pruebas de potencia con el Power Meter, con el fin de detectar posibles fallas de

atenuación, reflexión, inserción y pérdida de retorno de luz (ORL) en todo el segmento. Esto

permitirá realizar un análisis entre los valores de referencia (valores calculados) y los resultados

obtenidos en las mediciones.

Finalmente se realiza un cuadro de los resultados obtenidos tanto de los valores teóricos como de

los valores medidos para verificar que estos estén dentro de los márgenes establecidos por la

norma, a la vez que servirá como un soporte documentado de la certificación de red de fibra

óptica.

4. Resultados

Con referencia a la fase 1 de la metodología se realizaron las siguientes actividades: cálculo

óptico, Inspección visual con microscopio óptico JDSU P5000i y localizador visual de fallas.

4.1. Cálculo óptico

La Figura 2 presenta un diagrama unifilar de una ODN con los elementos constructivos de la red

de acceso, a fin de determinar la atenuación teórica de extremo a extremo utilizando la ecuación

1.

Figura 2. Diagrama, presupuesto óptico (Norma técnica de diseño de ODN, CNT, 2012).

En la Tabla 5 se realiza el cálculo óptico del diagrama propuesto en la Figura 2.

23

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

Tabla 5. Presupuesto Óptico de un enlace FTTH GPON

Cálculo del presupuesto óptico

Elemento Cantidad Valor de atenuación definido en la norma

G 984.2 [dB]

Valor teórico total [dB]

Fusiones 7 u 0.1 0.7

Conectores 7 u 0.5 3.5

Splitters 1x32 1 u 17.5 17.5

Longitudes de onda

1310nm - 0.35 0

1490nm - 0.22 0

1550nm 2.07 Km 0.22 0.4554

Presupuesto óptico teórico total [dB] 22.22

Cálculo con Máxima distancia DROOP*. * Estos valores corresponden al usuario más alejado de la red.

Feeder 0.46 Km

Distribución 1.29 Km

Dispersión 0.32 Km

TOTAL DISTANCIA [Km] 2.07 Km

4.2. Inspección visual con microscopio óptico JDSU P5000i

En la caracterización de los elementos pasivos de la red que tienen conectores (splitters, ODFs,

NAPs y rosetas) es importante identificar su estado físico con el uso del microscopio óptico por

ser elementos que fácilmente se acoplan, desacoplan y están en continua manipulación del

usuario para garantizar su limpieza y óptimo estado inicial. La Figura 3.a muestra un conector

sucio, mientras que la Figura 3.b muestra el estado ideal del conector limpio y aceptable.

Figura 3. Estados de los conectores

En la Tabla 6 se indican las características técnicas del microscopio óptico JDSU P5000i

utilizando para la verificación de los conectores (Viavi solutions, 2016).

Tabla 6. Características técnicas del microscopio óptico JDSU P5000i.

Microscopio óptico JDSU P5000i

Marca JDSU

Modelo P5000i

Fecha de calibración 23/02/2016

Versión 1.9.1.4578

Release 2

24

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

4.3. Inspección visual con VFL

Antes de utilizar el VFL, se debe considerar la seguridad ocular, la luz que emite este equipo tiene

altos niveles de potencia, en consecuencia, no se debe ver directamente a la luz. Es importante

identificar la continuidad de los elementos pasivos (splitters, pigtails, cable) desde un extremo al

otro. La Figura 4 muestra los diferentes escenarios de este tipo de pruebas.

Figura 4. a) Fallas en diferentes tramos del pigtail, b) Fallas en el inicio del pigtail, c) Pigtail en buen estado

Con referencia a la fase 2 de la metodología, antes de la entrega del enlace, es necesario

comprobar los parámetros de atenuación de la red definidos en Tabla 2 del escenario indicado en

la Figura 5. Para las fusiones en todo el trayecto de la red se utilizó la fusionadora Sumitomo

(Sumitomo Electric, 2016), cuyas características técnicas se muestran en la Tabla 7.

Tabla 7. Características técnicas de la Fusionadora Sumitomo Tipo Q-101 CA+

Fusionadora Sumitomo Tipo Q-101 CA+

Marca Sumitomo

Modelo Tipo Q-101 CA+

Tipos de empalmes MMF/DSF/NZDS/BIF/SPF

Calibración de electrodos 23/03/2016

Una vez finalizada la implementación de la red, se realiza lo especificado en la fase 3 de la

metodología. La comprobación final de la red se realiza mediante pruebas reflectométricas

(OTDR) y pruebas de potencia con el Power Meter (Viavi solutions, 2016). La Tabla 8 muestra las

características técnicas del medidor de potencia.

Tabla 8. Características técnicas del Power Meter JDSU.

Power Meter JDSU

Marca JDSU JDSU

Modelo OLP-34 Transmisor OLP-35 Receptor

Longitud de onda 780 a 1600 nm 780 a 1600 nm

Unidades de medida dB/dBm/W dB/dBm/W

Fecha de calibración 01/02/2016 01/02/2016

Rango de medición de -5 a −50 dBm

Finalmente se presenta un cuadro de resultados con el resumen de los valores obtenidos en cada

tipo de prueba como un soporte para la entrega de una red certificada y en óptimas condiciones.

25

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

4.4. Prueba reflectométrica óptica

Para la realización de estas pruebas se utilizó un reflectómetro (OTDR) cuyas características

técnicas se indican en la Tabla 9 (Viavi solutions, 2016).

Tabla 9. Características técnicas del OTDR T-BERD/MTS-2000.

Reflectómetro JDSU T-BERD/MTS2000

Marca JDSU

Modelo T-BERD/MTS2000

Medidor de potencia óptico Incorporado

Longitudes de onda calibradas 850/1310/1490/1550/1625/1650 nm

Precisión ±0.2 dB

Rango de medición de 5 a −50 dBm

Actualización del software 15.08 23/02/2016

Las medidas reflectométricas pueden ser eficazmente analizables solo cuando la configuración del

equipo (ancho de impulso, tiempo de muestreo, longitud de onda, umbrales, etc.) es la adecuada.

En la Figura 5 se presenta la configuración de los principales parámetros correspondientes a

pruebas reflectométricas a base de la Tabla 2.

Figura 5. Parámetros de configuración OTDR T-BERD/ MTS-2000

Al realizar el trabajo técnico, una vez que los parámetros del equipo de medición fueron

configurados con base a la Tabla 2, se realizan las pruebas respectivas en el conector de la roseta

óptica se obtiene la gráfica que se encuentra en la Figura 6, la cual hace referencia a los

resultados de la presente investigación.

Figura 6. Resultado prueba reflectométrica.

26

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

Las pruebas reflectométricas en la Tabla 10 muestran resultados a base del presupuesto óptico

teórico calculado en la ventana de transmisión de 1550 nm.

Tabla 10. Resultados, prueba reflectométrica.

Evento 1, en la columna Rel. Dist., se observa la medida de la bobina de lanzamiento de 1007.05

metros, conectada antes del enlace de fibra a certificar para conocer la pérdida real en el conector

de la roseta, en la columna Loss (dB) presenta el valor de atenuación de este elemento (0.388

dB).

Evento 2, en la columna Rel. Dist., se observa una distancia de 450.56 metros con un Slope

(pendiente) de 0.133 dB/Km se obtiene la atenuación de acuerdo con la distancia del cable hasta

este evento (0.059 dB). La columna Loss dB presenta la atenuación real en el divisor óptico

(15.878 dB). En la columna Total loss se presenta el resultado de la suma entre 0.388 dB y 0.059

dB con un total de atenuación hasta este evento de 0.447 dB, cabe recalcar que el valor de

atenuación del divisor óptico no se considera en el Total loss ya que la señal aún no pasa de este

elemento.

Evento 3, en la columna Rel. Dist. se observa una distancia de 1599.28 metros se obtiene una

atenuación de segmento de 0.319 dB. La columna Loss dB no muestra ningún valor ya que

estamos en el extremo del enlace, conocido como fin de fibra. En la columna Total loss se

presenta el resultado de la suma entre 15.878 dB; 0.447 dB y 0.319 dB con una atenuación del

enlace de 16.643 dB.

Tabla 11. Comparación valores teóricos y medidos.

Comparación valores teóricos y medidos

Elemento Cantidad Valor de atenuación definido en la norma

G 984.2 [dB]

Valor teórico total [dB]

Medición OTDR MTS 2000 [dB]

Fusiones 7 u 0.1 0.7 0.0

Conectores 7 u 0.5 3.5 0.388

Splitters 1x32 1 u 17.5 17.5 15. 878

Longitudes de onda

1310nm - 0.35 0 0

1490nm - 0.22 0 0

1550nm 2.07 Km 0.22 0.4554 0.378

Presupuesto óptico teórico total [dB] 22.22 16.648

Cálculo con Máxima distancia DROOP*. * Estos valores correspondes al usuario más alejado de la red.

Feeder [Km] 0.46 0.449

Distribución [Km] 1.29 1.285

Dispersión [Km] 0.32 0.315

TOTAL DISTANCIA [Km] 2.07 2.049

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

Una vez realizado el cálculo teórico y la prueba técnica en campo, en la Tabla 11 (previa) se

comprobó que el valor de atenuación total medido es menor al valor de atenuación teórico

calculado, determinando así que la red diseñada e implementada cumple con la normativa ITU-T

G 984.2 (ITU-T, 2012), garantizando el correcto funcionamiento de los servicios de acuerdo al

escenario de la Figura 5.

En la Tabla 12, se muestran las posibles fallas comunes en los diferentes tipos de prueba

realizadas en la red.

Tabla 12. Discusión de resultados.

Discusión de resultados.

Causa Criterio Solución

La cara terminal del conector de la fibra óptica

está sucia, rayada o dañada.

La atenuación del conector de fibra óptica es mayor que la

atenuación teórica, valores de ORL fuera de rango.

*OTDR

Comprobar el estado de los elementos con conectores antes de ser implementados

con el uso del microscopio óptico. Limpiar o cambiar el elemento de ser

necesario.

El conector de fibra óptica esta: demasiado apretado

o flojo.

Acople de conectores de fibras ópticas de

diferentes pulidos.

Los valores de potencia del enlace no son adecuados.

*Power Meter.

Asegurar que el elemento esté acoplado correctamente.

Identificar y realizar el correcto acople entre conectores PC (azul) y conectores APC

(verde), en los elementos de la red y equipos de medición.

La fibra óptica está doblada en exceso o rota.

La reflexión y el ORL de la ODN son anormales. *OTDR

La fibra óptica tiene fugas de luz. *VFL (distancia menor a 1000 m).

Identificar la distancia del evento, en caso de ser una reserva de fibra óptica, realizar

los trabajos respectivos. Si el daño es considerable, remplazar la

fibra óptica.

El divisor óptico esta defectuoso o el adaptador de fibra óptica del divisor

El divisor óptico esta defectuoso o el adaptador de fibra óptica del divisor

no está limpio.

La atenuación del divisor óptico es mayor que la atenuación

teórica. *OTDR

Limpiar el adaptador de fibra del divisor óptico.

Remplazar el divisor óptico si está defectuoso.

La atenuación y potencia óptica del enlace no se

encuentran en los rangos establecidos.

La potencia óptica recibida en la ONT es mayor que -8 dBm según

las pruebas realizadas. *Power Meter

Añadir un atenuador óptico entre la OLT y ONT.

La atenuación óptica del enlace entre la OLT y la ONT es

excesivamente pequeña. El rango de atenuación normal es de 15 a

25 dB de acuerdo con el presupuesto óptico. *OTDR

La ODN no se planifica adecuadamente.

El ODN no cumple con los requisitos del plan de enlace

ODN o GPON Clase B +.

Optimizar la ODN para cumplir con los requisitos de planificación de la ODN.

NOTA: la relación de división del enlace de la

ODN no está determinada por el número de terminales ONT

conectados sino por la relación de división de los

divisores ópticos.

La cobertura de la red de la ODN es superior a 20 km.

28

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

5. Conclusiones y Recomendaciones

El diseño de una red de distribución óptica, debe ser cuidadosamente revisado antes de la

implementación y configuración. Entre los factores que influyen para lograr un buen diseño se

deben señalar: los costos, la vida útil, el tamaño del sitio, la cantidad de usuarios, la flexibilidad

con los servicios soportados, así como también se debe revisar la Resolución 568, Registro Oficial

615 de 26-oct.-2015.-ARCOTEL.

En las redes FTTH GPON, se recomienda realizar las pruebas reflectométricas desde la ONT

hasta la OLT. Las distancias del cable en la red son importantes para detectar puntos de fusión,

eventos de curvatura, conectores y splitters instalados en la red de distribución óptica; la

información de la distancia tiene que ser precisa para determinar la atenuación de la fibra. Las

reflectancias tienen un gran impacto en la calidad del enlace, si la pérdida es muy alta y

sobrepasa el presupuesto óptico teórico el receptor no podría recibir la potencia suficiente para

recuperar la señal, afectando al ORL, este causará interferencia inter simbólica (ISI) y reducirá la

Relación Señal a Ruido (OSNR) lo que puede ocasionar un incremento en la tasa de errores de

bits.

Para redes PON las longitudes de onda mínimas son de 1310/1550 nm. Para mediciones, es

importante contar con equipos que contemplen la banda de 1650 nm para ser utilizada cuando

una fibra óptica este trabajando con bajo tráfico en tiempo real.

Los contratistas deben considerar los resultados indicados en la tabla 8 ya que la misma se

obtuvo después de realizar varias mediciones puesto que certificar una ODN que cumple los

estándares y normas técnicas nacionales e internacionales de funcionamiento, garantiza la

correcta instalación, inversión, la fiabilidad de la estructura, mayor rendimiento, seguridad y

disponibilidad. Además de ser una documentación indispensable, pues diagnostica exactamente

los fallos, además de identificar si la causa es una instalación incorrecta, si los materiales cumplen

con lo dispuesto en las normas técnicas, y facilitar su posible mantenimiento y reparación.

Es recomendable abrir el debate para establecer modelos de certificación de la arquitectura FTTH

con tecnología GPON a base de este estudio realizado, tomando en consideración las

indicaciones del ente regulador respectivo, normativas aplicadas por las distintas operadoras y los

modelos de diseños implementados, para garantizar “que el país cuente con redes de

telecomunicaciones de alta velocidad y capacidad distribuidas en el territorio nacional, que

permitan a la población entre otros servicios, el acceso al servicio de Internet de banda ancha."

(ARCOTEL, 2015).

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.16 - 30

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/10/04 Aceptado (Accepted): 2016/11/26

CC BY-NC-ND 3.0

Evaluación de un reactor aerobio piloto con medio de soporte

de polietilentereftalato (PET) para tratamiento de efluente

lechero

(Evaluation of a pilot aerobic reactor with polyetilenterephtalate

(PET) as support material for dairy wastewater treatment)

Marcelo Muñoz1, Jessica Reina1, María Belén Aldás1

Resumen:

Se instaló un reactor piloto de flujo pistón aerobio horizontal, con medio de soporte PET

(polietilentereftalato), reciclado de botellas plásticas para el tratamiento de un sustrato sintético

elaborado a partir de suero lácteo, con concentraciones de demanda química de oxígeno

(DQO) entre 800 y 2100 mg/L. Se utilizó un inóculo bacteriano aclimatado con el afluente a

tratarse. Se determinaron eficiencias de remoción de materia orgánica del 62.2%, 85% y 94%,

operando con tiempos de retención de 5.14, 6.01 y 8.01 horas y trabajando con valores de

cargas orgánicas volumétricas (Lv) de 7.68, 6.19 y 4.61 kg/día.m3, respectivamente.

Adicionalmente, se calculó la constante cinética de transferencia másica (k), con un valor de

0.02 m/día y además, se determinó un factor de carga (F/M) de 0.4, indicando que el proceso

se asemeja a un sistema de aireación prolongada. Finalmente, se realizó un análisis de la

biomasa generada en el interior del reactor, obteniendo un valor de 11560 mg/L, el cual es

mayor al valor de los sistemas convencionales.

Palabras clave: agua residual; reactor aerobio; industria láctea; PET.

Abstract:

A pilot aerobic horizontal plug flow reactor filled with pieces of PET (polyethylene terephthalate),

from plastic bottles was installed for treatment of a synthetic substrate prepared from lactic

whey with COD values of 800 to 2100 mg/L. A bacterial inoculum previously acclimated to the

substrate was used. Organic material removal efficiencies of 62.2%, 85% y 94% were obtained

with retention times of 5.14, 6.01 and 8.01 hours, and with volumetric organic loads (Lv) of 7.68,

6.19 and 4.61 kg/day.m3, respectively. Also, the kinetic mass transfer constant (k) was

calculated and it presented a value of 0.02 m/day. On the other hand, an F/M ratio of 0.4 was

determined, indicating that the process had a similar performance to an extended aeration

system. Finally, the biomass generated inside the reactor was analyzed, obtaining a value of

11560 mg /L, which is a higher value than those of conventional systems.

Keywords: wastewater; aerobic reactor; dairy industry; PET.

1 Escuela Politécnica Nacional, Quito – Ecuador (maria.aldas@epn.edu.ec)

32

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

1. Introducción

La industria láctea es considerada una de las más contaminantes, pues genera desechos con

gran volumen que se caracterizan por presentar altos valores de DBO5 (40 a 48000 mg/l) y DQO

(80 a 95000 mg/l) (Kushwaha, Srivastava y Mall, 2011) además de grasas, nutrientes, lactosa y

detergentes. Se ha estimado que se generan de 0.2 a 10 litros de efluentes por litro de leche

procesada (Shete y Shinkar, 2013). El lactosuero es un subproducto caracterizado como

contaminante. Cada 1000 litros de lactosuero generan cerca de 35 kg de DBO y cerca de 68 kg de

DQO, cuya carga contaminante es equivalente a la de las aguas negras producidas en un día por

450 personas (Centro de Producción Más Limpia de Nicaragua, 2003). Los nutrientes que

contienen estas aguas residuales pueden causar eutrofización en cuerpos hídricos; disminuyen la

cantidad de oxígeno disuelto y por tanto restringen la vida acuática (Carta-Escobar, Pereda-Marín,

Álvarez-Mateos, Romero-Guzmán, Durán-Barrantes y Barriga-Mateos, 2004).

Varias son las alternativas para la reducción de la contaminación causada por esta industria, entre

las cuales destaca el tratamiento anaeróbico de las aguas residuales, reactores anaerobios con

material plástico de relleno usados para el tratamiento de efluentes de industrias lecheras han

permitido una remoción de hasta 85 % de la carga orgánica expresada como DQO (Muñoz,

Fuentes y Aldás, 2016). Sin embargo, pueden presentarse algunos inconvenientes en este tipo

de tratamiento, dado que los componentes grasos limitan la acción de las bacterias

metanogénicas, por ello se aplican en su lugar tratamientos biológicos aerobios, como lagunas

aireadas, lodos activados, reactores biológicos secuenciales, entre otros, donde se han reportado

eficiencias de remoción de materia orgánica, como DBO con valores entre 57 y 99 % (Kuswaha, et

al 2011). También se han ensayado procesos de electrocoagulación en aguas residuales de

industria del yogur, con remociones de hasta 93 % de DQO y 82 % de DBO5 (López y Harnisth,

2016).

Dentro de los tratamientos aerobios, toman importancia aquellos que pueden llevarse a cabo

mediante la formación de biofilm o biopelícula, que consiste en una estructura compleja de

canales de agua y aireación, permitiendo el transporte de alimentos, desechos y oxígeno para el

desarrollo de diversos grupos bacterianos (Kourkoutas, 2004). Así existen estudios de tratamiento

de efluentes de industrias lecheras mediante biofiltración con remociones de 99 % de DQO y de

DBO5 (Prócel, Posligua y Banchón, 2016). Los microorganismos formadores de biopelícula poseen

algunas ventajas sobre microorganismos suspendidos, entre estas: mayor persistencia dentro del

sistema, mayor tasa de crecimiento, mayor incremento en la actividad metabólica y mayor

resistencia a la toxicidad (Lapo, 2014). Con el fin que se beneficie la formación de biopelícula,

suele emplearse un medio de soporte, por lo general los más utilizados son los plásticos que

poseen alta superficie específica (650 m2/m3 para este estudio), lo cual favorece la adhesión de

los microorganismos y la formación de una película biológica que asegure el atrapamiento, en los

33

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

espacios vacíos del lecho, de flóculos microbianos no adheridos (Baecheler, Zambrano y Urrutia,

2001).

Por lo anterior, en esta investigación, se utiliza un reactor horizontal aerobio para el tratamiento de

agua sintética elaborada a partir de lactosuero, con el fin de evaluar su eficiencia en la remoción

de la carga orgánica contaminante y los parámetros de diseño. El reactor tiene relleno de PET

(polietilentereftalato), plástico cuya principal aplicación es la fabricación de botellas, que genera un

impacto negativo en el ambiente. Adicionalmente, se aplica un modelo matemático para la

obtención de la constante cinética de transferencia másica.

2. Metodología

Se construyó el reactor con tubería de PVC (policloruro de vinilo) de forma horizontal con un

diámetro de 58 mm y una longitud de 750 mm, con salidas para la espuma producto de la

agitación del agua con lactosuero debido al ingreso del aire proveniente de los difusores. A partir

de la ecuación 1:

v

o

L

SQV

. (1)

Donde:

vL : Carga volumétrica, g/L.día

Q : Caudal, L/día

oS : Concentración DQO, g/L

V : Volumen, L

Al tomar como punto de partida para la experimentación una oS de 2.1 g/L y un Q de 9.48 L/día, y

como referencia una vL de 9.6 g/L.día (Arango y Sanches, 2009), se obtuvo un volumen del

reactor de 2.07 L.

Así se obtuvo la relación Diámetro/Longitud = 1/13, que garantiza un flujo predominantemente

pistón (Alvis, 2015).

La alimentación al reactor se realizó por gravedad, como muestra la Figura 1, el agua residual

elaborada a partir de lactosuero ingresó de manera continua a través del reactor sin recirculación;

el suministro de aire mediante difusores, permitió obtener concentraciones de oxígeno mayores a

los 2 mg/L.

En la Figura 1, se observa la zona que corresponde al reactor (4) que contiene al medio de

soporte PET, en forma de V y los difusores de aire (3) en constante burbujeo, que proviene de los

aireadores (2), además del sistema de alimentación (1), donde ingresa el afluente a tratar en

diferentes cargas y salida del efluente (5).

34

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

Con el fin de garantizar un funcionamiento aerobio y una correcta difusión del oxígeno, se inclinó

al reactor con respecto de la horizontal; adicionalmente, se protegieron de la luz todas las

mangueras y las entradas y salidas del reactor, para evitar el crecimiento de algas.

a)

b)

Figura 1. a) Esquema del reactor aerobio biológico horizontal b) Reactor instalado

Las características del reactor se presentan resumidas en la Tabla 1.

Tabla 1. Características del reactor aerobio

Parámetro Valor Unidad

Volumen total 2 L

Volumen útil 1.73 L

Diámetro del reactor 58 Mm

Largo del reactor 0.75 M

Inclinación sobre la horizontal 5 Cm

El medio de soporte consistió en pedazos de PET (polietilentereftalato), procedentes de botellas

plásticas, de forma rectangular de dimensiones entre 2 y 4 cm a los cuales luego se dobló en

forma de V para permitir que las colonias de bacterias se adhieran y evitar que se elimine con el

efluente la biopelícula generada; el volumen del medio de soporte ocupó el 13.79 % del reactor,

quedando un volumen libre para el tratamiento de 1.73 L. El medio de soporte se mantuvo dentro

del reactor sin ser arrastrado debido a que el flujo es laminar, con velocidades relativamente

bajas. El material de relleno puede permanecer en el reactor indefinidamente.

35

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

Se utilizó un inóculo de bacterias facultativas monitoreadas mediante el análisis de SSV,

procedentes del agua de un río, tomando un volumen de 1400 ml de lodo biológico con 100 ml de

sustrato, preparado a partir de lactosuero, con una resiembra de inóculo de 30 ml en la primera

semana, 100 ml en la segunda y 100 ml en la tercera luego de los primeros 21 días de operación,

en los cuales se añadió bicarbonato de sodio para mantener el pH en el rango de 6.5 a 7.5, rango

que se mantuvo durante toda la investigación. Se adicionaron nutrientes, nitrógeno y fósforo

hasta alcanzar la relación DBO/N/P = 100:5:1, para que las bacterias puedan desarrollarse y

lleguen a su nivel máximo de crecimiento. La temperatura de trabajo fue de 15 – 17 °C.

Los parámetros de control evaluados fueron: DQO (eficiencia de remoción de materia orgánica),

mediante el método APHA 5220 DQO D; pH utilizando un pHmetro de mesa; sólidos suspendidos

totales, SST, a través del método gravimétrico 2540 B y sólidos suspendidos volátiles, SSV, a

través del método de ignición SM 2540 E; el tiempo de retención hidráulico, TRH; la carga

orgánica volumétrica, Lv; la carga orgánica superficial, Ls; la superficie específica, Se; la relación

biomasa-carga orgánica, Y, y el factor de carga, F/M, son parámetros con los cuales se

experimentó.

La experimentación consistió en la aclimatación durante 21 días y operación del reactor hasta su

estabilización, con una duración de 81 días. Para la etapa de aclimatación se consideraron los

siguientes aspectos: el caudal fue de 2.8 mL/min, el tiempo de retención de 10.3 h y la DQO del

afluente de 1000 – 2100 mg/L. La etapa de operación se dividió en 3 fases para la recolección de

datos que servirán para la obtención de la constante másica de remoción de materia orgánica (k),

así:

• Fase I: se llevó a cabo en un período de 26 días, con un caudal constante de 5.6 mL/min

(0.008064 m3/d), con un tiempo de retención de 5.14 horas

• Fase II: se llevó a cabo en un período de 23 días, con un caudal constante de 4.8 mL/min

(0.006912 m3/d), con un tiempo de retención de 6.01 horas

• Fase III: se llevó a cabo en un período de 32 días, con un caudal constante de 3.6 mL/min

(0.005184 m3/d), con un tiempo de retención de 8.01 horas

Terminada la etapa de operación se analizó la biopelícula formada sobre el material de soporte,

determinándose la cantidad de SSV, cuyos valores permitieron la determinación de la

concentración de biomasa y del parámetro Y.

3. Resultados y Discusión

En la Tabla 2, se muestra un resumen de los valores promedio de los parámetros de control

obtenidos en la etapa de operación.

36

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

Tabla 2. Parámetros de control en la etapa de operación del reactor aerobio

TRH (h)

Carga volumétrica afluente, Lv

(kg/día.m3)

Carga orgánica superficial, Ls

(kg/día.m2)

Factor de carga (F/M)

Eficiencia remoción

(%)

5.14 7.28 0.01190 0.7 67.2

6.01 6.16 0.00952 0.5 85

8.01 4.61 0.00713 0.4 94

Los factores de carga (F/M), que se muestran en la Tabla 2, expresan la relación entre la carga

orgánica que entra al sistema y la cantidad de microorganismos que se encuentran en el interior

del reactor, indicando que el tratamiento se asemeja a un sistema de lodos activados

convencionales (0.5 d-1- 0.8 d-1) (Oliviera, 2001), mientras que para un tiempo de retención

hidráulico de 8.01 horas, el sistema tiende al comportamiento de un tratamiento de lodos

activados de aireación prolongada. El factor de carga fue calculado mediante la ecuación 2:

XV

SQ

M

F o. (2)

Donde:

M

F: Factor de carga, día-1

Q : Caudal, L/día

oS : Concentración DQO en el afluente, g/L

V : Volumen, L

X : Concentración de biomas, g/L

En la Figura 2, se aprecia la variación de la DQO del afluente y del efluente y la eficiencia de

remoción, con respecto al tiempo de reacción; se observa que para todos los tiempos de

retención, se logra una remoción considerable.

Figura 2. Variación DQO afluente y DQO efluente - Eficiencia vesus tiempo de experimentación

Se observa, a partir de la figura anterior, en la fase I: valores promedio de DQO afluente de 1647

mg/L, y de DQO efluente de 522 mg/L, en la fase II: valores promedio de DQO afluente de 1543

37

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

mg/L, y de DQO efluente de 219 mg/L, en la fase III: valores promedio de DQO afluente de 1541

mg/L, y de DQO efluente de 94 mg/L, 32 días; estos resultados indican que mientras mayor es el

tiempo de retención, la eficiencia de remoción del reactor presenta valores más elevados.

En la Figura 3, se aprecia, en la fase I, valores de carga volumétrica entre 5 y 9.4 kg/día.m3, con

un promedio de 7.8 kg/día.m3. En la fase II, valores de 4.2 a 8.4 kg/día.m3, con un promedio de

6.19 kg/día.m3. En la fase III, los valores estuvieron entre 3.2 a 6.3 kg/día.m3, con promedio de

4.6 kg/día.m3, donde se obtuvo la máxima remoción de materia orgánica, con un valor del 94.5%.

Figura 3. Lv afluente - Eficiencia de remoción vs. tiempo de experimentación

En la Figura 4, se presenta los valores promedios de la carga orgánica volumétrica (Lv), con la

cual operó el reactor en cada una de las fases y las eficiencias en promedio alcanzadas.

