ingenierÍa y región - university portal€¦ · normas generales para publicación de artículos...
TRANSCRIPT
1
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
UniversidadSurcolombiana
Editorial
Universidad Surcolombiana
INGENIERÍARegióny
ISSN 1657-6985
Volumen 11 - Junio 2014
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
2
UNIVESIDAD SURCOLOMBIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
REVISTA INGENIERÍA Y REGIÓN
ISSN: 1657-6985
Rector:
Nelson Ernesto López Jiménez
Decano Facultad de Ingeniería:
Ervin Aranda Aranda
Editor:
Claudia Milena Amorocho Cruz. Ph. D.
Comité editorial:
José Manuel Barat Baviera Ph.d.
Isabel Fernández Segovia Ph.d.
Jorge Saavedra Torrico Ph.d.
María Del Pilar Angarita Ph.d.
Ángela Jaramillo Londoño Ph.d.
José Luis Diaz Arevalo Ph.d.
Eduardo Pastrana Bonilla Ph. D.
Editorial:
Editorial Universidad Surcolombiana
Diseño e Impresión:
Editorial Gente Nueva
PBX: 3202188 Bogotá D.C.
Correspondencia:
Revista Ingeniería y Región
Universidad Surcolombiana- sede Central Av. Pastrana Cra. 1
Teléfono: 8758775
Neiva -Huila
UniversidadSurcolombiana
3
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Editorial ......................................................................................................................................... 5
Identificación de bacterias filamentosas Thiothrix en el tratamiento
del efluente de un reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR)
Identification of Thiothrix filamentous bacteria in the treatment
of a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAnMBR) effluent
Javier E. Sánchez-Ramírez, Alberto Bouzas, Mª Francisca García-Usach
Luis Borras y Aurora Seco. ................................................................................................. 7
Calidad del agua en la Reserva Forestal Regional productora
del norte de Bogotá, Thomas Van der Hammen
Water quality in the Regional Forest Reserve of northern Bogota,
Thomas Van der Hammen
Ángela María Jaramillo y Luz Marina Cabrera ............................................................ 17
Determinación de la huella de carbono en el cultivo del arroz Oryza sativa
en el distrito de riego el Juncal, Huila, Colombia
Determination of carbon footprint of rice Oryza sativa on
the irrigation district Juncal, Huila, Colombia
Hanny Vanessa González Meneses, Victoria Eugenia Méndez Velásquez,
Jaime Izquierdo Bautista .................................................................................................. 29
Evaluación de sistemas de riego localizado en cultivo de cacao (Theobroma cacao)
como estrategia de aumento de la producción en el departamento del Huila
Evaluation of drip irrigation systems in cocoa (Theobroma cacao) farming
as a strategy for increasing production in the department of Huila
Rodrigo A. Pachón Bejarano, Oscar E. Figueroa Paiva, Jorge I. Chavarro Díaz ........ 45
Implementación de OpenFlow sobre NetFPGA
Implementation of OpenFlow on NetFPGA
Johnnathan Machado, Andrés Felipe Ramos y Juan Carlos Cuéllar ............................ 57
Diseño e implementación de un prototipo inhibidor de señales de celular
para un salón de clases
Design and implementation of an inhibitor prototype of cellular signals
for a classroom
Martín Diomedes Bravo Obando, Juan Gabriel Carvajal Vega
y Alejandro Fabián Torres Camacho. ............................................................................. 73
Contenido
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
4
Estudio Multifactorial de Resistencia Última a Tensión Paralela a la Fibra
en Muestras de Guadua angustifolia Kunth
Multifactorial Study of Last resistance to Parallel tension to the Fiber
in Samples of Guadua angustifolia Kunth
Caori Takeuchi T., Mauricio Duarte T., John E. Alarcón G.
y Jairo F. Olarte F. ............................................................................................................. 85
Optimización del Diseño en Armaduras
Truss Design Optimization
Myriam R. Pallares Muñoz y Wilson Rodríguez Calderón .......................................... 91
Evaluación sensorial en Café Espresso. Una Comparación entre
Jueces Internacionales
Sensory Analysis in Espresso Coffee Brewed. A Comparison between
International Judges
Nelson Gutiérrez Guzmán, Javier Murgueitio Cortes, Nataly Peña Gómez ............. 101
Evaluación de la eficiencia del uso de combustible en los hornos tradicionales
de curado de Tabaco
Evaluation of the efficiency of fuel in traditional tobacco curing ovens
Néstor-Enrique Cerquera-Peña, Eduardo Pastrana-Bonilla. ..................................... 107
Análisis comparativo de los Sistemas de Gestión Ambiental para empresas
agroindustriales
Comparative analysis of environmental management systems
for agro-enterprises
Jennifer K. Castro Camacho, Néstor-Enrique Cerquera Peña,
Alfredo Olaya-Amaya .................................................................................................... 117
Normas generales para publicación de artículos Revista Ingeniería y Región
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana ......................................................... 129
5
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Nuevos Retos
La Revista Ingeniería y Región se ha publicado desde hace 13 años y hasta la fecha ha con-
tado con tres editores. Desde su inicio en el 2001 hasta el 2008, cuando estuvo a cargo del
M.Sc. Rodrigo Alberto Pachón Bejarano, se mostró la importancia de publicar las inves-
tigaciones desarrolladas en la región Surcolombiana, es por esto que en esta edición que-
remos resaltar su labor y agradecerle su iniciativa y gestión. Posteriormente, en el periodo
2009-2013 con la dirección del Ph.D. Nelson Gutiérrez Guzmán, la revista logró la indexa-
ción con la publicación de artículos de investigación en el entorno nacional e internacional
y con la conformación de un Comité Editorial con formación doctoral, vinculados a dife-
rentes instituciones del mundo, de la misma manera damos un reconocimiento a su arduo
trabajo, compromiso y emprendimiento. Ahora en el 2014 como editora tengo delante un
gran reto teniendo en cuenta el estupendo resultado de mis compañeros; así junto con el
Comité Editorial tenemos como bandera llevar a cabo un proceso de mejora continua y en
este sentido se presenta la primera publicación semestral.
De acuerdo con la Actualización 2013 del índice Bibliográfico Nacional-Publindex, la re-
vista ha sido categorizada en C, evidenciando que ha mantenido las calidades científicas
alcanzadas en los últimos años y hoy día trabaja para acceder en un futuro a categorías más
altas. Es de resaltar que en este año se han obtenido logros en aspectos de calidad científi-
ca, editorial y visibilidad, a partir de la publicación de artículos por parte de los miembros
del Comité Editorial, profesionales e investigadores de otras universidades, empresas de
Colombia, Chile y España. Además, se ha gestionado el canje con Revistas de otras insti-
tuciones y actualmente, Ingeniería y Región está vinculada a la Red Nacional de Revistas
de Ingeniería.
Existe para nuestra revista preocupación respecto a los posibles cambios que se van a rea-
lizar en los parámetros de medición de la revistas en Colombia, donde se va a estandarizar
con revistas internacionales, en las cuales prima el factor de impacto relacionado con el
número de veces que son citados los artículos publicados en las respectivas revistas. Cier-
tamente, es un proceso que tiende a mejorar la calidad de las mismas; sin embargo, es con-
veniente que en Colombia se otorgue un tiempo de transición con el fin de que un mayor
número de revistas colombianas alcancen los niveles internacionales.
En este sentido, a través de esta publicación semestral se dan a conocer trabajos de inves-
tigación relacionados con las diferentes líneas de la ingeniería como son biotecnología,
construcciones, telecomunicaciones, calidad del agua, riego, ambiental y agroindustria.
Editorial
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
6
Es este un medio de comunicación que busca impulsar la publicación de los trabajos de
investigación con alto nivel de calidad que están desarrollando docentes, egresados, profe-
sionales e investigadores en áreas de Ingeniería y afines. De igual manera, esta publicación
busca ser de utilidad para los lectores de la comunidad académica surcolombiana, del país
e internacionales, interesados en los temas aquí tratados.
Claudia Milena Amorocho Cruz Ph.D
Editora
7
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Identificación de bacterias filamentosas Thiothrixen el tratamiento del efluente de un reactor anaerobio
de membranas sumergidas (SAnMBR)
Identification of Thiothrix filamentous bacteria in the treatment of a submerged anaerobic membrane bioreactor (SAnMBR) effluent
Javier E. Sánchez-Ramírez1, Alberto Bouzas2, Mª Francisca García-Usach3,Luis Borras4 y Aurora Seco5.
Resumen
En el tratamiento biológico de aguas residuales participan diversos microorganismos entre los que se encuentran las bacterias filamentosas. El crecimiento excesivo e incontrolado de estos microorganis-mos genera problemas asociados al esponjamiento de los fangos conocido como bulking y la formación de espumas o foaming. La correcta identificación de estos organismos tiene un papel importante en la toma de decisiones para la correcta operación de las plantas de tratamiento de agua residual. Los tratamientos anaerobios empleados para el tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales, con un contenido alto de sulfatos en el afluente, generan efluentes que contienen concentraciones impor-tantes de sulfuro que bajo determinadas condiciones pueden favorecer la aparición de organismos filamentosos. En este trabajo se usan técnicas microbiológicas convencionales y moleculares para la identificación de bacterias filamentosas (Thiothrix) asociadas a un problema de decantación en un sis-tema de fangos activados que trata el agua efluente de un reactor anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR) con concentraciones elevadas de sulfuro (105 ± 10 mg S·L-1). En este estudio se comparan dos periodos de operación con el fin de determinar la influencia del tiempo de retención hidráulico (TRH) sobre la proliferación de las bacterias filamentosas Thiothrix.
Palabras clave: Bacterias filamentosas, bulking, fango activado, sulfuro, thiothrix.
Abstract
In wastewater treatment, bulking and foaming are problems associated with filamentous bacteria. The identification of these organisms has an important role in decision-making in the operation of was-
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 7-16
1 MSc Estudiante doctorado Dpto. Ingeniería Química. U. de Valencia (España). Av de la Universitat, Burjassot.
E-mail: [email protected]
2 PhD profesor Dpto. Ingeniería Química. U. de Valencia (España). Av de la Universitat, Burjassot.
E-mail: [email protected]
3 PhD Profesor Dpto. Ing. Hidráulica y Medio Ambiente. U. Politécnica de Valencia (España). IIAMA. Camí de Vera.
E-mail: [email protected]
4 PhD profesor Dpto. Ingeniería Química. U. de Valencia (España). Av de la Universitat, Burjassot.
E-mail: [email protected]
5 PhD profesor Dpto. Ingeniería Química. U. de Valencia (España), Av de la Universitat, Burjassot. E-mail: [email protected]
Recibido 4 de abril de 2014 Aprobado 12 de mayo de 2014
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
8
1. Introducción
En la actualidad se emplean diversos procesos
para el tratamiento de las aguas residuales ur-
banas, uno de los más habituales es mediante el
uso de reactores anaerobios, siendo los más uti-
lizados los reactores UASB y los reactores anae-
robios de membranas. La combinación de reac-
tores anaerobios con procesos de filtración con
membranas tienen una serie de ventajas frente a
otros tratamientos. Entre estas ventajas destaca la
producción de biogás que permite el aprovecha-
miento energético del agua residual, y la menor
generación de fangos. Sin embargo, el efluente de
un tratamiento anaerobio contiene concentracio-
nes de nitrógeno y fósforo similares a las del agua
residual afluente; concentraciones moderadas
de materia orgánica biodegradable; y concentra-
ciones importantes de sulfuro y metano disuel-
to (Giménez et al., 2011; Khan et al., 2011). Por
tanto, se hace necesario un tratamiento posterior
para eliminar estos nutrientes con el fin de ha-
cer posible la reutilización del agua tratada o su
vertido al medio natural. Las características del
efluente de un SAnMBR lo hacen susceptible de
ser tratado mediante tratamientos convenciona-
les como el sistema de fangos activados con eli-
minación biológica de nutrientes.
En los sistemas de fangos activados se pueden en-
contrar diversos microorganismos en función de
los procesos que se lleven a cabo (nitrificación,
desnitrificación, eliminación biológica de fósfo-
ro). Dentro de los microorganismos comúnmen-
te encontrados en los reactores biológicos están
las bacterias filamentosas. Una baja proporción
de bacterias filamentosas puede ser beneficiosa
para la formación del flóculo, pero un crecimien-
to excesivo de este tipo de microorganismos pue-
de generar diversos problemas que provocan una
desestabilización del flóculo dificultando el pro-
ceso de separación o decantación de la biomasa
en los decantadores (Jenkins et al., 1993).
El primer aspecto importante para el control de
bacterias filamentosas es identificar el tipo de
bacteria filamentosa presente, con el fin de esta-
blecer rápidamente las condiciones más desfavo-
rables para su crecimiento.
En los años setenta Eikelboom (2000) clasificó
diversos grupos de bacterias filamentosas en fun-
ción de las características morfológicas comunes
y de las respuestas a tinciones simples (para de-
tectar PHB, gránulos de azufre, etc.). Esta forma
de identificación no es específica ya que pueden
existir bacterias genéticamente distintas y morfo-
lógicamente muy similares.
Actualmente se emplean técnicas moleculares
basadas en el análisis del ARN y del ADN aplica-
das al tratamiento biológico de aguas residuales.
Una de las técnicas comúnmente empleada para
la identificación de bacterias es la técnica FISH
(Fluorescent in situ hybridization) basada en la
hibridación directa de la bacteria sobre una re-
gión del gen 16s ARNr o 23s ARNr (Amman et
al., 1995). La utilización de esta técnica permi-
te, mediante sondas marcadas con fluorocromos
que se unen a una parte del gen 16s del microor-
tewater treatment plants. Anaerobic treatments used for the treatment of urban and industrial wastewater with high sulfate content give rise to effluents containing significant concentrations of sulfur which under certain conditions may favour the filamentous organisms development. In this work, conventional and molecular microbiological techniques have been used to identify filamen-tous bacteria (Thiothrix) associated with a sedimentation problem in an activated sludge system treating the effluent of submerged anaerobic membrane bioreactor (SAnMBR) containing high concentrations of sulphide (105 ± 10 mg S·L-1). This study also compares two operational periods and determines the influence of HRT in the process.
Keywords: Activated sludge, bulking, foaming, sulphide, Thiothrix.
9
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
ganismo, identificar el nivel taxonómico al que
pertenece. El fluorocromo emite una señal fluo-
rescente en las bacterias que hibrida con la sonda.
El empleo de esta técnica comparada con las téc-
nicas convencionales resulta más fiable teniendo
en cuenta que se basa en secuencias de nucleóti-
dos específicos.
El estudio presentado en este trabajo se ha rea-
lizado en una planta piloto de fangos activados
que trata el efluente de un reactor anaerobio de
membranas sumergidas (SAnMBR) caracteri-
zado por presentar una alta concentración de
sulfuro (Sánchez-Ramírez et al., 2012). Este tra-
bajo describe un episodio de proliferación de
bacterias filamentosas en dicha planta piloto y
también describe la identificación realizada me-
diante técnicas microbiológicas convencionales y
moleculares de la bacteria filamentosa Thiothrix.
También compara dos periodos experimentales a
TRH distintos con el fin de determinar la influen-
cia de este parámetro sobre la proliferación de las
Thiothrix.
2. Materiales y métodos
El estudio se realizó en una planta piloto de fan-
gos activados ubicada en la EDAR de la Cuen-
ca del Carraixet, situada en Valencia, España.