Figura 4. Lv afluente versus Eficiencia de remoción

Las eficiencias de remoción aumentan cuando la carga orgánica disminuye y cuando el tiempo de

retención aumenta, en un estudio realizado en un reactor SBR y otro reactor SBR modificado con

2.7 m2 de material plástico de soporte (Sirianuntapiboon, Jeeyachok y Larplai, 2005), concordando

38

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

con los resultados encontrados, esto debido a que el factor de carga disminuye y la biomasa tiene

mejores condiciones de crecimiento.

A cargas menores a 1 kg/día.m3, la eficiencia de remoción tiene un valor mínimo de 82%, en un

estudio realizado en dos tipos de sistemas de tratamiento aerobio, el primero con un reactor y el

segundo con tres reactores en cascada, donde el efluente lechero sintético presentó

concentraciones de 4000 mg/l de DQO (Carta-Escobar, et al 2004), en este estudio, se tienen

cargas de 4.61 kg/día.m3 con eficiencias de 94%, lo cual indica que la concentración de la materia

orgánica del afluente tiene influencia en el comportamiento de la biopelícula.

La carga orgánica superficial, Ls, se determinó al igual que Lv, para cada una de las fases en

promedio con las cuales funcionó el reactor, lo que se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Ls afluente - Eficiencia de remoción versus tiempo de experimentación

En la fase I se observan los valores de la carga orgánica superficial más elevados, entre 0.008 y

0.015 kg/día.m2, con valores de eficiencia entre 45% y 81%. En la fase II los valores de la carga

orgánica superficial disminuyen, con valores entre 0.0066 y 0.012 kg/día.m2, con valores de

eficiencia entre 77% y 91%. En la fase III se observan los valores de la carga orgánica superficial

más bajos entre 0.0066 y 0.007 kg/día.m2, con valores de eficiencia entre 80% y 95%; a medida

que la carga orgánica superficial disminuye, la eficiencia aumenta, este comportamiento se debe a

que existe menor carga orgánica por área de biopelícula, lo cual favorece el metabolismo celular.

Terminada la etapa de operación se analizó el lodo biológico formado en el interior del material de

soporte, así puede observarse en la Figura 6, la biopelícula formada sobre el medio de soporte;

para los SST se registró una masa de 25 g y para los SSV, una de 20.13 g. Con estos datos, se

procede a calcular el resto de parámetros de operación, que se muestran en la Tabla 3.

Lateef, Chaudhry e Ilyas (2013) examinaron un reactor de lodos activados que trataba efluente de

la industria lechera a una temperatura de 16 -24 °C con tiempos de retención hidráulicos de 2 a 12

39

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

días, y encontraron que la eficiencia aumenta con el tiempo de retención. Para factores de carga

de 0.21 – 0.98, se determinaron eficiencias de 98.3 – 84.5 %; para el mismo valor promedio del

factor de carga, se tiene una eficiencia menor en el presente estudio. Se indica también que para

aguas residuales de industria lechera, el valor de Y suele encontrarse alrededor de 0.20 kg

VSS/Kg de DQO, valor similar al determinado.

Figura 6. Biopelícula formada sobre el medio de soporte PET

Tabla 3. Valores calculados de los parámetros de operación del reactor aerobio

Parámetro Valor Unidad

Concentración de biomasa, X 11560 mg/L

Superficie específica (Se) 650 m2/m

3

Relación biomasa – carga orgánica, Y

0.28 -

En un reactor SBR trabajando con efluente lechero con concentraciones de DQO de 400 a 2000

mg/l, se alcanzaron eficiencias superiores al 90 %, cuando la concentración de biomasa fue de

3000 mg/l (Mohseni-Bandpi y Bazari, 2004), mientras que en este estudio la concentración de

biomasa fue tres veces mayor, indicando que el tamaño del reactor puede optimizarse.

A partir de los datos experimentales determinados en el sistema de tratamiento piloto se

determinó el coeficiente de transferencia másico, k, utilizando la ecuación 3, definida para un

reactor tipo flujo pistón donde la remoción de la carga orgánica está representada por una cinética

de primer orden (Mara, 1976); esta ecuación permite el cálculo del volumen de relleno de un

reactor en función de la calidad del agua de entrada y de salida.

Q

SVk

Le

Li e.ln (3)

Donde:

Li : DQO del afluente, mg/L

Le : DQO del efluente, mg/L

eS : Superficie específica del medio de soporte, m2/m3

V : Volumen útil del reactor, m3

Q : Caudal, m3/día

k : Coeficiente de transferencia másica, m/día

40

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

Con los datos de la DQO del afluente y del efluente en cada etapa de operación, si se consideran

los valores de la superficie específica y el caudal, se obtiene la Figura 7, donde la pendiente de la

recta obtenida equivale al coeficiente k. Así se obtiene un valor de 0.02 m/día.

Figura 7. Determinación del coeficiente másico k

El modelo es dependiente de la temperatura, y valor de k en esta experimentación correspondió a

una temperatura ambiente de operación, en promedio de 16º C.

Finalmente, el modelo cinético para este reactor horizontal con medio de soporte PET, se expresa

mediante la ecuación 4:

Q

SeV

eLe

Li02.0

(4)

3. Conclusiones y Recomendaciones

El reactor aerobio horizontal operó hasta una estabilización efectiva del residuo, representada por

la concentración de microorganismos o biomasa presente de 11560 mg/L.

El valor del factor de producción de biomasa, Y, es de 0.28, valor de un sistema de lodos

activados de aireación prolongada.

Las eficiencias promedio obtenidas en cada una de las fases como máximas de estabilización,

fueron de 67.2%, 85% y 94.5%, con cargas orgánicas volumétricas de 7.25, 6.16 y 4.61 kg/día.m3

respectivamente, con un tiempo de retención hidráulico de 5.14, 6.01 y 8.01 horas, y con períodos

de 23, 26 y 32 días respectivamente.

Se obtuvo un modelo cinético de la remoción de la materia orgánica específica para el reactor

aerobio biológico horizontal, en base a tres tiempos de retención analizados, con la finalidad de

establecer parámetros de diseño en base a las necesidades finales del tratamiento de aguas

residuales.

Se observó una buena formación de biopelícula, en el material de soporte PET, con forma

gelatinosa y con un espesor de 3 mm, lo cual asegura el consumo de la materia orgánica.

En el lodo final se obtuvo una relación de factor de carga de 0.7, 0.5 y 0.4, la cual disminuye en

cada una de las fases, con sus respectivas condiciones de operación, y se obtiene un mayor

y = 0,02x - 1,5442

0

2

4

0 50 100 150 200 250

Ln L

i/Le

V Se/ Q

41

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.31 - 42

porcentaje de eficiencia de remoción de materia orgánica en la tercera fase, con un tiempo de

retención hidráulico mayor; con un F/M = 0.4, lo cual indica un sistema de lodos activados

tendiente a aireación prolongada.

Se recomienda verificar durante el funcionamiento del reactor que las condiciones ambientales

sean las adecuadas para el desarrollo de la biopelícula y por tanto para lograr altas eficiencias de

remoción de materia orgánica, en especial el valor del pH.

Se recomienda además realizar el análisis de los lodos de drenaje, en cuanto al valor del factor de

carga, para verificar la estabilidad de los mismos.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/07/25 Aceptado (Accepted): 2016/12/02

CC BY-NC-ND 3.0

Efecto del uso de hidrógeno en la potencia y rendimiento de un motor

de combustión interna

(Effect of using hydrogen in the power and performance of an internal

combustion engine)

Edwin Tamayo1, Carlos Rosales1, Alex Guzmán1, Paúl Pazmiño2

Resumen:

En el presente estudio se analizaron los parámetros del funcionamiento real de un motor de

combustión interna ciclo Otto, que utiliza como combustible hidrógeno más gasolina; se

determinaron dos ecuaciones estequiométricas. En la primera ecuación, los reactivos son el

octano y el aire, en la segunda ecuación se adicionó la cantidad real de 3.86 moles de H2

obtenidas de una celda de hidrógeno. A partir de las ecuaciones químicas se determinaron dos

sistemas de ecuaciones para obtener el consumo y la potencia, manteniendo las condiciones a

la altura de Quito de 2850 msnm, 72.794 kPa de presión atmosférica y 300 K de temperatura

ambiente. Se utilizó un motor monocilindro alimentado con hidrógeno más gasolina, y se

obtuvieron datos reales de potencia del motor con las mezclas aire-gasolina e hidrógeno-

gasolina. La potencia teórica sin H2 fue 3.91 HP y con H2 de 5.41 HP, con un aumento del

27.1%; la potencia real es 3.78 HP sin H2 y 4.66 HP con H2, la cual se incrementó en un 16.7%.

El consumo de combustible teórico es 401.61 g/kWh y con adición de H2 es menor a 373.52

g/kWh; el consumo real que indica el fabricante es 395 g/kWh.

Palabras clave: hidrógeno; estequiometrías; Otto; potencia

Abstract:

This study analyzed the real working parameters of an Otto cycle internal combustion engine,

using as fuel hydrogen plus gasoline. Two stoichiometric equations were determined. In the first

equation, the reagents are octane and air, in the second equation was added the quantity of

3.86 H2 moles obtained from a hydrogen cell. Two sets of equations, for consumption and

power, were determined from the chemical equations, working at the conditions of Quito:

altitude 2850 msnm, 72.794 kPa of atmospheric pressure and 300 K of temperature. A single

cylinder engine powered with hydrogen plus gasoline was used for getting real data of engine

power, using mixtures of air-gasoline and hydrogen; the theoretical power without H2 was 3.91

HP and with H2 5.41 HP, it increased 27.1%, the real power is 3.78 HP without H2 and 4.66 HP

with H2, it increased 16.7%. Theoretical fuel consumption is 401.61 g/kWh and addition of H2 is

less to 373.52 g/kWh, the actual consumption that indicates the manufacturer is 395 g/kWh.

Keywords: hydrogen; stoichiometric; Otto; power

1 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador ( edwin.tamayo, carlos.rosales, alex.guzman

@ute.edu.ec) 2 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador (paulpaz512g@gmail.com.ec)

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

1. Introducción

Las tecnologías de los autos están continuamente en renovación, tanto en diseño cuanto en

construcción de motores de combustión interna, con lo cual se ha elevado el rendimiento

relacionado al incremento de potencia sin que dé como resultado un consumo elevado de

combustible, ya que a mayor consumo mayor producción de emisiones de gases contaminantes

son emanados a la atmósfera.

Con la intención de aportar con un estudio y alternativa tecnológica eficiente para disminuir las

emisiones contaminantes y obtener un mejor rendimiento en la potencia de los motores de

combustión interna, se ha optado por el uso del hidrógeno como combustible mediante un sistema

de generación e inyección del mismo en el motor durante el proceso de admisión del motor,

además de ser un estudio base para desarrollo tecnológico en ciudades de altura (respecto al

nivel del mar) como es el caso de la ciudad de Quito, la misma que está a una altura promedio de

2850 metros.

Los problemas derivados de la actual política energética son aquellos relacionados con la

contaminación. Algunos de los contaminantes generados en la combustión de los hidrocarburos

son responsables de numerosas enfermedades pulmonares (Fàbrega, 2009), mientras que otros,

como el monóxido de carbono en altas concentraciones, aumentan la probabilidad de sufrir un

infarto (Bennaceur et al., 2005). Estos contaminantes no solo afectan directamente al ser humano,

sino que también lo están haciendo de forma indirecta gracias al temido efecto invernadero, del

que ya se están empezando a notar sus efectos en el clima global (Velástegui et al., 2015).

Por numerosas razones, el punto de introducción para la energía con base en el hidrógeno es el

sector del transporte. Los consumidores pagan considerablemente mucho más por la energía

utilizada en el transporte que por la electricidad o el gas empleado para fines domésticos (esta

relación podría ser, conservadoramente, hasta de 8 a 1 para una familia de clase media). Más

aún, el sector del transporte tiene también un gran potencial de ganancias por eficiencia de

combustible. En efecto, la eficiencia de los automóviles modernos es de alrededor del 13 por

ciento durante el ciclo de manejo urbano, en tanto que los vehículos a hidrógeno, ya sean híbrido-

eléctricos o de celdas de combustible, podrían alcanzar eficiencias del orden de entre 35 y 45 por

ciento. Los vehículos impulsados por hidrógeno o con mezclas gasolina - hidrógeno pueden

cumplir con la demanda creciente de bajas o cero emisiones (Gutiérrez, 2005).

Un prototipo funcional de vehículo dual (hidrógeno/gasolina) fue desarrollado en base a un

Volkwagen Polo 1.4, el funcionamiento dual (hidrógeno/gasolina) permite a un vehículo funcionar

con hidrógeno en recorridos urbanos, reduciendo así la contaminación. Para rutas interurbanas y

mayores distancias se puede hacer uso de la gasolina gracias a su mayor potencia y autonomía.

Esta tecnología sería aplicable de forma inmediata y a un coste razonable, mientras se va

45

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

desarrollando el vehículo de pila de combustible, y podría ayudar al despliegue de la

infraestructura del hidrógeno (Sáinz, 2014).

La adición de hidrógeno con el uso de gasolina extra genera mejores resultados en comparación a

un motor funcionando con gasolina súper; incrementando la potencia, torque y reduciendo en su

mayoría las emisiones contaminantes para ambos casos, al igual que el consumo para el caso de

gasolina extra. Las emisiones contaminantes analizadas tuvieron una disminución de CO2 con

4.43%, los HC en 1.76%, los NOx con 11.82%, y un aumento en CO con 1.43% y el O2 en 6.03%

en relación con los análisis con gasolina súper (Velástegui et al, 2015).

El hidrógeno (H2) es un gas incoloro, inodoro e insípido que es 14.4 veces más ligero que el aire.

Su masa atómica y molecular son 1.007940 kg/kmol y 2.01588 kg/kmol respectivamente. Se

encuentra en estado gaseoso a 25ºC y 1 atm (101.325 kPa) y su temperatura de fusión es de

-259.2ºC. La temperatura de ebullición de esta sustancia es de -252.77ºC. La constante específica

del gas (que equivale a la constante universal de los gases entre el peso molecular del hidrógeno)

es 4124.3 J/kgK y su constante de difusión es 0.61 cm2/s. El hidrógeno gaseoso es muy

inflamable y arde en concentraciones muy bajas en aire (4% de H2). La entalpía de combustión del

hidrógeno es -286 kJ/mol (Familiar, 2011).

Los sistemas duales consisten en usar una cantidad relativamente pequeña de hidrógeno para

modificar las características de la combustión y de las emisiones, o bien usar cantidades mayores

de hidrógeno como fuente principal de energía y controlar el encendido mediante la inyección de

otro combustible dentro de la cámara de combustión. El hidrógeno tiene unas ventajas

destacables comparadas con las de otros combustibles alternativos ya que este gas no contiene

carbono, aspecto que resulta en una casi total eliminación de las emisiones de CO, CO2 y de

hidrocarburos no combustionados (HC) (Familiar, 2011).

En el caso que el motor utilizado fuera de encendido mediante chispa, se podría utilizar hidrógeno

como único combustible (single-fuel), ya que la ignición sería producida mediante la bujía. Usando

hidrógeno como único combustible se conseguiría una potencia similar a un motor de gasolina,

con un rendimiento mayor. Los inconvenientes de un motor de chispa con hidrógeno derivan en el

retorno de la llama, la preignición y las emisiones de óxidos de nitrógeno. La preignición suele

darse cuando la mezcla de hidrógeno y aire se enciende incluso antes de la generación del arco

eléctrico en la bujía, produciéndose una combustión ineficiente y un funcionamiento anormal. Las

fuentes de dicha ignición a destiempo suelen ser los puntos de mayor temperatura en el interior de

la cámara de combustión, los gases calientes en el interior de dicha cámara y en especial la alta

temperatura en la válvula de escape. Cuando dicho prencendido se da cerca de la válvula de

aspiración, la llama viaja hacia atrás por las tuberías de alimentación resultando en detonaciones.

Estos problemas pueden solucionarse en gran medida con la inyección del hidrógeno mediante un

inyector, en lugar de usar el método de carburación (Casaravilla, 2012).

46

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

En la electrólisis del agua, la electricidad se utiliza para descomponer el agua en sus

componentes elementales: hidrógeno y oxígeno. El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo la

electrólisis del agua es una cuba electrolítica, que consta de una serie de células, cada una con

un electrodo positivo y otro negativo. Los electrodos se sumergen en un electrolito (agua

eléctricamente conductora, agregando los iones del hidrógeno, generalmente bajo la forma de

hidróxido alcalino de potasio, KOH) para facilitar la migración de los iones.

El índice de generación de hidrógeno se relaciona con la densidad de corriente (cantidad de

corriente dividida por el área del electrodo, medida en amperios por área). Generalmente cuanto

más alta es la densidad de corriente, mayor es el voltaje requerido de la fuente de alimentación, y

por tanto mayor será el costo de energía por unidad de hidrógeno. No obstante, valores elevados

de voltaje disminuyen el tamaño de la cuba electrolítica y por lo tanto dan lugar a un coste menor

de la instalación. Las cubas electrolíticas avanzadas son fiables, con rendimientos energéticos

entre 65% y 80%, funcionan con densidades de corriente en torno a 2000 A/m2. La cantidad de

energía eléctrica requerida para la electrólisis del agua puede compensarse agregando energía

térmica a la reacción. La cantidad mínima de voltaje requerida para descomponer el agua es de

1.23 V a 25ºC. A este voltaje, la reacción requiere energía térmica del exterior para producirse. A

1.47 V y la misma temperatura que en el caso anterior, no se requiere ninguna cantidad de calor

aportada (Fàbrega., 2009).

2. Metodología

Para el desarrollo de la investigación se utilizó un banco dinamómetro, con un motor generador

accionado por un motor de combustión interna monocilindro. En la Tabla 1 se indican las

especificaciones técnicas de los dos elementos.

Tabla 1. Características del motor de combustión interna monocilindro y del motor generador.

MOTOR

MONOCILINDRO

Modelo TEMCO 160

Tipo Cilindro simple 4 tiempos OHV

Cilindraje 163 cc

Relación de compresión 8.5:1

Frecuencia de giro (RPM) 3600

Torque máximo 10/2500

Consumo de combustible (g/kW·h) 395

Sistema de ignición Magneto con transistor

Capacidad de aceite (L) 0.6

Capacidad de gasolina en (L) 3.6

MOTOR

GENERADOR

Frecuencia 60Hz

Potencia de salida continua 2700 W

Potencia de salida máxima 3000 W

Regulación de voltaje Regulado por condensador

Frecuencia de giro / peso 3000 RPM / 38 kg

La generación del hidrógeno se realizó a volumen constante con 12V, la electrólisis se produjo

utilizando hidróxido de sodio al 50% en volumen, con un burbujeador como componente de

seguridad del sistema ante posibles explosiones. En la Figura 1 se indican los elementos

47

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

principales del generador de hidrógeno instalado sobre el banco dinamómetro para medición de

potencia.

Figura 1. Generador de hidrógeno sobre el banco dinamómetro para medición de potencia.

Se plantearon 2 ecuaciones estequiométricas, una para el cálculo con la mezcla gasolina-aire y

gasolina-hidrógeno. Se desarrollaron 6 sistemas de ecuaciones termodinámicas teóricas del ciclo

Otto para la obtención de los resultados de rendimiento, consumo y potencia. Tres sistemas para

el cálculo con la mezcla gasolina-aire y 3 para gasolina-hidrógeno, los resultados se compararon

con los valores reales obtenidos en el freno dinamómetro, para así determinar con más relevancia

lo sucedido respecto a la potencia en la ciudad de Quito ubicada a 2850 msnm, a presión

atmosférica de 72.795 kPa y a una temperatura de 300 K.

La investigación se ejecutó en tres etapas, en la primera etapa se establecieron 2 ecuaciones

estequiométricas de mezcla; con la primera ecuación se calcula usando gasolina más aire. En los

reactivos se considera al octano como el componente que tiene un gran poder calorífico, el aire es

dividido en dos compuestos principales, oxígeno y nitrógeno, y se consideran productos al dióxido

de carbono, el agua y nitrógeno, como se muestra en la Ecuación 1.

C8H18 +25

2(O2 + (3.76)N2) → 8CO2 + 9H2O +

25

2(3.76)N2 [1]

La segunda ecuación estequiométrica se obtiene al adicionar hidrógeno a la gasolina; para los

reactivos se consideró el mismo valor de octano, del oxígeno y nitrógeno; al aumentar el

hidrógeno en los productos no se produce ningún compuesto adicional, pero al combustionarse

aumenta el valor de agua y de nitrógeno.

C8H18 + 3.834 H2 + 28.834(O2 + (3.76)N2 → 8CO2 +25.668

2H2O + 28.834(3.76)N2 [1]

48

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

En la segunda etapa se utilizaron 3 sistemas de ecuaciones termodinámicas para la mezcla

gasolina más aire y 3 sistemas de ecuaciones para gasolina más hidrógeno, cada sistema parte

de una ecuación matriz del rendimiento volumétrico, potencia y consumo específico, como se

indica en las ecuaciones 3, 4 y 5 respectivamente (Cengel, 2012).

Rendimiento volumétrico:

Para el cálculo del rendimiento volumétrico del motor se utiliza la expresión siguiente:

nv = (r

r − 1) (

P1

Pa) [

T1

Ta(1 + γr)] [3]

Donde:

nv: Rendimiento volumétrico

r: Es la relación de compresión

Pa: Es la presión atmosférica

P1: Es la presión de admisión

Ta: Es la temperatura ambiente

T1: Es la temperatura de admisión

γr: Es el coeficiente de gases residuales

Potencia teórica

Para determinar la potencia teórica del motor se aplica la siguiente ecuación:

Nt = z (PCI [kJ

kg] ∗ mf[kg]) A [

kPa

kJ] [

1.36CV

1kPa] [

0.735kW

1CV] nt (

n

2 ∗ 60) [4]

Donde:

Nt: Es la potencia teórica

z: Es el número de cilindros

PCI: Poder calorífico inferior

mf: Flujo másico del combustible

A: Constante de transformación de calor en trabajo mecánico 1.000152754

nt: Rendimiento térmico

n: Frecuencia

Consumo específico

El consumo específico de combustible se determinó con la relación:

ce =mf [

gs] ∗ 3600s ∗ VT[m3]ni ∗ nm

Nt[kW] ∗ nv [2]

Donde:

ce: Consumo específico

49

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

mf: Flujo másico de combustible

VT: Volumen total motor

ni: Rendimiento Interno

nm: Rendimiento mecánico

Nt: Potencia teórica

nv: Rendimiento Volumétrico

3. Resultados y Discusión

Con las 2 ecuaciones estequiométricas y los 6 sistemas de ecuaciones se calculó el rendimiento

volumétrico, la potencia y el consumo de combustible, y se obtuvieron los resultados teóricos para

la mezcla gasolina más aire y gasolina más hidrógeno, los cuales se indican en la Tabla 2.

Tabla 2. Resultados en la mezcla gasolina más aire y gasolina más hidrógeno.

Mezcla Rendimiento volumétrico Potencia Consumo específico

Gasolina + Aire 0.6205 3.91 HP 401.61

Gasolina + Hidrógeno 0.6205 5.40 HP 373.72

La tercera etapa fue la obtención de los valores reales del motor monocilindro del primer banco de

pruebas acoplado al dinamómetro, para lo cual se determinó la variación de la potencia respecto a

las revoluciones en la mezcla gasolina más aire como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Resultados de pruebas del motor monocilindro sin ingreso de H2 en el dinamómetro.

Se observa que la potencia máxima obtenida es de 3.78 HP a 3200 rpm con un nivel de carga 5,

lo cual significa que a partir de este punto, si las revoluciones aumentan la potencia irá

descendiendo.

La curva de la relación potencia respecto a la frecuencia de giro (rpm) con el nivel de carga que

generaba el motor generador del banco freno dinamómetro se indica en la Figura 2.

Nivel de carga

RPM Voltaje

(V) Amperaje

(A) Potencia (A.V=W)

Potencia (HP)

1 3600 90 2 180 1.091

2 3500 80 3 240 1.454

3 3400 71 7 497 3.011

4 3300 60 9 540 3.272

5 3200 52 12 624 3.781

6 3000 41 13 533 3.229

7 2700 35 15 525 3.181

8 2400 31 16 496 3.005

50

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

Figura 2. Resultados de prueba del motor monocilindro sin ingreso de H2 en el dinamómetro.

Se observa que la potencia al incrementarse hasta 3.781 HP (628 W) a 3200 rpm, se desarrolla de

manera desordenada sin mantener un régimen de aumento de potencia estable y desciende la

potencia de manera más estable a partir de la potencia máxima con referencia a cuando asciende.

Posteriormente se adicionó hidróxido de sodio al 50% en el depósito de electrolito, el compuesto

al ingresar a la celda de hidrógeno rompe las moléculas de agua acelerando el proceso de

obtención de hidrógeno a volumen constante; el volumen obtenido se inyectó dentro del

carburador del motor monocilindro para que ingrese y se mezcle con la gasolina. Los resultados

de potencia de la mezcla se indican en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados de pruebas del motor monocilindro con ingreso de H2 en el dinamómetro.

Nivel de carga

RPM Voltaje

(V) Amperaje

(A) Potencia (A.V=W)

Potencia (HP)

1 3600 100 2 200 1.212

2 3500 91 4 364 2.205

3 3400 85 6 510 3.090

4 3300 70 11 770 4.665

5 3200 67 10 670 4.060

6 3000 58 11 638 3.866

7 2700 47 12.5 587.5 3.560

8 2400 39 14 546 3.308

La potencia máxima cuando se adiciona hidrógeno es de 4.665 HP (770 W) a 3300 rpm y un nivel

de carga de 4; este dato muestra un punto muy importante, ya que necesita más revoluciones

(rpm) para alcanzar la potencia máxima y a partir de ese valor comienza a descender, sin

hidrógeno la potencia máxima alcanza 3200 rpm con una potencia 3.781 HP. El hidrógeno permite

mantener un incremento de potencia de manera más estable que sin el mismo. En la Figura 3 que

se muestra el cambio de la potencia de acuerdo con las cargas dadas al motor monocilindro hasta

que se estabiliza.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

100

200

300

400

500

600

700

3600 3500 3400 3300 3200 3000 2700 2400

A

m

p

e

r

a

j

e

P

o

t

e

n

c

i

a

RPM

VOLTAJE(V) POTENCIA (AxV=W) AMPERAJE(A)

51

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

Figura 3. Resultados de prueba del motor monocilindro con ingreso de H2 en el dinamómetro.

Con el ingreso del hidrógeno el incremento de potencia se produce de manera más uniforme que

sin él, esto se debe al poder calorífico que tiene este combustible lo cual reduce las fluctuaciones

en los valores y permite que se estabilice el motor rápidamente de acuerdo con las cargas

ingresadas al mismo.

En la Tabla 5 se muestra la diferencia de potencia teórica y real con la mezcla gasolina y aire en el

motor mono cilindro con su respectivo porcentaje de variación respecto al real, también se indica

el porcentaje de rendimiento de la potencia teórica y la real respecto a la potencia nominal dada

por el fabricante del motor.

Tabla 5. Comparación entre la potencia teórica y real del motor monocilindro (gasolina + aire).

Potencia

(HP) Variación

(%) Rendimiento

(%)

Real (fabricante) 3.78 3.4% 68%

Teórica 3.91 - 71%

En la Tabla 6 se muestra el porcentaje de variación de la potencia teórica y real con la mezcla de

gasolina y aire en el motor monocilindro. Además, se indica el porcentaje de rendimiento de la

potencia teórica y la real respecto a la potencia nominal dada por el fabricante del motor.

Tabla 6. Comparación entre la potencia teórica y real del motor monocilindro (gasolina + hidrógeno).

Potencia

(HP) Variación

(%)

Rendimiento (%)

Real (fabricante) 4.66 14.5% 84.7%

Teórica 5.40 - 98.1%

Se observa en las tablas 3 y 4 que la potencia real obtenida por el motor monocilindro en el banco

de pruebas del freno dinamómetro se encuentra muy aproximado al valor calculado teóricamente

con una diferencia de 0.11 HP. Se interpreta que el valor se aproximó a los datos teóricos

referentes a la temperatura de 27°C al momento de realizar las pruebas en el dinamómetro y

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

3600 3500 3400 3300 3200 3000 2700 2400

A

m

p

e

r

a

j

e

P

o

t

e

n

c

i

a

RPM

VOLTAJE(V) POTENCIA (AxV=W) AMPERAJE(A)

52

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

calculadas con el sistema de ecuaciones bajo las condiciones de la altura de la ciudad de Quito

(2850 msnm) y con la presión atmosférica de 72.794 kPa.

Al adicionar hidrógeno al combustible se obtiene un incremento de potencia de 0.74 HP, el cual es

un valor significativo en comparación con la potencia teórica calculada utilizando el sistema de

ecuaciones. Existe una variación entre los datos calculados, pero no se alejan significativamente

de la realidad, esto se debe a que el hidrógeno tiende a fugar fácilmente debido a su densidad,

controlarlo en un sistema hermético resulta muy difícil por lo cual existen pérdidas en el momento

del ingreso a la cámara de combustión.