La planta piloto trataba el efluente de un reactor
SAnMBR (Giménez et al., 2011). La planta pi-
loto, operada mediante una configuración UCT
(University of Cape Town), constaba de un reac-
tor biológico de 800 L subdividido en 3 zonas
(Anaerobia-Anóxica-Aerobia) y un decantador
secundario de 80 L (Figura. 1). Durante los pe-
riodos estudiados la planta piloto fue operada a
dos tiempos de retención hidráulico (TRH): 13 y
26 h correspondientes a un caudal afluente de 60
y 34 L·h-1, respectivamente. El tiempo de reten-
ción celular (TRC) fue mantenido en torno a 25
d en ambos periodos. La temperatura oscilo entre
13 y 24 ºC. La concentración de sólidos suspendi-
dos en el sistema se situó en torno a 1350 mg·L-1.
Así mismo, la concentración de oxígeno disuelto
(OD) osciló entre 1,0 y 2,5 mg·L-1 en ambos pe-
riodos.
Las características medias del efluente del SAn-
MBR son: baja DQO biodegradable (30 ± 8 mg
DQO·L-1), que corresponde en un 90% a ácidos
grasos volátiles (AGV); elevadas concentracio-
nes de nutrientes (55 ± 9 mg N-NH4·L-1, 7 ± 2 mg
P-PO4 ·L-1, 105 ± 10 mgS-2·L-1); y una concentra-
ción de metano disuelto de 43 ± 10 mg DQO·L-1.
Figura 1. Planta piloto de fangos activados (A), Diagrama general de la planta (B).
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
10
2.1 Métodos Analíticos
Las técnicas analíticas utilizadas en este traba-
jo corresponden a las descritas en el Standard
Methods (APHA, 2005) para la determinación
de sólidos suspendidos totales, sólidos suspen-
didos volátiles, IVF, amonio (N-NH4) y sulfuro
(S-S-2). Para la determinación de la alcalinidad
y los ácidos grasos volátiles (AGV) se empleó el
método de valoración ácido-base propuesto por
Moosbrugger et al., 1992. El metano disuelto fue
calculado a partir de la medida de metano en el
biogás y el equilibrio entre fases empleando la
ley de Henry. El metano en el biogás fue medido
empleando un analizador continuo de gases (X-
Stream X2, Emerson).
2.2 Análisis Microbiológico
Las muestras analizadas para la identificación y
cuantificación de los microorganismos de inte-
rés fueron tomadas al final de la etapa aerobia.
Para la observación se utilizó un microscopio
de epifluoresencia DM2500 con cámara digital
DFC420c. En la aplicación de la técnica FISH se
emplearon las sondas que se muestran en la Tabla
1. La sonda general empleada para la hibridación
del dominio eubacteria fue la sonda (EUBMIX)
compuesta por tres sondas EUB 338, EUBII 338
y EUBIII 338 (Amann et al., 1990; Daims et al.,
1999) que hibridan sobre bacterias, planctomyce-
tales y verrucomicrobiales. Para la determinación
de las bacterias filamentosas se empleó una sonda
específica que hibrida sobre bacterias Thiothrix
(Eikelboomii, nivea, unzii, fructosivorans, deflu-
vii, eikelboom 021N grupo I,II,III). Cada sonda
específica es obtenida según el nivel taxonómico,
phylum, clase, familia, género y especie (Amann
et al., 1995).
����� ��� ��������� � ��� ����� � �� ���������������������� �� ������ ��������� ����� � !������������ ������� ��������� ��� ����������� ��������������������������������������������"������#$���� �!����%&�����������������������������#$����� '� �������� ��� ����� ��� ��� ��"��� ���������� ��� ����� �����#���� '� ��� ��� ����� �������!(��)*� �+����� ,� � !�� ��������� ���� ���� ��-���������$��������������.�
3. Resultados
Este estudio fue divido en dos periodos a lo largo
de los cuales se ha modificado el TRH con el fin
de disminuir la carga de sulfuro y la cantidad de
AGV al sistema. En ambos periodos se han man-
tenido constantes el resto de parámetros opera-
cionales. Los resultados obtenidos permitieron
comparar la influencia del TRH sobre la prolife-
ración de las bacterias filamentosas Thiothrix.
3.1 Periodo I (TRH: 13h)
La puesta en marcha de la planta piloto de fangos
activados durante el periodo I se inició inoculan-
do el sistema con 200 L de biomasa procedente
del reactor industrial de fangos activados de la
EDAR de la Cuenca del Carraixet. En el primer
periodo, se fijaron como condiciones de opera-
ción un TRC de 25 d, un TRH de 13 h (Qafluente
≈
Tabla 1. Sondas empleadas para la identificación de bacterias Thiothrix.
SONDAS
Sondas Secuencia Nivel/Grupo %FA Referencia
EUB338 GCTGCCTCCCGTAGGAGT Bacteria 0-50 Amman et al.,1990
EUB338II GCAGCCACCCGTAGGTGT Plantomycetales 0-50 Daims et al.,1999
EUB338III GCTGCCACCCGTAGGTGT Verrucomicrobiales 0-50 Daims et al.,1999
G3M123T CCTTCCGATCTCTATGCA Thiothrix general 40 Kanagawa et al., 2000
11
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
60 L·h-1), manteniéndose la temperatura media
entre 24ºC al inicio del periodo y 12ºC al final
(Figura. 2A). Las recirculaciones internas mantu-
vieron una relación de 2 con respecto al caudal de
entrada. Al inicio de este periodo de operación se
observó una decantación adecuada, alcanzando
valores del índice volumétrico del fango (IVF) de
200 ml·mg-1 y valores de sólidos suspendidos en el
efluente de 15 mg·L-1, siendo este parámetro indi-
cativo de la buena decantación del fango. Pasados
120 días de operación, la decantación comenzó a
verse afectada alcanzándose concentraciones de
sólidos suspendidos en el efluente de 262 mg·L-1
(Figura. 2B) y observándose el manto de fango
muy próximo al vertedero del decantador, fenó-
meno característico de un bulking de filamentos.
En la Figura 3B se puede observar el aspecto del
decantador al inicio del periodo experimental y
durante la proliferación de las filamentosas.
Con el fin de descartar que este deterioro estuvie-
ra asociado a un mal funcionamiento del decan-
tador al caudal de operación fijado (60 L·h-1), se
verificó la carga de sólidos y la carga superficial
del decantador obteniéndose valores de 0.58 kg
SS·m-2·h-1y 0.43 m3·m-2·h-1, respectivamente. Se
Figura 2. !/����� �����������������'������������0���������������������)��1� �!/����� ��������� �������������������21!��'�������0�������
Figura 3. Vista superior decantador secundario. (A) Inicio del periodo experimental, (B) Durante el bulking
filamentoso.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
12
observó que ambos parámetros se encontraban
dentro de los valores de diseño recomendados
para un decantador secundario.
Durante este periodo se presentaron algunos
fallos operacionales que dejaron al sistema sin
afluente y sin aireación, dando origen a un sis-
tema biológico pobremente aireado, cuyas con-
diciones favorecen el crecimiento de algunas
bacterias filamentosas. El deterioro en la calidad
del efluente coincidió con un aumento de la con-
centración de ácidos grasos volátiles (AGV) en
la entrada al sistema biológico, donde se obser-
varon concentraciones de hasta 130 mg DQO·L-1
(Figura. 4).
El problema del bulking fue cada vez más seve-
ro hasta el punto que las bacterias filamentosas
dominaron el sistema. Este deterioro en la decan-
tación fue observado en los ensayos de V30
rea-
lizados, donde se obtuvieron valores de IVF en
torno a 400 mL·mg-1, valor asociado a problemas
de bulking (Pujol et al., 1990).
Las bacterias Thiothrix presentan formas diversas
con tamaños que varían entre los 0,6 – 2,5 μm
con pequeñas células rectangulares en su interior
y pequeños gránulos de azufre en su interior (Unz
y Head., 2005). Las Thiothrix pertenecen a un gé-
nero de bacterias capaces de oxidar compuestos
de azufre y almacenarlos dentro de la membrana
celular. Por lo general son bacterias gram negati-
vas (G-) pero también pueden encontrarse otras
clasificaciones (Wagner et al., 1994).
Mediante la técnica convencional de contraste de
fases fue posible observar bacterias filamentosas
que presentaban pequeños gránulos amarillos
en su interior característicos de las bacterias fi-
lamentosas Thiothrix (Figura 6D). Los gránulos
amarillos observados corresponden presunta-
mente al azufre acumulado intracelularmente.
Con el objetivo de verificar si la bacteria filamen-
tosa observada correspondía a la especie Thio-
Figura 4. Evolución de la concentración de AGV y sulfu-
ro en el influente durante el periodo I.
Teniendo en cuenta el deterioro de la decanta-
ción observado, se intensificó el seguimiento mi-
crobiológico del fango con el fin de determinar
cuál era la bacteria filamentosa causante de este
problema. Al visualizar el fango en contraste de
fases se observó que la bacteria filamentosa for-
maba redes interfloculares con formas alargadas,
observando una rápida proliferación de las mis-
mas frente al resto de microorganismos presentes
(Figura. 6A).
Figura 5. Ensayo de V30
realizado al final del pe-
riodo (IVF: 400 ml/mg)
13
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Figura 6. 3������#���������%�� ��������������������+4��4��$��������������/��������������������%��5�����������%������1�����3��6�$���7��,��$
Figura 7. FISH.(630x), Sonda especifica Thiothrix sp (A), sonda general EUB-MIX (B).
thrix, se empleó la técnica FISH. Esta técnica per-
mitió identificar mediante la hibridación con una
sonda específica (Tabla 1) que el tipo de bacteria
filamentosa presente correspondía claramente a
la especie Thiothrix con una abundancia de un 18
± 2% (Figura. 7).
Al final del periodo I, el sistema se deterioró de-
bido a la perdida excesiva de sólidos por el de-
cantador. Teniendo en cuenta que el afluente
proviene de un sistema anaerobio de membranas
sumergidas y no contiene sólidos suspendidos
que pueda inocular el sistema, se decidió iniciar
con una nueva siembra y evaluar la influencia del
TRH sobre la proliferación de estos organismos.
Las recomendaciones de algunos autores para
controlar el crecimiento de bacterias filamentosas
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
14
Thiothrix están basadas en la disminución de las
concentraciones de sulfuros y de AGV en el siste-
ma (Jenkins et al., 2004; Lemmer et al., 2000). Te-
niendo en cuenta que el afluente tratado en este
estudio contiene concentraciones importantes de
sulfuro (105 mg S·L-1) y en ocasiones concentra-
ciones punta de AGV (hasta 130 mg DQO·L-1)
que favorecen el crecimiento excesivo de las bac-
terias Thiothrix, se hace necesario disminuir la
carga de sulfuro y AGV al sistema. La carga de
estos compuestos al sistema puede realizarse mé-
diate la modificación del TRH. Los resultados de
este cambio se muestran en el periodo II.
3.2 Periodo II (TRH: 26 h)
El periodo II se inició inoculando la planta pilo-
to con 200 L de biomasa procedente del reactor
industrial de fangos activados de la EDAR de la
Cuenca del Carraixet. Se fijaron como condicio-
nes de operación un TRC en torno a 25 d y un
TRH de 26 h (QInfluente
≈ 30 L·h-1). La temperatu-
ra se mantuvo entre 22ºC al inicio del periodo
y 13ºC al final (Figura. 8). La concentración de
sulfuro y AGV se mantuvo en torno a 109 mg
S·L-1 y 77 mg·L-1 respectivamente. Las recircula-
ciones internas se mantuvieron igual que durante
el periodo I. El seguimiento microbiológico fue
llevado a cabo de forma continua con el fin de
identificar rápidamente la posible proliferación
de las bacterias filamentosas Thiothrix.
Tal y como se muestran en las figura 8, durante
este periodo los sólidos suspendidos en el efluen-
te se mantuvieron en torno a 23 mg·L-1 y la ope-
ración del decantador fue normal. Durante este
periodo se observó una mejora importante en el
proceso de decantación. Teniendo en cuenta que
los parámetros operacionales se mantuvieron
constantes en ambos periodos, el aumento del
TRH a 26 h en el periodo II, favoreció la forma-
ción de flóculos estables y la disminución de bac-
terias filamentosas. Es decir el aumento del TRH
en este proceso es un parámetro determinante y
de gran influencia sobre la proliferación de las
bacterias filamentosas Thiothrix.
La mejora observada en el periodo II, es atribui-
da a la disminución de la carga de sulfuro y de
los AGV al sistema, ya que el funcionamiento hi-
dráulico del decantador no estaba comprometido
tal y como se ha comentado anteriormente. En
concordancia con algunos autores, para controlar
la proliferación de bacterias filamentosas Thio-
thrix es necesario disminuir la disponibilidad de
sulfuro y AGV al sistema, teniendo en cuenta que
estos componentes actuan como sustrato para
este tipo de microorganismos.
Durante este periodo y con el fin de comprobar la
abundancia de las bacterias filamentosas se rea-
lizó el seguimiento microbiológico a lo largo del
tiempo de operación mediante contraste de fases
Figura 8. Evolución de la temperatura y el caudal influente durante el periodo II (C). Evolución de los sóli-
dos en el reactor (RAE) y en el efluente (D).
15
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
y la técnica FISH. Según lo observado en ninguna
muestra se presentó un crecimiento excesivo de
bacterias filamentosas Thiothrix.
Por tanto, una alternativa de operación que per-
mite prevenir la proliferación de bacterias fila-
mentosas en sistemas que tratan efluentes anae-
robios con elevadas concentraciones de sulfuros,
sería disponer de un tanque pulmón que permi-
tiera regular el caudal de tratamiento cuando el
sistema anaerobio no fuera capaz de reducir los
AGV hasta valores habituales y ajustar la carga
modificando el TRH.
4. Conclusiones
Este estudio muestra un episodio de proliferación
de bacterias filamentosas y estudia la influencia
del TRH sobre el crecimiento de las bacterias fi-
lamentosas.
El morfotipo de bacteria filamentosa, identifica-
da en este estudio mediante la técnica FISH, es
del tipo Thiothrix, que está asociada a una con-
centración elevada de sulfuro en el afluente y una
alta disponibilidad de materia orgánica en forma
de AGV.
El cambio más significativo sobre la mejora del
proceso fue el cambio del TRH. Al disminuir el
caudal influente se logró disminuir la carga de
sulfuro al sistema y la disponibilidad de AGV,
siendo estas dos condiciones factores importan-
tes sobre el crecimiento de las bacterias filamen-
tosas Thiothrix.
Los estudios microbiológicos en estaciones depu-
radoras basados en las características bacterianas
observables al microscopio y las nuevas técni-
cas moleculares para la identificación permiten
identificar correctamente el organismo presente
en el sistema y por lo tanto permiten tomar las
decisiones adecuadas para controlar o reducir el
problema.
Agradecimientos
Se agradece la financiación del Ministerio de
Ciencia e Innovación (Proyecto CTM2011 28595-
C02-01/02) y de la Universitat de València (Pro-
yecto precompetitivo UV-INV-AE11-40539).
Referencias bibliográficas
1. Amann, R.I., Binder, BJ., Olson, R.J., Chisholm,
S.W., Devereux, R., Stanl, D.A., 1990. Combination
of 16s Rrna targeted oligonucleotide probes winth
flow cytometry for analyzing mixed microbial
populations. Appl Envirom.Microbiology. 56(6).
1919-1925.
2. Borrás, L., 2008. Técnicas microbiológicas apli-
cadas a la identificación y cuantificación de
microorganismos presentes en sistemas EBPR.
PhD Thesis. Departamento de Ing. Hidráulica y
Medio Ambiente. U.Politécnica de Valencia.
3. Daims, H., Bruhl A., Amann R., Schleifer K.H.,
Wagner, M., 1999. The domain specific probe
EUB338 is insufficient for the detection of all Bac-
teria: Development and evaluation of a more com-
prehensive probe set. System. Appl. Microbiol. 22.
434-444.
4. Eikelboom, D. H., 2000. Process control of acti-
vated sludge plants by microscopic investigation.
IWAPublishing, London, UK.
5. Giménez J.B., Robles, A., Carretero, L., Durán, F.,
Ruano, M.V., Gatti, M.N., Ribes, J., Ferrer, J. and
Seco, A., 2011. Experimental study of the anaero-
bic urban wastewater treatment in a submerged
hollow-fibre membrane bioreactor at pilot scale.
Bioresource Technology. 102. 8799–8806.
6. Jenkins, D., Richard,M.G., Daigger ,G.T., 1993. Ma-
nual on the causes and control of activated sludge
bulking and foaming. Boca raton,FL : Lewis Publis-
hers.
8 � 9����&���+ ��9��������: ��1������; ��9�4���+ ��<����� ��=������ ������ ��4'�����������'-�����%��������������������������/�������%���!�>������� +'��� ��,?� ��������� �������� ���-����� %�������>������/���� ������ �1����������!/�������������������' �@@�,,� �A�6B-A�A�
8. Khan, A. A., Gaur, R. Z., Tyagi, V. K., Khursheed,
A., Lew, B., Mehrotra, I., Kazmi, A. A., 2011. Sus-
tainable options of post treatment of UASB effluent
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
16
treating sewage: a review. Resour. Conserv. Recy-
cl. 55. 1232-1251.
9. Lemmer, H., und G. Lind., 2000. Blähschlamm,
Schaum und Schwimmschlamm – Mikrobiologie
und Gegenmassnahmen. F. Hirthammer Verlag,
München, Germany.
10. Moosbrugger, R.E., Wentzel, M.C., Ekama, G.A.,
Marais, G.V.R., 1992. Simple Titration Procedu-
res to Determine H2CO3Alkalinity and Short-
chain Fatty Acids in Aqueous SolutionsContaining
Known Concentrations of Ammonium, Phospha-
teand Sulphide Weak Acid/bases. University of
Cape Town,Pretoria, Republic of South Africa.
Water Research Commission, Report No. TT
57/92, Research Report W 74.
11. Pujol, R., Vachon,A., Martin ,G., 1990. Technical
manual for activated sludge monitoring (guide te-
chnique sur le foisonement des boues actives) Do-
cument technique, FNDAE Nº 8
12. Sanchez-Ramirez J. E., Ruiz-Martinez A., Garcia-
usach F., Bouza A., Seco, A., Ferrer, J., 2012. Eli-
minación de nutrientes del efluente de un reactor
anaerobio de membranas sumergidas (SAnMBR)
mediante fangos activados y cultivo de microalgas.
X reunión de la mesa española de tratamiento de
agua.C0-04. 13-16.
13. Unz, RF., Head, IM., 2005. Genus thiothrix wino-
gradsky 1888,39AL in Brenner DJ, Krieg NR, Stanley
JT (eds) Bergey, Manual of systematic bacteriology
part B. The gammaproteobacteria Vol 2. 2nd edn.
Springer science. New York. 131-142.
14. Wagner, M., P. Amann, P. Kämpfer, B. Assmus, A.
Hartmann, P. Hultzler, N. Springer., K. Schleifer.,
1994. Identification and in situ detection of Gram-
negative filamentous bacteria in activated sludge.
System. Appl. Microbiol. 17. 405-417.
17
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Calidad del agua en la Reserva Forestal Regional productora del norte de Bogotá, Thomas Van der Hammen
Water quality in the Regional Forest Reserve of northern Bogota, Thomas Van der Hammen
Ángela María Jaramillo1 y Luz Marina Cabrera2
Resumen
En este estudio se analizó y caracterizó la calidad fisicoquímica del agua en la Reserva Forestal del Borde Norte de Bogotá – Thomas Van der Hammen. La Reserva Forestal, es una zona clave de co-nectividad entre los cerros orientales del norte de Bogotá y el río del mismo nombre. Esta Reserva, fue declarada como tal mediante el Acuerdo 11 de 2011, expedido por la Corporación Autónoma de Cundinamarca – CAR. De su conservación depende el mantenimiento de la biodiversidad de fauna y flora del norte de Bogotá. Se tomaron varias muestras en diferentes drenajes superficiales durante la época seca y la época lluviosa en 2011. En cada muestreo se midieron 20 parámetros de calidad del agua y fueron interpretados usando análisis estadísticos multivariados. Los resultados muestran que la calidad del agua no alcanza los objetivos marcados por la CAR en el acuerdo número 43 del 17 de octubre de 2006 para la cuenca del río Bogotá. Las principales causas son la contaminación por mineralización y por materia orgánica.
Palabras clave: calidad de agua; Reserva Forestal del Borde Norte de Bogotá – Thomas Van der Hammen; drenajes superficiales.
Abstract
The status of water quality in the Reserva Forestal del Borde Norte de Bogotá: Thomas Van der Hammen was examined in this study. The regional forest reserve is a key area of connectivity be-tween the eastern hills of northern Bogota and the river of the same name. This reserve was decla-red as such by the Agreement 11, 2011, issued by the Corporación Autónoma de Cundinamarca– CAR. Their conservation will ensure the maintenance of biodiversity of flora and fauna in northern Bogota. Several samples were taken at different surface drains during the dry season and the rainy season in 2011. During the surveys, 20 water quality parameters were measured and interpreted using multivariate statistical analysis. Results show that the water quality of the Regional Forest Reserve does not meet the objectives set by CAR (Agreement 43, October 17 of 2006) for the basin of Bogota River. The main causes of pollution are mineralization and organic matter.
Keywords: water quality; Reserva Forestal del Borde Norte de Bogotá “Thomas Van der Hammen”; surface drains.
1 Licenciada en Química MSc. Grupo de Investigación Sostenibilidad Ambiental. Universidad de Ciencias Aplicadas y Ambien-
tales U.D.C.A. E-mail: [email protected]
2 Biología Marina. Ph.D. Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente. Universidad de Ciencias Aplicadas y Ambientales U.D.C.A.
Bogotá-Colombia. E-mail: [email protected]
Recibido 25 de marzo de 2014 Aprobado 5 de mayo de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 17-27
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
18
1. Introducción
La Reserva Forestal Regional Productora del
Norte de Bogotá D.C., “Thomas Van der Ham-
men” (RFRP), es una zona clave de conectividad
entre los cerros orientales del norte de Bogotá y
el río del mismo nombre. De su conservación de-
pende en gran parte el mantenimiento de la bio-
diversidad de fauna y flora del norte de Bogotá.
Esta Reserva, fue declarada como tal mediante
el Acuerdo 11 de 2011, expedido por la Corpo-
ración Autónoma de Cundinamarca – CAR, or-
ganismo que en la actualidad se encuentra en la
tarea de definir las directrices para su manejo,
con base en la formulación de un Plan de Manejo
Ambiental de esta área.
En cuanto al sistema hídrico, el norte de Bogo-
tá cuenta con la presencia de dos humedales con
áreas de drenaje que tributan al río Bogotá, el hu-
medal de Torca Guaymaral y el de La Conejera,
ambos sistemas recogen casi en su totalidad el
drenaje de las aguas superficiales de la zona. De
acuerdo con el proyecto “Corredor Borde Nor-
te de Bogotá” en el que participaron la Univer-
sidad Nacional de Colombia, la Universidad de
Ciencias Aplicadas y Ambientales U.D.C.A., la
Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Fí-
sicas y Naturales, el Instituto Agustín Codazzi y
la Corporación Autónoma Regional de Cundina-
marca CAR (Cabrera, 2007), en la zona se pue-
den identificar tres ejes de conectividad hídrica
superficial a saber: canal Torca-Guaymaral que
drena sus aguas hacia el río Bogotá en sentido
Sur-Norte, recogiendo las aguas de las quebradas
Torca, la Floresta y Patiño, y los vallados de la vía
los Arrayanes, la calle 222, la vía Guaymaral y los
del separador de la Autopista Norte; un segundo
eje conformado por los vallados paralelos a los
costados de la vía Suba-Cota que parten del pie
de monte del Cerro la Conejera y desembocan en
las márgenes del Río Bogotá; y finalmente un ter-
cer eje que corresponde a la quebrada la Salitrosa
que nace en la parte sur del cerro la Conejera y
drena sus aguas al humedal del mismo nombre y
posteriormente al río Bogotá.
El drenaje de estas aguas superficiales hacia el río
Bogotá tiene influencia directa sobre la calidad
del agua del mismo y es importante destacar que
no se tienen datos sobre la calidad del agua del
sistema hídrico en las inmediaciones de la Reser-
va Forestal Regional Productora del Norte de Bo-
gotá D.C., “Thomas Van der Hammen” (RFRP).
La Corporación Autónoma Regional de Cundi-
namarca – CAR en su acuerdo número 43 del 17
de octubre de 2006, establece los objetivos de ca-
lidad del agua que se quieren lograr para el año
2020, en la cuenca del río Bogotá. Este acuerdo
se basa en el estudio elaborado por la misma en-
tidad, denominado “Propuesta de Metodología
para la determinación de los objetivos de calidad
de la cuenca del río Bogotá”, el cual recoge las
evaluaciones cualitativas y cuantitativas de cali-
dad disponibles respecto del recurso, y desarrolla
una metodología para determinar los objetivos
de calidad para el río Bogotá, el cual fue dividido
en cinco tramos en razón de sus características
físicas y de uso. Así mismo, por medio del acuer-
do 11 de 2011, la CAR hace la declaratoria de la
Reserva Forestal Regional Productora del Nor-
te de Bogotá D.C., “Thomas Van der Hammen”
(RFRP), adoptando determinantes ambientales
para su manejo. El área de Reserva Forestal, don-
de se lleva a cabo estudio, está localizada dentro
del tramo 2: Cuenca Alta-Inferior entre Tibitoc
y la estación hidrometeorológica la Virgen. De
acuerdo con el acuerdo 43 de 2006, en este tra-
mo la calidad del río se ve afectada debido al des-
bordado crecimiento poblacional en los últimos
años de los centros poblados y al crecimiento
productivo del sector.
Este estudio busca analizar y caracterizar de ma-
nera global la calidad del agua en la Reserva Fo-
restal del Borde Norte de Bogotá – Thomas Van
der Hammen, a través de la toma de muestras en
diferentes cursos de agua, durante dos períodos
climáticos (época seca y lluviosa) del año 2011
con el fin de aportar información que sirva de so-
porte para el manejo adecuado de dicho territo-
rio, del cual existe muy poca información.
19
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
2. Métodos
Área de estudio y puntos de muestreo
El área comprendida por la Reserva Forestal Re-
gional Productora del Norte de Bogotá, Thomas
van der Hammen (RFRP) (Acuerdo 11 de 2011
de la CAR) muestra dos áreas de drenaje que co-
rresponden a los humedales de Torca Guaymaral
en el nororiente (Cuenca Torca) y la Conejera
(subcuenca del mismo nombre) en el norocci-
dente, ambos tributan al Río Bogotá (Figura 1).
El territorio que ocupa el humedal de Torca Gua-
ymaral está fraccionado por la Autopista Norte y
pertenece a dos localidades Suba y Usaquén. Se
ha considerado que el sistema hídrico en la zona
está conformado por una serie de drenajes (co-
lectores) que fluyen de manera perpendicular al
río Bogotá y el sistema sanitario está basado en el
interceptor del río Bogotá que lleva sus aguas a
la Planta de Tratamiento el Salitre (Acueducto de
Bogotá, 2003).
La quebrada (canal) Torca, nace a la altura de la
calle 134 en la localidad de Usaquén y corre en
sentido sur-norte, contrario al río Bogotá, hasta
desembocar en éste.
Por su parte, el humedal de Guaymaral, tiene
una extensión de 49 hectáreas. Sus límites norte
y occidente corresponden a la vía que conduce
al aeropuerto de Guaymaral, el límite oriente es
la Autopista Norte y al sur colinda con el centro
recreacional Cafam. (Cardona & Hilera, 2002).
El estudio se realizó sobre algunos cuerpos de
agua superficial (quebradas, canales, vallados,
espejos de agua y reservorios) presentes en el
área de la Reserva Forestal Regional Productora
del Norte de Bogotá, Thomas van der Hammen
(RFRP). Se seleccionaron ocho puntos de mues-
treo que se pueden observar marcados con pun-
tos en la Figura 1, los cuales corresponden a la
quebrada Torca (canal Torca) y su brazo denomi-
nado canal El Recuerdo, la quebrada La Salitrosa,
Figura 1. Área de estudio y puntos de muestreo
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
20
y la quebrada La Floresta, los demás drenajes co-
rresponden a vallados cuyo papel más importan-
te es el manejo de las aguas lluvias (Tabla 1).
De forma sistemática se coleccionó información
documental y cartográfica de la zona, esta infor-
mación se encontró en formatos análogo y digital.
Las principales fuentes de información fueron: la
Universidad de Ciencias Aplicadas y Ambienta-
les – U.D.C.A, el Instituto de Estudios Urbanos-
IEU, la Corporación Autónoma Regional – CAR,
el Instituto Geográfico Agustín Codazzi – IGAC,
la Empresa de Acueducto de Bogotá-EAAB y la
Alcaldía de Suba. La cartografía existente se veri-
ficó en campo identificando los cuerpos de agua,
los cuales una vez localizados, se georreferencia-
ron mediante un equipo de posicionamiento glo-
bal (GPS).
Tabla 1. Localización y descripción de los puntos de muestreo
Punto de muestreo NombreCoordenadas
Descripción del punto de muestreoX Y
P1 Margarita 104068,47 122316,79
Canal Torca: calle 222 al costado sur. Brazo que se
origina en la proximidad de Jardines del Recuerdo y
desemboca en el canal principal.
P2 Recuerdo 103985,68 121103,37
Aguas provenientes del vallado que corre en dirección
este-oeste, y del lago del cementerio Jardines del Re-
cuerdo, antes de verter sus aguas a la fracción occiden-
tal del Humedal Torca, en la vía Guaymaral, que a su
vez genera el brazo muestreado en el punto 1.
P3 Cota 98194,57 121492,10Vallado oriental de la vía Suba - Cota, justo antes de
desembocar en el río Bogotá.
P4 Salitrosa 98415,20 117884,16
Desembocadura de la Quebrada la Salitrosa en el Hu-
medal de la Conejera, por la vía que conduce a la Clí-
nica Corpas.
P5 Torca 104345,90 122227,77
Canal de Torca: calle 222 al oriente da la autopista nor-
te, calzada sur norte. Recibe aguas del canal Torca y
del vallado que corre oriente occidente.
P6 Bima 1 104163,71 123592,72
Desembocadura de la Quebrada la Floresta en la
Quebrada Torca, cuando se rehace el drenaje después
de la zona de inundación, denominada Humedal de
Guaymaral, vía Guaymaral frente al centro comercial
BIMA.
P7 Bima 2 104143,47 123626,31 Confluencia de las Quebradas Torca y Floresta, en el
puente frente a la Urbanización San Simón.
P8 Humedal 103377,08 123082,09 Desembocadura del manantial generado en el Bosque de las
Lechuzas en el humedal de Guaymaral.
Recolección y análisis de agua
El muestreo de aguas y la cadena de custodia de
la muestra se realizó según la Guía para el mo-
nitoreo de vertimientos, aguas superficiales y
subterráneas del IDEAM (2004). Los métodos
y técnicas de análisis de aguas, se ajustaron a las
condiciones de laboratorio de los métodos y téc-
nicas específicos normalizados (APHA-AWWA-
WPCF, 2005). En cada uno de las ocho estaciones
de muestreo se tomaron 6 muestras en época seca
y 7 en época de lluvias.
Se determinaron in situ pH, temperatura, turbi-
dez, oxígeno disuelto y conductividad. En el la-
boratorio las muestras fueron filtradas y se anali-
zó dureza, alcalinidad, cloruros, sulfatos, fósforo,
nitrógeno amoniacal, nitritos, nitratos, sólidos
21
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
suspendidos totales, calcio, magnesio, hierro to-
tal, manganeso y una prueba para coliformes to-
tales.