Comparando los resultados de la potencia real de la mezcla aire-gasolina con la mezcla

hidrógeno-gasolina respecto a la potencia nominal dada por el fabricante de 5.5 HP, se observa

un incremento de rendimiento del 16.7%. En la potencia teórica obtenida comparando los

resultados de la mezcla aire-gasolina e hidrógeno-gasolina respecto a la potencia nominal de 5.5

HP se observa un aumento de rendimiento del 27.1%.

4. Conclusiones y Recomendaciones

La celda de hidrógeno produce un volumen constante de 108 ml/min.

La potencia especificada por el fabricante es 5.5 HP, este valor disminuye mientras se incrementa

la altura de ubicación del motor monocilindro respecto al nivel del mar.

La potencia teórica del motor monocilindro sin el ingreso de hidrógeno es 3.91 HP y medido en el

dinamómetro bajo las mismas condiciones es 3.78 HP.

La potencia teórica del motor monocilindro con ingreso de hidrógeno es 5.41 HP y medido en el

dinamómetro bajo las mismas condiciones es 4.66 HP.

Bajo las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica que fueron calculados y

sometidos, la potencia real respecto a la potencia nominal dada por el fabricante aumenta cuando

se adiciona hidrógeno en un 16.7% y en los valores teóricos calculados respecto a la potencia

nominal aumenta en un 27.1% al adicionar hidrógeno a la gasolina.

El aumento del poder calorífico es 47892.4178 kJ/kmol con el ingreso de hidrógeno y 44426.635

kJ/kmol sin el ingreso del mismo.

Se incrementó el rendimiento térmico de 0.5460 sin el ingreso de hidrógeno y de 0.55752 con el

ingreso de hidrógeno, lo cual significa que la energía es utilizada con mayor eficiencia.

Los valores de consumo calculado de gasolina-hidrógeno de 373.52 g/kWh comparado con el

valor dado por el fabricante de 395 g/kWh (valor a altitud de 0 msnm) es menor, y el valor

53

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.43 - 54

calculado de la mezcla gasolina-aire de 401.61 g/kWh, aumenta respecto al del fabricante. El dato

del fabricante está dado a 0 msnm y valor calculado es a 2850 msnm.

Se debe realizar un estudio de uso de hidrógeno en motores diésel con variaciones en el ingreso

del volumen de hidrógeno y su comportamiento a diferente altitud y régimen de giro.

Es necesario un estudio de optimización de la producción de hidrógeno controlado de manera

electrónica con el uso de caudalímetros de alta precisión que estén en función al tipo de motor y

sus condiciones de funcionamiento.

La temperatura de explosión dentro del cilindro es difícil de obtener, por lo cual debe realizar un

estudio para el diseño de un termómetro resistente a altas presiones, temperaturas y con buena

tolerancia para obtener valores experimentales reales.

Se debe realizar un estudio de las emisiones de gases emitidas por los motores que funcionan

con gasolina e hidrógeno y determinar el consumo de combustible y el %V y ppm de los gases

emitidos a la atmosfera.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/10/27 Aceptado (Accepted): 2016/12/02

CC BY-NC-ND 3.0

Estrategias para la conservación del ecosistema páramo en

Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador, Ecuador

(Strategies for conservation of highland ecosystem in Pulinguí

San Pablo and Chorrera Mirador, Ecuador)

Patricio Lozano1, Aracely Armas1, Verónica Machado1

Resumen:

Impulsar procesos de conservación y uso sustentable de un ecosistema implica en primera

instancia, el entendimiento del territorio como un socio-ecosistema, y en segunda instancia, la

aplicación del enfoque ecosistémico. Por este motivo, la presente es una herramienta que

contribuye al manejo del ecosistema páramo de las comunidades de Pulinguí San Pablo y

Chorrera Mirador. Este proceso consistió en la caracterización del socio-ecosistema, la

determinación de objetos de conservación, y la formulación de estrategias para la conservación

y uso sustentable. Los datos indican que en este socio-ecosistema existen 186 habitantes, que

se benefician principalmente de tres tipos de servicios ecosistémicos (aprovisionamiento,

regulación y culturales), y que se dedican a actividades agropecuarias y turísticas. Estos

asentamientos ejercen en el socio-ecosistema una presión antrópica moderada, por cuanto,

apenas 98.65 ha (de 4567.2 ha) están dedicadas a estas actividades. Esto a su vez se refleja

en el estado de los objetos de conservación identificados, que evaluados a partir de tamaño,

condición y contexto paisajístico, obtuvieron un promedio de 3,3/4,0 (puntos) que significa que

se encuentran en proceso de deterioro; sin embargo, sus impactos se los puede minimizar con

ocho estrategias construidas y ejecutadas por las poblaciones locales.

Palabras clave: socio-ecosistema; enfoque ecosistémico; objetos de conservación; amenazas.

Abstract:

To drive conservation processes and sustainable use of an ecosystem implies, on the one

hand, the understanding of the territory as a socio-ecosystem, and on the other hand, the

application of the ecosystemic approach. For this reason, this is a tool that contributes to the

highland ecosystem management of the communities Pulinguí San Pablo and Chorrera

Mirador. This process was based on the socio-ecosystem characterization, determination of

conservation elements and formulation of conservation and use of sustainable strategies. Data

show that 186 habitants live in these socio-ecosystem and mainly benefit from three types of

ecosystemic services: supply, regulation and cultural, carrying out agricultural, livestock and

touristic activities. These settlements exert a moderated anthropic pressure in the socio-

ecosystem due to the fact that only 98,65 hectares (out of 4567,20 hectares) are used for these

activities. This is reflected in the state of the identified conservation elements that, evaluated

according to their size, condition and landscaping context, obtained a mean of 3,3/4,0 (points)

which means that they are in a decay process, nonetheless, their impacts may be diminished

using established and executed strategies by local populations.

Keywords: socio ecosystem; ecosystemic approach; conservation objects; threads.

1 Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba – Ecuador (plozano@espoch.edu.ec)

56

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

1. Introducción

Estudiar las relaciones entre naturaleza y sociedad implica analizar la relación en doble vía, es

decir, cómo el ser humano afecta a la integridad de los ecosistemas y cómo estos repercuten en el

bienestar humano (Martín-López, Gómez, & Montes, 2009). Esta visión instrumental de los

ecosistemas se ha revalorizado en el marco conceptual para la Evaluación de Ecosistemas del

Milenio, en donde se pone de manifiesto las estrechas relaciones entre la biodiversidad, el

funcionamiento de los ecosistemas, el suministro de servicios ecosistémicos y el bienestar

humano (Millenium Ecosystem Assessment, 2003, Camacho & Ruiz, 2011). En otras palabras, se

constituye un socio-ecosistema, por cuanto, en un proceso de coevolución; los sistemas humanos

y los ecosistemas se han ido moldeando y adaptando conjuntamente, convirtiéndose en un

sistema integrado de humanos en la naturaleza (Anderies, Janssen, & Ostrom, 2004, Montes &

Sala, 2007). Por tanto, para gestionar estos ecosistemas es necesaria la aplicación del enfoque

ecosistémico, entendido como una estrategia para el manejo integrado de los recursos que

promueva la conservación y uso sustentable de forma justa y equitativa (Shepherd, 2006).

Los páramos son ecosistemas frágiles dominados por una vegetación herbácea y arbustiva; se

ubican sobre los 3.000 y 5.000 msnm (entre el bosque cerrado y nieves perpetuas) a lo largo de

los Andes húmedos entre Perú, Ecuador, Colombia y Venezuela, con extensiones hasta Costa

Rica y Panamá (Hosftede, et al, 2014). En el Ecuador, el páramo cubre un 6% del territorio

nacional (alrededor de 1.250.000 ha) distribuido en comunidades indígenas (40%), áreas

protegidas (40%), y haciendas (20%), donde viven unas 500.000 personas (Mena, Medina, &

Hosftede, 2001). Este ecosistema en la provincia de Chimborazo cubre una extensión del 36,9% y

al igual que en los páramos del país se caracteriza por su gran diversidad de fuentes de agua

dulce y por contener una alta capa de materia orgánica (Beltrán, 2010). Además aquí se asientan

poblaciones que aprovechan los recursos de estas zonas para su subsistencia, como es el caso

de la parroquia San Juan, una de las diez parroquias rurales del cantón Riobamba, constituida por

5 barrios y 28 comunidades. Una sección de esta parroquia forma parte de la Reserva de

Producción de Fauna Chimborazo y cuenta con potencialidades naturales y culturales que se

constituyen en una estrategia importante para el desarrollo sostenible de la localidad (Armas,

2014).

Adicionalmente, en esta provincia, las áreas intervenidas, tanto para agricultura como ganadería

intensiva y extensiva, representan más del 74% frente a apenas 18% de ecosistemas en estado

natural (Albán, Argüello, & Bustamante, 2011), situación que no es ajena al páramo de las

comunidades de Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador, por cuanto, la estructura, composición, y

función del mismo, están siendo afectadas por presiones antrópicas que ejercen los

asentamientos humanos a través de la conversión del uso del suelo, avance de la frontera

57

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

agropecuaria, quema de páramo y pérdida de conocimientos tradicionales de conservación del

ecosistema. Ante esta situación los habitantes de las referidas comunidades requieren construir

actuaciones que contribuyan a la conservación y uso sustentable de sus recursos.

Para atender la situación descrita en las referidas comunidades, el presente trabajo planteó tres

preguntas de investigación: ¿cuáles son las características del socio-ecosistema páramo?,

¿cuáles son los objetos de conservación del socio-ecosistema páramo?, y ¿qué estrategias se

deberían impulsar para la conservación del socio-ecosistema páramo? Para resolver estas

preguntas se formularon tres objetivos: a) caracterizar el socio- ecosistema del páramo, b)

determinar objetos de conservación del socio-ecosistema páramo, c) formular estrategias para la

conservación del socio-ecosistema páramo. En este contexto el propósito de esta investigación es

la formulación participativa de una propuesta que contribuya a la conservación y uso sustentable

del páramo, de tal forma que los servicios generados en el socio- ecosistema aporten al bienestar

humano en todos sus componentes (Hofstede, 2008).

2. Metodología

2.1. Área de Estudio

Las comunidades de Chorrera Mirador (X 750008, Y 9827175, Z 4072msnm) y Pulinguí San Pablo

(X 751694, Y 982617, Z 3910msnm) se ubican en la denominada zona alta de la parroquia San

Juan (GAD Parroquia-Rural de San Juan, 2011), a 16,98 km de la cabecera parroquial y 34,98 km

de la ciudad de Riobamba en la provincia de Chimborazo. Para acceder a estas comunidades se

cuenta con vías de primer orden (Vía Riobamba- Guaranda).

En cuanto a la división política, Pulinguí San Pablo limita al norte con la parroquia San Andrés, al

sur con la Comunidad Chimborazo, al este la Comunidad Chorrera Mirador, al oeste la Comunidad

Ganquis, provincia de Bolívar. Chorrera Mirador limita al norte con la provincia de Bolívar, al sur

con la Comunidad Cooperativa Santa Teresita, Comunidad Chinigua, al este con la Comunidad

Cooperativa Santa Teresita, y al oeste con la Comunidad Pulinguí San Pablo. La parte alta de

estas comunidades se encuentra en la Reserva de Producción de Fauna Chimborazo donde se

pueden encontrar tres tipos de vegetación: herbácea, seco, gelidofitia (Sierra, 1999); alcanza una

extensión total de 4567,2 ha, donde el 97,84% (4468,7 ha) está cubierto en su mayoría por

Calamagostris, Stipa y pequeños relictos de Azorella (GAD parroquia-Rural de San Juan, 2011).

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

2.2. Métodos

La presente investigación midió de forma independiente las variables e indicadores que

permitieron caracterizar, comprender, y analizar el socio-ecosistema de páramo, y a su vez,

formular estrategias para su conservación. Para cumplir este propósito se aplicaron métodos y

técnicas de investigación de campo y documental, las cuales se describen por objetivo.

2.2.1. Caracterización del socio-ecosistema páramo

El socio-ecosistema se caracterizó aplicando dos métodos: 1) el método de investigación

documental, la técnica de síntesis, y las orientaciones de estructuración de información

propuestas por (CONOGOPARE, 2011). La recolección de datos se realizó del Plan de Desarrollo

y Ordenamiento Territorial de la parroquia San Juan (GAD parroquia-Rural de San Juan, 2011);

2) el método de investigación de campo, las técnicas de mapeo de servicios y oportunidades,

mapeo de recursos naturales y uso de la tierra, diálogo semiestructurado para grupos focales y

muestreo de calidad de agua, y las orientaciones de estructuración de información propuestas por

(SENPLADES, 2011). La recolección de datos se hizo a través de talleres participativos

desarrollados con los habitantes de la comunidad de Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador, y por

medio de visitas in-situ a las vertientes de agua del área de estudio. Los resultados se presentaron

en los ámbitos: ambiental, económico, sociocultural, y político-administrativo.

2.2.2. Determinación de objetos de conservación del socio-ecosistema páramo

Los objetos de conservación se determinaron aplicando el método de investigación de campo, la

técnica de observación directa, las orientaciones para desarrollar el análisis valorativo de objetos

de conservación propuesto por (Granizo, et al, 2006) y la clasificación de vegetación propuesta

por (Sierra, 1999; Ministerio del Ambiente, 2012, 2014). La recolección de datos se realizó en los

sitios de muestreo: prácticas productivas ancestrales (X 740501, Y 983045, Z 3838 msnm),

páramo herbáceo (X 9830455, Y 9830916, Z 3937 msnm), páramo seco (X 741988, Y 9834408, Z

4671 msnm), Gelidofitia (X 739805 Y 9837044), y microcuenca Río Chimborazo (X 741355, Y

9830201, Z 3748 msnm). Los resultados de objetos de conservación se presentaron considerando

las categorías natural y cultural.

2.2.3. Formulación de estrategias de conservación para el socio-ecosistema páramo

Las estrategias de conservación se formularon aplicando el método de investigación de campo, la

técnica de diagramación de amenazas-estrategias, las orientaciones para desarrollar el análisis

valorativo de amenazas de objetos de conservación propuesto por (Granizo, et al, 2006) y los

lineamientos de estructuración de información formulados por (Ortegón, Pacheco, Prieto, 2005;

SENPLADES, 2014). La recolección de datos se realizó en los sitios de muestreo: prácticas

productivas ancestrales (X 740501, Y 983045, Z 3838 msnm), páramo herbáceo (X 739300 Y

59

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

9832200), páramo seco (X 741670 Y 9832610), microcuenca (X 740975 Y 9830354), y gelidofitia

(X 739805 Y 9837044). La identificación de estrategias se efectuó en talleres participativos con

los habitantes de la comunidad Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador. Los resultados se

presentaron en diagramas de elementos de planificación estratégica.

3. Resultados

3.1. Caracterización del socio- ecosistema del páramo

En cuanto al ámbito socio- cultural, las comunidades Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador,

conformadas por 186 habitantes, están autoidentificadas como indígenas y pertenecientes al

pueblo Puruhá, evidenciándose una población mayoritariamente joven de entre 15 y 19 años

(INEC, 2010). La principales fuentes de ingresos para estas comunidades son la ganadería,

agricultura y turismo, lo cual genera niveles de migración equivalente a un 15,6% (18 casos de

migración), y 1,5% en migración externa (2 casos de migración a Estados Unidos). Estas

comunidades tienen acceso a servicios básicos como energía eléctrica y agua entubada. Además

cuentan con servicios de comunicación como radio y televisión y accesibilidad.

En cuanto a lo ambiental, Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador se ubican sobre los 3000 msnm,

posee una temperatura de 6° C y una precipitación anual de 1000 mm (GAD Parroquia-Rural de

San Juan, 2011). Este sector posee dos estaciones: lluviosa (entre enero y abril alcanzando una

precipitación de 1000 mm/año) y seca (entre mayo y septiembre), presentándose heladas

constantemente ya que los vientos son fuertes. Los suelos son de origen volcánico, (son negros,

profundos y de textura media) en los cuales se observa una topografía irregular con pendientes

que sobrepasan el 50%, destacando el Nevado Chimborazo (6.310 msnm). Las comunidades

tienen una extensión de 4567,20 ha. de las que el 97,84% corresponde a zonas de páramo

(4468,7 ha), el 2,06% se caracteriza por ser pastos y cultivos (93,9 ha), mientras que el 0,10% son

zonas pobladas (4,6 ha). De acuerdo con Sierra, (1999) este ecosistema se divide en tres tipos de

vegetación: 1) Herbáceo (se localiza entre los 3400 - 4300 msnm, con presencia de vegetación

herbácea como Azorella, Calamagostris); 2) Seco (se ubica entre los 3500 - 4200 msnm, y está

conformado por especies de Chuquiraga, Senecio y Plantago spp); 3) Gelidofitia (se localiza

sobre los 4700 msnm y es una zona anexa a las nieves perpetuas con presencia de algunos

líquenes).

Específicamente, la cobertura vegetal está representada por páramo herbáceo (37,8%), páramo

seco y zonas de ríos (32,2%), gelidofitia (19,0%) y finalmente zonas de producción (11%) en las

cuales las especies de Bidens andicola, Tipillo sp. Plantago australis, Chuquiraga jussieui (37,0%)

son aprovechadas para la medicina; las especies de Andreana sp, Grimmia sp, Lycopodium

60

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

clavatum L. (22,0%) tienen un uso turístico; las especies de Hypochaeris sessilifolia, Hypochaeris

sessiliflora son utilizadas como alimentación para animales (19,4%); las especies de Solanum

tuberosum, Vicia faba, Ordeum vulgare, Ullucus tuberosus(13,6%) sirven para alimentación de

pobladores, y las especies Calamagrostis intermedia, Hipericum juniperium (8%) se usan como

leña. Se ha registrado además la presencia de 18 especies de fauna de las cuales, el 72% se

localizan en el páramo herbáceo y el 28% en el páramo seco, las mismas que son aprovechadas

por el turismo en un 89% (siendo las más representativas Lesbia victorae, Pyrocephalus rubinus,

Buteo magnirostris, Oreotrochilus chimborazo, Turdus serranus), y el 11% para alimentación de

pobladores (Lama glama, Silvylagus brasilensis).

En cuanto al suministro de servicios ecosistémicos en el sector se describen los siguientes:

1) Aprovisionamiento: el principal servicio es el agua, con su red hidrológica del río Chimborazo

formado a partir del río Pulinguí y vertientes de la Chorrera, misma que tienen una capacidad de 6

litros/s y presenta un análisis físico- químico estable, ya que tiene un pH neutro (6,7), una

conductividad eléctrica no salina (311) y potasio bajo (2,5), encontrándose de esta forma dentro

de los rangos permisibles para regadío. Además Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador en sus

diferentes tipos de vegetaciones tienen una capacidad de retención de 7´101.064,10 metros

cúbicos de agua (GAD Provincial de Chimborazo, 2014). 2) Regulación: el principal servicio es la

regulación hídrica, ya que existe una capacidad de agua por unidad de volumen (80-90% por cm3)

(Ministerio del Ambiente, 2012), gracias a factores como humedad, temperatura y concentración

de carbono orgánico en el suelo. 3) Culturales: los principales servicios son: a.- estético, el sector

cuenta con atractivos turísticos como el Bosque de Polylepis, Templo Machay (ubicado a

4668msnm), Cascada La Chorrera (ubicado a 3720 msnm, tiene una altura de hasta 100m),

Nevado Chimborazo (6268msnm) donde se combina la belleza del paisaje, su biodiversidad y la

cultura; b.- turismo, ya que en el lugar se desarrollan las modalidades de turismo comunitario y de

aventura.

En cuanto al ámbito económico, las principales actividades del sector son: a) Agricultura,

generalmente se cultiva papa y haba, (utilizados para el autoconsumo) para el cual se emplea

tractor, además agroquímicos, por lo cual el uso de abonos orgánicos no está muy generalizado

entre la población; además no existe un sistema en el cual se pueda aprovechar los desechos

orgánicos en los cultivos. b) Ganadería, estas comunidades desde hace pocos años están

emprendiendo la producción de camélidos andinos (Lama glama, Lama pacos) como parte del

Programa Reintroducción de Camélidos Sudamericanos impulsado por el Ministerio del Ambiente.

Los individuos han sido destinados para incrementar la población de estas especies contando con

un total de 20 individuos en la comunidad Pulinguí San Pablo y de 150 individuos en la comunidad

Chorrera Mirador. c) Turismo Comunitario, modalidad que en el año 2013 recibió un flujo de 305

turistas, quienes fueron atendidos en el Centro de Turismo Casa Cóndor, el cual dispone de 30

61

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

plazas, servicios de hospedaje alimentación, transporte interno con 10 caballos (Corporación de

Turismo Comunitario de Chimborazo, 2012), el mismo que aprovecha 4 atractivos (3 de categoría

sitio natural y 1 de categoría manifestación cultural). Adicionalmente en la zona se desarrolla

turismo de aventura a través de la atención a turistas en el Mountain Lodge Estrella del

Chimborazo, el cual cuenta con 16 plazas, y servicios de hospedaje y alimentación. Además está

presente la operadora de turismo Puruhá Razurku (que se dedica a la prestación de servicios

turísticos en la zona).

En cuanto al ámbito político- administrativo, históricamente sus tierras son comunitarias; en la

época de las haciendas (año 1960) este territorio fue propiedad de la hacienda García y con el

surgimiento de la expropiación de las mismas (año 1980), estos predios pasaron a ser propiedad

de los comuneros - habitantes del sector. Con el tiempo y el incremento de la población surge la

necesidad de producir y generar recursos alimenticios y económicos, por lo tanto, se

transformaron en tierras individuales para constituirse en sistemas de herencias ancestrales y a la

vez en sistemas mercantiles (compra-venta de los predios). El total del territorio es de 4567,2 ha,

de estas, el 2,2% son zonas pobladas y destinadas para pastos y cultivos.

En estas comunidades se practica el pleno derecho a la autonomía y al autogobierno. Los

habitantes eligen a las autoridades (presidente, vicepresidente, secretario, tesorero, vocales) en

asambleas comunitarias con la participación de todos los pobladores. Las instituciones que

trabajan en el sector son 3 de tipo público y 1 de tipo comunitario: Ministerio del Ambiente con

capacitaciones en turismo y con el programa Socio-Páramo se impulsa la conservación del

páramo (desde el año 2012). El Gobierno Autónomo Descentralizado Provincial de Chimborazo

que promueve el manejo y cogestión de la microcuenca del río Chimborazo (desde el año 2013).

El Gobierno Autónomo Descentralizado Parroquial Rural San Juan lleva a cabo el programa

conservación ambiental (desde el año 2012). La Corporación para el Desarrollo del Turismo

Comunitario de Chimborazo que impulsa la implementación de proyectos de turismo comunitario y

capacitaciones (desde el año 2009), los mismos que en la actualidad se encuentran vigentes.

3.2. Determinación de objetos de conservación del socio-ecosistema páramo

Se identificaron 4 objetos de conservación (Tabla 1), mismos que representan las siguientes

características: a) Categoría, 3 son de categoría sitio natural y 1 de categoría manifestación

cultural. b) Características físicas, los objetos de conservación se ubican entre los 3748 y 4671

msnm y poseen una temperatura promedio de 5 °C. c) Valoración, los objetos de conservación

son sensibles al cambio (2M), razón por la cual se encuentran en proceso de deterioro (2PD);

presentan una importancia intrínseca con el 50% por su conectividad (Prácticas productivas

ancestrales, Páramo herbáceo) y con el 50% por su representatividad (Páramo seco, Microcuenca

62

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

del río Chimborazo). En cuanto a servicios ecosistémicos, el 67% brinda servicios de suministro

(1S), mientras que el 33% son de regulación (3R). Además, la presencia de fauna es alta (1 A) en

el páramo seco, media (2M) en el páramo herbáceo y baja (1B) en la microcuenca.

Adicionalmente el uso actual de los objetos de conservación es económico con el 75% (2E), y

turístico (1T) con el 25%.

Tabla 1. Determinación de objetos de conservación

Filtro grueso Filtro fino Descripción

Prácticas

productivas

tradicionales

-Técnicas tradicionales

-Formas de siembra y

cosecha

-Conocimientos y

tradiciones andinas

Las prácticas productivas tradicionales ayudan a mantener

la conservación y uso sostenible del recurso suelo, por

cuanto tiene relación directa con la selección y preparación

de la semilla, la preparación de la tierra, el uso de

herramientas agrícolas y la aplicación de técnicas de

control de plagas y cosecha.

Páramo

herbáceo

-Pajonal (Calamagrostis

intermedia)

-Almohadilla (Azorella

pedunculata)

Es la base para la formación de las microcuencas, además

que mantienen los caudales del sistema hidrológico

(6litros/ segundo) y a la vez permiten el almacenamiento y

liberación de 7´101.064,10 metros cúbicos/ año de agua

(GAD Provincial de Chimborazo, 2014).

Páramo seco

-Colibrí estrella del

Chimborazo

(Oreotrochilus

chimborazo)

-Chuquiragua

(Chuquiraga jussieui)

-Venado (Odocoileus

virginianus)

-Alpaca (Lama pacos)

Permite proteger especies representativas y amenazadas,

las mismas que se citan acontinuación:

-Representativas

Colibrí estrella del Chimborazo (Oreotrochilus chimborazo)

(ECOLAP y MAE, 2007).

-Amenazadas

Vicuña (Vicugna vicugna) Preocupación menor (LC)

(UICN, 2014), Apéndice II (CITES, 2015).

Venado (Odocoileus virginianus) Preocupación menor

(UICN, 2014), Preocupación menor (Tirira, 2011).

Además contribuye a la preservación de los procesos

ecológicos de este ecosistema, así como el uso público y

turismo.

Microcuenca

del río

Chimborazo

-Cascada La Chorrera

- Fuentes de agua

asociados a la

microcuenca

- Llantén (Plantago spp)

Ayuda a mantener los caudales de agua. Es una de las

prioridades en las que se enmarcan los gobiernos de turno

como lo establece el art. 411 de la Constitución de la

República del Ecuador (Asamblea Nacional, 2008),

estableciendo mecanismos integrales y participativos de

conservación, preservación, manejo sustentable,

restauración del recurso hídrico para aumentar la eficiencia

en el uso de las fuentes hídricas para que la población

pueda acceder a un recurso de calidad como lo establece

el objetivo 7-numeral 6 “Políticas y Lineamientos

Estratégicos” del Plan del Buen Vivir (SENPLADES, 2013-

2017).

Estos objetos de conservación calificados en torno a los parámetros de tamaño, condición y

contexto paisajístico, arrojaron como resultado un promedio general de 3,3 (Tabla 2), lo cual

significa que la viabilidad es “Buena”, es decir, que los objetos identificados se encuentran en

proceso de deterioro; sin embargo sus impactos se los puede minimizar con acciones adecuadas

y con el compromiso y participación activa de los involucrados, ya que estos objetos ejercen

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

influencia directa sobre el funcionamiento del socioecosistema, el flujo de servicios ecosistémicos

y por ende el bienestar humano de sus beneficiarios.

Tabla 2. Viabilidad de objetos de conservación

Objetos focales de

manejo Tamaño Condición

Contexto

paisajístico

Valor jerárquico

global de

viabilidad

Ponderación

Prácticas

ancestrales 4,0 (MB) 2,5 (R) 2,5 (R) 9,0 3,0 (Bueno)

Páramo herbáceo 3,5 (B) 2,5 (R) 3,5 (B) 9,5 3,2 (Bueno)

Páramo seco 4,0 (MB) 2,5 (R) 3,5 (B) 10,0 3,3 (Bueno)

Microcuenca del

Río Chimborazo 2,5 (R) 4,0 (MB) 4,0 (MB) 10,5 3,5 (Bueno)

CALIFICACIÓN GLOBAL DE LOS OBJETOS FOCALES 13,0 3,3 (Bueno)

(Muy bueno = 4 – 3,6) (Bueno = 3,5- 2,6) (Regular = 2,5 – 1,1) (Malo = 1- 0)

3.3. Formulación de estrategias de conservación del socio-ecosistema páramo

Ante las amenazas identificadas en el socio-ecosistema, la aplicación de estrategias contribuirá al

proceso de conservación y uso sustentable del páramo; adicionalmente, permitirá que los actores

que tienen competencia en la gestión del páramo sumen esfuerzos.

3.3.1 Estrategias de conservación del objeto “prácticas productivas tradicionales”

La pérdida de la tradición y la desvalorización cultural son las presiones que degradan de forma

moderada el recurso (ponderación de 2,5=Medio), las cuales están impulsadas a una escala local

por la adopción de nuevas formas de vida y cambios en la forma de subsistencia de los

pobladores locales (ponderación de 3,5=Alta). Para manejar las presiones y minimizar las fuentes

de presión en el objeto de conservación se plantea como estrategia la “evaluación del

componente biocultural del socio ecosistema”, misma que contribuirá al conocimiento y re-

valorización de las prácticas productivas tradicionales en los pobladores locales (Figura 1).