El tratamiento estadístico de los datos se hizo con
ayuda del programa estadístico SPSS 19.0 para
Windows (SPSS Inc.). Para las pruebas estadís-
ticas multivariadas se tuvieron en cuenta todas
las variables fisicoquímicas tomadas en todos los
puntos de muestreo y en ambas estaciones clima-
tológicas, con el fin de identificar las interaccio-
nes entre variables. Con el análisis factorial de
componentes principales se buscó simplificar las
relaciones complejas de las variables observadas,
mediante la selección de factores comunes de tal
manera que se pudieran extraer las variables que
mayor influencia tienen en la calidad del agua.
3. Resultados y Discusión
Calidad del agua
En la tabla 2 se presentan los niveles mínimos,
máximos y medios con su desviación estándar de
los parámetros fisicoquímicos medidos en todos
los cuerpos de agua del estudio tanto para la épo-
ca de lluvias como para la seca.
Entre la época de lluvias y la época seca se encon-
traron diferencias en el oxígeno disuelto, conduc-
tividad, turbidez, nitratos, alcalinidad, dureza,
SST, hierro total y fosfatos. La mayoría de estos
parámetros alcanzaron concentraciones más altas
en la época seca, excepto el hierro y los nitratos
con concentraciones más altas en época de lluvias.
Tabla 2. Media, desviación estándar (s.d), mínimo y máximo de los parámetros fisicoquímicos medi-
dos en época lluviosa y en época seca
Parámetros
Época Lluviosa Época Seca
N Media ± s.d.Míni-
moMáximo N Media ± s.d.
Míni-mo
Máxi-mo
pH 54 6,8 ± 0,1 5,8 7,6 48 7,0 ± 0,4 6,1 7,7
T ºC 54 17,5 ± 0,1 16,8 19,0 48 17,2 ± 1,7 13,1 20,8
Oxígeno Disuelto (mg/l) 54 2,6 ± 0,2 0,68 5,3 48 3,8 ± 1,6 0,9 6,6
Oxígeno disuelto (%) 54 27,4 ± 1,7 7,2 55,4 48 49,3 ± 24,5 3,8 90,0
3�����/�������;C��� 54 362,0 ± 18,0 66 618,0 48 428,0 ± 182,0 26,0 765,0
Turbidez (NTU) 54 28,2 ± 2,4 3,7 103,0 48 179,8 ± 238,3 5,2 959,0
Nitratos (mg N-NO3/l) 54 0,6 ± 0,1 0,01 3,5 48 0,1 ± 0,05 0,01 0,2
Nitritos (mg N-NO2/l) 54 0,6 ± 0,1 0,01 1,3 48 0,5 ± 0,3 0,01 1,3
Amonio (mg N-NH4/l) 53 1,0 ± 0,1 0,02 2,2 S.D S.D S.D
Alcalinidad (mg CaCO3/l) 54 0,7 ± 0,1 0,1 2,1 48 138,9 ± 70,2 44,7 325,3
Dureza (mg CaCO3/l) 54 150,4 ± 6,6 62,2 273,3 48 719,3 ± 1165,9 108,3 5261,2
Calcio (mg Ca/l) 54 38,9 ± 2,1 8,0 79,1 48 30,1 ± 10,8 7,1 56,1
Magnesio (mg Mg/l) 54 12,9 ± 0,9 2,2 30,3 S.D S.D S.D
SST (mg/l) 54 41,0 ± 8,9 0,9 316,4 48 99,0 ± 76,3 0,1 310,0
Cloruros (mg Cl/l) 54 72,3 ± 7,5 17,7 348,6 S.D S.D S.D
Sulfatos (mg SO4/l) 54 20,3 ± 2,3 0,9 88,1 48 17,8 ± 10,7 0,2 50,8
Fosfatos (mg PO4/l) 54 0,1 ± 0,01 0,01 0,4 48 0,4 ± 0,4 0,01 1,9
Hierro Total (mg Fe/l) 54 32,9 ± 6,1 0,05 195,7 48 8,8 ± 10,3 0,02 36,3
Manganeso (mg Mn/l) 54 0,7 ± 0,1 0,1 1,9 S.D S.D S.D
Coliformes (NMP/100ml) 12 4,1x105 ± 3,8 x105 0,01 4,6 x105 S.D S.D S.D
S.D: sin dato
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
22
Estas diferencias son notables en los valores de
turbidez (28,2 en época de lluvias y 179,8 en
época seca), nitratos (0,58 en época de lluvias y
0,06 en época seca), alcalinidad (0,7 en época de
lluvias y 138,9 en época seca), dureza (150,5 en
época de lluvias y 719,3 en época seca), SST (41,0
en época de lluvias y 99,0 en época seca), fosfatos
(0,05 en época de lluvias y 0,4 en época seca) y
finalmente hierro total (32,9 en época de lluvias y
8,8 en época seca).
Los valores de oxígeno disuelto y porcentaje de
saturación del oxígeno son bajos lo cual es indi-
cativo de contaminación orgánica que demanda
cantidades considerables de oxígeno para sus
procesos de oxidación, indicando que la calidad
del agua no es buena, debido probablemente a un
nivel de contaminación moderado por descom-
posición de materia orgánica.
En cuanto a la conductividad, ésta está asociada
a la concentración de iones disueltos (Villegas,
1995), en este trabajo el valor medio osciló entre
362,0 y 428,0 lo que significa que el agua analiza-
da tiene un contenido bajo de sales disueltas, en
concordancia con las concentraciones de cloru-
ros encontradas.
Según Espigares García y Fernández-Crehuet
(1999) los niveles altos de turbidez son indicati-
vos de contaminación debida a material coloidal,
mineral u orgánico, por lo que podemos afirmar
que los cursos de agua de este estudio estarían
contaminados por este tipo de material, lo cual
concuerda con valores relativamente altos de só-
lidos suspendidos totales.
La alcalinidad es baja en época lluviosa y aumen-
ta considerablemente en época seca, lo cual con-
cuerda con la fluctuación en el nivel del pH. A
su vez se puede detectar una dureza alta (150,5
– 719,3 mg CaCO3/l).
Los niveles medios de nitratos son bajos y en el
caso de la época de lluvias las concentraciones
fueron superadas por las de nitritos y amonio, en
concordancia con valores bajos de oxígeno (por-
centaje de saturación por debajo del 50%) que
indican una calidad de agua baja (Roldán y Ra-
mírez, 2008). La presencia de nitritos y amonio
en cantidades mayores a las concentraciones de
nitrato son un claro indicativo de contaminación
reciente por materia orgánica y especialmente
por materia fecal, esto, unido a las bajas concen-
traciones de oxígeno disuelto, impide que ocurra
un proceso natural de nitrificación (Harrison, R.,
2001). Las concentraciones de fosfatos alcanza-
das en época seca son relativamente altas.
Llaman la atención los valores elevados de hierro
total (8,8 - 32,9 mg Fe/l) y manganeso (0,7 mg
Mn/l) que independientemente de su abundancia
en el medio natural podrían indicar una posible
contaminación por vertidos de carácter indus-
trial, principalmente en la quebrada la Salitrosa.
Finalmente en cuanto a la calidad bacteriológica
de las aguas, ésta sólo fue medida en época de llu-
vias, encontrándose valores elevados de colifor-
mes como indicativo de una mala calidad debido
a contaminación fecal.
De acuerdo con los objetivos de calidad del agua
para la cuenca del río Bogotá a lograr en el año
2020 (CAR, 2006), la Reserva Forestal Regional
Productora del Norte de Bogotá D.C., “Thomas
Van der Hammen” (RFRP) se encuentra en el
área de influencia del tramo dos de la cuenca y
sus parámetros de calidad corresponden a la
Clase IV de usos del agua que hace referencia a
valores de los usos agrícola con restricciones y
pecuario. Esto significa que para el 2020 se busca
alcanzar los siguientes niveles máximos: DBO5
50 mg O2/l; Coliformes Totales, 20000 NMP/100
ml, nitritos, 10 mg/l; SST, 40 mg/l; hierro, 5 mg/l;
manganeso, 0,2 mg/l; pH, 4,5 – 9,0. Por inconve-
nientes presupuestales en este estudio no se pudo
medir DBO5 ni DQO, pero según los demás pa-
rámetros medidos, en la actualidad los valores de
coliformes, SST, hierro y manganeso estarían por
encima de los valores máximos recomendados en
la mayoría de los drenajes muestreados.
23
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Tab
la 3
. M
atri
z d
e co
rrel
acio
nes
en
tre
par
ámet
ros
par
a la
ép
oca
llu
vio
sa
pH
OD
OD
%C
on
d.
Tu
rb.
N-N
O3
N-N
O2
N-N
H4
Alc
. C
aCO
3
Du
r.
CaC
O3
Ca2
+M
g2+
SST
C
l-SO
42
-P
O4
Hie
-rr
o
To
tal
Mn
2+
Co
lif
pH
1
OD
0,1
52
1
OD
%0
,14
41
,00
01
Co
nd
.-0
,28
4*
-0,2
52
-0,2
53
1
Tu
rb.
0,1
94
-0,1
63
-0,1
66
0,2
71
*1
N-N
O3
0,3
34
*0
,49
9**
0,4
95
**0
,01
6*
-0,0
18
1
N-N
O2
-0,1
53
-0,2
42
-0,2
46
0,3
23
0,1
85
-0,0
47
1
N-N
H4
-0,1
65
-0,4
96
**-0
,49
4**
0,2
45
0,3
57
**-0
,41
0**
0,0
32
1
Alc
. (C
aCO
3)
0,0
91
-0,6
12
**-0
,61
4**
0,2
97
*0
,18
9-0
,19
00
,13
90
,26
41
Du
r. (
CaC
O3)
-0,2
28
-0,4
84
**-0
,48
6**
0,6
87
**0
,34
5*
-0,1
43
0,2
98
*0
,17
30
,48
2**
1
Ca2
+-0
,06
7-0
,58
7**
-0,5
90
**0
,65
9**
0,2
83
*-0
,14
70
,29
3*
0,2
69
0,7
32
**0
,80
3**
1
Mg2
+-0
,29
4*
-0,0
45
-0,0
43
0,2
88
*0
,20
8-0
,05
00
,11
5-0
,05
9-0
,15
40
,62
3**
0,0
34
1
SST
0
,07
90
,05
80
,05
60
,05
90
,36
7**
-0,0
39
0,0
67
0,0
36
-0,1
11
0,1
16
-0,0
30
0,2
35
1
Cl-
-0,0
43
-0,0
02
-0,0
04
0,4
35
**0
,09
80
,27
8*
0,1
15
-0,0
67
0,1
08
0,3
68
**0
,29
8*
0,2
29
-0,0
34
1
SO
42
--0
,51
7**
-0,1
06
-0,1
00
0,3
64
**0
,01
0-0
,24
9-0
,01
50
,23
3-0
,08
10
,36
5**
0,2
18
0,3
30
*-0
,03
00
,16
71
PO
4-P
0,1
68
-0,2
12
-0,2
13
0,1
54
0,0
35
-0,0
28
0,1
94
-0,2
02
0,2
92
*0
,22
10
,29
5*
-0,0
15
-0,0
01
0,0
54
-0,1
14
1
Hie
rro
To
tal
-0,3
21
*-0
,09
8-0
,09
60
,17
10
,30
8*
-0,2
86
*0
,15
90
,28
9*
-0,1
33
0,2
63
0,0
73
0,3
45
0,3
14
*0
,02
10
,35
2**
-0,1
62
1
Mn
2+
0,0
56
-0,2
49
-0,2
47
-0,0
68
0,0
23
-0,1
98
0,0
79
0,1
05
0,2
87
*-0
,05
00
,15
2-0
,28
0*
-0,0
91
-0,1
20
0,0
35
0,1
59
-0,0
61
1
Co
lif.
0,0
63
-0,1
83
-0,1
85
-0,1
76
-0,1
06
-0,1
75
0,3
63
0,2
08
0,5
75
-0,3
27
-0,0
62
-0,4
08
-0,2
22
-0,2
06
-0,2
79
-0,2
41
-0,2
33
0,1
16
1
** L
os
valo
res
son
sig
nifi
cati
vos
a P
< 0
.01
* L
os
valo
res
son
sig
nifi
cati
vos
a P
< 0
.05
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
24
Análisis factorial y correlación entre paráme-
tros fisicoquímicos
Las tablas 3 y 4 presentan las matrices de corre-
lación de los parámetros fisicoquímicos medidos
en época de lluvias y en época seca. Estos coefi-
cientes de correlación deben interpretarse con
precaución ya que corresponden a los 8 sitios de
muestreo.
En ambas épocas, la mayoría de correlaciones
entre variables son muy débiles. La mejor
correlación positiva se obtuvo entre los valores de
conductividad y dureza (r= 0.687), lo cual es ló-
gico ya que la conductividad está relacionada con
la cantidad de iones disueltos (Roldán y Pérez,
2008). Entre las relaciones negativas destaca la re-
lación entre la alcalinidad con la concentración y
porcentaje de saturación de oxígeno disuelto (r=
-0.612 y -0.614), en época lluviosa. Así mismo, la
alcalinidad y la dureza tuvieron correlaciones po-
sitivas relativamente altas con el ión calcio, pues
precisamente alcalinidad y dureza son paráme-
tros que miden fundamentalmente la presencia
de este ión.
Como se observa en la Tabla 4, en la época seca
las correlaciones fueron también muy débiles,
destacándose las mayores correlaciones positivas
entre la alcalinidad y el pH (r= 0.690); alcalini-
dad y fosfatos (r= 0.624) y alcalinidad y calcio (r=
0.558), lo cual es lógico ya que de acuerdo con
Roldán y Pérez (2008), los carbonatos son en últi-
ma instancia los que responden por la alcalinidad
y capacidad buffer del agua.
Se realizó un análisis de componentes principa-
les en cada época climatológica, con el objetivo
de determinar un número reducido de factores
que puedan representar a las variables originales
mediante la selección de componentes que expli-
quen la mayor cantidad de varianza observada,
reduciendo así el número de atributos sin perder
información.
Tabla 4. Matriz de correlaciones entre parámetros para la época seca
pH T ºC OD OD % Cond. Turb. N-NO3
N-NO2
Alc. (CaCO
3)
Dur. (CaCO
3)
Ca2+ SST SO42- PO4-PHierro Total
pH 1
T ºC 0,269 1
OD -0,062 0,172 1
OD % -0,020 0,326* 0,780** 1
Cond. 0,307* -0,226 -0,182 -0,369** 1
Turb. 0,025 0,136 -0,321* -0,291* 0,098 1
N-NO3 0,293* -0,172 0,298* 0,069 0,320* -0,130 1
N-NO2 0,110 0,001 -0,258 -0,226 0,296* 0,220 0,167 1
Alc.(CaCO
3)
0,690** 0,220 -0,356* -0,334* 0,383** 0,212 0,002 0,298* 1
Dur. (CaCO
3)
0,235 0,026 -0,160 -0,249 0,204 0,447** -0,146 0,068 0,228 1
Ca2+ 0,495** 0,419** -0,091 -0,180 0,468** 0,095 0,255 0,146 0,558** 0,047 1
SST 0,113 0,099 0,023 -0,007 0,112 0,248 -0,052 0,126 0,223 0,166 0,225 1
SO4
2- -0,295* 0,038 -0,168 -0,134 0,285* 0,139 -0,212 0,240 0,027 0,026 0,291* 0,154 1
PO4-P 0,341* -0,055 -0,290* -0,365* 0,245 0,404** -0,021 0,056 0,624** 0,361* 0,238 0,221 0,014 1
Hierro Total
-0,116 -0,139 -0,268 -0,297* 0,251 0,181 -0,050 0,500** 0,103 0,037 -0,119 -0,022 0,183 -0,042 1
** Los valores son significativos a P < 0.01
* Los valores son significativos a P < 0.05
25
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Para comprobar la adecuación de los datos se
realizó una prueba de adecuación muestral de
Kaiser-Meyer-Olkin (KMO) y una prueba de es-
fericidad de Bartlett (Tabla 5).