Figura 1. Amenazas-estrategias prácticas productivas tradicionales

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

3.3.2. Estrategias de conservación del objeto “páramo seco”

La erosión y compactación del suelo son las presiones que degradan de forma severa el recurso

(ponderación de 3=Alta), las mismas que están impulsadas a una escala local por la variabilidad

climática y el pastoreo de ganado no permitido (ponderación de 2,6=Medio). Para manejar las

presiones y minimizar las fuentes de presión del objeto de conservación se plantea como

estrategias la “evaluación del estado de conservación del componente biótico del ecosistema

páramo”, y la “implementación de buenas prácticas de turismo sostenible en las comunidades”, las

que contribuirán al conocimiento del estado de salud del ecosistema para su conservación y

manejo, y a la consolidación de alternativas económicas que permitan minimizar actividades

económicas incompatibles con la conservación del páramo (Figura 2).

Figura 2. Amenazas-estrategias páramo seco

3.3.3. Estrategias de manejo del páramo herbáceo

La quema de páramo, el incremento de la actividad agropecuaria no permitida, y la erosión del

suelo son las presiones que degradan de forma severa el recurso (ponderación de 3,5 Alta), las

mismas que están impulsadas a una escala local por una cultura socio-económica incompatible

con el ecosistema, la creencia de atracción de lluvias, y la aplicación de inadecuadas técnicas

agrícolas (ponderación de 3,2=Alta). Para manejar las presiones y minimizar las fuentes de

presión del objeto de conservación se plantean como estrategias la “forestación y reforestación de

zonas de páramo degradadas”, la “implementación de buenas prácticas en la actividad agrícola”, y

el “mejoramiento de la producción pecuaria”, que contribuirán en la restauración ecológica del

páramo, al desarrollo económico y seguridad alimentaria de la población local (Figura 3).

65

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

Figura 3. Amenazas-estrategias páramo herbáceo

3.3.4. Estrategias de manejo de la microcuenca del Río Chimborazo

La contaminación, la pérdida de vertientes de agua, y los conflictos por el acceso y distribución del

agua son las presiones que degradan de forma severa al recurso (ponderación de 3,0=Alta), las

mismas que están impulsadas a una escala local por la descarga de fertilizantes y desechos

sólidos, quema de pajonales y almohadillas, el pisoteo y sobrecarga de animales en las vertientes,

y la canalización de agua (ponderación de 3,2=Alta). Para manejar las presiones y minimizar las

fuentes de presión del objeto de conservación se plantean como estrategias la “aplicación de

buenas prácticas para la siembra y el uso del agua y el “fortalecimiento organizacional del comité

de cogestión del agua”, las mismas que contribuirán en el incremento del valor hidrológico del

páramo y en el mejoramiento de la relaciones entre las comunidades para la conservación y uso

del agua (Figura 4).

Figura 4. Amenazas-estrategias microcuenca del Río Chimborazo

66

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

4. Discusión

Los páramos de las comunidades se encuentran entre los 3200 y 4700 msnm, rango altitudinal

que concuerda con (Sierra, 1999, Hosftede, et al, 2014, Suárez, 2016). La cobertura vegetal está

caracterizada principalmente por páramo herbáceo y seco, rasgos que cualitativamente son

similares a estudios realizados por (Ministerio de Ambiente, 2013, y Caranqui, Lozano y Reyes,

2016). Los asentamientos humanos y actividades agropecuarias tienen una extensión de 98,65

ha., es decir, el 2,16% de 4567,20 ha, rasgo que difiere de la relación propuesta por (Albán,

Argüello, & Bustamante, 2011) en cuanto a las áreas intervenidas en el ecosistema en estado

natural en la provincia de Chimborazo. Los principales servicios ecosistémicos que benefician a

las comunidades son aprovisionamiento (agua dulce), regulación (hídrica) y culturales (paisaje y

turismo), rasgos que parcialmente son similares a los propuestos por (Hosftede & Mena, 2006, y

Hofstede, 2008) en su aproximación a los servicios del ecosistema páramo.

Los objetos de conservación identificados participativamente (3 naturales y 1 cultural) para la

presente investigación representan los elementos claves del socio-ecosistema, es decir, si se

logra intervenir con actuaciones de conservación y uso sustentable en estos, se podría a mediano

y largo plazo, mejorar el estado de salud del socio-ecosistema, el suministro de servicios

ecosistémicos, y el bienestar humano de las poblaciones locales beneficiarias. Sin embargo, la

viabilidad de objetos de conservación reportada en el presente trabajo indica que el socio-

ecosistema se encuentra en proceso de deterioro, por cuanto, existen presiones asociadas a la

pérdida de las tradiciones y desvalorización cultural, y al incremento de las actividades agrícolas y

pecuarias no permitidas; estos rasgos son parcialmente similares a los identificados por (Albán,

Argüello, & Bustamante, 2011, Ministerio de Ambiente, 2012, Caranqui, Haro, Salas, & Palacios,

2013, Hosftede, et al, 2014,) en cuanto a las amenazas del ecosistema de páramo, las que se

incrementan proporcionalmente al crecimiento de la población local (Mena, Medina, & Hosftede,

2001).

Las actuaciones de intervención propuestas, en esencia, recogen el enfoque ecosistémico, y

cumplen los 12 principios para su aplicación, por cuanto, la identificación de objetos de

conservación se lo hizo en un nivel de organización local y desde sus habitantes en una escala

espacial y temporal apropiada; las actuaciones propuestas consideran el funcionamiento del

socio-ecosistema y pretenden estimular el desarrollo económico de las poblaciones locales a

través del equilibrio entre conservación y uso sustentable de los recursos, los efectos de la

aplicación de las actuaciones en los ecosistemas asociados al socio-ecosistema serán positivas,

y se ha valorado e incluido en las actuaciones propuestas el conocimiento de las poblaciones

locales y sectores de la sociedad, tal cual lo recomienda (Shepherd, 2006). Este proceso ha

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.55 - 70

permitido formular 8 estrategias, las mismas que son parcialmente similares a las propuestas por

(Segovia, 2012), para la adaptación del cambio climático en la provincia de Chimborazo.

5. Conclusiones y Recomendaciones

En las comunidades Pulinguí San Pablo y Chorrera Mirador se desarrollan actividades

agropecuarias y turísticas, las mismas que reciben el apoyo de entidades gubernamentales,

convirtiéndose de esta forma en las principales fuentes de ingresos económicos del sector. Los

productos que mayoritariamente se cultivan son: la papa y haba, mientras que la ganadería se

encamina a la producción de camélidos andinos (Lama pacos); asimismo las principales

modalidades de turismo son de aventura y comunitario, las mismas que reciben un flujo promedio

anual de 305 visitantes.

De las 4567,2 ha., que constituyen el socio-ecosistema de las comunidades de Pulinguí San

Pablo y Chorrera Mirador, el 97,84% corresponde a zonas de páramo (4468,7 ha), el cual está

conformado por 3 tipos de vegetación: herbáceo, seco, gelidofitia. En este ecosistema se puede

apreciar un total de 18 especies de fauna, aprovechadas el 89% por el turismo y el 11% para

alimentación de los pobladores, además se han registrado un total de 36 especies de flora

utilizadas el 22,2% en la medicina, el 19,4% en el turismo, el 13,9% para alimentación de los

pobladores y el 8% se utiliza como leña. Adicionalmente el principal servicio ecosistémico es la

regulación hídrica y el suministro de agua, ya que este ecosistema tiene una capacidad de

retención de 7´101.064,10 metros cúbicos por año.

Para conocer el estado del socio-ecosistema del páramo de las comunidades de Pulinguí San

Pablo y Chorrera Mirador se seleccionaron 4 objetos focales, 3 de categoría sitio natural y 1 de

categoría manifestación cultural, los cuales se encuentran en proceso de deterioro; sin embargo,

ambientalmente son viables con una calificación de 3,3 (Buena), es decir que su sensibilidad al

cambio es media (2M), su conectividad y representatividad presentan una importancia del 50%.

Adicionalmente, el uso actual de los objetos focales es económico (75%) y turístico (25%).

Las presiones a los objetos focales arrojaron un promedio de 3,2 Alto, es decir que la presión

afecta al recurso en muchos sectores y el resultado de las fuentes de presión es de 3,4 Alto, lo

cual indica que el contribuyente es alto, pero sus efectos son reversibles. Para minimizar estos

efectos se plantearon 8 estrategias encaminadas a la conservación y aprovechamiento de cada

uno de los objetos focales, ya que los impactos ocasionados se los puede revertir con la

implementación de actuaciones construidas con los actores.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/09/16 Aceptado (Accepted): 2016/12/09

CC BY-NC-ND 3.0

Uso de tecnología de membranas y resinas para la separación y

purificación de polifenoles del tomate de árbol morado (Solanum

betaceum Cav)

(Use of membrane technology and resins for the separation and

purification of polyphenols purple tree tomato (Solanum betaceum

Cav))

Elena Beltrán1, 2, Dominique Pallet3, Edwin Vera1 y Jenny Ruales1

Resumen:

El fraccionamiento de los polifenoles de los jugos del mesocarpio, placenta y cáscara de

tomate de árbol morado utilizando el tamaño de poro de la membrana como medio de

selección, se realizó utilizando micro y ultrafiltración tangencial; pruebas realizadas con HPLC

demostraron que no se realizó el fraccionamiento de los compuestos fenólicos. Los procesos

de concentración de los jugos clarificados de placenta y cáscara de tomate de árbol por

ósmosis inversa obtuvieron un factor de concentración volumétrica de 2 y 2,2 respectivamente.

La concentración de polifenoles se incrementó en 1,5 veces para placenta y 2,4 veces para la

cáscara y la capacidad antioxidante para los dos jugos aumentó en 2,4 veces. Las

antocianinas de la placenta se incrementaron en 2,6 veces. La utilización de la resina XA 5071

FG concentró los compuestos fenólicos con el aumento de la capacidad antioxidante en un

rango entre 4 y 5,5 y la concentración de antocianinas aumentó en 1,8 veces en el jugo de

placenta. En conclusión el proceso de concentración de polifenoles del tomate de árbol fue más

eficiente utilizando la resina XA 5071 FG que en el proceso de osmosis inversa utilizado en

este estudio.

Palabras clave: microfiltración, ultrafiltración, antioxidantes, tamarillo

Abstract:

The polyphenols fractionation of mesocarp juices, placenta and purple tree tomato peel using

the pore size of the membrane as a means of selection was performed using micro and

ultrafiltration tangential; tests made with HPLC showed that fractionation of phenolic compounds

was not performed. The processes of concentration of the clarified juices of placenta and tree

tomato peel by reverse osmosis obtained a volumetric concentration factor of 2 and 2.2

respectively. The polyphenol concentration increased by 1.5 times for placenta and 2.4 times for

peel and antioxidant capacity increased by 2.4 times for both juices. The anthocyanins of

placenta increased by 2.6 times. The use of the resin XA 5071 FG concentrated phenolic

compounds with an increase of antioxidant capacity in a range between 4 and 5.5, and

anthocyanins concentration was increased 1.8 times in the placenta juice. In conclusion the

process of polyphenols concentration of tree tomato was more efficient using the resin XA 5071

FG than the reverse osmosis applied in this research.

Keywords: microfiltration; ultrafiltration; tamarillo.

1 Escuela Politécnica Nacional, Quito – Ecuador

2 Universidad Tecnológica Equinoccial,Quito – Ecuador (elena.beltran@ute.edu.ec)

3 Centre De Cooperation Internationale En Recherche Agronomic Pour Le Developpement. Montpellier-

Francia.

72

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

1. Introducción

La presencia de antioxidantes en los alimentos es de gran interés debido al efecto beneficioso que

tienen para la salud. Numerosos estudios se han realizado para la identificación y caracterización

de diferentes compuestos antioxidantes debido a la importancia de estos en la prevención de

enfermedades cardiovasculares, inflamatorias y neurológicas; así como también enfermedades

cancerígenas y el retardo del envejecimiento (Bravo, 1998; Lichtenthäler & Marx, 2005; Silva,

Pompeu, Larondelle, & Rogez, 2007).

Los vegetales y frutas han recibido una atención particular debido a su alta concentración de

antioxidantes. En este tipo de alimentos, los compuestos antioxidantes más abundantes son por lo

general los polifenoles (Bravo, 1998). Para la purificación de estos compuestos a nivel de

laboratorio, se han probado principalmente: cromatografía de fase reversa con Sephadex (Mazza

& Velioglu, 1992) o cromatografía iónica (Gil, Tomás-Berberán, Hess-Pierce, Holcroft, & Kader,

2000) y resinas absorbentes, que han sido ampliamente utilizadas para aislamiento, purificación,

recuperación y concentración de antocianinas(Chandra, Nair, & Iezzoni, 1993; Liu, Xiao, Chen, Xu,

& Wu, 2004; Liu et al., 2007; Scordino, Di Mauro, Passerini, & Maccarone, 2004; Silva, Pompeu,

Larondelle, & Rogez, 2007). Sin embargo, no se encontró ningún estudio para la separación de

polifenoles utilizando tecnología de membranas. Mediante esta tecnología se podrían separar

selectivamente, de acuerdo al tamaño de la molécula, polifenoles de diferente peso molecular

(Scott, 1995; Coronel, 2012). Además esta tecnología puede fácilmente aplicarse a nivel industrial

para la obtención de diferentes tipos de polifenoles.

El tomate de árbol morado es una fruta originaria de Sudamérica que contiene fitoquímicos como

betacarotenos y algunas antocianinas a las cuales se les ha asociado la propiedad de disminuir la

concentración de colesterol en sangre y proteger contra el avance de enfermedades

degenerativas (Vasco, 2005).

El objetivo de este trabajo es evaluar el uso de tecnología de membranas y de la resina XA 5071

FG para la separación y la concentración de polifenoles y antocianinas del tomate de árbol. La

separación y concentración de polifenoles se realizó en las fracciones comestibles así como en

la cáscara del tomate de árbol morado, ya que según Vasco (2005) la mayor parte de polifenoles

se encuentran en la cáscara de la fruta.

2. Metodología

Se utilizó tomate de árbol morado gigante maduro, procedente de Baños, provincia de

Tungurahua, Ecuador. Las frutas fueron lavadas, peladas, cortadas y se separó de la cáscara

(exocarpio), el mesocarpio y la placenta que contiene las semillas. Con el mesocarpio y la

placenta se realizaron pulpas sin añadir agua. Las tres fracciones separadas se guardaron a -21

°C.

73

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

Se realizó una hidrólisis enzimática de la siguiente manera: las pulpas del mesocarpio y la

placenta se descongelaron y dejaron que alcance 30 o 20 °C respectivamente. Las cáscaras se

trituraron y se añadió agua en una proporción agua:cáscara 3:1. La hidrólisis en todos los casos

se realizó por 30 minutos con el coctel enzimático Rapidaza Vegetable Juice© con las siguientes

condiciones de trabajo: (a) pulpa del mesocarpio 30 °C, (b) pulpa de la placenta 20 °C, (c) cáscara

20 °C; en todas las muestras se añadió 1 mL de enzima/kg de muestra. La separación mediante

tecnología de membranas de los polifenoles contenidos en el tomate de árbol se realizó usando

los siguientes equipos: una unidad piloto de microfiltración tangencial de la sociedad TIA,

equipada con una membrana cerámica Membralox de 0,2 µm de diámetro de poro, y una

membrana de Rhodia de 10 µm de diámetro de poro, ambas con una superficie de 0,2 m2 y un

módulo a escala de laboratorio diseñado por el grupo de investigación y equipado con membranas

de Rhodia de 80 cm² de superficie y diámetros de poro entre 0.45 µm y 15 kDa. El proceso de

concentración por ósmosis inversa se realizó en el módulo B1 (Aquious-PCI) de 18 membranas

tubulares AFC99 de poliamida, con un área filtrante de 0,9 m2.y una retención aparente del 99%

de NaCl a 60 bar y 25 ºC

Los jugos hidrolizados fueron procesados en la unidad piloto para microfiltración, y el clarificado

obtenido se usó como alimentación para: la micro y ultrafiltración en el módulo de laboratorio, la

concentración por ósmosis inversa en el módulo B1 y en los procesos de purificación y

concentración utilizando la resina XA 5071 FG.

Las pruebas preliminares se realizaron usando membranas cerámicas con los siguientes tamaños

de poro: 10 µm, 0,45 µm, 0,2 µm, 0,1 µm, 300 kDa, 150 kDa, 50 kDa y 15 kDa. A base de estos

resultados se realizaron pruebas para la separación de polifenoles del mesocarpio, placenta y

cáscara usando las siguientes membranas: 0.2 µm, 0,1 µm, 150 kDa, y 15 kDa. En la micro y

ultrafiltración se fijaron las siguientes condiciones de operación: presión de 2.5-3.0 bar,

temperatura de 25-30 °C, flujo de recirculación para la unidad piloto de 1000 l.h-1, para el módulo

de laboratorio de 1 l.h-1 y para la concentración por ósmosis inversa la presión fue de 52 bar y

temperatura de 25 ºC; se utilizó el factor de retención volumétrico (FRV = volumen de la

alimentación /volumen de retenido) para medir el rendimiento de los procesos.

Para el proceso de concentración de los polifenoles con resina se utilizó la resina XA 5071 FG

que es un polímero adsorbente, no iónico, hidrófobo que permite la adsorción de especies

hidrófobas de solventes polares. Se presenta bajo la forma de pequeñas esferas porosas cuyo

tamaño promedio es de 0,65 + 0,05 mm con una área específica de 800 m2/g. Las materias

primas fueron jugos clarificados de placenta, pulpa y cáscara de tomate de árbol (Solanum

betaceum Cav), obtenidos de la microfiltración con una membrana cerámica de tamaño de poro

de 0,2 µm. El proceso de concentración se realizó con una columna de vidrio de diámetro interno

de 1,5 cm, altura útil 50 cm y una bomba peristáltica. La relación jugo clarificado de placenta:

74

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

agua para el proceso de concentración fue de 1:1, los otros jugos no se diluyeron. Para cada

proceso se realizó una repetición. En la fase de adsorción la columna fue cargada con 40 mL de

resina previamente hidratada con agua desgasificada a 40 ºC, se debe cuidar que la resina

permanezca sumergida dentro del líquido durante todo el proceso. El volumen V en mL de resina

utilizada corresponde a 1BV (Bed Volume). El jugo fue bombeado a temperatura ambiente y pasó

a través de la cama de resina con un flujo de 80 mL/h. Con el propósito de eliminar azúcares y

ácidos restantes en la resina luego de la adsorción se realizó el lavado con agua fría manteniendo

el flujo. La desorpción se realizó con etanol al 70 % y se obtuvieron seis eluatos de 20 mL. Las

muestras sometidas a los diferentes análisis fueron los jugos clarificados utilizados como materia

prima y la mezcla de los dos eluatos con mayor contenido de polifenoles totales, denominada

eluato de mayor concentración.

La medición de pH se realizó utilizando un pHmetro Orion modelo 210A, según la norma ISO 1842

(1991). Para la determinación de acidez titulable se utilizó la norma AOAC 942.15 37.1.37, 2000 y

los sólidos solubles totales se determinaron de acuerdo con la norma AOAC 932.12 37.1.15,

2000 (Horwits, 2000). El contenido de fructosa, glucosa y sacarosa se realizó de acuerdo con la

Norma chilena, NCh 574 (2007). Las concentraciones de calcio y hierro se determinaron por

espectrofotometría de absorción atómica, y la de sodio por emisión atómica, previa digestión por

microondas (Abdulla, 1986).

Para determinar el contenido de polifenoles solubles totales se utilizó el método de Folin-

Ciocalteu´s (Georgé, Brat, Alter, & Amiot, 2005) con un espectrofotómetro marca Shimadzu

modelo UV-160A. La cuantificación de vitamina C, ácido cítrico, ácido tartárico y ácido málico se

realizó utilizando el método descrito por Macrae (1988) modificado y validado en los laboratorios

del DECAB de la Escuela Politécnica Nacional (Quito). La cuantificación de carotenos se realizó

de acuerdo con el método descrito por Pettersson y Jonsson (1990).

La medición de la capacidad antioxidante se realizó con el método de la capacidad de

absorbancia de radicales de oxígeno (ORAC). Trolox, fluoresceína y 2,2´-azobis (2-

amidinopropano) dihidrocloruro (AAPH) fueron comprados a Aldrich. Los análisis de ORAC se

realizaron en un espectrofluorímetro de placas marca TECAN. La longitud de onda de excitación y

emisión fueron de 485 nm y 520 nm respectivamente. Las soluciones de AAPH, Fluoresceína y

Trolox fueron preparadas con la solución buffer de fosfato de 75 mM (pH 7,4). Como blanco se

utilizó la solución buffer de fosfato de 75 mM (pH 7,4) y soluciones de trolox de 0 a 40 μM fueron

usadas como estándares. Las muestras fueron diluidas con buffer de fosfato de 75 mM. Se colocó

180 μL de agua en las celdas exteriores de la placa y 160 μL de Fluoresceína y 20 μL de la

muestra diluida en las celdas interiores. Las muestras y los estándares fueron analizados por

duplicado. Los valores finales fueron calculados usando la regresión de la ecuación entre la

75

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

concentración de trolox y el área neta bajo la curva del decaimiento de la fluorescencia y fueron

expresados como micromoles de Trolox por litro de muestra.

Para el análisis de los compuestos fenólicos se utilizó un HPLC con detector de arreglo de diodos

y una columna lichrospher 5 CD2 4,6 x 250 mm; para la elusión de los polifenoles se utilizó la

solución A (2 % de ácido fórmico y 98 % de agua) y la solución B (80 % acetonitrilo, 2 % ácido

fórmico y 2 % agua) el gradiente de la solucione B fue: los primeros 50 min 3 %; de 50 a 55 min se

incrementa del 3 % al 35 %, de los 55 a los 60 min se llega al 50 %, de los 60 a los 62 min se

utilizó el 80 % y de los 62 a 65 min el 100 %. El tiempo total de elusión fue 65 min y el flujo fue de

0.5 mL/min.

3. Resultados

Los resultados de ultrafiltración de las muestras del mesocarpio se presentan en la Figura 1, en

todos los ensayos se utilizó la membrana del fabricante Rhodia. Como se puede observar no

existe una influencia importante del diámetro de poro de la membrana en el flujo de permeado,

debido probablemente a que las muestras utilizadas en el equipo piloto de laboratorio son jugos

clarificados, y por lo tanto el colmataje de la membrana es mínimo.

Figura 1. Variación del flujo y el Factor de retención volumétrico (FRV) en la ultrafiltración del clarificado del

mesocarpio (3 bar, 20ºC, equipo de laboratorio)

En la Figura 2, equipo de laboratorio, se observa que los flujos de permeado se incrementan con

el tamaño de poro de la membrana, y esto indica que debe existir retención de ciertos

compuestos en las membranas de 15 kDa y 150 kDa ya que los flujos obtenidos con estas

membranas son los más bajos.

En la filtración para la separación de los polifenoles de la cáscara del tomate de árbol, se

encontraron ciertos problemas debido a la formación de espuma. Sin embargo, luego de realizar la

primera filtración con la membrana de 0,2 m, el clarificado obtenido es fácil de manejar. En

0

10

20

30

40

50

60

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

FRV

Flu

jo (

L.h

-1.m

-2)

15 kDa

50 kDa

150 kDa

300 kDa

0,1 um

0.2 um

0.45 um

Rhodia

76

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

efecto, se pudo observar que el flujo obtenido al tratar el clarificado en microfiltración con tamaño

de poro inferior a 0,2 m, este era igual o superior que el obtenido con la membrana de 0,2 m.

Figura 2. Variación del flujo y el Factor de retención volumétrico (FRV) en la ultrafiltración del

clarificado de la placenta (3 bar, 20 ºC, equipo de laboratorio)

En la Figura 3, se observa que el uso de etanol para extraer polifenoles en la cáscara, presentó

ventajas en el proceso de filtración. El flujo de permeado medido en el equipo piloto, fue varias

veces superior al tratamiento del jugo que contiene solamente agua.

Figura 3. Variación del flujo y Factor de retención volumétrico en la microfiltración del jugo de la

cáscara con etanol (3 bar, 32 ºC, equipo piloto)

En las tablas 1 y 2 se presenta la caracterización de las muestras de tomate de árbol sometidas a

micro y ultrafiltración.

Como podría esperarse, se observa que el pH, los grados Brix y la acidez titulable permanecen

constantes en todas las fracciones y en todos los tratamientos. Esto se debe a que las moléculas

de los azúcares y ácidos orgánicos, compuestos responsables de dichas propiedades, tienen un

tamaño inferior al tamaño del poro de las membranas utilizadas. En efecto se conoce que estas

moléculas son solo retenidas por nanofiltración o en ósmosis reversa (Scott, 1995).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

FRV

Flu

jo (

L.h

-1.m

-2)

15 kDa

150 kDa

0,1 um

0.2 um

Rhodia

0

100

200

300

400

500

600

0 2 4 6 8 10

Tiempo (min)

Flu

jo (

L.h

-1.m

-2)

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

FR

V

Flujo

FRV

0.2 um, Membralox

77

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

Tabla 1. Propiedades de las fracciones obtenidas en la micro y la ultrafiltración de la pulpa del mesocarpio.

Membrana Alimentación Retenido Permeado

10 µm

pH 3,55 3,53 3,55

°Brix 8,2 8,6 6,8

Acidez (%) 0,22 0,22 0,21

Polifenoles 38,22 ** 35,29 ** 32,42 *

Vitamina C (mg/100g) LND LND LND

β – carotenos (mg/100g) 0,48 1,06 LND

0,45 µm

pH 3,56 3,55 3,18

°Brix 6,2 7,2 5

Acidez (%) 0,2 0,18 0,13

Polifenoles* 32,58 31,02 0,32

0,2 µm

pH 3,56 3,54 3,54

°Brix 7 7,8 7,8

Acidez (%) 0,2 0,19 0,2

Polifenoles* 34,08 31,4 31,66

0,1 µm

pH 4,17 4,14 4,1

°Brix 8,4 7,8 7,2

Acidez (%) 0,21 0,21 0,18

Polifenoles* 34,73 34,3 30,6

300 kDa

pH 4,05 4,04 4,04

°Brix 8,4 8,2 6

Acidez (%) 0,21 0,2 0,15

Polifenoles* 35,13 30,6 23,73

150 kDa

pH 4,04 4,02 4,01

°Brix 8,4 8 6

Acidez (%) 0,21 0,2 0,15

Polifenoles* 33,99 35,38 23,55

50 kDa

pH 4,02 3,99 3,99

°Brix 8,4 7,8 5,8

Acidez (%) 0,21 0,21 0,15

Polifenoles* 35,01 34,92 22,78

15 kDa

pH 3,98 3,95 3,99

°Brix 8,2 8 5,4

Acidez (%) 0,21 0,21 0,14

Polifenoles* 33,53 35,1 21,73 * En mg equivalente de ácido gálico / mL . ** En mg equivalente de ácido gálico / g. LND = Límite No Detectable

La alimentación de todos los procesos de microfiltración contiene β-carotenos; sin embargo, en el

permeado la concentración de estos se encuentran bajo el límite de detección, se puede concluir

que los β-carotenos son retenidos por las membranas en la microfiltración tanto a 10 µm como a

0,2µm.

De los resultados presentados en la Tabla 2, se determina que la fracción de tomate de árbol en la

que se encuentra la mayor concentración de vitamina C es la placenta ya que en las otras

fracciones, cáscara y mesocarpio, los valores de vitamina C se encuentran bajo el límite de

detección.

En la Tabla 2 Se observa que las alimentaciones de los diferentes procesos de ultrafiltración para

la placenta (0,1 µm, 150 kDa y 15 kDa) tienen vitamina C; sin embargo, en el retenido y el

permeado la concentración de vitamina C se encuentra bajo el límite de detección lo que nos

indica que el proceso deterioró esta vitamina.

78

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

Tabla 2. Propiedades de las fracciones obtenidas en la ultrafiltración de la pulpa de la placenta (piloto de laboratorio).

Pulpa de la placenta Jugo de la cáscara

Jugo con etanol de la cáscara

Membrana A R P A R P A R P

0,2 µm

pH 3,95 3,95 3,94 3,98 3,98 4,03 4,66 4,63 4,65

°Brix 9,6 9,8 7,8 2 2 1,8 16,7 16,5 16,1

Acidez (%) 0,15 0,19 0,13 0,039 0,045 0,039 0,04 0,03 0,03

Polifenoles 201,11 150,51 151,43 65,81 52,45 47,18 56,45 57,58 53,62

Vitamina C (mg/100g)

0,15 0,11 0,16 LND LND LND LND LND LND

β – carotenos (mg/100g)

0,54 0,81 LND 0,09 0,11 LND 0,02 0,02 LND

0,1 µm

pH 3,72 3,72 3,71 3,87 3,9 3,93 4,56 4,61 4,56

°Brix 6,4 3,9 6,2 1,6 1,6 1,6 15 14,85 13,65

Acidez (%) 0,12 0,12 0,09 0,04 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03

Polifenoles* 142,32 159 128,53 42,98 43,65 42.21 51,03 51,47 52,19

Vitamina C 0.041 LND LND ND ND ND ND ND ND

β - carotenos

LND LND LND ND ND ND ND ND ND

150 kDa

pH 3,7 3,71 3,74 3,89 3,96 3,93 4,56 4,52 4,53

°Brix 7,4 6 6,2 1,6 1,8 1,8 14,2 14,7 14,6

Acidez (%) 0,12 0,12 0,1 0,03 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03

Polifenoles* 145,88 162,23 126,37 43,7 42,71 41,63 54,21 54,39 49,76

Vitamina C 0,022 LND LND ND ND ND ND ND ND

β - carotenos

LND LND LND ND ND ND ND ND ND

15 kDa

pH 3,71 3,73 3,73 4,08 4,08 4,04 4,67 4,63 4,6

°Brix 6,1 4,3 6,2 1,8 1,8 1,8 15,45 15,75 14,6

Acidez (%) 0,11 0,12 0,12 0,04 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03

Polifenoles* 140,04 144,02 146,9 43,88 44,73 34,4 53,89 60,05 43,52

Vitamina C 0,1 LND LND ND ND ND ND ND ND

β - carotenos

LND LND LND ND ND ND ND ND ND

*Concentración de polifenoles totales en mg Ác. Gálico/100 mL. Alimentación (A), retenido (R) y permeado (P). LND = Límite No Detectable. ND = No determinado.

Se puede observar en tablas 1 y 2 que las membranas de 10 m a 0,2 m no producen ningún

cambio para todos los jugos en la concentración de polifenoles ya que esta es similar tanto para la

alimentación, permeado y retenido. Esto indica que estas membranas no logran retener estos

compuestos. Sin embargo, en las membranas de 0,1 m hasta la de 15 kDa se observa una

disminución de la concentración en el permeado. Estos primeros resultados parecen indicar que al

utilizar membranas de tamaño de poro inferior a 0,1 m, se podría separar polifenoles diferentes

tamaños moleculares.

79

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

Sin embargo, al realizar análisis de las fracciones de la placenta obtenidas del proceso de 15 KDa

utilizando HPLC se observó que el perfil de polifenoles es similar. Por lo tanto con las membranas

utilizadas no se logró el fraccionamiento de los polifenoles utilizando el tamaño de poro como

medio de selección.

La tecnología de membranas es muy versátil y si bien no se pudo modificar la distribución de

polifenoles en el permeado y retenido de los procesos de ultrafiltración con membranas de tamaño

de poro de hasta 15 KDa; la ósmosis inversa es una alternativa para concentrar los compuestos

antioxidantes de interés.

En la concentración de jugo clarificado de placenta de tomate de árbol el flujo de permeado

decrece durante el proceso (Figura 4). La concentración de los jugos clarificados se realizó en una

configuración por lotes con un flujo inicial de permeado alto que redujo el volumen de la

alimentación y concentró rápidamente el jugo incrementando la presión osmótica y reduciendo el

flujo de permeado. Un comportamiento semejante fue reportado por Matta et al. (2004) y Marcillo

et al. (2007) durante la concentración de jugo de acerola y mora respectivamente (Marcillo et al.,

2007; Matta, Moretti, & Cabral, 2004).

El flujo medio del permeado fue de 39 y 42 L.h-1m2 para el jugo clarificado de placenta y cáscara

de tomate de árbol, respectivamente. Según Marcillo (2010) el flujo medio del permeado del jugo

clarificado de tomate de árbol morado procesado a las mismas condiciones fue de 22,8 L.h-1m2 ,

esta diferencia puede deberse a que el jugo clarificado utilizado tiene sustancias del mesocarpio

que dificultan el paso de permeado a través de la membrana, lo cual no sucede con el jugo

clarificado de placenta ni de cáscara. La concentración alcanzada en los procesos no llegó hasta

el límite de la presión osmótica debido al sistema de procesamiento por lotes que redujo

rápidamente el volumen de alimentación.

Figura 4. Comportamiento del flujo de permeado durante el proceso de ósmosis inversa del jugo clarificado

de placenta y cáscara de tomate de árbol.

El flujo de permeado se reduce con mayor rapidez para el jugo de placenta que para el jugo de

cáscara debido a que el jugo de placenta inicia con mayor cantidad de sólidos solubles por lo que

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Flu

jo (

)

Tiempo (min)

Placenta

Cáscara

80

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

tiene una mayor presión osmótica que se opone al paso del permeado. Sin embargo, no se

alcanza el límite de la presión osmótica que impediría el paso del permeado obteniendo flujos

cercanos a cero debido al modo de operación por lotes, con valores de flujo de permeado altos. El

factor de concentración volumétrica para la placenta fue de 2,0 y para la cáscara de 2,2

El contenido de sólidos solubles (ºBrix) se incrementa durante el proceso de concentración de los

jugos clarificados desde un valor de 5,2 y 2 ºBrix hasta alcanzar 13,6 y 4,8 ºBrix en los jugos

encentrados de placenta y cáscara respectivamente, obteniéndose las curvas típicas del proceso

(Figura 5). Los factores de concentración obtenidos fueron 2,6 y 2,5 veces para placenta y

cáscara son semejantes al obtenido por Marcillo (2010) para el jugo de tomate de árbol morado

que fue de 2,8 (Marcillo et al., 2007).

Figura 5. Variación de los sólidos solubles durante la concentración por ósmosis inversa de jugo

clarificado de placenta y cáscara de tomate de árbol.

En la Tabla 3 se observa que la mayor parte de las moléculas de los jugos clarificados fueron

retenidas por la membrana, la concentración de los polifenoles del jugo clarificado de placenta se

incrementa en un 54 %, mientras que la concentración de antocianinas y la capacidad

antioxidante lo hacen en un 160 % y 143 % respectivamente, estos resultados indican que la

capacidad antioxidante del jugo de placenta se debe en gran medida a las antocianinas

contenidas en el mismo.

En el permeado no se detectaron polifenoles ni presentó capacidad antioxidante, esto indicaría

que estas sustancias se retienen en un 100 %. El factor de concentración para los ácidos

orgánicos y los azúcares fue de 4,6 y 3,4 veces respectivamente. Resultados similares fueron

obtenidos por Marcillo (2010) en la concentración por ósmosis inversa de jugo de tomate de árbol

morado, naranjilla y mora (Marcillo, 2010).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20

Tiempo (min)

Só

lid

os

So

lub

les

(ºB

rix

)

Placenta

Cáscara

81

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

Para el jugo clarificado de cáscara de tomate de árbol gigante se puede observar que el factor de

concentración de polifenoles fue de 2,4; al igual que el factor de la capacidad antioxidante, por lo

cual podemos deducir que tienen una relación proporcional, ya que en permeado no se detectaron

estos compuestos ni presentó capacidad antioxidante. Marcillo (2010) reportó resultados

similares a los obtenidos en este estudio para los demás compuestos concentrados (Marcillo,

2010).

Tabla 3. Caracterización de jugos clarificados y concentrados por ósmosis inversa de placenta y cáscara de tomate de árbol morado

Placenta Cáscara

Jugo Clarificado

Jugo Concentrado Permeado

Jugo Clarificado

Jugo Concentrado Permeado

pH 3,3 3,2 3,95 3,6 3,6 3,93

°Brix 5,2 13,6 0,2 2 4,8 0

Acidez (%) 0,1 0,29 LND 0,3 0,8 LND

Polifenoles (mg equivalente de ácido gálico /100 mL de muestra)

110,61 + 4,43

169,97 + 0,84 LND 60,25 +

0,88 149,07 +

3,27 LND

Antocianinas (mg equivalente de cianidina-3-glucósido /L de muestra)

557,74 + 16,53

1449,46 + 1,63

LND ND ND ND

Capacidad antioxidante (equivalente de trolox µM/L de muestra)

686,66 + 15,53

1670,69 + 1,63

LND 200,78 +

5,82 491,22 +

22,92 LND

Vitamina C (mg/100 mL) 0,15 + 0.00 2,66 + 0,21 LND ND ND ND

Fructosa (mg/100 mL) 208,69 +

1,98 833,12 +

51,85 LND

159,19 + 14,33

313,67 + 12,51

LND

Glucosa (mg/100 mL) 384,64 +

8,57 1315,96 +

84,139 LND

158,81 + 12,11

LND LND

Sacarosa (mg/100 mL) 579,33 +

56,55 3.817,22 +

260,37 LND LND LND LND

Ácido cítrico (mg/100 mL) 818,29 +

3,36 3.749,94 +

1,34 2,73 + 0,00

621,64 + 7,49

1.459,50 + 52,11

0,92 + 0,01

Ácido tartárico (mg/100 mL) LND LND LND LND LND LND

Ácido málico (mg/100 mL) 98,43 +

5,78 405,25 + 2,11 2,16 + 0,00

36,93 + 0,16

129,27 + 4,38

LND

Sodio (mg/L) 1,29 2,88 1,66 2,46 6,92 0,28

Calcio (mg/L) 0,27 2,61 LND 3,01 8,93 LND

Hierro (mg/L) 0,11 3,53 LND 1,87 5,78 LND

LND: Límite no detectable. ND: No determinado.

En la concentración de los polifenoles utilizando la resina XA 5071 FG, tanto para el mesocarpio,

placenta y cáscara en segundo eluato se obtuvo la mayor concentración de polifenoles. Como se

puede observar en la Figura 6 la fracción dos concentró el 42 % de los polifenoles de la pulpa;

mientras que para la placenta esta fracción retuvo el 56 % y 60 % de polifenoles de la cáscara.

Los análisis se realizaron en mezcla de los eluatos dos y tres, ya que contienen el mayor

porcentaje de polifenoles y se le llamó eluato de mayor concentración.

82

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

La capacidad antioxidante medida según el método ORAC de los eluatos de mayor concentración

tanto de la placenta como de la cáscara tienen valores similares a los reportados por Ou (2001)

para jugo de arándano y uva de 34659 y 31441µM equivalentes de trolox /L de muestra,

respectivamente (Ou, Hampsch-Woodill, & Prior, 2001).

Figura 6. Evolución del porcentaje de concentración de la cantidad de polifenoles por orden creciente de las

fracciones eluidas sobre la resina XA 5071 FG.

Los resultados de la Tabla 4 muestran que en todos los casos, el contenido de polifenoles del

eluato de mayor concentración es mucho más alto que el contenido de los jugos clarificados, así,

para el mesocarpio es 2,7 veces mayor que en el jugo clarificado, mientras que para la placenta y

la cáscara el contenido es mayor en 4 y 4,5 veces respectivamente.

Los resultados de los cromatogramas de las muestras estudiadas se expresan como ácido

clorogénico para la longitud de onda de 320 nm mientras que para la longitud de onda de 520 nm

se expresan como cianidina-3-glucósido. La concentración de polifenoles determinados como

ácido clorogénico es mayor en el eluato de mayor concentración que en los jugos clarificados.

Para el mesocarpio la concentración se duplicó, para la cáscara se triplicó, mientras que para la

placenta el eluato de mayor concentración contiene 16 veces la cantidad de polifenoles que la

contenida en el jugo clarificado. El eluato de mayor concentración de la placenta contiene el doble

de la concentración de antocianinas como cianidina-3-glucósido, que el jugo clarificado mientras

que para la cáscara y pulpa el contenido de antocianinas no fue detectable.

Los eluatos de mayor concentración presentan mayor capacidad antioxidante que los jugos

clarificados. Para el mesocarpio la capacidad antioxidante se intensifica en 3,7 veces, mientras

que para la placenta la capacidad antioxidante se cuadruplica y para la cáscara la capacidad

antioxidante en 5,5 veces.

En el proceso de concentración del jugo clarificado de placenta utilizando resina el contenido de

polifenoles totales y la capacidad antioxidante se cuadruplicaron, el contenido de antocianinas se

0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4 5 6

Número de eluato

Po

rcen

taje

de c

on

cen

tració

n d

e

po

life

no

les (

%)

PULPA PLACENTA CÁSCARA

83

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

incrementó en 1,8 veces; mientras que en el proceso de ósmosis inversa los factores de

concentración son inferiores. Así, el contenido de polifenoles totales y capacidad antioxidante se

incrementó en 1,5 y 2,5 veces respectivamente y el aumento del contenido de antocianinas fue de

2,6 veces. Los factores de concentración del jugo clarificado de cáscara siguieron la misma

tendencia; la concentración de polifenoles totales alcanza un factor de 4,5 y la capacidad

antioxidante de 5,5; valores superiores a los obtenidos con ósmosis inversa que fueron de 2,5.

Tabla 4. Caracterización del jugo clarificado y el eluato de mayor concentración de las fracciones de tomate de árbol en el proceso concentración utilizando la resina XA 5071 FG

Muestra Jugo clarificado Eluato de mayor

concentración

Mesocarpio

Polifenoles totalesa 23,39 + 0,75 63,34 + 1,22

Polifenoles como ácido clorogénicob 20,88 + 2,09 47,78 + 0,16

Antocianinasc LND LND

Capacidad antioxidanted 3.001 + 142 11.176 + 698

Placenta

Polifenoles totalesa 54,16 + 2,72 216,27 + 4,34

Polifenoles como ácido clorogénicob 9,54 + 1,30 158,39 + 21,07

Antocianinasc 663,79 + 43,71 1.213,54 + 54,60

Capacidad antioxidanted 8.614 + 54 35.708 + 97

Cáscara

Polifenoles totalesa 36,19 + 1,82 162,52 + 1,86

Polifenoles como ácido clorogénicob 299.02 + 18.33 1068.47 + 2.73

Antocianinasc LND LND

Capacidad antioxidanted 6.413 + 106 35.322 + 1481

a Expresado en equivalente de ácido gálico mg /100g de muestra, media + desviación estándar, n= 2, tres

determinaciones; b expresado en mg /L de muestra, media + desviación estándar , n= 2, una determinación;

cexpresado en mg /L de muestra, media + desviación estándar , n= 2, una determinación;

d Expresado en

equivalente de trolox µM/L de muestra, media + desviación estándar , n= 2, dos determinaciones; LND: Límite No Detectable.

4. Conclusiones y Recomendaciones

La utilización de la resina XA 5071 FG permitió obtener los mejores resultados para concentrar

polifenoles de jugos clarificados de mesocarpio, placenta y cáscara de tomate de árbol morado.

Así, la concentración de polifenoles y capacidad antioxidante se incrementaron en 4,5 y 5,5 veces

respectivamente para la cáscara y en cuatro veces para la placenta; estos factores son superiores

a los obtenidos en ósmosis inversa.

La ósmosis inversa permitió concentrar los compuestos antioxidantes de interés pero debido al

modo de operación, no se alcanzó el límite de la presión osmótica que impediría el paso del

permeado obteniendo flujos cercanos a cero y la concentración máxima de los compuestos de

interés.

84

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.71 - 85

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/ e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/11/02 Aceptado (Accepted): 2016/12/09

CC BY-NC-ND 3.0

Influencia de las variables climatológicas sobre la conexión

inalámbrica: Base Emisora-Receptora

(Influence of climatic variables on wireless: case study Base-Station

Receiver)

Rodolfo Najarro Quintero1, Eduardo Samaniego Mena1, Freddy Fares Vagas1, Amilkar

Puris Cáceres1,2

Resumen:

El presente trabajo de investigación se realiza con el objetivo de encontrar la relación que

existe entre las condiciones climatológicas y la pérdida de la conexión inalámbrica en base

terrena. Los datos son suministrados por un centro de meteorología radicado en la zona y una

empresa de telecomunicación que opera en el mismo lugar. Se estudia directamente

clasificadores basados en reglas difusas debido a lo fácil que resulta la interpretación de las

reglas y manejo de los datos. Para este proceso se utilizó la aplicación informática Keel que

ofrece técnicas de clasificación supervisada y aplicación Weka para el pre procesamiento de

datos. Se estudiaron nueve clasificadores basados en reglas difusas donde el Furia-C fue el

que mejores resultados obtuvo en cuanto a cantidad de reglas y a la precisión de clasificación.

Algunas de las reglas obtenidas corroboran la influencia que tiene la lluvia fuerte sobre la

pérdida de la señal, pero aparecen otras variables relacionadas con la pérdida de la señal, que

incorporan nuevos conocimientos en el área, como por ejemplo la influencia del punto de rocío

y la humedad relativa media.

Palabras clave: clasificación supervisada; climatología; atenuación de la señal; reglas difusas

Abstract:

The development of this research is done with the aim of finding the relationship between

weather conditions and the loss of wireless connection. The data were obtained by a

meteorological center of the area and a telecommunications company that operates in the same

place. We studied different models based on fuzzy logic due to the easy interpretation the easy

interpretation of the rules and data management. We used the Weka application that provides

tools for pre-processing of data and Keel software tool for data classification. Nine classifiers

based on fuzzy rules were applied, where the Furia-C was that better results obtained in order

to quality and quantity of rules. In this scenario, a preprocessing of data were computed, where

some techniques to improve the information was performed. Some of the obtained rulers

corroborate the influence of heavy rain over the loss of the signal, but other relationships that

incorporate new knowledge in the area, such as dew point and the average relative humidity

appear.

Keywords: supervised classification; climatology; signal attenuation; fuzzy ruler

1 Universidad Técnica Estatal de Quevedo, Quevedo– Ecuador ( rnajarro, esamaniego , ffares , apuris

@uteq.edu.ec) 2 Universidad Estatal de Milagro, Milagro-Ecuador

87

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

1. Introducción

En la actualidad el desarrollo de las telecomunicaciones está orientado al uso de las tecnologías

digitales, reduciendo en gran medida las transmisiones analógicas. Su evolución ha sido notable

en los sistemas de radiocomunicación por satélite para radiodifusión digital directa de TV y audio,

comunicaciones móviles de banda estrecha, y novedosos proyectos de comunicaciones fijas de

banda ancha, utilizando tanto satélites geoestacionarios como no-geoestacionarios.

Existen algunos factores que afectan la trasmisión inalámbrica, entre los cuales se encuentran; la

atenuación, la distorsión, la pérdida del espacio libre, la absorción atmosférica, la refracción, el

ruido entre otros. Estos factores han sido estudiados y se han definido algunos parámetros a tener

en cuenta para disminuir su impacto en los servicios inalámbricos.

Específicamente la atenuación o pérdida de la potencia de la señal es una de las causas que más

afecta la comunicación inalámbrica y ocurre principalmente por dos factores; la distancia entre el

transmisor y el receptor de la señal, y por la influencia del clima. En ambos casos, la señal

distorsionada provoca que el receptor no interprete bien la información enviada y por ende existan

fallas en el servicio. Para disminuir la atenuación causada por la distancia, se han utilizado

soluciones tecnológicas que abarca el uso de repetidores y amplificadores para mantener la

potencia de la señal para trasmisiones en larga distancia. En el caso de atenuación por

condiciones climatológicas, solo se conoce de estudios que involucran la variable lluvia como

factor fundamental en la pérdida de la señal (Moncada, D., 2006), (Fermín, J. R., & Simancas, M.,

2010), no así la influencia de otras variables climatológicas.

Por tal motivo, en el presente trabajo se presenta un caso de estudio real, con información de

diferentes variables climatológicas medidas durante 500 días, en la misma zona donde se tiene

una base receptora que brinda servicios de internet a un grupo considerable de clientes. El

objetivo es, utilizar esta información para encontrar las relaciones que existen entre las

condiciones climatológicas con la pérdida de la señal. Para la construcción del modelo

computacional se aplican técnicas de minería de datos específicamente modelos basados en

reglas difusas que ayudan a encontrar relaciones y tendencias en la información.

2. Metodología

Para el desarrollo de la presente investigación se contó con datos de diferentes variables

climatológicas tomadas en la estación experimental “Pichilingue” en el cantón Quevedo, donde

existe una extensión del INAMHI3 (Servicio Meteorológico e Hidrológico Nacional del Ecuador).

Además, se obtuvo el registro de una empresa de telecomunicaciones que brinda servicios en la

zona y cuenta con una base terrena que recibe la señal de una estación primaria de forma

3 http://www.serviciometeorologico.gob.ec/

88

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

inalámbrica. Los datos suministrados por esta empresa contienen la hora y el día en que fue

interrumpido el servicio por falta de señal.

La base de conocimiento se formó a partir de 1500 registros tomados en un período de 500 días

(enero del 2014 a junio del 2015), de los cuales se proporcionaron 3 mediciones meteorológicas

por día (6 am, 12 pm y 6 pm). El reporte de pérdida de la señal, se asoció al registro

meteorológico más cercano a la hora del fallo, los restantes registros se completaron sin fallos.

Con esta información se aplicó un método analítico a partir de un estudio experimental en el cual

se aplicaron diferentes técnicas de minería de datos, específicamente clasificadores basados en

reglas difusas, que utilizan algoritmos evolutivos para encontrar las reglas (Gao, Q., & He, N. B.,

2016). El objetivo de la aplicación de estos modelos es encontrar aquel que mejor relacione las

variables climatológicas con la pérdida de la señal. Para llevar a cabo el proceso de

descubrimiento se utilizó la herramienta Weka4 (Waikato Environment for Knowledge Analysis)

para el análisis y preprocesamiento de los datos y el software KEEL5 (Knowledge Extraction based

on Evolutionary Learning) para la aplicación de diferentes clasificadores basado en reglas difusas.

3. Resultados y Discusión

En este punto se muestra todo el proceso desarrollado para descubrir la relación ente las

variables climatológicas y la pérdida de la señal con énfasis en la extracción de reglas difusas. La

Tabla 1 muestra los parámetros utilizados en el proceso, donde PS representa la variable

dependiente o de clase para el caso de estudio.

Tabla 1. Variables utilizadas en el proceso de descubrimiento

Variable Descripción Variable Descripción

TM Temperatura media TVA Tensión de vapor de agua

TMAX Temperatura máxima PR Punto de rocío

TMIN Temperatura mínima HE Heliofania

TOSC Oscilación térmica EV Evaporación del agua

HRM Humedad relativa Media LL Cantidad de lluvia

HRMAX Humedad relativa máxima PS Disponibilidad de la Conexión: 0 =

pérdida 1 = conexión

HRMIN Humedad relativa mínima

4 http://www.cs.waikato.ac.nz/ml/weka/ 5 http://keel.es/

89

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

3.1 Análisis y preparación de los datos

La calidad de los resultados obtenidos en el proceso de obtención de conocimientos no solo

depende de los métodos de extracción, sino también, de cómo se haya conformado la base de

datos y todo el preprocesamiento desarrollado para obtener una base de conocimiento lo más

sólida posible. A continuación, se describen cada uno de los pasos realizados para el

preprocesamiento de la información.

Paso1. Análisis de outliers: para llevar a cabo la verificación de los datos y detectar posibles

ruidos o inconsistencias en los registros climatológicos, se procedió analizar los valores de rango

permisibles de cada variable, tomando como referencia los datos suministrados por el sitio

http://www.iniap.gob.ec/ donde aparecen promedios anuales de cada variable en la zona. Como

resultado del análisis gráfico se detectó que todas las variables estaban dentro de los estándares

establecidos para la zona de estudio por lo cual no se aplicó ningún algoritmo para eliminar

outliers.

Paso2. Análisis de desbalance de clases: la presencia de clases no balanceadas en bases de

conocimientos es un problema frecuente en muchas aplicaciones de aprendizaje automático y

cuyos efectos sobre el desempeño de los clasificadores son notables. El problema ocurre cuando

el número de instancias perteneciente a cada clase es muy diferente provocando en los

clasificadores un sobre aprendizaje de la clase dominante y poco aprendizaje de las clases con

pocas instancias.

En este sentido la base de datos utilizada en esta investigación cuenta con una variable clase que

representa el estado de la conexión inalámbrica y tiene dos valores; conexión o no conexión. En la

Figura 1 a) se puede apreciar que aparece una dominancia de la clase conexión con 1155 casos

mientras que la clase sin conexión solo tiene 345 representantes. Luego, la Figura 1 b) muestra

los datos luego de aplicar el algoritmo SMOTE (Synthetic Minority Oversampling Technique) (Xie,

Z., Jiang, L., Ye, T., & Li, X., 2015) que sigue una estrategia de sobremuestreo donde las nuevas

instancias se crean a partir de la interpolación de los casos más cercanos a la clase minoritaria.

Figura 1. Análisis de la variable clase

1 0

1132

1155

90

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

Paso 3. Discretización de las variables: para poder obtener un conjunto de datos con rangos

más asequibles para trabajar, se ejecutaron dos algoritmos en el Keel, el de frecuencia y amplitud

uniforme. La Figura 2 muestra el esquema seguido y los valores obtenidos para la formación de

grupos para cada variable se muestran en la Tabla 2.

Figura 2. Diagrama para la discretización de variables en Keel.

Tabla 2. Variables discretizadas y sus grupos

Variable AttributeIndices Bins Variable AttributeIndices Bins

TM

first-4,last 5

TVA 8-10,last 5

TMAX PR

TMIN HE

TOSC EV 11,last 7

HRM

5-7,last 6

LL 12,last 3

HRMAX

HRMIN

Paso 4. Selección de atributos o variables: en este proceso se elimina información redundante

que no es beneficiosa para el proceso de extracción de conocimiento, esto posibilita que los

algoritmos funcionen de forma más rápida y precisa. La base de casos de este estudio presenta

12 atributos predictores, por lo que técnicamente no es necesario realizar selección de atributos.

No obstante, se probaron 6 algoritmos de filtrado existentes en Weka como se muestra en la

Figura 3, para seleccionar las variables más importantes.

En la Tabla 3 se puede observar que la mayoría de los algoritmos obtienen el mismo subconjunto

de 7 variables, solo el algoritmo de búsqueda aleatoria (RandomeSearch) realiza una selección

más simplificada, dejando fuera la variable humedad relativa media (HRM).

A continuación, en la Figura 4 se presentan los valores de precisión y desviación estándar

obtenidos por el clasificador FURIA-C (Hühn, J., & Hüllermeier, E., 2009) con cada subconjunto de

variables. Se puede apreciar que la mayor precisión se obtiene utilizando el subconjunto de 7

variables, incluso sus resultados son muy similares a los alcanzados por el mismo calificador si se

utilizan todas las variables. Otro elemento a tener en cuenta es la cantidad de reglas que se

91

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

obtienen porque marcan la diferencia en cuanto a la eficiencia del clasificador. Para este

indicador, el utilizar solo 7 variables en el proceso de descubrimiento produce 8 reglas, mientras

que, si se utilizan todas las variables, el número de reglas asciende a 24 reglas.

Figura 3. Selección de atributos utilizando Weka

Tabla 3. Resultados de la selección de variables

Algoritmo Atributos

Best first TM, TMAX, TOSC, HRM, HRMIN, PR, LL

SubsetSizeForwardSelection TM, TMAX, TOSC, HRM, HRMIN, PR, LL

GeneticSearch TM, TMAX, TOSC, HRM, HRMIN, PR, LL

GreedyStepwise TM, TMAX, TOSC, HRM, HRMIN, PR, LL

ScatterSearchV1 TM, TMAX, TOSC, HRM, HRMIN, PR, LL

RandomeSearch TM, TMAX, TOSC, HRMIN, PR, LL

Figura 4. Resultados del proceso de clasificación para cada conjunto de datos

6 va ria bles 7 va ria bles Toda s la s va ria bles0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.72

0.88 0.88

0.2

0.1

0.2

Precis ión D es via c ión es ta nda r

92

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

Con estos resultados se procedió a continuar el estudio con el subconjunto de 7 para encontrar la

forma más descriptiva para la pérdida de la señal en el caso real de estudio.

3.2. Estudio comparativo e interpretación de las reglas

A continuación, se realiza una comparación entre 9 clasificadores basados en reglas difusas para

seleccionar aquel que mejor represente los datos a partir de 3 indicadores: Precisión, Cantidad de

reglas y Desviación estándar (delante de cada indicador, valor de orden en el ranking). La Figura 5

presenta el modelo definido en Keel para la ejecución de los experimentos.

Figura 5. Modelo en Keel para el estudio comparativo entre clasificadores

La Tabla 4 muestra que el clasificador FURIA-C es el que mejores valores obtiene para el

indicador precisión superando en más de 0.5 al siguiente clasificador mejor situado (GFS-

LogitBoost-C). Para el caso del indicador cantidad de reglas este clasificador obtuvo el segundo

lugar con 8 reglas solo superado por SGERD-C que presentó una baja precisión. Y para el

indicador desviación estándar el algoritmo FURIA-C se encuentra entre los 3 que mejores valores

obtiene.

Según los resultados antes descritos se puede concluir que el algoritmo FURIA-C es el que

mejores resultados alcanza de manera general, debido a que supera significativamente en

precisión a los demás modelos y para los otros indicadores la diferencia con el mejor es mínima. A

continuación, la Tabla 5 describe la base de reglas obtenidas por el algoritmo.

Se puede observar que las 3 primeras reglas determinan que las variables más relacionadas con

la pérdida de la señal son: Lluvia (Ll), Punto de Rocío (PR), Temperatura de Oscilación (TOSC),

Temperatura Media (TM) y la Humedad Relativa Media (HRM).

93

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

Tabla 4. Resultados del análisis comparativo de clasificadores difusos Algoritmo Precisión Cantidad de

reglas Desviación estándar

FH-GBML-C (Murcia, C., Bonilla, G., & Melgarejo, M., 2014)

5 0,7492 4 11 4 0,0203

FURIA-C (Huhn & Hullermeier., 2009) 1 0,8834 2 8 3 0,0199

Grammar-based GP algorithm (GFS-GP-C) (Sánchez & Couso, 2001)

4 0,8009 6 14 2 0,0122

AdaBoost-C (Del Jesús, H., Junco & Sánchez,2004)

6 0,7188 4 11 7 0,0328

GFSMaxLogitBoost-C (González, A., Pérez, R., Caises, Y., & Leyva, E. 2012)

7 0,7144 5 13 5 0,0217

GFS-GPG-C (Sánchez & Couso, 2001) 3 0,8276 6 14 1 0,0101

GFS-LogitBoost-C (Bartczuk, L., Przybyi, A., & Cpalka, K., 2016).