Tabla 5. Pruebas de adecuación muestral y de es-
fericidad
Época Lluviosa Época Seca
Medida de adecuación
muestral de Kaiser-Me-
yer-Olkin (KMO)
0,589 0,582
Prueba de esfericidad de
Bartlett
Chi-cuadrado aproximado
Gl.
Sig.
A,,�D6D,��
E����,
BB��A�,,��
E����,
La medida de adecuación de KMO, que nos in-
dica la proporción de la varianza que tienen en
común las variables analizadas, está en el límite
deseable, poniendo de manifiesto que, muy pro-
bablemente, el proceso de reducción de datos no
sea muy grande. El test de esfericidad de Bartlett,
sin embargo, rechaza la hipótesis de diagonalidad
de la matriz de correlación indicando que sí exis-
ten relaciones significativas entre las variables.
En la Tabla 6 se presentan los autovalores de los
factores extraídos y el porcentaje de la varianza
total explicada para cada factor. Estos factores
son una representación de los 16 parámetros de
calidad de agua, usados en el análisis. A partir de
los autovalores mayores a 1, en época lluviosa se
seleccionaron los primeros 4 factores los cuales
explican el 71,66% del total de la varianza de la
muestra y para el caso de la época seca se selec-
cionaron 6 que corresponde al 75,8 del total de la
varianza.
Para facilitar la interpretación del análisis facto-
rial, los componentes fueron rotados y de esta
forma se mejoró la correlación entre los mismos
(Tabla 7).
Tabla 6. Autovalores para cada factor extraído en el análisis factorial y porcentaje de las varianzas ex-
plicadas por cada factor para la época lluviosa y la época seca
ComponenteEpoca Lluviosa Epoca Seca
Autovalores % de la varianza % acumulado Autovalores % de la varianza % acumulado
1 5,224 32,651 32,651 3,896 24,350 24,350
2 2,530 15,812 48,463 2,404 15,022 39,372
3 2,236 13,978 62,441 1,722 10,759 50,132
4 1,476 9,224 71,665 1,572 9,827 59,959
5 0,924 5,778 77,443 1,436 8,973 68,932
6 0,905 5,656 83,099 1,101 6,882 75,814
7 0,659 4,118 87,217 0,845 5,279 81,093
8 0,550 3,438 90,655 0,701 4,383 85,476
9 0,396 2,478 93,132 0,584 3,649 89,125
10 0,367 2,296 95,428 0,505 3,159 92,284
11 0,245 1,531 96,959 0,342 2,137 94,420
12 0,220 1,375 98,334 0,296 1,847 96,267
13 0,126 0,788 99,122 0,224 1,398 97,665
14 0,084 0,525 99,648 0,157 0,982 98,647
15 0,056 0,352 100,000 0,115 0,717 99,364
16 0,000 0,000 100,000 0,102 0,636 100,000
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
26
En la época lluviosa, el componente uno expli-
có el mayor porcentaje de la varianza (32,6%).
Este factor tuvo una importancia positiva alta
para Ca+2 (0,85), conductividad (0,797) y dureza
(0,73), mientras que la mayor importancia nega-
tiva estuvo relacionada con el oxígeno disuelto
(-0,84) asociado a bajas concentraciones, indi-
cando contaminación por materia orgánica y mi-
neralización. El componente dos que explica un
15,8% de la varianza, está representado con una
importancia positiva por sólidos suspendidos to-
tales (0,659) y turbidez (0,618).
En época seca, el componente uno explicó el
24,35% de la varianza con una importancia posi-
tiva para pH (0,853), alcalinidad (0,809) y calcio
(0,777), que al igual que en el caso anterior son
indicativos de contaminación por mineraliza-
ción. En el componente dos (15,02% de la varian-
za) se destaca el oxígeno disuelto (0,847) y en el
tres (10,76% de la varianza), la turbidez (0,802) y
la dureza (0,76).
Tabla 7. Componentes principales rotados.
ParámetrosEpoca Lluviosa Epoca Seca
1 2 3 4 1 2 3 4 5 6
pH -0,197 0,246 0,701 -0,436 0,853 0,009 0,120 -0,047 -0,270 0,151
T ºC 0,081 -0,560 -0,401 0,113 0,537 0,391 0,008 0,063 0,132 -0,642
Oxígeno Disuelto (mg/l) -0,845 0,349 -0,034 0,309 -0,081 0,847 -0,158 -0,256 0,017 0,116
Sat. Oxígeno disuelto (%) -0,846 0,336 -0,047 0,313 -0,044 0,795 -0,242 -0,219 0,002 -0,216
Conductividad (us/cm) 0,797 0,341 -0,089 0,377 0,319 -0,198 0,121 0,241 0,301 0,674
Turbidez (NTU) 0,258 0,618 0,000 -0,396 0,021 -0,051 0,802 0,285 0,068 -0,143
Nitratos (mg NO3/l) -0,413 0,411 0,473 0,459 0,240 0,347 -0,151 0,090 -0,166 0,745
Nitritos (mg NO2/l) 0,350 0,528 -0,067 0,124 0,187 -0,065 0,061 0,806 0,136 0,121
Alcalinidad (mg CaCO3/l) 0,597 -0,078 0,498 -0,016 0,809 -0,356 0,237 0,108 0,013 0,017
Dureza (mg CaCO3/l) 0,730 0,422 0,026 0,303 0,076 -0,099 0,763 -0,012 -0,027 0,024
Calcio (mg Ca/l) 0,856 0,173 0,286 0,231 0,777 0,005 -0,008 0,016 0,416 0,149
SST (mg/l) 0,056 0,659 -0,334 -0,367 0,153 0,143 0,445 -0,087 0,501 0,033
Sulfatos (mg SO4/l) 0,536 -0,119 -0,522 0,361 -0,086 -0,170 -0,020 0,206 0,863 -0,035
Fosfatos (mg PO4/l) 0,396 -0,013 0,398 0,096 0,380 -0,390 0,572 -0,184 -0,013 0,135
Hierro Toral (mg Fe/l) 0,087 0,506 -0,686 -0,252 -0,140 -0,190 0,038 0,827 0,002 0,045
4. Conclusiones
En el área de la Reserva Forestal Regional Pro-
ductora del Norte de Bogotá, Thomas Van der
Hammen se midió la calidad del agua a nivel
global a partir de diferentes drenajes superficia-
les, en dos épocas climatológicas. Los resultados
muestran que la calidad del agua no alcanza los
objetivos marcados para la cuenca del río Bogotá
para usos agrícola y pecuario, los valores de coli-
formes, SST, hierro y manganeso están por enci-
ma de los valores máximos recomendados en la
mayoría de los drenajes muestreados.
En términos de contaminación por mineraliza-
ción y sólidos suspendidos la época más crítica es
la época seca, por el contrario en época lluviosa
aumentan los nutrientes y disminuye el oxígeno
disuelto haciendo más crítica la contaminación
por materia orgánica.
Es necesario que se identifiquen los vertidos so-
bre los diferentes drenajes que no corresponden a
27
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
agua lluvia que abundan en la zona dadas las pre-
siones de urbanización y actividades agropecua-
rias, esto con el fin de tomar las medidas correc-
tivas necesarias para que se puedan alcanzar los
objetivos de calidad propuestos para la reserva.
5. Referencias Bibliográficas
1. Acueducto de Bogotá. (2003). Boletín Proteja su
Cuenca. Bogotá D.C.
2. Alcaldía de Bogotá. (2008). Calidad del Sistema
Hídrico de Bogotá. Bogotá: Editorial Universidad
Javeriana.
3. APHA-AWWA-WPCF. (2005). Standard Methods
for the Examination of Water and Wastewater. 21st
ed. American Public Health Association, Washing-
ton D.C.
4. Cabrera, L. M. (2007). Diseño del Corredor Ecoló-
gico de Borde Norte de Bogotá. Estudio del Sistema
Hídrico. Informe Final de Investigación, U.D.C.A.
Bogotá.
5. CAR. (2006). Acuerdo 43. Por elCcual se Estable-
cen Objetivos de Calidad de Agua para la Cuenca
del Río Bogotá para Alcanzar en 2020. Bogotá.
6. CAR. (2011). Acuerdo 11. Por Medio del Cual se
Declara la Reserva Forestal Regional Productora
del Norte de Bogotá D.C., “Thomas Van der Ham-
men”, Se Adoptan unas Determinantes Ambienta-
les para su Manejo y se Dictan otras Disposiciones.
Bogotá.
7. CAR. (2006). Propuesta de Metodología para la
Determinación de los Objetivos de Calidad de la
Cuenca del Río Bogotá. Bogotá.
8. Cardona, C., & Hilera, R. (2002). Propuesta de Es-
tudio Detallado a Nivel Diagnóstico del Humedal
de Guaymaral. U.D.C.A. Documento inédito. Bo-
gotá D.C.
9. Departamento Administrativo del Medio Ambien-
te DAMA (2005). Historia de Cinco Humedales de
Bogotá. Recuperado el 2 de septiembre de 2005
10. Departamento Administrativo de Planeación Dis-
trital. (2004). Recorriendo Suba. Diagnóstico Físi-
co y Socioeconómico de las Localidades. Bogotá.
11. Espigares García M. y Fernández-Crehuet M. 1999.
Calidad del Agua para Consumo Público:Caracteres
Físico-Químicos. En Estudiosanitario del agua. Pé-
rez López. J. A. y Espigares García M. (eds). Edito-
rialUniversidad de Granada, Granada, pp. 85-114.
12. Garcia, R. 1986. Estudio Básico de Sistemas Com-
plejos. En E. Leff, Los Problemas de Conocimiento
y la Perspectiva Ambiental del Desarrollo (págs.
59-60). Mexico: Siglo XXI Editores.
13. Harrison, R. (2001). Pollution Causes, Effects and
Control. London: Royal Society of Chemistry.
14. Ideam. (2004). Guia para el Monitoreo de Verti-
mientos, Aguas Superificiales y Subterráneas. Bo-
gotá.
15. Roldán, G.; Ramírez, J. 2008. Fundamentos de Lim-
nología Neotropical. 2ª Edición. Editorial Universi-
dad de Antioquia, Universidad Católica de Oriente,
Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas
y Naturales. Medellín.
16. Secretaria Distrital De Ambiente. 2008. Calidad del
Sistema Hídrico de Bogotá. Bogotá: Pontificia Uni-
versidad Javeriana, SDA, EAAB, 1a Edición.
17. Van Der Hammnen, T. 2003. Propuesta y Reco-
mendaciones para el Manejo de la Zona Norte de
la Capital. En G. Ardila, Territorio y Sociedad. El
Caso del Plan de Ordenamiento Territorial de la
Ciudad de Bogotá (págs. 193 - 206). Bogotá: MA-
VDT - UN.
18. Villegas, F.A. (1995). Evaluación y Control de la
Contaminación. EUN Editorial Universidad Na-
cional. 146p. Bogotá.
29
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Determinación de la huella de carbono en el cultivo del arroz Oryza sativa en el distrito de riego el Juncal, Huila, Colombia
Determination of carbon footprint of rice Oryza sativa on the irrigation district Juncal, Huila, Colombia
Hanny Vanessa González Meneses1, Victoria Eugenia Méndez Velásquez2,Jaime Izquierdo Bautista3
Resumen
La huella de carbono mide la emisiones de los gases del efecto invernadero (GEI) expresadas en kilogramo de dióxido de carbono equivalente (kg CO
2-eq) producidas por muchas actividades hu-
manas entre ellos las del sector agrícola por medio de la producción, uso de maquinaria, prácticas de riego y protección de cultivos a través de químicos como herbicidas, insecticidas, plaguicidas y fertilizantes.
Este estudio consistió realizar la evaluación de la huella de carbono en el cultivo del arroz en 10 pre-dios del distrito de riego El Juncal incluyendo la granja experimental de la Universidad Surcolom-biana, considerando solo las emisiones producidas hasta la cosecha, con los objetivos de analizar las prácticas agrícolas que se utilizan en cada predio para la producción de 1 ha de arroz, determinar las emisiones de carbono, y proponer un programa que permita la reducción de la huella de carbo-no en la producción de arroz.
El proceso se llevó a cabo teniendo en cuenta los factores de conversión del IPCC (Panel Inter-gubernamental del Cambio Climático) y aspectos del Protocolo de Gases de Efecto Invernadero (World Business Council for Sustainable Development and World Resource Institute); La etapa inicial consistió en la recopilación de datos de las actividades emisoras de dióxido de carbono (CO
2)
por medio de encuestas efectuadas a agricultores voluntarios e identificación de alcances, que se clasificaron según las fuentes de emisión en alcance 1 y 2 ; posteriormente, se realizó el cálculo de la Huella de Carbono obteniendo 1.091,57 kg CO
2-eq/ha para actividades con consumo de com-
bustible, 55,109 kg CO2-
eq /ha para aplicación de pesticidas, 3.244,78kg CO2-
eq/ha por aplicación de fertilizantes y 599, 66kg CO
2-eq/ha en uso eléctrico; siendo el alcance 1 el mayor emisor con el
87,99% de las emisiones totales.
Palabras Claves: Arroz; Factores de Emisión; Gases de Efecto Invernadero; emisiones de carbono.
Abstract
The carbon footprint measures the emission of greenhouse gases (GHG ) expressed in kilograms of carbon dioxide equivalent (kg CO
2-eq) produced by many human activities including the agri-
1 Ingeniera Agrícola. Universidad Surcolombiana- Neiva. Av. Pastrana – Carrera 1. [email protected]
2 Ingeniera Agrícola. Universidad Surcolombiana- Neiva. Av. Pastrana – Carrera 1. [email protected]
3 Docente de Ingeniería Agrícola. Universidad Surcolombiana- Neiva. Av. Pastrana – Carrera 1. [email protected]
Recibido 15 de abril de 2014 Aprobado 25 de mayo de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 29-43
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
30
1. Introducción
En el diario vivir las actividades del hombre
asociadas a su bienestar se relacionan en adqui-
rir productos y servicios los cuales ayudan en la
actividad cotidiana simplificándola, es por ello
que en esta adquisición, origen, almacenamiento,
transferencia y uso se producen impactos sobre el
clima ocasionando GEI. Estos gases se emiten de
forma directa o indirecta es por ello que la HdC
surgido como una medida de la cuantificación
del efecto de estos GEI. (Valderrama, et al., 2011);
La HdC es la suma total de todas las emisiones
directas e indirectas de GEI asociadas a las activi-
dades humanas y expresadas en CO2 (REED. K.,
et al., 2007).
Debido al interés de mitigar los cambios climáti-
cos ha surgido la necesidad de crear organizacio-
nes capaces de calcular la HdC implementando
metodologías que revelen los impactos produ-
cidos de las emisiones de GEI con el fin de re-
ducirlas en pro del medio ambiente o de dar in-
formación de ámbito ambiental, sin embargo en
Colombia, muchas empresas aún no consideran
en su plan de manejo la medición de la Huella
de Carbono (HdC) como herramienta para de-
mostrar su compromiso ambiental, viéndose
principalmente abordada a través de iniciativas
voluntarias.
Una metodología existente en la cuantificación
de la HdC es la herramienta de protocolo GEI,
asociación entre el Instituto de Recursos Mun-
diales (WRI), el Consejo Empresarial Mundial
para el Desarrollo Sostenible (WBCSD) y la
Norma ISO 14064, que trabajan con gobiernos,
empresas y ecologistas a nivel mundial cuantifi-
cando las emisiones de GEI, por tal razón cuenta
con una alta gama de datos de GEI proporcio-
nada por empresas y normas relacionadas con
el tema. Esta herramienta es consistente con las
que ha propuesto el IPCC para la recopilación de
emisiones, (GHG Protocol 2001). Por otro lado
se encuentra la metodología propuesta por el
Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el
Cambio Climático (IPCC), ofrece una metodolo-
gía internacional para que los países lo empleen y
por ende poder formar un inventario e informes
sobre las emisiones producidas. La metodología
propuesta es un método denominado factores de
emisión (FE).
cultural sector through the production, use of machinery , irrigation practices and crop protection through chemical such as herbicides, insecticides, pesticides and fertilizers.
This study consisted in evaluating the carbon footprint in the rice farms in 10 pieces of land at the irrigation district El Juncal including the experimental farm of the University Surcolombiana, con-sidering only emissions until harvest, with the objective of analyze the agricultural practices used on each farm for the production of 1 ha of rice, to determine carbon emissions, and to propose parameters that will be the basis for the creation of programs to reduce the carbon footprint in the production of rice.
The process is carried out taking into account the conversion factors from the IPCC (Intergovern-mental Panel on Climate Change) and aspects of the Protocol Greenhouse Gases (World Business Council for Sustainable Development and World Resource Institute); the initial stage consisted of data collection activities that produce carbon dioxide (CO
2) through surveys applied to voluntary
farmers and identification of outcomes, which were classified according to emission sources in sco-pe 1 and 2; then calculate the carbon footprint, obtaining 1.091,57 kg CO
2-eq/ha for fuel activity ,
55,10 kg CO2 -eq / ha for pesticide application, 3244,78 kg CO2-
eq / ha per application of fertilizers and 607,26 kg CO
2-eq/ha in electrical use; been the scope 1 the largest emitter with 87,85 % of the
total emissions.
Key words: Rice; Emission Factors; Greenhouse Gases; emissions of carbon.
31
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Dentro de las actividades económicas del depar-
tamento del Huila se encuentra la producción del
arroz con reconocimiento nacional, es por ello que
se debe tener una actitud responsable para lograr
mitigar y reducir las acciones involucradas a la
emisión de GEI; aunque a la fecha no existe una
ley formal que exija dicha reducción de emisiones,
existe un consenso global que se enfoca en la ne-
cesidad de mejorar hábitos con el fin de poner en
acción la mejora ambiental. En ASOJUNCAL se
cuenta con usuarios productores de arroz que por
sus actividades agrarias poseen una dinámica de
emisiones de GEI, sin embargo, no se conoce la
magnitud de sus emisiones; por ello el fin de esta
investigación es determinar cada una de las acti-
vidades contaminantes y la cantidad de kg CO2-
eq
por hectárea según la actividad y alcance.
El presente proyecto se inició con una consulta
literaria por medio del artículo Carbon emission
from farm operations de R. Lal (2004) del cual
surgió la idea de calcular la HdC en predios sem-
brados con arroz. Con la información adquirida
se decidió realizar los cálculos tomando como
referencia los aspectos del Protocolo de Gases
de Efecto Invernadero 2001, las directrices de la
IPCC 2006, y valores obtenidos de estudios y/o
publicaciones. El primero es una quía que mues-
tra un esquema para la medición y reporte de las
emisiones y por ende la generación de un progra-
ma de mitigación, en general el protocolo GHG
ayuda a realizar un inventario de los GEI identifi-
cando limites organizacionales, es decir seleccio-
nar una quía para poder definir que componentes
de la empresa u actividad operacionales se deben
incluir en la contabilidad y reporte de GEI, es de-
cir limitar las aéreas involucradas para recolectar
la información y cálculos (), y operacionales iden-
tificando las fuentes de emisión y sus alcances los
cuales son alcances 1 emisiones directas contro-
ladas por la empresa u organización (gas natural,
diesel, gasolina, fertilización de suelos. Etc.)(Ca-
llae. Benavidez.Carmen. Carolina., et al., 2001),
Alcance 2, emisiones indirectas asociadas a elec-
tricidad adquirida y alcance 3 emisiones indirec-
tas consecuencia de las actividades de la empresa,
pero ocurren en fuentes que no son propiedad ni
están controladas por la empresa las cuales no se
tuvieron presentes en este proyecto, a estas emi-
siones ya categorizadas por medio de alcances se
les hace un seguimiento a través del tiempo para
posteriormente realizar la cuantificación.
Por su parte la metodología de las directrices de
la IPPC 2006 consiste en combinar la informa-
ción sobre el alcance hasta el cual tiene lugar una
actividad humana contaminante (AC) con los
coeficientes que cuantifican las emisiones o ab-
sorciones por actividad unitaria, los cuales son
denominados factores de emisión (FE), (IPCC,
2006). Por consiguiente, la ecuación básica es:
EMISIONES = AC * FE
El siguiente paso fue la recopilación de datos por
medio de una encuesta dirigida a agricultores
arroceros voluntarios del distrito de riego ASO-
JUNCAL, incluyendo la granja experimental de
la Universidad Surcolombiana, permitiendo ana-
lizar las prácticas agrícolas que se utilizan en cada
predio para la producción de arroz, se obtuvie-
ron valores como quema de combustibles fósiles
(móviles y estacionarios), consumo de electri-
cidad, consumo de agroquímicos (fertilizantes
nitrogenados, urea, pesticidas), incluyendo en
el proyecto las emisiones del dióxido de carbo-
no (CO2), metano (CH
4), óxido nitroso (N
2O), y
compuestos orgánicos volátiles (VOCs).
El dióxido de carbono (CO2) es un gas que se
produce naturalmente, como subproducto de la
combustión de combustibles fósiles y biomasa;
su importancia en el calentamiento global está
en que es el principal GEI que afecta al equili-
brio de radiación del planeta, además por ser el
gas de referencia que mide otros gases de efecto
invernadero, por este motivo es que se utiliza el
concepto de kilogramos de CO2 equivalente (Kg
CO2-
eq) como unidad de medida común de las
emisiones, pues es la medida que indica el po-
tencial de calentamiento global (PCG), siendo el
PCG el factor que describe el impacto de la fuer-
za de radiación de una unidad de un determina-
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
32
do GEI en relación a una unidad de CO2
(Brito.
Contreras. Olivia. Alejandra., 2011); las princi-
pales emisiones producidas por el CH4 provienes
de fuentes relacionadas con la descomposición
orgánica en los diferentes sistemas biológicos. El
óxido nitroso, cuyas fuentes son de carácter na-
tural y antropogénico, contribuye con cerca del
6% del forzamiento del efecto invernadero. Sus
fuentes incluyen los océanos, la quema de com-
bustibles fósiles y biomasa y la agricultura; den-
tro de las emisiones generadas por la agricultura
se encuentran las directas de óxido nitroso del
suelo debido a la producción animal (pastoreo)
y las indirectas generadas por el uso de fertili-
zantes (Oswaldo., et al., 2007). Los compuestos
orgánicos volátiles (VOC´s), cuando se liberan a
la atmósfera contribuyen a la formación de ozo-
no y del esmog. (ESCOBAR, 2009), estos com-
ponentes normalmente derivan de depósitos de
petróleo y gasolina, procesos industriales y com-
bustión de fuel, uso de pinturas y detergentes, o
actividades de agricultura (pesticidas).
Durante el tiempo de realización del proyecto se
presentaron ciertas limitaciones entre ellas el ma-
nejo directo con agricultores en el momento de
ejecutar las encuestas, pues estas contenían pre-
guntas no dominadas por los agricultores a pesar
de la experiencia adquirida en el campo, también
fue necesario realizar además de las visitas, lla-
madas, convirtiéndose éstas en un medio esen-
cial para la recopilación de datos. Finalmente se
logró obtener la información necesaria para por
medio del cálculo determinar la huella de carbo-
no evaluar las contribuciones de los gases de efec-
to invernadero producido a causa de las fuentes
de emisión y dar el paso inicial en la necesidad de
fomentar la creación de programas que permitan
la reducción de la huella de carbono en la pro-
ducción de arroz en el Distrito de Riego El Juncal.
2. Materiales y métodos
La metodología empleada para la realización del
presente proyecto, consistió de 5 pasos generales:
Selección de metodología existente
� Artículo Carbon emission from farm operation de R. Lal.
� Protocolo de Gases de Efecto Invernadero (2001). (Ver tabla 1).
� Factores de conversión del IPCC (2006): Nivel 1 para quema de combustibles,
estimación de emisiones de N2O en suelos gestionados y emisiones de CO
2
derivados de la aplicación de urea). (Ver tabla 1).
� Metodología propuesta por Agencia de Protección Ambiental de los Estados
Unidos (EPA) para las emisiones por aplicación de pesticidas). (Ver tabla 1).
� FE propuesto por el Sistema Eléctrico Interconectado Colombiano, y la Unidad
de Planeación Minero Energética (UPME) para emisiones generadas por uso
eléctrico). (Ver tabla 1).
Alcances de medición� Definir los límites del sistema a evaluar
� Delimitación de la recolección de datos teniendo en cuenta las actividades emi-
soras de GEI.
Recolección de datos� Elaboración de encuestas para la recolección de datos
� Visitar y llamar a los agricultores voluntarios para recopilar los datos.
Cálculo� Cálculo para las emisiones producidas por uso de combustibles
� Cálculo por emisiones generadas por aplicación de pesticidas y fertilizantes
� Cálculo de las emisiones generadas por electricidad adquirida
Medidas de mejora � Una vez realizado los cálculos es fundamental analizarlos para poder reco-
mendar y dar una explicación de las causas de los resultados obtenidos.
Figura 1. Metodología.
33
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Tab
la 1
. Met
od
olo
gías
Uti
liza
das
par
a el
Cál
culo
de
Em
isio
nes
Act
ivid
ad
Met
od
o-
log
ía e
m-
ple
ada
NIV
EL
Co
men
tari
oE
cuac
ión
Em
isio
nes
po
r C
on
-
sum
o d
e
com
bu
stib
le
(A.C
.PM
y
Gas
oli
na)
.
Act
ivid
ad ×
Fac
tor
de
Em
isió
n
Niv
el 1
Her
ram
ien
ta
de
cálc
ulo
b
asad
a
en l
a m
eto
do
lo-
gías
d
e cá
lcu
lo
de
Niv
el 1
par
a
la e
stim
ació
n d
e
emis
ion
es
po
r
Co
mb
ust
ión
es
-
taci
on
aria
y m
ó-
vil
de
la I
PC
C
?�/
���,
�F��
���
� ��F
�G�H3
����
���
��.�*
�!I .]
Em
isio
nes
de
VO
Cs
po
r ap
li-
caci
ón
de
pes
tici
das
.
Act
ivid
ad ×
Fac
tor
de
Em
isió
n
Niv
el 1
Mo
del
o p
ro-
pu
esto
po
r la
Age
nci
a d
e
Pro
tecc
ión
Am
-
bie
nta
l d
e lo
s
Est
ado
s U
nid
os
(EPA
), i
nco
rpo
-
ran
do
lo
s in
gre-
die
nte
s ac
tivo
s
e in
erte
s d
e lo
s
pes
tici
das
,
MI
= [
(Cp
XiA
) –
CP
].
EV
OC
2(in
erte
) 30 d
ías =
% p
rom
voc
s *
M1
EV
OC
2 (p
esti
cid
a) 30
día
s = (
FE
* (
Cp
XiA
)) +
EV
OC
2 (in
erte
) 30 d
ías
Em
isio
nes
Dir
ecta
sE
mis
ion
es I
nd
irec
tas
Em
isio
nes
po
r A
pli
caci
ón
de
Ure
a
Em
isió
n
de
N2O
po
r u
so y
apli
caci
ón
de
Fer
tili
-
zan
tes.
Act
ivid
ad ×
Fac
tor
de
Em
isió
n
Niv
el 1
Her
ram
ien
ta d
e
cálc
ulo
bas
ada
en l
a m
eto
do
lo-
gías
de
cálc
ulo
de
Niv
el 1
par
a
la e
stim
ació
n
de
emis
ion
es d
e
N2O
en
su
elo
s
gest
ion
ado
s d
el
IPC
C.
N20D
irec
tas
– N
= N
20 -
Nap
orte
s
N20
– N
apor
tes
N =
[(F
SNX
EF
2) +
(FSN
XE
F2E
R)]
?��
�1+7
��F�?
�J�1
+7��K
�?��
�66C
��
N20(
AT
D)
– N
= [
(FSN
XF
rac ca
sf)X
EF
2)
N20(
AT
D)
= N
2
N20(
L)-
N =
[(F
SN)X
Fra
c Lix
ivia
dos
- (
M)X
EF
2
N20(
L)
= N
2
CO
2 – C
Em
isió
n =
MX
EF
CO
��F�3
J��K
�3!�
���
��6
6C,�
Co
nsu
mo
de
ener
gía
Elé
ctri
ca.
Act
ivid
ad ×
Fac
tor
de
Em
isió
n
Niv
el 1
Fac
tor
de
emi-
sió
n d
el S
iste
ma
Nac
ion
al I
n-
terc
on
ecta
do
,
28
49
kg
CO
2 e
q/
KW
h.
emis
ión
= ∑
[Con
sum
oEN
ER
GE
TIC
OX
FE
]
Em
isio
nes
to
tale
s em
isió
nto
tal =
em
isió
nco
mbu
stib
les +
em
isió
np
esti
cid
as +
em
isió
nfe
rtil
izan
tes +
em
isió
nel
ectr
icid
ad
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
34
selección de metodología existente, alcances de
medición, recolección de datos, cálculos y me-
didas de mejora, los cuales se resumen por me-
dio de la figura 1 y se especifican después en la
tabla 1.
3. Resultados y Discusión
3.1 Cuantificación de las emisiones
3.1.2 Identificación de las fuentes de emisión
de GEI
En la tabla 3 se muestra las actividades del culti-
vo del arroz en el distrito de riego El Juncal, Pa-
lermo, Huila, Colombia, identificadas durante el
trabajo de campo como fuentes de emisiones con
su correspondiente alcance. (Ver tabla 3).
3.1.2.1 Emisiones según la fuente
3.1.2.1.1 Determinación de las emisiones por
combustión móvil (transporte todo terreno) y
estacionaria
Las emisiones por consumo de combustibles se
dan por consumo de diesel en tractores para la-
bores como preparación de terreno, siembra, rie-
go y cosecha, y por uso de gasolina en el mane-
jo de motores para la aplicación de fertilizantes.
Obteniendo 327,7 Lt/ha de diesel y 5,2 lt/ha de
gasolina.
En la figura 2 se puede observar que la actividad
con mayor emisión de CO2 es la cosecha con
771,99 Kg CO2- eq/ha, seguida de la preparación
de terreno con 250,36 KgCO2 -eq/ha, por su parte
la menor emisión se dio en la aplicación de quí-
micos consumiendo 7,02 Kg CO2-eq/ha, esto de-
bido a que se utiliza poco combustible para reali-
zar aplicación de estos. Las emisiones totales por
uso de combustibles fueron de 1091,57 Kg CO2-
eq/ha representado el 21,96% de las emisiones
totales (figura 6).
3.1.2.1.2 Determinación de emisiones por aplica-
ción de pesticidas
Las emisiones producidas por los compuestos or-
gánicos volátiles que producen los herbicidas se
analiza que el producto de mayor emisión es el
Propanil, esto debido a que es el herbicida aplica-
do en mayor cantidad por hectárea, en compara-
ción con el producto Géminis de menor emisión
debido a su poca aplicación, encontrando un va-
lor total de emisión para los herbicidas de 23,76
Kg de VOCs/ha. (Ver tabla 3).