2 0,8317 3 9 6 0,0239

SGERD-C (Mansoori,Zolg hadri &Katebi, 2008) 8 0,6618 1 7 9 0,0477

SLAVE-C (Sudha, M. 2017) 9 0,6509 7 15 8 0,0368

Tabla 5. Reglas obtenidas por el clasificador FURIA-C

Regla Interpretación Precisión

R1 Si TMax mayor que 26,52 y LL mayor 104,72 entonces pérdida de señal. 0,94

R2 Si PR mayor que 20,2 y HRM mayor que 95 and TOSC entre 3,6 y 6,4 entonces pérdida de señal.

0,86

R3 Si TM entre 25,24 y 26,52 y TOSC menor que 3,6 y HRM entre 82,79 y 89,39 entonces pérdida de señal.

0,77

R4 Si TOSC menor que 3,6 y LL entre 52,36 y 78,53 entonces no hay pérdida de señal.

0,80

R5 Si PR mayor que 20,2 entonces no hay pérdida de señal. 0,80

R6 Si HRMIN entre 38,93 y 56 entonces no hay pérdida de señal. 0,79

R7 Si TM mayor que 26,52 entonces no hay pérdida de señal. 0,76

R8 Si TM 23,96 y 25,24 TOSC menor 3,6 entonces no hay pérdida de señal. 0.72

Específicamente la regla R1 relaciona la lluvia de gran intensidad (superior a los 104 mm) y la

temperatura máxima alta (superior a los 26 grados), con la pérdida de la señal bajo una precisión

del 94%. Esta información es totalmente consistente con estudios realizados por otros autores.

Por su parte la regla R2 incorpora nuevo conocimiento en el área, esto se debe a que para un

punto de rocío alto (mayor que 20,2), una humedad relativa alta (mayor al 95%) y una temperatura

de oscilación normal (entre 3,6 y 6,4) existe una pérdida de la señal en el 88% de los casos en

que se encuentra esta combinación de valores en las variables. De la misma forma ocurre con la

regla R3, que cuando aparece relacionada una temperatura media normal (entre 25,24 y 26,53)

con una temperatura de oscilación baja (menor 3,6) y una humedad relativa normal (entre el

82,79% y 89,39%) existe una probabilidad de 0,77 que se pierda la señal.

4. Conclusiones y Recomendaciones

La presente investigación se realizó para encontrar un modelo basado en reglas difusas que

relacionen un conjunto de variables climatológicas con la pérdida de la señal inalámbrica. Para

ello, se utilizó un escenario real de estudio con datos suministrados por una estación

meteorológica, en la misma zona donde opera una empresa de telecomunicaciones que brinda

servicios a la comunidad.

94

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.86 - 95

Dentro de las 12 variables climatológicas utilizadas en el proceso de extracción del conocimiento,

solo 7 de ellas se relacionan directamente con la pérdida de la señal inalámbrica. Esto se obtuvo a

través del proceso de selección de atributos donde se probaron diferentes algoritmos tipo filtro,

conjuntamente con el clasificador FURIA-C y los mejores resultados se obtuvieron con el

subconjunto formado por Temperatura Media, Temperatura Máxima, Humedad Relativa Media,

Humedad Relativa Mínima, Oscilación Térmica, Punto de Rocío y Lluvia.

El modelo difuso obtenido responde a 8 reglas cuya interpretación se ajusta en parte a los

conocimientos previos del fenómeno como es el caso, cuando la temperatura media es alta y la

lluvia es fuerte entonces la señal se pierde. No obstante, se obtuvieron otras reglas no tan fáciles

de deducir por los expertos como: cuando el punto de rocío es alto, la humedad relativa es alta y

la oscilación térmica es media la señal también se pierde y presenta conocimiento nuevo en el

ambito de estudio para ser utilizados en posteriores investigaciones.

Para seguir profundizando en el estudio de la influencia de las variables climatológicas con la

pérdida de la conectividad, se recomienda aplicar otros clasificadores para refinar los modelos

obtenidos. Además, se puede replicar el estudio en otros escenarios de comunicación como es la

comunicación satelital.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/10/10 Aceptado (Accepted): 2016/12/12

CC BY-NC-ND 3.0

Diseño e Implementación de una Antena Microstrip Yagi a 5.8 GHz

(Design and implementation of a YAGI Microstrip antenna to 5.8 GHz)

Gordón Andrea1,Llugsi Ricardo1

Resumen:

En este trabajo se llevará a cabo el diseño de una antena Yagi microstrip, para lo cual se

analizarán dos técnicas bien conocidas: tablas y ecuaciones matemáticas. El diseño de

antenas microstrip es compacto, de poco peso y de bajo costo, la elección del material es

primordial. Para este trabajo se utilizó el sustrato RO4003c, el cual se ha revisado que opera

satisfactoriamente a 5.8 GHz. Posteriormente se procederá a realizar pruebas en una cámara

anecoica en la cual se puede realizar mediciones desde dc a 10 GHz, para determinar los

parámetros de la antena como directividad, impedancia, VSWR, pérdidas por retorno y patrón

de radiación.

Palabras clave: Antena; Yagi; microstrip; 5.8 GHz.

Abstract:

In this paper the design of a Yagi microstrip antenna will be done. Two well know design

techniques will be analyzed: tables and mathematical equations. The design of microstrip

antennas is compact, lightweight and relatively cheap. The material selection is overriding and

the RO4003c substrate has been chosen due to its satisfactory operation at 5.8 GHz. Later

tests are carried out in an anechoic chamber assembled to operate from DC to 10 GHz. Finally

antenna parameters such as directivity, impedance, VSWR, return losses and radiation pattern

are determined.

Keywords: Antenna; Yagi; microstrip; 5.8 GHz.

1. Introducción

La creciente demanda de velocidad para nuevas aplicaciones en redes inalámbricas que

requieren una muy alta eficiencia, ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías que hagan uso

de un mayor ancho de banda y por lo tanto a la generación de nuevos grupos de estudio

enfocados en la frecuencia de 5.8 GHz; las bandas de frecuencia ISM (Industrial, Scientific and

Medical), son un rango dentro del cual se desarrollan aplicaciones tecnológicas, industriales y

medicina.

En el presente trabajo se busca diseñar e implementar una antena Yagi tipo microstrip que opera

a altas frecuencias no licenciadas, en este caso a 5.8 GHz.

Las antenas Yagi son direccionales, es decir permiten una concentración de energía en una

dirección determinada, los elementos parásitos que conforman la antena permiten aumentar la

directividad y por ende la ganancia, a estos elementos se les conoce como directores, y el

1 Escuela Politécnica Nacional, Quito – Ecuador ( andrea.gordon, ricardo.llugsi @epn.edu.ec )

97

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

elemento reflector permite que la energía que se transmite en la parte posterior de la antena sea

reflejada hacia el frente.

El diseño de antenas Yagi se ha realizado y perfeccionado desde hace varios años atrás, como

por ejemplo en el diseño de antenas Yagi fractales en donde se construyen monopolos basados en

el triángulo de Sierpinski, (Arcos Cerda D., 2007); el uso de tecnología microstrip también se

puede aplicar en la teoría de dimensionamiento como en el diseño y construcción de un prototipo

de arreglo de antenas para recepción en banda x (Jaramillo Granda D. y Quishpe Rea P., 2013).

Adicionalmente se puede hacer uso de metodologías clásicas como calculadoras (Tanner, David

D., 1995) y ecuaciones (Viezbiche, Peter P., 1976) para el diseño de antenas Yagi

convencionales, en el presente trabajo se va a hacer uso de los dos métodos anteriores

adoptando metodologías de diseño para tecnología microstrip y se van a comparar los resultados

de las pruebas realizadas con el objetivo de determinar qué metodología brinda mejores

resultados.

2. Metodología

El elemento radiante se diseñará a base de fórmulas existentes en la tecnología microstrip

(Balanis, Constantine A., 2005), los elementos directores y reflector se diseñarán en base a dos

métodos: tablas de diseño (Viezbiche, Peter P., 1976) y ecuaciones (Tanner, David D., 1995); la

antena va a diseñarse considerando una frecuencia de operación de 5.8 GHz.

2.1 Diseño del elemento conductor

El diseño del elemento radiante se realizó con el material RO4003c, el mismo que proporciona

una adecuada constante dieléctrica (3.38 con un espesor de sustrato de 1.524mm) para brindar

bajas pérdidas. Se presentan las ecuaciones y cálculos para el diseño del elemento radiante

(Balanis, Constantine A., 2005) como se ejemplifica en la Figura 1.

Figura 1 Diseño Elemento Radiante

Se realiza el cálculo del ancho de elemento radiante mediante el uso de la ecuación 1:

𝑊 ≈𝑐

2𝑓𝑜√(𝜀𝑟+1)

2

(1)

98

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

Donde:

W = Ancho del elemento radiante

c = Velocidad de la luz

𝑓𝑜 = Frecuencia de diseño

𝜀𝑟 = Constante dieléctrica del sustrato

De lo anterior se tiene que el ancho del elemento radiante es 17.476𝑚𝑚.

Se calcula el valor de la constante eléctrica efectiva y la variación de longitud del conductor, y se

hace uso de la ecuación 2:

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 ≈𝜀𝑟+1

2+

𝜀𝑟−1

2(1 + 12

ℎ

𝑊)−1/2 (2)

Donde:

𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 = Constante dieléctrica efectiva del sustrato

h = Grosor del sustrato

A base de la ecuación anterior se tiene que la constante dieléctrica efectiva es 3.022.

La variación de longitud del elemento radiante se obtiene en función de la constante dieléctrica

efectiva y se calcula mediante la ecuación 3:

∆𝐿

ℎ= 0.412

(𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓+0.3)(𝑊

ℎ+0.264)

(𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓−0.258)(𝑊

ℎ+0.8)

(3)

Donde:

∆𝐿 = Variación de longitud del elemento radiante

Mediante el cálculo anteriormente planteado se tiene que la variación de longitud del elemento

radiante es de 0.722𝑚𝑚.

La longitud efectiva del parche depende de la constante dieléctrica y la frecuencia de resonancia

de la antena (ecuación 4).

𝐿𝑒𝑓𝑓 =𝑐

2𝑓𝑜√𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 (4)

Donde:

99

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

𝐿𝑒𝑓𝑓 = Longitud efectiva del elemento conductor

La longitud efectiva del elemento conductor a base de la ecuación anterior es de 14.877𝑚𝑚.

Finalmente se calcula la longitud del parche que depende de la longitud efectiva y de la variación

de longitud como muestra la ecuación 5.

𝐿 = 𝐿𝑒𝑓𝑓 − 2∆𝐿 (5)

Donde:

L = Longitud del elemento radiante

En base a la ecuación anterior se tiene que la longitud del elemento radiante es 13.433𝑚𝑚.

Para garantizar la máxima transferencia de potencia obtenida de un correcto acoplamiento se

asume una impedancia estándar de 50Ω como impedancia de salida en el elemento radiante, para

poder acoplar la antena con un generador de HF (con impedancia de salida de 50Ω).

Con el propósito de facilitar el cálculo de la impedancia de la antena se hace una conversión a

admitancia, la misma que está definida por la suma de las admitancias de cada slot de la antena

microstrip, las susceptancias son iguales pero con signo contrario por lo cual se anulan; queda la

admitancia total definida por las ecuaciones 6 y 7.

𝑌 = 2𝐺1 (6)

𝑅𝑖𝑛 =1

𝑌=

1

2𝐺1 (7)

Al ser 𝑊 < 𝜆 se calcula la conductancia con la ecuación 8:

𝐺1 =1

90(

𝑊

𝜆)2 (8)

De lo anterior se tiene que el valor de la conductancia es 0.001268.

La impedancia de entrada en la ecuación anterior no toma en cuenta la conductancia mutua que

se presenta en los slots (Balanis, Constantine A., 2005), por lo tanto se hace uso de la ecuación 9:

𝐺12 =1

120𝜋2 ∫ [sin(

𝑘0𝑊

2cos 𝜃)

cos 𝜃]

2𝜋

0𝐽0(𝑘0𝐿 sin 𝜃) sin3 𝜃 𝑑𝜃 (9)

Donde:

𝐺12 = Conductancia mutua

𝐽0 = Función de Bessel de orden cero y primera clase.

100

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

𝑘0 = 2𝜋/𝜆

A base de la ecuación anterior se tiene que la conductancia mutua es de 0.0004256.

Lo anterior desemboca en que la impedancia de entrada es (ecuación 10):

𝑅𝑖𝑛 =1

2(𝐺1±𝐺12) (10)

A base de la ecuación 10 se tiene que la impedancia de entrada es 295.229Ω.

Para este diseño el tipo de alimentación que se va a emplear es línea microstrip con inserciones,

esta alimentación permite un mejor acoplamiento de impedancia, para lo cual se debe tener en

consideración el ancho de la línea microstrip 𝑊𝑜 y longitud de la línea 𝐿𝑇𝑎:

Ancho de la línea de transmisión

Al ser 𝑊

ℎ> 1 se calcula el ancho de la línea mediante la ecuación 11:

𝑍𝑜 =120𝜋

√𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓[𝑊𝑜

ℎ+1.393+0.667ln (

𝑊𝑜ℎ

+1.444)] (11)

Donde:

𝑍𝑜 = Impedancia de la antena

𝑊𝑜 = Ancho de la línea de transmisión

El ancho de la línea de transmisión mediante la ecuación 11 es de 3.25 𝑚𝑚.

Longitud de la línea de transmisión

𝐿𝑇𝑎 =𝜆

4√𝜀𝑟𝑒𝑓𝑓 (12)

Donde:

𝐿𝑇𝑎= Longitud de la línea de transmisión

A partir de la ecuación 12 se tiene que la longitud de la línea de transmisión es 7.45𝑚𝑚.

Si se tiene en cuenta que el método de alimentación se realiza mediante inserciones, entonces se

calcula a qué altura desde la base del elemento conductor empieza la inserción, esta distancia se

determina mediante la ecuación 13.

𝑅𝑖𝑛 =1

2(𝐺1±𝐺12)cos2(

𝜋

𝐿𝑦0) (13)

Donde:

101

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

𝑦0 = Longitud de la inserción

La longitud de las inserciones determinadas a base de la ecuación anterior es de 4.888 𝑚𝑚.

2.2 Diseño de los elementos parásitos mediante tablas

A base de la Tabla de dimensionamiento de antena Yagi en función de la longitud de onda

(Viezbiche Peter P., 1976, p. 14), las siguientes ecuaciones permiten el cálculo del tamaño de la

antena y de los elementos parásitos.

𝐿𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛𝑎 = 1.20𝜆 (14)

La longitud de la antena en este caso es de 62.06𝑚𝑚 a base de la ecuación 14.

La longitud del reflector se describe en la ecuación 15:

𝑙𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 0.482𝜆 (15)

Al realizar el cálculo respectivo se tiene que la longitud del reflector es de 24.93𝑚𝑚.

La antena se diseñará con 4 elementos directores:

𝑙1𝑠𝑡 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 𝑙4𝑡ℎ 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 0.428𝜆 (16)

𝑙2𝑛𝑑 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 𝑙3𝑟𝑑 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 = 0.420𝜆 (17)

De acuerdo con las ecuaciones 16 y 17 el primer y cuarto director miden 22.14𝑚𝑚 y el segundo y

tercer director tienen una longitud de 21.72𝑚𝑚.

2.3 Diseño de los elementos parásitos mediante ecuaciones

A continuación se hace uso de ecuaciones para el diseño de antenas Yagi (Tanner, David D.,

1995), las ecuaciones utilizadas en este apartado son descritas a continuación (ecuaciones 18, 19

y 20):

Longitud del Reflector

𝐿𝑅 = 0.42983044 ∗ 𝜆 + 𝑇ℎ𝑟𝑢 𝐵𝑜𝑜𝑚 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 (18)

Como la antena a diseñarse es una antena microstrip no posee el elemento boom por lo cual este

dato no se toma en consideración, el valor calculado de la longitud del reflector es de 22.233 𝑚𝑚.

Espaciamiento del reflector

𝑆𝑅 = 0.24 ∗ 𝜆 (19)

A base de la ecuación 19 se procede al cálculo del espaciamiento entre el elemento reflector y el

elemento conductor; se tiene como resultado 12.414 𝑚𝑚.

102

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

Longitud del Director

Se procede a calcular la longitud del elemento director con el uso de la ecuación 20.

𝐿𝐷𝐼𝑅 = ((−0.075857∗# 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝐴) + 𝐵 + 𝐶) ∗ 𝜆 (20)

Donde:

𝐴 = ((𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 ∗ 0.1

𝜆)

0.1996231

∗ 0.1793871 + 0.0073443)

𝐵 = (𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 ∗ 0.1

𝜆)

0.2078146

∗ −0.4327718

𝐶 = 0.51793

Es necesario decir que como en este caso se cuenta con una antena microstrip, no se puede

hablar de un diámetro del director sino más bien de un grosor de lámina por lo cual se tomó este

valor para los cálculos de A y B; se tienen como resultado los valores de 0.09651 y -0.209021

respectivamente.

De acuerdo con la ecuación (20) y a los valores de A, B y C la longitud del primer elemento

director es de 21 𝑚𝑚 y del segundo, tercer y cuarto director es de aproximadamente 20 𝑚𝑚.

Espaciamiento entre Directores

Para obtener el espaciamiento entre elementos directores se multiplica el valor de longitud de

onda por una constante diferente para cada director, la longitud de espaciamiento aumenta de un

director en otro; entre el elemento radiante y el primer director la separación es de 4𝑚𝑚, primer y

segundo director 9 𝑚𝑚, segundo y tercero 11 𝑚𝑚, tercero y cuarto 13 𝑚𝑚

Ganancia

Para el cálculo de la ganancia se estima la longitud de la antena después de haber incorporado un

elemento director, es decir se toma en consideración la distancia de separación entre el reflector y

el elemento radiante, y entre el conductor y los directores y se suman ambas distancias.

La ecuación 21 permite calcular la longitud de la antena.

𝐿𝑎𝑛= 𝐿𝑎𝑛−1

+ 𝑆𝐷𝑛 (21)

Donde:

𝐿𝑎𝑛 = Longitud de la antena con n elementos directores

𝐿𝑎𝑛−1 = Longitud de la antena con n-1 elementos directores

103

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

𝑆𝐷𝑛 = Espaciamiento del último elemento director

Para el cálculo de la ganancia de la antena se tiene la ecuación 22 descrita a continuación:

𝐺𝑛 = 7.8 ∗ log𝐿𝑎𝑛

𝜆+ 9.2 [𝑑𝐵] (22)

Donde:

𝐺𝑛 = Ganancia de la antena con n elementos directores

El cálculo de la ganancia de la antena con 4 elementos directores tiene como antecedente el valor

de la longitud de la antena en base a la ecuación 21 y se tiene como resultado 49,414 𝑚𝑚 y una

ganancia de 9,0468 [𝑑𝐵].

3. Resultados y Discusión

Una vez diseñado el elemento conductor se colocan los directores uno tras otro, con el fin de

observar el comportamiento de la antena cada vez que se aumentan elementos. En primera

instancia se dispuso los elementos parásitos (directores y reflector) a la misma altura con respecto

a la base de la antena, mientras se estaba simulando se notó que al aumentar directores el lóbulo

de radiación se distorsionaba y por ende la ganancia y directividad no variaban mucho; y, las

pérdidas eran mayores, por lo cual se colocaron los elementos uno más arriba que otro, con lo

que se mejoró el lóbulo de radiación, aumentó significativamente la ganancia y directividad; y

como se esperaba, disminuyeron las pérdidas.

3.1 Simulación por el método de tablas

Se realiza la simulación de la antena Yagi con cuatro elementos directores separados uno de otro

la distancia de 0.2λ, es decir 10.345 mm.

En la Figura 2 se observan los parámetros S en donde se muestra que la antena resuena a una

frecuencia de 5.8 GHz con cuatro elementos directores, las pérdidas por retorno son alrededor de

-19 dB.

Figura 2. Parámetros S con cuatro elementos directores

104

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

La impedancia en este arreglo de elementos está cerca del valor de 50Ω a la frecuencia de

resonancia, el VSWR está en un valor de 1.245 a la frecuencia de 5.8 GHz, cabe mencionar que

el VSWR permite determinar que tan bien está acoplada la línea de transmisión a la carga.

La ganancia con cuatro elementos directores ha aumentado a 9.65 dB, en la Figura 3 se muestra

el lóbulo de radiación en coordenadas polares en función de los ángulos Φ (izquierda) y θ

(derecha) en donde se evidencia que la energía de la antena tiene un haz más angosto,

enfocándose a un área más pequeña.

Figura 3. Directividad de la antena con cuatro directores a 5.8 GHz en coordenadas polares

3.2 Simulación por el método de ecuaciones

Al igual que en el método anterior, la antena se diseñará hasta cuatro elementos directores, cada

elemento director separado por una distancia determinada respecto al elemento anterior, la

antena con cuatro directores y un reflector. Los parámetros S mostrados en la Figura 4

representan la frecuencia a la cual la antena con cuatro elementos directores resuena, en este

caso 5.8 GHz, que es lo que se esperaba, a esta mencionada frecuencia las pérdidas por retorno

son de aproximadamente -22 dB.

Figura 4. Parámetros S con cuatro elementos directores

La impedancia obtenida tras el aumento de los directores sigue en valores parecidos a las

antenas con un número de elementos directores inferior, este valor es de aproximadamente 50Ω

que es la impedancia característica de la línea de transmisión.

105

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

La relación de acoplamiento entre la línea de transmisión y el conductor es casi perfecta con un

valor aproximado a la unidad de 1.179 considerándose un excelente acoplamiento. La ganancia

finalmente pasó de 5.33 dB sin elementos directores a 9.27dB con un aumento de 3.94 dB y la

directividad de la antena pasó de un valor inicial de 5.67dBi a 9.39dBi, la Figura 5 muestra el

lóbulo de radiación en coordenadas polares en función de los ángulos Φ y θ.

Figura 5. Directividad de la antena con cuatro directores a 5.8 GHz en coordenadas polares

Al comparar los resultados de los dos métodos de diseño, los datos obtenidos son casi similares

tanto la ganancia como la directividad con 4 elementos, cada método supera los 9 dB, en lo que

difieren es en el coeficiente de reflexión y en la relación de acoplamiento (VSWR).

Para fabricar la antena se eligió el método a base de los resultados obtenidos, como ambos

presentan valores de ganancia y directividad similares, se basó en el valor de coeficiente de

reflexión en la antena con cuatro elementos directores, seleccionando el método por calculadora

ya que a la vez este se acerca más a un diseño real de una antena microstrip, lo cual permite

ingresar valores como del grosor de la baquelita en lugar del diámetro del director.

Cada vez que se aumenta un director, la frecuencia de resonancia cambia debido a que se

aumenta un elemento parásito por lo cual se deben ajustar las medidas del conductor para que

vuelva a resonar en la frecuencia deseada, 5.8 GHz. La Tabla 1 muestra un cuadro comparativo

de los valores diseñados y ajustes realizados a base de los resultados obtenidos en la simulación

en CST, en la Figura 6 se muestra la antena construida.

Cabe mencionar que las pruebas fueron realizadas en condiciones ideales con una potencia de

10mW.

3.3 Implementación de la antena y pruebas de laboratorio

Las pruebas a realizarse con los equipos son: medición de potencia de transmisión, impedancia

de la antena, VSWR y pérdidas de retorno. Las mediciones de potencia transmitida fueron

realizadas dentro de una cámara anecoica ubicada en el Laboratorio de Antenas de la Facultad de

Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Escuela Politécnica Nacional.

106

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

Tabla 1 Reajuste de valores de diseño del elemento conductor en base al diseño teórico y pruebas en el software de simulación

VARIABLES DISEÑO [mm] AJUSTE EN LA

SIMULACIÓN [mm]

𝑊𝑜 3,25 3,7

𝐿𝑇𝑎 7,45 7,45

𝑦𝑜 4,888 4,14

W 17,476 14,2

L 13,433 13,275

Figura 6. Antena Yagi Microstrip

Mediante el Generador RF Anritsu MG3961C se energiza la antena a la frecuencia de 5.8 GHz, de

esta manera la antena funciona como transmisor, la antena log periódica hará el papel de receptor

captando la potencia emitida, el receptor está ubicado al otro extremo de la cámara. Estos valores

serán tomados por el analizador de espectros para graficar el lóbulo de radiación de la antena.

La directividad a partir de los ángulos que forman el lóbulo en los puntos de media potencia de los

planos horizontal y vertical se expresa en la ecuación 26 (Viezbiche, Peter P., 1976), (Tanner,

David D., 1995):

𝐷 =4𝜋

Ω𝐴=

4𝜋

𝜃1𝑟∗𝜃2𝑟 (26)

Donde:

𝜃1𝑟,𝜃2𝑟= ángulos del lóbulo de radiación en radianes de los puntos de media potencia de los

planos vertical y horizontal.

Se determina el valor de los ángulos que tiene el lóbulo principal en los puntos de media potencia

(-3dB) del plano horizontal y vertical mostrado en la Figura 7; estos valores son de 29° y 58°

respectivamente, con lo cual se determina que la directividad, que proporciona la antena diseñada

a base de la ecuación (26), es de 13,8963 dBi.

Al ser una antena microstrip la eficiencia de la antena es muy alta, cercana a 1, por lo cual se

considera que el valor de la ganancia es aproximadamente igual al valor de la directividad como

se muestra en la ecuación 27:

𝐺 ≅ 𝐷 (27)

107

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

Se puede apreciar que los valores obtenidos de directividad y ganancia en las pruebas realizadas

son mayores a los que se obtuvieron en la simulación, esto puede justificarse considerando que

los valores de constante dieléctrica y otros parámetros que tienen las librerías de los sustratos del

software de simulación, no son exactamente los mismos que los materiales que se disponen en el

mercado.

En la Figura 7 se muestra el diagrama de radiación de la antena en los planos horizontal

(izquierda) y en el plano vertical (derecha); en este último plano la zona de mayor potencia

presenta la orientación del lóbulo principal al lado derecho, esto se debe a la disposición de los

elementos directores.

Figura 7. Diagrama de radiación en el plano Horizontal y Vertical en los puntos de media potencia

El rango de frecuencia de análisis fue de 5 a 6 GHz, el primer parámetro a medir fue el VSWR, se

obtuvo un valor de 1.489, el cual es un valor muy cercano al medido en la simulación de 1.179 un

valor muy bueno dentro de los parámetros de aceptación de acoplamiento de la línea de

transmisión.

El valor de impedancia de la antena medido fue de 63-j0.1 Ω, en el cual se evidencia una parte

reactiva aproximadamente nula, representado en la carta de Smith como se observa en la Figura

8, a la frecuencia de 5.8 GHz.

Figura 8. Impedancia de la antena a la frecuencia de 5.8 GHz

108

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

El valor más bajo que se obtuvo en los parámetros S está localizado en la frecuencia de 5.8 GHz

como se puede observar en la Figura 9.

Figura 9. Parámetros S

Se midieon también las pérdidas por retorno de la antena que se obtienen a la frecuencia de

diseño con un resultado 14.02 dB.

Cabe recordar que las pérdidas por retorno indican la cantidad de energía perdida en la carga, a

base de la Tabla de relaciones entre Impedancia, Coeficiente de Reflexión, Pérdidas por Retorno

y VSWR (Huang Y. y Boyle K., 2008, p. 40), con un valor de pérdidas por retorno obtenido de

14.02 se debería obtener un VSWR de 1.5032, valor aproximadamente igual al valor que se

registró en el Analizador vectorial utilizado en las pruebas de laboratorio que es de 1.489.

3.4 Aplicaciones a Futuro

El presente estudio también pretende generar un aporte útil como base para futuras aplicaciones,

como por ejemplo en la parte médica ya que recientes estudios y avances tecnológicos han

permitido el origen de sistemas de comunicación inalámbrica principalmente para aplicaciones en

el cuerpo humano, con la creación de sensores inalámbricos portátiles e implantados; debido a

que el trabajar a altas frecuencias produce sensibilidad al tejido humano, una de las aplicaciones

atractivas e importantes es el estudio y detección es el Cáncer de Mama, una enfermedad de alto

índice en las mujeres en los últimos años.

4. Conclusiones y Recomendaciones

El método de diseño seleccionado como más adecuado es el método de diseño mediante

ecuaciones, debido a que este toma en cuenta los parámetros del diámetro del elemento, en este

caso se consideró el ancho de la placa.

Cada vez que un elemento director se añade al arreglo de la antena, se deben ir ajustando las

medidas del elemento radiante, ya que al ser el director un elemento conductor interfiere en

parámetros de la antena, así como en el acoplamiento de la impedancia con la línea de

109

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.96 - 110

transmisión; estos ajustes son mínimos ya que la interferencia no es muy grande y los valores de

los parámetros se mantienen dentro del rango de aceptación.

El VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) obtenido en las pruebas de laboratorio de 1.4 se acerca

al valor ideal de 1 con una carga de 50Ω lo cual indica que el acoplamiento de impedancia con la

línea de transmisión es adecuado, cabe mencionar que el VSWR en cortocircuito y circuito abierto

es infinito y que los valores con carga son aceptables con un valor por debajo de 2.

A la frecuencia de 5.8 Ghz la longitud de onda obtenida se encuentra en el orden de las decenas

de milímetros por lo cual se obtuvo una antena con dimensiones pequeñas, lo cual es una ventaja

al trabajar en este tipo de frecuencias. El inconveniente que se observó está relacionado con la

construcción física de la antena ya que se necesita de precisión al momento de elaborar la misma.

Las ventajas encontradas en la ejecución del proyecto fueron que al diseñar la antena a la

frecuencia de 5.8 GHz permite tener un tamaño compacto, la longitud de onda está en el orden de

decenas de milímetros y se logra obtener valores de directividad y ganancia elevados.

Las desventajas encontradas fueron que mientras las antenas son diseñadas a frecuencias

elevadas, el diseño se encarece debido a que las placas son fabricadas con el fin de dar máxima

conductividad y bajas pérdidas; el sustrato de mejores características es el más costoso.

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/10/31 Aceptado (Accepted): 2016/12/13

CC BY-NC-ND 3.0

Coagulación natural para la descontaminación de efluentes industriales

(Natural coagulation for the decontamination of industrial effluents)

Carlos Banchón1, Ricardo Baquerizo2, Diego Muñoz1, Leila Zambrano1

Resumen:

Tanto la contaminación industrial como la agrícola han generado indudablemente un alto

impacto ambiental en los recursos naturales de nuestro planeta. Se prevé carencias en la

provisión de agua para consumo humano debido a la contaminación de fuentes naturales. En

respuesta a esto, la aplicación de coagulantes de hierro y aluminio son la primera opción para

el tratamiento de aguas residuales. No obstante, el uso abundante de aluminio es objeto de

discusión debido a la posible afectación al ser humano. Por tanto, el presente artículo destaca

los últimos avances en el campo de la coagulación natural, una tecnología ancestral utilizada

para la descontaminación del agua. Su demostrada efectividad se fundamenta en mecanismos

de desestabilización electrocinética que remueven la turbidez hasta un 99%. Evidencias

experimentales coinciden que concentraciones de taninos y mucílagos permiten la remediación

de efluentes de industrias químicas como textileras y de curtiembres.

Palabras clave: textileras; curtiembres; coagulación; taninos; moringa; guarango

Abstract:

Industrial and agricultural pollution have generated undoubtedly a high environmental impact on

the natural resources of our planet. Deficiencies in the provision of water for human

consumption, due to pollution, from natural sources are expected. In response to this, the

application of iron and aluminum coagulants are the first choice for wastewater treatment.

However, the abundant use of aluminum is subject of discussion because of the potential

impact on humans. Therefore, this article highlights the latest advances in the field of natural

coagulation, an ancestral technology used for water decontamination. Its proven effectiveness

is based on electrokinetic destabilization mechanisms that remove turbidity up to 99%.

Experimental evidence agrees that concentrations of tannins and mucilages allow the

remediation of effluents from chemical industries such as textile and tanneries.

Keywords: textile; tanneries; coagulation; tannins; moringa; guarango

1

Universidad Agraria del Ecuador (UAE), Guayaquil – Ecuador ( cbanchon, dmunoz, lezambrano @uagraria.edu.ec ) 2 Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL), Guayaquil – Ecuador (rbaqueri@espol.edu.ec)

112

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

1. Introducción

La escasez de agua afecta a 450 millones de personas en 29 países y hasta el año 2030 esta

problemática se replicaría a 1,8 billones de personas (UNWATER, 2013); es decir, dos tercios de

la población mundial sufrirían la deficiencia de este recurso, con mayor impacto en el continente

africano debido a situaciones catastróficas como sequías (UNEP, 2008; UNWATER, 2013;

UNWWAP, 2015). Aproximadamente 2 millones de personas son seriamente afectadas cada año

debido a enfermedades por contaminación fecal del agua (UNEP, 2008). Del consumo total

mundial de agua, aproximadamente 75% se utiliza para la agricultura, 20% para la industria y el

5% restante para consumo doméstico (UNWWAP, 2015). Como resultado, fuentes de agua

subterráneas y superficiales son afectadas: en algunos países en vías de desarrollo más del 70%

de los residuos industriales son descargados sin ningún tratamiento al medio ambiente (Corcoran

et al., 2010).

Los estados miembros de las Naciones Unidas (ONU), celebraron la conferencia sobre vivienda y

desarrollo urbano sostenible, HABITAT, en Quito-Ecuador (2016). En dicha cita, se discutieron

políticas para garantizar un desarrollo urbano equilibrado y sostenible entre el ambiente y la

sociedad. Las Naciones Unidas instaron la gestión y tratamiento de aguas residuales como

prioridad para asegurar la salud pública. En términos de desarrollo, las directrices internacionales

incentivan la reducción de contaminantes, análisis costo-beneficio de aplicación de nuevas

tecnologías e investigación para mitigar impactos en zonas áridas y sitios contaminados por la

explotación indiscriminada de recursos naturales (PNUMA, 2010). Se ha estimado que en los

próximos 40 años la población mundial se duplicará y como consecuencia la gestión para tratar el

volumen de aguas residuales acorde con el aumento poblacional apenas abastecería un 8% de la

capacidad de tratamiento; esto originaría que los residuos, incluidos las aguas residuales, sean

vertidos sin ningún control a ecosistemas.

La biocoagulación o coagulación natural es una opción a los problemas actuales de

contaminación puesto que es una tecnología limpia que genera desechos biodegradables. La

biocoagulación data de tiempos ancestrales y ya ha sido implementada en Asia y África, donde

hay carencia de plantas de potabilización. Ante las ventajas de la coagulación natural, el presente

es un artículo de revisión donde se expone el potencial coagulante de extractos de diversas

especies vegetales en la remediación industrial, así como algunos mecanismos físico-químicos

que gobiernan la desestabilización coloidal.

2. Contaminación industrial

A pesar del notorio desarrollo de la industria pesquera, la salud de los ecosistemas mundiales ha

sido afectada debido a la descarga de desechos salinos. Por ejemplo, el 5% de la descarga global

de efluentes tóxicos contiene un porcentaje de salinidad entre 3,5 y 35%, lo cual genera un alto

impacto ambiental (Le Borgne, Paniagua, & Vázquez-Duhalt, 2008). Efluentes de esta industria

113

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

deben sus altos niveles de materia orgánica, nutrientes, aceites y grasas a los procesos de

desangrado, eviscerado y cocción. En general, industrias de enlatados de productos del mar

descargan aguas residuales con una demanda bioquímica de oxígeno (DBO) entre 100 a 3000

mg/L, demanda química de oxígeno (DQO) entre 1000 a 18000 mg/L y contenidos de grasas-

aceites hasta 4000 mg/L (Chowdhury, Viraraghavan, & Srinivasan, 2010). La relación DBO / DQO

llega hasta 0,4 lo cual indica que solamente un 40% de la materia orgánica puede ser

biodegradada. En estos efluentes, una salinidad mayor que 3,5% afecta la adaptación de

bacterias, hongos, levaduras y protozoos en reactores biológicos debido al choque osmótico que

provoca ruptura celular. Sin embargo, esta adversidad no representa problema para el uso de

coagulantes naturales puesto que se ha demostrado experimentalmente en efluentes de industrias

de la curtiembre que altos niveles de salinidad no afectan la calidad de remoción de material

suspendido sino que en efecto provocan desestabilización coloidal (Paredes & Banchón, 2015).

El proceso de curtiembre, el cual convierte la piel animal en productos de cuero, incluye la

descarga de efluentes con químicos de alta toxicidad como cromo, cloratos, fenoles e incluso

también altos grados de salinidad (Lefebvre & Moletta, 2006), lo cual es una situación de riesgo a

casi 2 millones de personas en Asia y Latinoamérica (Harris & McCartor, 2011). La curtiembre

remueve cuero cabelludo de la piel del animal mediante productos alcalinos como sulfuro de

sodio, un secuestrante de oxígeno disuelto del agua (Mwinyihija, 2010). Aproximadamente una

tonelada métrica de piel cruda generalmente conlleva descargas de hasta 80 m3 de efluentes con

altos niveles de grasa, piel, surfactantes, cal y pH alcalinos (El-Bestawy, Al-Fassi, Amer, &

Aburokba, 2013). En Ambato (Ecuador), en efluentes de curtiembres se reportó una relación

DBO5/DQO apenas de 0,03 lo cual significa que apenas un 3% de la materia orgánica se podría

degradar mediante un tratamiento biológico (Paredes & Banchón, 2015). Condiciones físico-

químicas extremas, como pH alcalino y salinidad por encima de 1,3%, generan efectos

recalcitrantes para que protozoos puedan adaptarse y participar de la biorremediación del agua

(Salvado, Mas, Menéndez, & Gracia, 2001). Cabe recalcar que, la presencia de protozoos facilita

los procesos de mineralización de la materia orgánica e intercambio de nutrientes minerales

(Madoni, 2011).

La industria textil descarga anualmente aprox., hasta 2,8x105 de toneladas métricas de colorantes

sintéticos al ambiente (Bahmani, Rezaei Kalantary, Esrafili, Gholami & Jonidi Jafari, 2013). Se ha

contabilizado que por cada kilogramo de producto procesado, esta industria desecha hasta 150 L

de agua residual (Korbahti & Tanyolac, 2008). En promedio, al año se producen 8x105 toneladas

métricas de colorantes, de los cuales el 50% son del grupo químico azo (Bouasla, Ismail, &

Samar, 2012). En Malasia el 22% del volumen total de aguas residuales corresponde a la industria

textil (Daud, Akpan, & Hameed, 2012), las cuales contienen colorantes azoicos, considerados

cancerígenos y mutagénicos (Grekova-Vasileva & Topalova, 2014). Para su remediación, existen

algunos métodos como la oxidación avanzada y biofiltración. Generalmente, los colorantes en

114

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

agua se encuentran en forma disuelta y por tanto no forman suspensiones coloidales. En estos

casos, la remediación de aguas residuales de textileras no siempre responde a tratamientos con

coagulantes químicos o naturales. Sin embargo, se ha reportado el uso de extractos vegetales de

C. spinosa para la remoción de colorantes de efluentes de textileras mediante coagulación natural

(Revelo, Proaño & Banchón, 2015).

3. Coagulantes naturales

Desde los años 60, se ha generado un debate sobre las repercusiones del aluminio en el ser

humano. Estudios proponen una relación entre el aluminio presente en el agua potable y

enfermedades como Alzheimer y Parkinson, pero sin embargo esto es todavía objeto de discusión

(Simate, Iyuke, Ndlovu, Heydenrych, & Walubita, 2012) y constante investigación para la

comprobación de esta correlación (Krewski et al., 2007). Aunque el efecto del aluminio en la salud

humana no ha sido totalmente comprobado, es cierto que no se puede dejar de lado la atención a

concentraciones residuales de aluminio en agua potable y mantener límites debajo de 0,2 mg/L

(WHO, 1998). Además, polímeros de acrilamida, sí tienen efectos neurotóxicos para cortos

tiempos de exposición y efecto cancerígeno para amplios tiempos de exposición; por tanto, la

dosis de acrilamida permitida para la potabilización de agua es de 1 mg/L (Choy, Prasad, Wu,

Raghunandan, & Ramanan, 2014). Se ha estimado que en una planta de tratamiento de

capacidad de potabilización de 190 millones de litros por día, en la cual se utiliza sulfato de

aluminio como coagulante, se producen al menos 3 toneladas métricas de residuos sólidos

(secos); es decir, en una planta de la mencionada capacidad se producen anualmente 1000

toneladas métricas de desechos sólidos (Choy et al., 2014). Es esta disposición final la que

conlleva un problema ambiental de manejo de residuos sólidos.

Los denominados biocoagulantes o coagulantes naturales son ciertamente seguros, amigables

con el ambiente y libres de toxicidad (bajo condiciones adecuadas de uso). Sus compuestos

bioactivos son proteínas, polisacáridos, mucílagos, taninos y alcaloides. En la remediación de

aguas residuales industriales o potabilización del agua, los coagulantes naturales permiten la

desestabilización de la contaminación coloidal (sólidos suspendidos) y remoción de sólidos

disueltos en términos de DQO. Se ha comprobado la eficiencia en la adsorción de metales

pesados como plomo, cromo, cadmio y zinc mediante extractos de plantas (Sotheeswaran, Nand,

Matakite, & Kanayathu, 2011). Los biocoagulantes producen menor cantidad de lodos residuales;

incluso esta producción es cinco veces menor que la de lodos con coagulantes químicos (Choy et

al., 2014). Los coagulantes naturales no consumen alcalinidad en comparación con los

compuestos basados en aluminio o hierro; por tanto, no generan cambios bruscos de pH.

Escritos sánscritos reportan la aplicación de semillas del árbol nirmali (Strychnos potatorum) para

la clarificación de agua; esto ya hace aproximadamente 4000 años atrás (Al Samawi & Shokralla,

1996). Se sugiere, además, que la purificación del agua se remonta al libro Éxodo (Cap. 15, ver.

115

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

22) de la Biblia en donde Moisés pide ayuda al Señor y este le muestra un arbusto que convirtió el

agua amarga en dulce. No obstante, a pesar de la aplicación ancestral de biocoagulantes, la

publicación de trabajos científicos data recién desde los años 30’s (Subbaramiah & Rao, 1937) y

en África desde los 70 con semillas de Moringa oleifera (Jahn & Dirar, 1979). El interés científico

se ha incrementado recién en los últimos 20 años (Figura 1). Mediante bibliotecas virtuales de

libre acceso, se realizó en internet una búsqueda avanzada desde 1950 hasta 2016 con el uso de

palabras clave. Hasta 1990 la producción científica a nivel mundial fue muy escasa, a pesar de

existir ya indicios de práctica ancestral sobre el uso de coagulantes naturales. No así, la

producción científica en los últimos 16 años, con una producción aprox., de hasta casi 1500

publicaciones. De este volumen de producción, solo de la moringa se han publicado 466 artículos.

Figura 1. Bibliometría: número de publicaciones indexadas sobre el tratamiento de agua mediante (1)

coagulantes naturales y (2) M. oleifera en los últimos 66 años. Resultados de búsqueda avanzada a través

de scholar.google.com, Taylor & Francis Online Library y Wiley Online Library.

Son las regiones tropicales y subtropicales del planeta las más representativas en plantas con

potencial coagulante. Pero no siempre fue así. Por ejemplo, la moringa proviene presumiblemente

del norte de India, de regiones semiáridas pero con el transcurrir del tiempo esta se adaptó a

condiciones húmedas (Aho & Agunwamba, 2015). Las 14 variedades de árboles de moringa

disponen de diferentes potenciales de coagulación, los cuales dependen de la locación

geográfica, clima, altitud y características del suelo. Actualmente, en Ecuador, existen pequeñas

plantaciones de moringa en la provincia Manabí, en donde se comercializan sus hojas con

propósitos medicinales. En Latinoamérica, la tara, taya o guarango (Caesalpinia spinosa) es una

especie forestal que crece en la zona occidental de la cordillera de los Andes y en valles

interandinos de Venezuela, Colombia, Ecuador, Perú, Chile y Bolivia entre los 1500 a 3000 metros

sobre el nivel del mar (Mancero, 2008). La tara, conocida como “el oro de los incas”, ha sido

recientemente objeto de estudio para el tratamiento de efluentes industriales por sus altos

contenidos de taninos en la vaina y gomas en el endospermo de las semillas (Revelo et al., 2015).

El mayor número de aplicaciones de los biocoagulantes se remonta a la clarificación de agua

superficial y subterránea. Se han reportado dosis de Moringa oleifera hasta 55 mg/L para la

remoción de turbidez entre 40 y 200 NTU. Por ejemplo, una dosis de moringa en solución salina

(8,39 mg/L) se utilizó para clarificación de agua superficial del río Pirapó (Brasil) para una

116

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

remoción de turbidez de 88,75% con una turbidez inicial de 75 NTU (Baptista et al., 2015). Para la

clarificación de agua subterránea, se adicionó harina de semillas de moringa con dosis de 150

mg/L, lo cual produjo una remoción de turbidez del 75% y de sólidos totales disueltos del 70%

(Mangale Sapana, Chonde Sonal, & Raut, 2012). En reducción de microorganismos patógenos

también se reporta el uso de la moringa (Lea, 2014). Efluentes de industrias lácteas fueron

tratadas con moringa para la reducción de DQO desde 2240 hasta 800 mg/L y de turbidez desde

230 a 26 NTU, en dosis de 500 mg/L (Pallavi & Mahesh, 2013). Dosis de polvo de semillas de

Moringa stenopetala de hasta 10 g/L se utilizaron para el tratamiento de efluentes de industrias de

curtiembre para reducir hasta un 99,86% de cromo total a un pH de 9,5 (Gatew & Mersha, 2013).

Se ha reportado la remoción de caolín mediante extractos de semillas de Pistacia atlantica

(Bazrafshan, Mostafapour, Ahmadabadi, & Mahvi, 2015). Efluentes contaminados con colorantes

para pinturas acrílicas se han decolorado con la adición de Cactus opuntia (ficus-indica) con un

94% de eficiencia en la remoción del color, demanda química de oxígeno y turbidez (Vishali &

Karthikeyan, 2015). Agua contaminada con congo rojo (concentración inicial de 250 mg/L) se logró

decolorar mediante adición de 1,6 mg/L de mucílagos de Ocimum basilicum en un rango de pH

entre 6 y 8,5 (Shamsnejati, Chaibakhsh, Pendashteh, & Hayeripour, 2015). En la Tabla 1, se

presenta un resumen de aplicaciones de diferentes coagulantes naturales.

Tabla 1. Coagulantes naturales y algunas características en su aplicación

Fuente vegetal Características Dosis aplicada Referencia

Moringa oleifera

Adsorbente de colorantes Antimicrobiano

Clarificación de agua turbia Desestabilizador coloidal

0,03 - 0,5 g/L

Jahn & Dirar, 1979

Yarahmadi et al., 2009

Asrafuzzaman et al., 2011

Mangale Sapana et al.,2012;

Pallavi & Mahesh, 2013

Baptista et al., 2015

Moringa

stenopetala

Antimicrobiano Remediación de efluentes

industriales: curtiembres

10 g/L Gatew & Mersha, 2013 Seifu, 2015

Caesalpinia

spinosa

Adsorbente de colorantes Desestabilizador coloidal Remediación de efluentes

industriales (textileras,

curtiembres)

10,8 g/L

Sánchez-Martín et al., 2011 Beltrán-Heredia et al., 2011 Paredes & Banchón, 2015

Revelo et al., 2015

Cicer arietinum Remediación de efluentes

industriales: curtiembres 0,1 - 1,0 g/L Kazi & Virupakshi, 2013

Dolichos lablab Clarificación de agua turbia

(arcilla) 0,05 - 0,1 g/L Asrafuzzaman et al., 2011

117

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

3. Mecanismos físico-químicos de coagulación natural

Es ampliamente reconocido que el agua residual es un sistema coloidal termodinámicamente

estable; esto impide que sólidos suspendidos no sean remediables mediante sistemas de filtración

u ósmosis inversa. Mecanismos biológicos (lodos activados o filtros percoladores) serían una

opción para el tratamiento de suspensiones coloidales, pero en ciertos casos el tiempo,

recalcitrancia y capacidad de biodegradación son limitantes del proceso. En efecto, es de alta

relevancia el entendimiento de la naturaleza físico-química de los contaminantes previo al diseño

de un proceso de remediación.

En aguas residuales, principalmente las industriales, es difícil tarea clasificar los tipos de coloides

que caracterizan al sistema, puesto que diversas especies coloidales coexisten en el agua

residual (Bratby, 1980). No obstante, la mayoría de coloides en aguas residuales o superficiales

tienen carga negativa debido a fenómenos de disociación iónica de grupos hidrofílicos como

hidroxilos, carboxilos, aminos y sulfónicos. Por ejemplo, la cantidad de agua enlazada a partículas

hidrofílicas puede llegar a ser de tres a diez veces la masa de la misma partícula. También, la

tendencia natural de equilibrio eléctrico es lo que provoca la formación de una doble capa eléctrica

alrededor de partículas coloidales. La doble capa eléctrica impide la aproximación de partículas,

debido al potencial que una partícula tiene con respecto al medio en el cual se encuentra,

conocido como potencial zeta. Además de la fuerza que provoca la doble capa eléctrica, existen

fuerzas superficiales como las de London-van der Waals, fuerzas de solvatación (hidratación) y

fuerzas estéricas (Liang, Hilal, Langston, & Starov, 2007). Esto es debido a los efectos

electromagnéticos producidos por la atracción-repulsión entre las moléculas cargadas

eléctricamente. Ante esto, el entendimiento de estas interacciones físicas hace de la coagulación-

floculación un fenómeno de desestabilización electrocinética en donde se neutraliza la repulsión

eléctrica y se forman agregados de mayor masa que posteriormente sedimentan. Muy importante

de recalcar es el hecho de que los coloides en un medio líquido bajo una concentración suficiente

de electrolitos tienden a formar agregados a través de colisiones causadas por el movimiento

browniano y fuerzas de atracción interpartículas de van der Waals (Liang et al., 2007). Esto último

es de gran interés en la investigación de variables de proceso, puesto que la salinidad sería un

factor que facilita la coagulación de un sistema coloidal a través del aumento de la fuerza iónica

del medio.

La coagulación natural actúa como un proceso de neutralización de cargas mediante la adición de

extractos de plantas que contienen polifenoles (taninos), gomas, mucílagos o proteínas para

generar la desestabilización coloidal. En la coagulación se incrementa la fuerza iónica del medio,

se reprime la doble capa eléctrica y por tanto cesa la repulsión entre las partículas coloidales

(Bratby, 1980). La coagulación está principalmente influenciada por la variación del pH, contenido

de sólidos suspendidos, salinidad, temperatura, velocidad y tiempo de agitación; así como

118

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

también, la presencia de cationes bivalentes y aniones tales como bicarbonatos, cloruros y

sulfatos. El efecto del pH es uno de los parámetros que mayor influencia tiene sobre los procesos

de coagulación, pues este afecta la cantidad y tipo de cargas presentes en la superficie de los

sólidos. En referencia a la floculación, es importante investigar la naturaleza iónica del polímero a

utilizar. Generalmente, la adición de poliectrolitos permite las mejores características en los lodos

tales como estabilidad, resistencia mecánica, compactación, humedad y tamaño (Matilainen,

Vepsäläinen, & Sillanpää, 2010).

A diferencia de la coagulación química, la coagulación natural se lleva a cabo por una serie de

mecanismos todavía aún no completamente descritos e investigados. Lo que se puede argüir

sobre estos mecanismos será a base de la composición química de los extractos naturales y

diferentes evidencias experimentales. Por ejemplo, la presencia de gomas, mucílagos e incluso de

ciertos iones metálicos dan origen a los argumentos para proponer algunos mecanismos de

coagulación natural. A continuación, se describen mecanismos de coagulación para el proceso de

desestabilización coloidal en aguas residuales:

(i) La neutralización de la doble capa eléctrica ocurre mediante el alto potencial de generación

de protones que iones Fe+3 y Al+3 provocan en el medio acuoso. No obstante, desde tiempos

remotos se conoce el potencial de ciertos extractos de plantas que tienen función similar. Los

grupos fenólicos de taninos aportan iones hidrógenos al medio. Cuando se disuelven taninos

en agua, ocurre la deslocalización de electrones dentro del anillo aromático y como producto

se aumenta la densidad del átomo de oxígeno, lo cual ocasiona que grupos fenólicos

generen la protonización del medio (Yin, 2010). Por ejemplo, los galotaninos pueden

hidrolizarse en ácidos gálicos en medio acuoso. Y debido a que el ácido gálico es un

compuesto polar y fenólico catiónico, entonces este protoniza el medio, en colaboración con

el mecanismo de represión de la doble capa. La acción de grupos funcionales COO- y OH-

fue argumentada como la responsable de la actividad coagulante a partir de semillas de

Strychnos potatorum (Subbaramiah & Rao, 1937). Se conoce que extractos de semillas del

árbol de nirmali son polielectrolitos aniónicos con acción de desestabilización de coloides

hidrofílicos (Tripathi, Chaudhuri, & Bokil, 1976).

(ii) La cationización de taninos es un procedimiento químico denominado reacción de Mannich,

en donde se confiere el carácter catiónico a la matriz orgánica del tanino. Esta habilidad

conferida al tanino potencia la capacidad coagulante del tanino, dado que este catión

promueve la desestabilización coloidal. La reacción de Mannich procede debido a una

aminometilación de la molécula de tanino con un aldehído y una amina; o también procede a

través de NH4Cl y otros tipos de compuestos nitrogenados hasta el punto de gelificar a las

moléculas de taninos (Beltrán-Heredia, Sánchez-Martín & Gómez-Muñoz, 2010). Los taninos

son polifenoles solubles en agua con peso molecular entre 300 y 3000; metabolitos

119

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

secundarios de plantas; compuestos poliméricos no nitrogenados; son ésteres del ácido

gálico y sus derivados, en los cuales los grupos del ácido gálico o sus derivados están unidos

a variedades de polioles-, catequinas- y núcleos triterpenoides (taninos hidrolizables) o

polímeros del flavonoide antocianidina (taninos condensados); reaccionan con cloruro de

hierro (III) para dar color azul (Khanbabaee & van Ree, 2001). Altas concentraciones de

taninos se encuentran en casi cada parte de la planta, tales como las hojas, fruto, raíces,

semillas y corteza. Los taninos precipitan alcaloides, gelatinas y otras proteínas, tienen

propiedades antimicrobianas y son capaces de formar enlaces con iones metálicos y

pigmentos (Okuda & Ito, 2011).

(iii) Se ha demostrado que aminas de moléculas orgánicas de cadena larga participan en la

adsorción y neutralización electroestática debido a la acción de grupos R—NH3+. Aminas de

carácter hidrofóbico con carga positiva deshidratan la interfase sólido-líquido, dando paso a

su adsorción en la superficie de partículas sólidas (Shammas, 2005). Proteínas y

polisacáridos forman también parte de compuestos químicos que generan este efecto, en

donde el peso molecular y tamaño del polímero influyen en la coagulación debido al amplio

número de sitios de adsorción (Choy et al., 2014). Estudios confirman este hecho en

extractos de semillas de Moringa oleifera para la remoción de sólidos suspendidos mediante

adsorción y neutralización de cargas debido a la presencia de gomas y proteínas en el

extracto (Yarahmadi et al., 2009). Gomas (galactomananos) de semilla de Cassia obtusifolia

también se han utilizado para la remediación de aguas residuales de aceite de palma (Shak &

Wu, 2014), así como las gomas de semillas de Cassia angustifolia para la remoción de

colorantes (Sanghi, Bhatttacharya, & Singh, 2002). Además, a polisacáridos como la

amilopectina extraída del jugo de tubérculos de Maerua subcordata se atribuye el efecto

coagulante para la clarificación de agua superficial (Mavura, Chemelil, Saenyi, & Mavura,

2008). En semillas de moringa se encuentran agentes coagulantes caracterizados por ser

proteínas diméricas catiónicas (peso molecular de 13 kDa y punto isoeléctrico entre 10-11),

las cuales tienen también actividad antimicrobiana (Anwar & Rashid, 2007). Extractos líquidos

de Maerua subcordata tuvieron efecto de remoción de turbidez debido a la influencia de

amilopectinas contenidas en el jugo extraído del tubérculo de la planta (Mavura et al., 2008).

Estos polisacáridos, las amilopectinas, funcionan como puentes que unen partículas

coloidales hasta promover la formación de flóculos o agregados que posteriormente debido a

la gravedad, precipitan. Mucílagos en extractos de plantas confieren efectos

desestabilizantes: las gomas y mucílagos se hinchan en agua para formar suspensiones

coloidales pegajosas pseudoplásticas (Hadley, 2014). La remoción de turbidez lograda por

Opuntia cactus puede ser atribuida a la presencia de monosacáridos arabinosa, galactosa y

ramnosa, los cuales tienen efectos sinérgicos con ácidos galuctorónicos para iniciar el efecto

de desestabilización coloidal (Choy et al., 2014) mediante formación de puentes entre

120

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

partículas. La goma de okra (Abelmoschus esculentus), la cual se ha demostrado su efecto

en la desestabilización de suspensiones coloidales, es un polisacárido compuesto de D-

galactosa, L-ramnosa y ácido L-galacturónico (Freitas et al., 2015).

Tambié se discute la participación conjugada de la interacción entre taninos, mucílagos y gomas

en medio acuoso, en la desestabilización coloidal. Se ha determinado que por cada 100 kg de

vainas de guarango, se obtiene aprox., 27% de extracto tánico y un 6% de goma (Mancero, 2008).