En los productos fitosanitarios aplicados para el
control de plagas y enfermedades (ver figura 3),
las emisiones producidas en mayor parte son me-
nores a 1 kg de VOCs/ha; por otro lado el pro-
ducto con mayor emisión es el Azimut con 8,29
Kg de VOCs/ha, seguido por el Aspen 500 SC
con una emisión de 2,63 Kg de VOCs/ha, obte-
niendo un valor final de emisiones de 31,41 Kg
de VOCs/ha. (tabla 3).
El cálculo de las emisiones producidas por el uso
de pesticidas es de 55,10 Kg de VOCs/ha siendo
este valor el 1,10% de las emisiones totales calcu-
ladas para la producción de arroz (figura 6).
1000,00
800,00
600,00
400,00
200,00
0,00
Activ
idad
cont
amin
ante
Emisiones de CO2 (KgCO2-e)
Preparación terreno
Siembra
Aplicación químicos
Riego
Cosecha
Figura 2. Emisiones por uso de combustibles (Kg CO2-
eq/ha)
35
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
3.1.2.1.3 Determinación de emisiones por aplica-
ción de fertilizantes
Para las emisiones procedentes por el uso de fer-
tilizantes se calcularon las emisiones de los fer-
tilizantes compuestos por nitrógeno teniendo en
cuenta emisiones directas e indirectas, pues en
los métodos existentes para la cuantificación de
la HdC no hay estudios con factores de emisión
para cada uno de los fertilizantes existentes. En la
figura se analiza que el fertilizante Abotain pre-
sentó la mayor emisión con 500,69 kg CO2-eq/h,
seguida por la Amida con 365,35 kg CO2-eq/h,
mientras que el Biocel New 250 fue el de menor
emisión, emitiendo 0,01 kg CO2-eq/h, analizando
de esta manera que entre mayor sea la cantidad
de fertilizante aplicado y mayor sea su contenido
de Nitrógeno(N) mayor será la emisión produci-
da. Las emisiones totales para el uso de fertilizan-
tes es de 3.244,78 kg C02-eq/h con un 65,27% de
las emisiones totales calculadas (figura 6).
3.1.2.1.4 Determinación de las emisiones genera-
das por el uso eléctrico
El distrito de riego cuenta con sistema de bom-
beo eléctrico compuesto por una estación prin-
cipal de 600 kwhr capas de bombear 4680 m3/hr,
y una estación secundaria de 53 kwhr que bom-
bea 1008 m3/hr, además de esto por medio de las
encuetas realizadas se pudo analizar que dos (2)
usuarios incluyendo granja experimental de la
Universidad Surcolombiana (P0168) y el señor
Iván Arias propietario del lote Nápoles Bombeo
Azimut
ASPEN® 500 SC
Vitavax
Agrodyne
Dithane
DIMETOX
Moncut
Validacin
Furandan
Kasumin
Profenofos
Roxion
Monocrotofos
Fulminator
BLOHE 25 EC
Cobrethane
CIPERMETRINA
Silvacur combi 30 EC
Insectrina
XST RATA GOLD 240 SC
RALLY® 40 WP
UNDAMECTINA
Cypermon
Antracol
TOPGUN SE
Imperio
Trifesol
Pulsor
Lorban Líquido
Goodmix
AMISTAR TOP®
Hipotensor
Curacron
BIOFED
Starner
BREST 75 WP
Taspa
Engeo
Tenol 500
AUTHORITY 250 SC
Fury
DUETT SC
Siliconado sys
Germinis * 500 gr
Exalt 60
Actara
n - lager
Marax
EVOCS (Kg/ha)
Pro
du
cto
s F
ito
san
itar
ios
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Figura 3. Emisiones de compuestos orgánicos volátiles (EVOCs) de producto
fitosanitario aplicados.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
36
Bio
cel..
.
Ro
ote
x
Hu
mu
s...
Tria
da
min
Ag
rosi
l
Fosf
ace
l
Ag
rim
in
Mic
rofe
rtil
Ag
roin
ta
MA
P
NS
K
Ure
a
So
lufo
s
Fosf
ora
do
SA
M
Da
p
Su
fta
to...
Terr
ab
iol
Ab
ote
ck
Nit
rab
or
18
- 1
8 -
18
k2S
O4
Ra
fos
NIT
RO
...
Am
ida
Ab
ota
in
Fertilizante
Emisi
ones
(kg
CO2 -e
q/ha
)
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
Figura 4. Emisiones de (Kg CO2- eq/ha) por aplicación de fertilizantes.
Figura 5. Emisiones de Kg CO2- eq/ha según el uso de electricidad utilizada en bombeo
por predio
37
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
(1A030A), cuentan con un rebombeo eléctrico
con una bomba de 9 kwhr para 72 m3/hr.
Para poder efectuar el cálculo se tuvo en cuenta que
no todos los usuarios recibían la dotación de agua
de ambos bombeos pues esto dependía de la ubica-
ción dentro del distrito. En la figura 5 se observan
las emisiones producidas por los predios estudiados
obteniendo una emisión total de 607,26 Kg CO2-eq
/ ha representando el 12,15% de las emisiones tota-
les (figura 6 y tabla 3).
Figura 6. Porcentaje de emisiones de GEI según la fuen-
te de emisión.
Tabla 3. +�������������������N!)
Alcance Fuente de emisión Total de GEI
ALCANCE 1
USO DE COMBUSTIBLES
Preparación terreno
Arado 132,73
Rastra 48,06
Rastrillo 18,62
La Caimana 8,77
Desbrozadora 37,57
Guadaña 4,62
Siembra Caballoneador 16,94
S. Mecanizada 17,40
Aplicación químicos Fertilizantes 7,06
Riego Bombeo 27,83
Cosecha Granel 771,99
TOTAL GEI POR EL USO DE COMBUSTIBLES 1.091,57
APLICACIÓN DE QUIMI-COS
PesticidasHerbicidas 23,69
Plaguicidas 31,41
TOTAL GEI POR PESTICIDAS 55,10
FertilizantesUrea 63,48
Nitrogenados 3.181,30
TOTAL GEI POR FERTILIZANTES 3.244,78
TOTAL GEI ALCANCE 1 4.391,44
ALCANCE 2
USO DEELECTRICIDAD
Riego Bombeo
430,16
599,72
317,78
809,08
2.041,10
290,34
261,99
213,80
432,94
TOTAL GEI ALCANCE 2 599,66
TOTAL GEI (Kg CO2-eq/ha) 4.991,10
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
38
3.1.2.2 Emisiones según alcances
3.1.2.2.1 Alcance 1
Las emisiones totales para el alcance 1 son de
4.391,44 Kg CO2-eq/ha con un porcentaje de emi-
sión de 87,99%, siendo este el alcance con mayor
porcentaje de emisión (ver gráfica 7 y tabla 3),
en este alcance las emisiones más representativas
fueron las producidas por los fertilizantes, com-
probando que los fertilizantes son insumos que
requieren mayor gasto energético para produ-
cirlos debido a la gran cantidad de combustibles
fósiles empleados para su fabricación, lo cual in-
dica que se deben aplicar mejoras en la aplicación
para reducir las emisiones.
Por otra parte la menor emisión obtenida se dio
en los pesticidas aplicados, esto probablemen-
te debido a la frecuencia de las aplicaciones o la
cantidad aplicada, además por el uso de trata-
mientos de agua en post-fumigación que en este
caso incluye la inundación permanente en el cul-
tivo del arroz, o las diluciones en agua realizadas
para poder aplicar los pesticidas.
taje de emisión de 12,06% siendo el alcance de
menor emisión en el presente proyecto (grafica
7 y tabla 3).
3.2 Medidas de mejora
Con la determinación de la huella de carbono se
identificaron las actividades contaminantes con
mayor emisión de GEI siendo estas la aplicación
de fertilizantes nitrogenados y uso de combusti-
bles, lo cual permitió proponer parámetros que
puedan ser bases para la creación de programas
futuros que contribuyan a evitar y/o disminuir la
generación de emisiones de los GEI a la atmos-
fera por medio de la producción del cultivo del
arroz en El Distrito De Riego El Juncal.
Las medidas de mejoras para la reducción de
emisiones hace referencia a la implementación
de actividades dentro de las acciones necesarias
para poder producir arroz, plasmándolas como
una necesidad para trabajar de la mano con el
ambiente, para lograr la reducción de emisiones
dentro del Distrito de Riego El Juncal. Lo anterior
involucra las acciones voluntarias de cada uno
de los agricultores y el mismo distrito, ejemplo
de estas es la reducción en el consumo de com-
bustibles, insumos, electricidad, mejoramiento
de prácticas operacionales, cambio de combus-
tibles, recambio de tecnologías a más eficientes,
entre otras, en si, reducir las emisiones es generar
estrategias encaminadas a optimizar las opera-
ciones y mitigar gastos operacionales. A conti-
nuación se mencionan algunas de las iniciativas
recomendadas.
3.2.1 Propuesta para la mejora del cálculo de
la huella de carbono en futuros proyectos
Es importante convencer a los agricultores de im-
plementar un sistema de registro y documenta-
ción pues es necesario para calcular la huella de
carbono considerando las fuentes de emisiones
involucradas en la actividad. Esta recomenda-
ción está fundamentada en esencial por las difi-
cultades presentes en la realización del presente
Total GEI
Alcance 2
12,15%
Total GEI
Alcance 1
87,85%
Figura 7. Emisiones totales de GEI según alcances
3.1.2.2.2 Alcance 2
Las emisiones calculadas por uso de electricidad
fueron de 599,66 Kg CO2-eq/ha con un porcen-
39
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
proyecto además la obtención de información es
fundamental para estudios futuros.
Para poder manejar el tiempo de forma más efi-
ciente se recomienda que la recopilación de datos
se haga de forma unitaria para todas las fuentes
emisoras, permitiendo de esta forma trabajar
ordenadamente y evitando tiempos muertos en
la investigación. Por tal motivo idear el cuestio-
nario es fundamental incluyendo en él todos los
datos necesarios para los cálculos requeridos en
la actividad estudiada.
Obtener información de forma anticipada, como
los factores de emisión de electricidad, combus-
tibles, e insumos empleados para el cuidado del
arroz, permite el rendimiento del proyecto, estos
son datos cambiantes a través del tiempo debido
a las actualizaciones.
Se considera la opción de gestionar en un futuro
un proyecto de la cuantificación de la HdC del
arroz no solo en el manejo productivo del cultivo
es decir hasta cosecha (cuna puerta), sino tam-
bién involucrar emisiones durante el ciclo de vida
de un producto (cuna a tumba).
3.2.2 Capacitación
Se propone que se efectúen capacitaciones a los
agricultores sobre los conceptos relacionados con
el calentamiento global y huella de carbono, in-
cluyendo en estas los siguientes temas (tabla 2).
Además es importante que en estas capacitacio-
nes se resalten las actividades agrícolas con ma-
yor emisión de CO2 y sus respectivas soluciones,
como el manejo y mantenimiento de equipos y
vehículos, el uso de productos orgánicos en el
desarrollo del cultivo o la combinación de estos
con productos sintéticos; incluir jornadas com-
plementarias en donde se practiquen talleres
simples del cálculo de la huella de carbono para
crear conciencia de los GEI que se emiten en sus
predios y así por medio de diversos cambios teó-
rico - prácticos influir en el total de las emisiones
generadas.
Igualmente, es importante adicionar el registro
de datos en la capacitación pues es trascenden-
tal disponer de datos puntuales para el cálculo
de huella de carbono; esta base de datos debe
disponer valores de consumo de combustibles o
Tabla 2. Temas recomendados para capacitaciones.
Calentamiento global Huella de carbono
- Explicar en qué consiste el calentamiento global.
- Enumerar las causas del calentamiento global
- Explicar las consecuencias del calentamiento glo-
bal.
- Describir los efectos del calentamiento global como:
altas temperaturas, olas de calor, subida del nivel del
mar, sequías, tormentas, Inundaciones y otros.
- Juzgar las consecuencias del cambio climático.
- Exponer prácticas que coadyuven a controlar los
efectos sobre el medio ambiente.
- Evaluar el alcance del cambio climático en las prác-
ticas agrícolas.
- Incentivar compromiso de lucha a través de la apli-
cación de eventos que ayuden a minimizar los efec-
tos del calentamiento global.
- Explicar qué es la huella de carbono y sus aspectos.
- Definir que son los gases de efecto invernadero.
- Ciclo de carbono.
- Huella ecológica.
- Capacitar a los asistentes en una visión general de las
metodologías de acuerdo con los protocolos existentes
sobre el cálculo de la huella de carbono.
- Mostrar los alcances y enfoques para el cálculo de la hue-
lla de carbono.
- Enseñar los principios básicos y la manera de hacer un
inventario de Gases de Efecto Invernadero (GEI).
- Capacitar por medio de prácticas a calcular la Huella de
Carbono de sus predios.
- Explicar la forma de mitigación y compensación de la
huella de carbono.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
40
distancias recorridas, insumos adquiridos y apli-
cados entre otros.
3.2.3 Consumo de combustible
El uso de combustibles se presenta para las ope-
raciones de preparación de terreno, cosecha,
aplicación de fertilizantes y en algunos casos
bombeo. Se recomienda en las prácticas de ade-
cuación de tierras emplear la técnica como míni-
ma labor o si es posible aplicar labranza cero. En
cuanto a las aplicaciones de fertilizantes y pestici-
das se recomienda disminuir aplicaciones tenien-
do en cuenta las indicaciones del agrónomo, de
este modo se disminuye la cantidad de gasolina
consumida.
En lo relacionado al manejo de tractores y ma-
quinaria es importante el aumento de conciencia
en cuanto al uso de técnicas para el bajo consumo
de combustible, lo cual involucra el cuidado de
estos de forma adecuada, lo que significa operar-
los de una manera correcta y realizar las tareas de
mantenimiento que se establecen en los manua-
les para prolongar su vida útil, algunas de estas
técnicas son:
Estar pendientes del cuidado del sistema de
los equipos debido a que si no funcionan ade-
cuadamente pueden causar pérdidas de po-
tencia y por tal más consumo de combustible,
se recomienda medir diariamente el nivel del
aceite del carter, hacer los cambios de aceite al
motor, llevar registro de los cambios y mante-
ner el tractor limpio para identificar las even-
tuales pérdidas de aceite.
Evitar la contaminación del diésel después de
haberlo recibido, debido a que las impurezas
en los combustibles no colaboran en el buen
funcionamiento de la maquinaria, para evitar
estas contaminaciones por agua o polvo, se
recomienda dejar reposar el combustible una
vez recibido, purgar los tanques de combus-
tibles antes de volverlos a llenar, no dejar los
tambores por varias horas al sol y realizar un
correcto mantenimiento de los circuitos de
combustibles del motor (revisión de rampas
de agua y cambios de filtro).
Cambiar filtros conforme a las recomenda-
ciones técnicas debido a que estos son los en-
cargados de evitar que lleguen impurezas a la
bomba e inyectores, protegiendo la vida de
estos elementos que son vitales para el motor.
Cambiar las bujías de acuerdo a las especifi-
caciones técnicas es crucial para el buen desa-
rrollo del proceso de combustión.
Lubricar todos los puntos de lubricación.
Verificar, ajustar y limpiar los inyectores de
combustibles.
Revisar y ajustar la presión de los neumáticos
delanteros y traseros, ajustando la presión de
estos según las especificaciones de los fabri-
cantes.
Trabajar con la composición y compensación
óptima de las cargas.
Conducir con la velocidad del motor y las
marchas de menor consumo de combustible
de acuerdo con las recomendaciones del fabri-
cante.
Revisar periódicamente los consumos de
combustible con lo cual se verifica alzas de
consumo injustificados.
Antes de almacenar los tractores se recomien-
da realizar una limpieza, vaciar el aceite del
motor y transmisión, vaciar el depósito de
combustibles y adicionar combustible especial
de calibración, aplicar grasa lubricante en to-
dos los puntos de lubricaciones, y demás espe-
cificaciones establecidas por los fabricantes en
manuales de empleo y cuidado.