El mayor componente de la goma de guarango son polisacáridos galactomananos, los cuales son

hidrocoloides con propiedades similares a las gomas guar y xantan. Estos polisacáridos en medio

acuoso forman cadenas entrecruzadas lo cual aumenta la viscosidad del medio (Wu, Ding, Jia, &

He, 2015), brindando propiedades espesantes y aglomerantes. Los taninos presentes en el

guarango son mayormente ácido gálico (Mancero, 2008), con actividad antimicrobiana (Aguilar-

Gálvez, Noratto, Chambi, Debaste, & Campos, 2014). Cabe recalcar que el efecto antimicrobiano

se debe a que la mayoría de los taninos tienen la capacidad de formar quelatos con iones

metálicos tales como el hierro y el cobre debido a la presencia de difenoles; esta característica

permite la formación de complejos metal-tanino, disminuyendo la disponibilidad de hierro para los

microorganismos (Aguilar-Gálvez et al., 2014). Los taninos también tienen tendencia a formar

uniones entre partículas. En medio acuoso, iones hidroxilos reaccionan con los grupos fenólicos

provocando la formación de complejos poliméricos, los cuales también tienen la tendencia de

precipitar coloides con carga negativa. El estudio de factores complementarios que influencian la

coagulación son de gran interés en el diseño de un proceso de remediación. Por ejemplo, la

salinidad aumenta la fuerza iónica del medio acuoso y esto influye directamente como lluvia de

contra-iones en la desestabilización de la doble capa eléctrica (Attard, 2001). Es conocido el

efecto de precipitación que ocurre cuando en una desembocadura de un río las aguas

superficiales se mezclan con el mar: las partículas de arcilla tienden a precipitar por el aumento de

la fuerza iónica en el medio. Como consecuencia, se forman los conocidos deltas fluviales; por

ejemplo, el delta del río Nilo. Otro ejemplo de factores relevantes en la evaluación de procesos de

coagulación natural es el pH inicial del medio. En un estudio sobre la remediación de efluentes de

curtiembres se evaluó el efecto del pH inicial en función de la remoción de turbidez (Paredes &

Banchón, 2015). Para todos los tratamientos se utilizó una dosis de guarango de 10,8 g/L y

poliacrilamida 0,1% de 0,015 g/L. Según resultados experimentales, a pH ácido, entre 1 y 6, la

remoción de turbidez fue entre 79,4 y 92,1%, pero a pH básico, entre 10 y 12,5, la remoción fue

entre 81,6 y 99,2%. Según el grado de compactación y estabilidad mecánica, a valores de pH

básicos se obtiene la mejor calidad del lodo residual (Bazrafshan et al., 2015).

Según resultados experimentales, en efluentes de textileras, el efecto de remoción de

contaminación coloidal mediante policloruro de aluminio (PCA) es positivo. Esto significa que

coloides del agua residual disponen de cargas eléctricas negativas debido al efecto positivo al ion

metálico Al+3. Entonces, si el extracto de guarango también afecta positivamente la remoción de

121

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

contaminación coloidal, por tanto los extractos de guarango disponen de un carácter

electropositivo en la desestabilización coloidal, de acuerdo con los mecanismos de neutralización

de cargas. La remediación de efluentes provenientes de la industria de la curtiembre es de gran

interés por su alto impacto ambiental. Estudios en efluentes de curtiembres con Cicer aretinum,

moringa y cactus se realizaron con un pH inicial de 5,5 y una DQO inicial de 28000 mg/L (Kazi &

Virupakshi, 2013). Dosificaciones de extractos de C. spinosa, Eucalyptus spp., P. granatum y V.

vinifera de 10,8 g/L removieron turbidez hasta un 99,7% en efluentes de curtiembres (Paredes &

Banchón, 2015). Se demostró que a mayor índice fenólico, mayor fue la remoción de turbidez.

Esto coincide justamente con lo expuesto en la sección anterior sobre el efecto hidrolítico de los

grupos fenólicos en la desestabilización coloidal.

4. Conclusiones y Recomendaciones

El uso de extractos vegetales permite la desestabilización de especies coloidales. El mecanismo

de coagulación natural está ligado con propiedades electrocinéticas de los coloides como la

represión de la doble capa eléctrica, lo cual genera la ruptura del equilibrio termodinámico. La

sedimentación del material suspendido permite la remediación de aguas residuales industriales

hasta alcanzar niveles por encima del 99% de remoción de turbidez. No obstante, la

determinación exacta de los diferentes mecanismos físico-químicos de coagulación natural deben

ser objeto de estudio en futuras investigaciones.

La coagulación tanto química como natural no remueve completamente la materia orgánica

disuelta porque en ciertos casos la coloración del agua se mantiene. Esto es debido a que la

coagulación básicamente está diseñada para desestabilización de sólidos suspendidos y no

disueltos. Ciertamente, aunque en ciertos estudios se eliminó contaminación disuelta, esto no es

regla general. Esto representa una desventaja en el uso de coagulantes naturales en dosis no

adecuadas; por ejemplo, en exceso conlleva al restablecimiento de la estabilidad coloidal

mediante repulsión de cargas. La coagulación natural permite el tratamiento de efluentes

industriales bajo condiciones extremas, como por ejemplo a valores de pH por encima de 12, altas

concentraciones de salinidad, presencia de metales pesados y alcalinidad. Aunque la producción

de lodos mediante coagulación natural es menor que por coagulación química, la

biodegradabilidad, compactación y estabilidad mecánica del lodo obtenido por coagulación natural

es de alta calidad. Esto tiene alta repercusión tanto en la velocidad de sedimentación como en la

separación de fases. En términos de protección ambiental, las características físico-químicas y

biológicas de lodos residuales obtenidos mediante coagulación natural promueven su

aprovechamiento como biosólidos.

122

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.111 - 126

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Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/

e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363

Recibido (Received): 2016/09/16 Aceptado (Accepted): 2016/12/15

CC BY-NC-ND 3.0

Diseño experimental de una solución polimérica para mejorar la

relación de movilidad de los fluidos en un yacimiento previo a la

implementación de un proyecto piloto de recuperación mejorada de

petróleo

(Experimental Design of a Polymeric Solution to Improve the Mobility

Ratio in a Reservoir previous implementation of a pilot project of EOR)

Vanessa Cuenca1, Rubén Paredes2, José Cóndor3,1

Resumen:

Este paper describe los trabajos realizados para formular experimentalmente soluciones

poliméricas con el objetivo de determinar la concentración óptima para controlar la movilidad de

los fluidos en un yacimiento previo a la implementación de un proyecto piloto de recuperación

mejorada de petróleo. Los polímeros, en primer lugar, fueron seleccionados a base de las

propiedades de fluidos obtenidos de un reservorio. La denominación de los polímeros fueron

TCC-330 y EOR909 y las pruebas experimentales que se realizaron fueron: estabilidad térmica,

compatibilidad, adsorción, salinidad, y desplazamiento. El diseño que mejores resultados

mostró fue el del polímero TCC-330 a una concentración de 1.500 ppm.

Palabras clave: inyección de polímeros; recuperación mejorada de petróleo; relación de

movilidad; ensayos de laboratorio.

Abstract:

This paper describes experimental formulations of polymeric solutions through lab evaluations

with the objective of finding optimum solution concentration to fluid mobility in reservoirs as

previous step before implementing a pilot project of enhanced oil recovery. The polymers, firstly,

were selected based on the properties from fluids from reservoir. Two types of polymers were

used TCC-330 and EOR909 and the experimental tests were: thermal stability, compatibility,

adsorption, salinity, and displacement. The design with the best results was with polymer TCC-

330 at 1,500 ppm concentration.

Keywords: polymer injection; enhanced oil recovery; mobility ratio; laboratory test.

1 Universidad Central del Ecuador, Quito – Ecuador (vanelucuenca@gmail.com)

2 Qmax, Quito – Ecuador (Rubens_Paredes@hotmail.com)

3 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito - Ecuador (josea.condor@ute.edu.ec)

128

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139

1. Introducción

Es común clasificar la vida productiva de un reservorio en tres etapas. La primera es la producción

a partir de la energía propia del reservorio. La etapa secundaria ocurre cuando la presión

desciende y mediante la inyección de agua o gas se mantiene la presión del reservorio. El

desplazamiento de petróleo en esta etapa es del tipo físico y mecánico (Stosur, Hite, Carnahan, &

Miller, 2003).

En las últimas décadas se han desarrollado tecnologías o métodos para producir el petróleo que

no fue producido en las etapas primaria y secundaria. Estos métodos son conocidos como:

Recuperación Terciaria o Mejorada de Petróleo (EOR por sus siglas en inglés). Se estima que el

EOR puede recuperar entre 10 y 20 por ciento del petróleo original en sitio (Sánchez Barrios,

2013).

La recuperación mejorada de petróleo es el conjunto de técnicas que inyecta energía adicional

para producir desplazamiento diferente al físico en el reservorio. Una de las técnicas EOR

consiste en el uso de químicos tales como los polímeros y surfactantes. Dado que no es práctico

cambiar las propiedades del petróleo o la permeabilidad de la roca, la mayoría de los procesos de

control de movilidad buscan adicionar químicos a los fluidos inyectados. (Xu, Kim, & Delshad,

2012)

La inyección de polímeros se introdujo con la finalidad de lograr el control y alterar la relación de

movilidad. El método consiste en formar una mezcla de agua con moléculas químicas de

polímero, las cuales crean una red (repetición de unidades químicas simples llamadas

monómeros) que crean un material resistente y de alto peso molecular adecuado para el control

de la producción de agua y recuperación de petróleo. El objetivo de esta técnica es aprovechar las

viscosidades de las soluciones de polímeros en el control de la movilidad de los fluidos en el

yacimiento (Carcoana, 1992; Salager, 2005).

El presente proyecto describe el desarrollo experimental de soluciones poliméricas para encontrar

la concentración óptima que mejore la relación de movilidad en el yacimiento.

El trabajo de laboratorio tuvo como objetivo determinar y evaluar las propiedades físicas de las

soluciones de polímeros formuladas. La comprensión de estas propiedades ayudará al diseño de

un proceso de recuperación de petróleo con aplicación de polímeros. Se seleccionaron los

polímeros de acuerdo con sus características de anionicidad, peso molecular y poder

viscosificante, en soluciones de 500 a 1.500 ppm, para estudiar su comportamiento reológico a

distintas concentraciones en función a la temperatura, se obtienen las respectivas curvas que

posteriormente fueron linealizadas mediante la ecuación de Arrehenius. Luego se ejecutaron

pruebas de salinidad, compatibilidad y adsorción, para evaluar su eficiencia en el proceso.

Además, se diseñó un equipo para realizar pruebas de desplazamiento. Esto ayudó a evaluar

129

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139

visualmente el polímero de mejor desempeño para movilizar el crudo mediante núcleos de

cerámica.

2. Metodología

Este estudio fue de tipo experimental apoyado por una investigación bibliográfica y de laboratorio

(Barnes, 1962). El tema se lo desarrolló de manera íntegra en las instalaciones del Laboratorio de

la Empresa Qmax Solutions Ecuador S.A. Este proyecto comprendió la descripción, formulación,

análisis, e interpretación de datos de la inyección de polímeros para mejorar la movilidad de los

fluidos en el yacimiento (Cuenca & Cóndor, 2016). La Figura 1 detalla las etapas comprendidas de

desarrollo del proyecto.

Figura 1. Esquema de la metodología

2.1. Primera Etapa

Consistió en la revisión bibliográfica de artículos en revistas indexadas y libros acerca de:

Antecedentes y estudios de inyección de químicos (Aktas, Clemens, Castanier, & Kovscek,

2008; Abrahamsen, 2012; Buchgraber, 2008; Chinenye, 2010)

Información técnica proporcionada por Qmax (Qmax Solutions S.A., 2015)

Revisión de la Norma API RP-63 acerca de prácticas recomendadas para la evaluación de

polímeros usadas en operaciones de Recuperación Mejorada de Petróleo (API, 1990).

Revisión Bibliográfica

Pri

mera

Eta

pa

Se

gu

nd

a

Eta

pa

Inyección de polímeros

Norma API RP-63 - Nuestras

Normas de Seguridad

Equipo de Desplazamiento

Peso molecular - Anionicidad

Evaluación de viscosidad

Modelo matemático

Compatibilidad de soluciones poliméricas

con el crudo

Cantidad de polímero que es adsorbida por

la roca durante la inyección

Variación de viscosidad al añadir diferentes

concentraciones de NaCl

Inyección polímeros de concentración

1.000, 1.200, y 1.500 ppm

Manejo de Equipos y

Selección de polímeros

Estabilidad Térmica

Compatibilidad

Adsorción

Salinidad

Desplazamiento

Resultados y Análisis

Pru

eb

as y

En

say

os

Terc

era

Eta

pa

Conclusiones

Recomendaciones

130

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139

Obtención de muestras del yacimiento “X” de crudo, agua de inyección y polímeros

2.2. Segunda Etapa

Pruebas de laboratorio para encontrar la concentración óptima de formulación polimérica. Estas

pruebas se realizaron siguiendo la Norma API RP-63 para ensayos de estabilidad térmica,

reología, compatibilidad, salinidad, adsorción y pruebas de desplazamiento.

2.3. Tercera Etapa

Los resultados obtenidos de las pruebas de laboratorio fueron resumidos mediante tablas y

gráficos en hojas electrónicas Microsoft Excel. También se utilizó Geogebra, para la evaluación de

las curvas de polímeros.

3. Resultados y Discusión

Con las muestras de campo obtenidas se realizaron las pruebas de laboratorio, y los resultados

luego de ser evaluados, permitieron determinar el polímero candidato para ser inyectado en el

área de estudio.

3.1. Parámetros iniciales del pozo

Para la preparación de las soluciones poliméricas y pruebas de desplazamiento se tomaron

muestras de crudo y agua de inyección proporcionadas por la empresa operadora. Los

parámetros iniciales más relevantes se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1. Parámetros iniciales de crudo y agua de inyección del yacimiento “X”

Parámetros Agua de Inyección

pH 9.7

Conductividad 27.8 mS/cm

Sólidos disueltos totales (TDS) 13.91 g/l @ 21.9ºC

Turbidez 0.34 NTU

Cloruros 120 mg/l

Parámetros Crudo

Gravedad específica 0.96 @13ºC

API 15.9 @13ºC

Viscosidad 187.3 cP

Temperatura 120º F

3.2. Selección de los polímeros candidatos

La revisión bibliográfica recomendó el uso de polímeros con las siguientes características (Demin,

y otros, 1996; Pancharoen, 2009):

Poliacrilamidas parcialmente hidrolizadas debido a su alta solubilidad en agua. Esto

permite que se requieran tiempos de agitación bajos como punto inicial

Polímeros de peso molecular alto para obtener una alta viscosidad que soporten

temperaturas mayores a 160ºF y de baja susceptibilidad a la salinidad

Polímeros aniónicos debido a que los núcleos de cerámica estuvieron compuestos por

moléculas de cuarzo y al interactuar con estos en la solución se puede crear un efecto de

131

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139

repulsión, el cual reduce la adsorción del polímero en el medio poroso y garantizando las

interacciones intermoleculares entre el solvente (agua) y el polímero

Con base a estas características se decidió emplear los polímeros TCC-330 y EOR909 pues

cumplieron con la mayoría de los parámetros (Tabla 2).

Tabla 2. Datos técnicos de los polímeros candidatos a emplearse (Qmax Solutions S.A., 2015)

Polímero TCC-330 EOR 909 130 B 934 S

Clase química Poliacrilamida Poliacrilamida Poliacrilamida Poliacrilamida

Anionicidad Alta Alta Media Media Alta

Peso molecular (millón) 30 +/- 5% 25.5 +/- 5% 12 +/- 5% 20+/- 5%

Viscosidad Aparente (mPa.s) >16 12 5.26 10.1

3.3. Estudios de Estabilidad Térmica

El ensayo de estabilidad térmica consiste en poder conocer el efecto de la temperatura y en la

pérdida de viscosidad de las soluciones con diferentes concentraciones a diferentes temperaturas.

a) Medición de la viscosidad de las soluciones de polímero

Una propiedad muy importante de los polímeros es la habilidad para incrementar la viscosidad de

la solución. Se tomaron los valores a una tasa de corte de 100 rpm de las soluciones de polímero

a concentraciones de 500 a 1.500 ppm. La primera medición se realizó a temperatura ambiente,

para luego calentarlos a temperaturas de 120, 140, 160, 180, y 220º F (Tabla 3). En la tabla se

puede deducir que a temperaturas elevadas la viscosidad decrece, especialmente en soluciones

con menor concentración de polímero como se muestra en la Figura 2.

Tabla 3: Viscosidad del agua en función de la temperatura a diferentes concentraciones de los polímeros TCC-330 y EOR909

Producto Concentración

(ppm)

T

(ºF)

µ

(cP)

T

(ºF)

µ

(cP)

T

(ºF)

µ

(cP)

T

(ºF)

µ

(cP)

TCC-330 500 72,8 148,8 120 86,4 140 62,4 160 38,3

TCC-330 1.000 78 250 120 187,2 140 162 160 128,7

TCC-330 1.200 79,1 315.3 120 230,4 140 206,4 160 171.5

TCC-330 1.500 75,4 355.1 120 278 140 247 160 211,3

Producto Concentración

(ppm)

T

(ºF)

µ

(cP)

T

(ºF)

µ

(cP)

T

(ºF)

µ

(cP)

T

(ºF)

µ

(cP)

EOR909 500 72,8 48 120 33,6 140 29,6 160 17,5

EOR909 1.000 78 96 120 82 140 71,6 160 57,3

EOR909 1.200 79,1 115,2 120 92 140 82,2 160 71,3

EOR909 1.500 75,4 124.8 120 105 140 100,5 160 96

La temperatura máxima a la cual se pudo determinar la viscosidad fue a 160ºF. No fue posible

medir este valor a la temperatura de 180 y 220 ºF debido a que se observó ebullición y formación

de burbujas que generaron errores en las lecturas. Para ello se construyó un perfil de viscosidad

en función de la temperatura para luego extrapolarlos a 220ºF. Se usó la ecuación linealizada de

Arrehenius que es la expresión matemática que más se ajustó a las variables de diseño. Esta

132

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139

ecuación es usada como modelo de regresión lineal entre variables para corroborar la

dependencia de la constante de velocidad de una reacción química con respecto a la temperatura

(figuras 3 y 4).

Figura 2. Viscosidad de la solución de agua en función de la temperatura

Figura 3. Resultados de Viscosidad de la solución de agua versus Concentración

extrapolado a 220 °F - EOR909

Figura 4. Resultados de Viscosidad de la solución de

agua versus Concentración extrapolado a 220 °F - TCC-330

b) Modelo Matemático

𝜂 = 𝐴 ∙ 𝑒− 𝐸𝑎 𝑅∙𝑇 Ec. 1: Ecuación de Arrhenius

Donde: 𝜂 = viscosidad (𝑃𝑎 ∙ 𝑠)

𝐴 = constante de Arrhenius

𝐸𝑎 = Energía de activación (𝐽/𝑚𝑜𝑙)

𝑇 = Temperatura (°𝐾)

0

20

40

60

80

100

120

140

60 80 100 120 140 160 180

Vis

cosi

dad

, cP

Temperatura, °F

Viscosidad versus Temperatura

EOR909 500 EOR909 1000

EOR909 1200 EOR909 1500

0

50

100

150

200

250

300

350

400

60 80 100 120 140 160 180

Vis

cosi

dad

, cP

Temperatura, °F

Viscosidad versus Temperatura

TCC-330 500 TCC-330 1000

TCC-330 1200 TCC-330 1500

0

20

40

60

80

100

120

140

60 80 100 120 140 160 180 200 220

Vis

cosi

dad

, cP

Temperatura, °F

Viscosidad versus Temperatura

EOR909 500 EOR909 1000

EOR909 1200 EOR909 1500

0

50

100

150

200

250

300

350

400

60 80 100 120 140 160 180 200 220

Vis

cosi

dad

, cP

Temperatura, °F

Viscosidad versus Temperatura

TCC-330 500 TCC-330 1000TCC-330 1200 TCC-330 1500

133

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139

Aplicando logaritmo natural a la ecuación 1 se tiene:

𝑙𝑛(𝜂) = − 𝐸𝑎

𝑅(

1

𝑇 ) + 𝑙𝑛(𝐴) Ec. 2: Ecuación de Arrhenius linealizada

3.4. Pruebas de Compatibilidad

En esta prueba se evalúa el porcentaje de agua presente. Este porcentaje se valoró mediante la

compatibilidad que tuvieron las soluciones de polímeros con el crudo (Lake, 1989). La

compatibilidad se evalúo bajo criterios de observación de separación de fases y formación de

emulsión. El polímero EOR909 no presentó una buena separación de las fases, por lo cual no se

pudo apreciar una interface definida indicando la formación de emulsión. Por el contrario, el

polímero TCC-330 mostró ausencia de emulsión y formación de una interface bien definida. En la

mayoría de los resultados registrados a la temperatura de 160ºF y con una agitación baja se

evidenció una separación de fases de manera rápida. Lo contrario se registró a temperaturas

menores. Además, la visualización de las fases es difícil apreciar en concentraciones de menor

grado y alta agitación.

En la Figura 5 se observa que el polímero TCC-330 en la concentración de 1.500 ppm tiene mejor

compatibilidad con el crudo y un porcentaje de agua mayor.

Figura 5. Resultados de pruebas de compatibilidad con crudo

3.5. Pruebas de Adsorción

Este ensayo es un indicativo cuantitativo de la cantidad de polímero que puede quedar adsorbida

por la roca durante la inyección. En la Figura 6 se observa que al inundar con polímero a los

cortes hay una reducción mínima de peso que corresponde a pérdidas durante el proceso de

filtrado. En la Figura 7 se muestra que la impregnación de los polímeros usados en el ensayo es

despreciable con valores menores al 1%. Esto indica que tienen una baja probabilidad de

adsorción.

50% 50%

12% 4%

50% 50% 50% 50%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

BLANCO 1000 ppm 1200 ppm 1500 ppm

Agua % EOR909 TCC-330

134

Enfoque UTE, V.7-N.4, Dic.2016, pp.127 - 139

Figura 6. Ensayo de impregnación de polímero (lado izquierdo: solución polimérica con cortes, lado

derecho: cortes filtrados)

Figura 7. Peso de muestras antes y después de ensayo de adsorción

3.6. Ensayo de Salinidad

La Figura 8 muestra que la viscosidad se reduce aproximadamente a 80% al añadir 2% de NaCl

en la solución de polímero TCC-330 y un 85% al añadir 10% de NaCl. En cambio, en la solución

de polímero EOR909 al añadir 2% de NaCl decrece abruptamente la viscosidad a un 90%, y al

añadir el 10% no se pudo medir la viscosidad a la solución debido que fue severamente

paralizada la solución por la sal. Además, hace más ácida a las soluciones elevando la cantidad

de cloruros presentes. Se pude concluir que la salinidad es un factor muy importante en la

preparación de las soluciones poliméricas pues la viscosidad se reduce considerablemente en los

dos ensayos.

3.7. Pruebas de Desplazamiento

En esta prueba se simula el desplazamiento del crudo al inyectar la solución de polímero a las

diferentes concentraciones de 1.000 a 1.500 ppm. Para este ensayo se utilizó un equipo de

desplazamiento lineal. Para ello se construyó un aparato donde se pueda hacer la inyección de

los fluidos (Figura 9) y donde se pueda evaluar visualmente los resultados.

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

BLANCO EOR909 1200ppm

EOR909 1500ppm

BLANCO TCC-330 1200ppm

TCC-330 1500ppm

Ensayo de adsorción Peso Inicial Peso Final

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Figura 8. Viscosidad de las soluciones de polímeros al añadir 2% NaCl

Figura 9. Equipo de desplazamiento diseñado para medir el desplazamiento de polímeros

a) Descripción del equipo

El equipo fue especialmente diseñado para el desarrollo de pruebas. Fue fabricado en acero

inoxidable para evitar la rápida corrosión debido a su contacto con el hidrocarburo. Tiene un

acople para colocar un manómetro que ayuda a inyectar presión (máximo 50 psi) y en el cuerpo

de equipo un acople para adaptar los núcleos de cerámica como se ilustra en la Figura 9.

b) Resultados

En esta prueba se inyectaron soluciones de polímeros con concentraciones de 1.000 a 1.500

ppm. Para cada inyección se utilizó un núcleo nuevo. Esta prueba tiene carácter visual debido a

que no cumple con todas las especificaciones para ser tomados como datos puntuales. Se evaluó

de manera visual y matemática mediante cálculo del área de desplazamiento del crudo. El núcleo

tiene un punto de referencia que se aprecia para poder observar y calcular el desplazamiento que

ha ocurrido con la inyección de los polímeros (Figura 10).

0

50

100

150

200

250

300

350

1000 1200 1500

VIS

CO

SID

AD

(cP

)

CONCENTRACIÓN (ppm)

Salinidad al 2% NaCl

uo - TCC-330

uf - TCC-330

uo - EOR909

uf - EOR909

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Figura 10. Núcleo inundado con polímero a 1.000 ppm

De la Figura 11 se puede deducir que el polímero TCC-330 tiene una eficiencia mayor para

desplazar el crudo con respecto al polímero EOR909. También se observa que a mayor

concentración el desplazamiento fue mayor e igual que el tiempo que este se demora.

Cabe mencionar que la concentración de polímero para el desplazamiento de crudo tiene un

punto óptimo que debe ser tomado en cuenta y que está estrechamente ligado con las

características del yacimiento. Esta prueba se realizó para evaluar el polímero que mejor relación

de desplazamiento origina en el crudo y los porcentajes están dados bajo criterios de observación.

Figura 11. Desplazamiento con polímero EOR909 y TCC-330 a 1.500 ppm

4. Conclusiones

La solución de polímero TCC-330 a una concentración de 1.500 ppm fue la mejor formulación

para la inyección en el yacimiento “X”. A esta concentración de la solución se modificó la

viscosidad del fluido desplazante (agua de inyección) al mezclarlo con polímero, reduciendo su

movilidad, y mejorando la movilidad del crudo. Para alcanzar esta concentración óptima, se

realizaron previamente mezclas a diferentes concentraciones: 500, 1.000, 1.200, 1.500 partes por

0

20

40

60

Po

rce

nta

je D

esp

laza

mie

nto

(%

)

Concentración (ppm)

Prueba de desplazamiento

EOR 909

TCC-330

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millón. De estas, el que mejor resultado dio fue el de 1.500 ppm basado en el desplazamiento que

se obtuvo en las muestras de cerámica.

Con base a la Tabla 2, el polímero TCC-330 presenta las mejores características físico-químicas;

al ser un polímero de tipo poliacrilamida parcialmente hidrolizada, su grado hidrólisis es del 26 %,

lo cual indica que es altamente activo. Sufre una degradación por calor inferior al 25%, como

muestra la Tabla 3, lo cual nos indica que es poco susceptible a los cambios por temperatura;

soportando temperaturas mayores a 160ºF. Tiene un alto peso molecular, con la cual se

obtuvieron viscosidades altas a distintas temperaturas. Es un polímero con carga aniónica que

evita la interacción con los fluidos del reservorio y la roca yacimiento.

El polímero TCC-330 alcanza una viscosidad más alta con 1.500 ppm de concentración respecto

al EOR909 que necesita una mayor concentración de 2.200 ppm para alcanzar la misma

viscosidad, esto es debido al alto peso molecular de TCC-330.

Se evaluó mediante las figuras 3 y 4 que la viscosidad en función a la temperatura es una relación

inversamente proporcional y que el polímero TCC-330 es susceptible en un 25% a disminuir su

viscosidad conforme se aumenta la temperatura. En cambio, el polímero EOR909 es más

susceptible debido a que su viscosidad decrece en un 65% al incrementar temperatura. También

se pudo apreciar que, al haber mayor temperatura, la viscosidad decrece en mayor escala en

soluciones con menor concentración de polímero lo cual indica que el polímero TCC-330 es más

estable al efecto térmico.

La compatibilidad se evalúo bajo criterios de observación de separación de fases y formación de

emulsión. Como se detalla en la Figura 5, el polímero EOR909 no presentó una buena separación

de las fases, por lo cual no se pudo apreciar una interfaz definida indicando la formación de

emulsión. Por el contrario, el polímero TCC-330 mostró ausencia de emulsión y formación de una

interfaz bien definida.

Los ensayos de salinidad mostraron que la viscosidad se reduce del 80% al 85% al añadir el 2% y

el 10% respectivamente de NaCl en la solución de polímero TCC-330. En cambio, la solución de

polímero EOR909, al añadir un 2% de sal, decreció abruptamente en un 90% su viscosidad y al

añadir el 10% no se pudo medir el valor pues la solución fue saturada por la sal.

Las pruebas de adsorción muestran una impregnación despreciable de las soluciones de ambos

polímeros menor al 1%. Esto indica que pueden ser usados y con una baja probabilidad de

adsorción y/o retención.

La Figura 11 corresponde a una ilustración estadística que muestra que el polímero TCC-330 a

1.500 ppm tiene el mayor desplazamiento con un porcentaje superior al 50%, en comparación con

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un 38% de crudo desplazado con el polímero EOR909. Además, se observó que a mayor

concentración hay mayor desplazamiento de crudo en el núcleo.

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