Emplear buenas prácticas de conducción
como no acelerar ni frenar bruscamente (no
acelere a fondo ni muy rápido si no es nece-
sario).
41
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Si es necesario, modernizar por tecnologías de
mayor eficiencia.
De igual forma se recomienda planificar de
forma óptima cada una de las operaciones pla-
neando las rutas y evitando en la cosecha los
viajes de retorno sin carga.
3.2.4 Fertilizantes
Al emplear fertilizantes de nitrógeno se crean
emisiones de GEI debido al alto gasto energético
causado por empleo de combustibles fósiles en la
fabricación industrial de fertilizantes minerales, y
además emisiones de N2O procedentes de suelos
agrícolas gestionados por aplicación tanto de fer-
tilizantes nitrógeinorgánicos y sintéticos; es por
ello que cuando se habla de incremento directo
del N en el suelo esto se debe por la adición de fer-
tilizantes ya sean sintéticos u orgánicos(estiércol
animal, compost, desechos, etc.) e indirectamente
por la volatilización, lixiviación y escurrimiento.
Las emisiones por el uso de fertilizante predomi-
na en el cálculo de la HdC por que el PCG del
N2O es 309 veces superior al del CO
2, además por
las grandes cantidades de fertilizantes aplicados
en suelos agrícolas por lo tanto es importante te-
ner en cuenta en el momento de la adiciones de
estos contar con las cantidades exactas formula-
das por el profesional acompañadas con el aná-
lisis de suelos y los requerimientos del cultivo,
de este modo se proporciona la nutrición exac-
ta evitando sobre aplicaciones; por otro lado se
recomienda mantener registros sobre el uso real
de los fertilizantes de nitrógenos empleados para
futuras investigaciones de la HdC.
Las emisiones procedentes de la fabricación in-
dustrial de fertilizantes se pueden reducir con la
mejora de la eficiencia energética o la utilización
de energías renovables, por otro lado las emisio-
nes por el manejo de fertilizantes en la produc-
ción de cultivos en este caso el arroz pueden dis-
minuir si se reducen o eliminan las aplicaciones
excesivas, además es importante realizar las apli-
caciones en los tiempos establecidos por el agró-
nomo evitando retrasos entre las aplicaciones y la
absorción de este por la planta.
4. Conclusiones
La fuente de emisión con mayor porcentaje de
emisión fue la aplicación de fertilizantes, emitien-
do 3.244,78 kg CO2-eq/ha mostrando que las emi-
siones generadas por el uso de fertilizantes son las
más representativas para el sector agrícola.
La fuente de emisión con menor porcentaje de
contaminación correspondió a la aplicación de
pesticidas, generando 1,10% de las emisiones to-
tales es decir 55,10 kg CO2-eq/ha.
Las actividades con consumo de combustibles
generaron una emisión de 1.091,57 kg CO2-eq/
ha siendo esta la segunda actividad con mayor
emisión de GEI, seguida por el consumo de elec-
tricidad utilizado para el riego con una emisión
de 607,26 kg CO2-eq/ha.
El alcance con mayor emisión correspondió al al-
cance 1 emitiendo 4.391, 44 kg CO2-eq/ha siendo
este el 87,85% de las emisiones totales calculadas,
mostrando que las emisiones directas controla-
das por la empresa u organización producen más
GEI.
Las emisiones que se derivan del consumo de
electricidad, en este caso para la aplicación del
riego correspondiente al alcance 2 emitiendo
607,26 kg CO2-eq/ha siendo este el 12,15% de las
emisiones totales calculadas.
Las emisiones totales calculadas fueron 4.998,70
kg CO2-eq, en el presente proyecto son las suma-
toria de las emisiones por uso de combustibles,
electricidad y aplicación de agroquímico, prácti-
cas agrícolas que se utilizan en cada predio estu-
diado para la producción de 1 ha de arroz.
Para el cálculo de la huella de carbono se identi-
ficaron las actividades principales en la produc-
ción de arroz en el distrito de riego El Juncal (pre-
paración de terreno, siembra, control de malezas,
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
42
plagas y enfermedades, aplicación de fertilizante,
riego y cosecha), las cuales varían dependiendo
de factores como el clima, suelo necesidades del
cultivo y técnicas u opciones de manejo que usan
los productores agrícolas para lograr sus objeti-
vos de producción.
Los resultados presentados en este proyecto pue-
den ser complementados por trabajos futuros
que calculen las emisiones generadas en las fases
subsiguientes, incluyendo emisiones generadas
por residuos agrícolas, cambios en el uso de la
tierra, entre otros.
Las metodologías empleadas para este estudio
fueron el protocolo de GEI 2001 esta se utilizó
debido a que proporciona una guía detallada para
cuantificar y reportar las emisiones de GEI; las
directrices del IPCC de 2006 pues su estructura
está orientada de forma tal que cualquier inves-
tigador, independientemente de su experiencia
o recursos, pueda producir estimaciones fiables
con la identificación de las fuentes de emisión y
relacionarla con su respectivo FE proporcionados
por este método; y la metodología propuesta por
la Agencia de Protección Ambiental de los Esta-
dos Unidos (EPA) para las emisiones por aplica-
ción de pesticidas ya que la cuantificación de las
emisiones se relaciona con la forma de aplicación
del producto, formulación y porcentaje de ingre-
diente activo e inerte.
Para obtener resultados más puntuales, es im-
portante generar investigación para poder tener
acceso a información sobre factores de emisión
de cada una de las fuentes contaminantes, pues
la información es escasa a nivel local, por lo tanto
se presentan inconvenientes al comparar resulta-
dos de huella de carbono con distintas fuentes de
consulta.
La huella de carbono es una herramienta utiliza-
da a nivel mundial, sin embargo es un indicador
limitado en el desempeño ambiental de una em-
presa o actividad pues no involucra la gama de
impactos ambientales que están relacionados con
el cultivo, pues se deben considerar factores adi-
cionales que no son reflejados en los resultados
de la huella de carbono como impactos sobre la
calidad de agua, biodiversidad, calidad de aire,
entre otros.
5. Bibliografía
1. AP-42, Compilation of Air Pollution Emission Fac-
tors (AP-42) - Volume I: Stationary Point and Area
Sources, Fourth Edition. U.S. Environmental Pro-
tection Agency, Office of Air Quality Planning and
Standards, Research Triangle Park, North Carolina.
January.
2. Asojuncal. [en línea] Página Web. [citado 18 de
enero de 2014]. Disponible en Internet:<http://
asojuncal.blogspot.com/>.
3. Brito. Contreras. Olivia. Alejandra. “Diagnóstico
De Implementación De Metodología De Cálculo
De La Huella De Agua Y Huella De Carbono En
Empresa Dsm” [Online]. -2011- diciembre 7, 2014.
4. Callae. Benavidez.Carmen. Carolina., and Guzman.
Bejar. Romina., Cálculo De La Huella De Carbono
Del Ecolodge Ulcumano Ubicado En El Sector De
La Suiza, Distrito De Chontabamba, Provincia De
Oxapampa, Región Pasco [Report] : Tesis. - 2001.
5. Consorcio Energético Corpoema, Formulación De
Un Plan De Desarrollo Para Las Fuentes No Con-
vencionales De Energía En Colombia (Pdfnce),
Bogotá, Septiembre 06 de 2010.
6. Escobar, David Cárdenas. Evaluación de calidad de
aire orgánico volátiles – VOC’s en zona aledaña del
Instituto Colombiano del Petróleo (IPC) – ECO-
PETROL S.A., (2009).
7. Valderrama,José O. César Espíndola, Rafael Queza-
da, Huella de Carbono, un Concepto que no puede
estar [articulo de revista]. - marzo 14, 2011. - 3 :
Vol. 4.
8. Oswaldo. Benavides. Ballesteros.Henry. and Es-
peranza. León. Aristizabal.Gloria. Información
Técnica sobre Gases de Efecto Invernadero y el
Cambio Climático [Online] / prod. Instituto de
Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales -
IDEAM. - 2007.
9. Panel Intergubernamental De Expertos Sobre
Cambio Climático (IPCC), 2006. Directrices del
IPCC de 2006 para los inventarios nacionales de
gases de efecto invernadero.
43
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
10. Protocolo de gases de efecto invernadero (GHG
Protocol) Disponible en Internet:[citado 7 de no-
viembre de 2013].http://www.ghgprotocol.org/fi-
les/ghgp/public/protocolo_de_gei.pdf
11. R. Lal Carbon emission from farm operations. El-
sevier. [Articulo de revista ]. – 2004.
12. REED. K. and C. EHRHART.Guía para responsa-
bilizarnos de las Emisiones de Gases Efecto Inver-
nadero de CARE. Taller CARE y El Carbono [Re-
port]. - 2007. - pp. 5-8.
45
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Evaluación de sistemas de riego localizado en cultivo de cacao (Theobroma cacao) como estrategia de aumentode la producción en el departamento del Huila
Evaluation of drip irrigation systems in cocoa (Theobroma cacao) farming as a strategy for increasing production in the department
of Huila
Rodrigo A. Pachón Bejarano1, Oscar E. Figueroa Paiva2, Jorge I. Chavarro Díaz3
Resumen
Teniendo en cuenta que el manejo productivo tradicional del cultivo de cacao en áreas agrícolas del departamento del Huila causa un deterioro acelerado en los recursos suelo – agua, debido a las in-adecuadas prácticas de riego con bajas eficiencias y láminas de agua que superan los 2500 mm/ha, el presente artículo presenta los resultados de la evaluación de tres sistemas de riego localizado (goteo, microaspersión micromanguera) con tres repeticiones, propuestos para aumentar la uniformidad en la entrega del agua al cultivo de cacao en tres regiones del departamento.
El Coeficiente de Uniformidad promedio entre los tres municipios muestra que el sistema más eficiente en el uso del agua para el cultivo de cacao es el de riego por goteo con un CU = 97,31%, se-guido del riego por microaspersión con un CU = 96,42% y por último y no muy distante el sistema de riego con micromanguera con un CU = 85,06% los dos primeros sistemas calificados con tipo de uniformidad excelente y el último con tipo de Uniformidad buena, lo que posiciona a este sistema como una buena alternativa para solucionar problemas de déficit hídrico en cultivos de cacao y a más bajo costo si es comparado con los sistemas de riego por goteo y microaspersión.
Palabras Clave: Riego localizado; coeficiente de uniformidad; microaspersión; goteo; micromanguera
Abstract
Given that the traditional production management of cocoa in agricultural areas of Huila causes a rapid deterioration in the resources soil - water due to inadequate irrigation practices with low efficiencies and water bodies exceeding 2500 mm / ha, this article presents the results of the eva-luation of three drip irrigation systems (drip, micro sprinkler, micro-hose) with three replications, proposed to increase the uniformity of water delivery to the cultivation of cacao in three regions of the department.
1 Ingeniero Agrónomo. Docente Universidad Surcolombiana-Neiva. Av. Pastrana- Carrera 1. [email protected]
2 B. Sc. Ingeniero Agrícola. Universidad Surcolombiana- Neiva. Av. Pastrana- Carrera 1. [email protected]
3 B.Sc. Ingeniero Agrícola. Universidad Surcolombiana- Neiva. Av. Pastrana-Carrera 1. [email protected]
Recibido 2 de diciembre de 2013 Aprobado 30 de enero de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 45-55
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
46
1. Introducción
En el marco de la Agenda Interna para la Produc-
tividad y Competitividad del Departamento del
Huila (2007) se priorizaron seis apuestas produc-
tivas, en las cuales se encuentran: cacao, cafés es-
peciales, frutales, piscicultura, turismo y energé-
tica. Lo anterior expone la necesidad de generar
capacidades para el desarrollo de investigación
de alto nivel que contengan la transversalidad en-
tre las áreas de conocimiento a las cuales están
articuladas cada una de las propuestas.
Cada día, el rol de los sistemas de riego a nivel
mundial es más importante y necesario en los sis-
temas de producción (Ochoa y Peña, 2012) que
se ven afectados de manera considerable por la
variabilidad climática y prolongados tiempos de
sequía. En este contexto, es importante desarro-
llar sistemas de riego de alta eficiencia, prácticos
y económicos, enfocados a un manejo y gestión
más integral del recurso hídrico (Panda et al.,
2004)
Según Stape et al. (2004), la producción de cul-
tivos en zonas tropicales va a ser en menor pro-
porción por la provisión del agua, afectando
la eficiencia del uso del agua en los sistemas de
producción, siendo el cultivo de cacao uno de los
afectados que requiere el recurso hídrico cons-
tante para estabilizar su producción.
El déficit de agua en el suelo durante la mayor
parte de meses es alto y el sistema de producción
cacaotero requiere riego para aumentar la pro-
ducción y la calidad del grano, pero en algunas
zonas el uso de agua para cacao entra en conflic-
to con el uso del agua para arroz, por ende una
de las principales alternativas para solucionar el
problema es la gestión y planificación integral en
el manejo del recurso agua en el cultivo de cacao.
Además estudios como el de Sujatha y Bhat, 2013
indican que la fertirrigación orgánica puede me-
jorar la eficiencia del uso de nutrientes sobre la
aplicación al suelo en vista que las bondades de la
utilización de abonos orgánicos está demostrada
y más aún cuando son aplicados nutrientes solu-
bles a través de la fertirrigación por goteo.
En los sistemas de riego localizados de alta fre-
cuencia es muy importante evaluar la uniformi-
dad de riego después de que este ha sido instala-
do, debido a que la uniformidad es un indicador
de la relación que existe entre las plantas en tér-
minos de producción y la eficiencia con la que se
está aplicando agua con el riego. En general a ma-
yor uniformidad de riego mayor uniformidad en
la producción del cultivo, siempre y cuando no
existan otras factores limitantes como problemas
de nutrientes y problemas fitosanitarios.
El coeficiente de uniformidad es una variable de
entrada muy importante en la estimación de la
eficiencia del sistema. Los sistemas de riego lo-
calizados buscan la mayor uniformidad posible,
de esta forma todas las plantas pueden recibir la
misma cantidad de agua y nutrientes (Saldarria-
ga, 2007).
The average coefficient of uniformity between the three municipalities shows that the most efficient use of water for crop of cocoa system is the drip irrigation with CU = 97.31%, followed by micro-sprinkler irrigation with CU = 96.42% and last but not far off the irrigation system with micro-hose with a CU = 85.06% qualified the first two types of systems and excellent uniformity with the last type of good uniformity, which positions this system as a good alternative to solve problems of water shortage in crop of cocoa and lower cost if compared with drip irrigation and micro-sprinkler.
Keywords: Localised irrigation; uniformity coefficient; Cocoa; micro-sprinkler; drip; Micro-hose.
47
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
2. Metodología
El área de estudio hace referencia a tres munici-
pios de la zona norte del departamento del Huila,
municipio de Campoalegre en la finca Los Lagos
ubicada en la vereda Bejucal Bajo con un cultivo
de cacao de 6 años sembrado a 2x4 m; municipio
de Palermo en la finca Potreritos perteneciente a
la vereda Nilo con cultivo de cacao de 10 años
sembrado en tres bolillo a 3 m; y el municipio de
Baraya en la finca San José ubicada en la vereda la
Unión con cultivo de cacao de 8 años sembrado
en tres bolillo a 3 m en los cuales se establecieron
tres sistema de riego localizado (Microaspersión,
goteo y micromanguera) con tres repeticiones
cada uno, para un total de nueve sectores de rie-
go (Figura 1).
Para la evaluación de los tres sistemas de riego se
seleccionó un (1) sector de riego por cada sistema
de riego instalado en las áreas experimentales de
los municipios de Campoalegre, Palermo y Ba-
raya, dentro de cada sector se seleccionaron cua-
tro (4) laterales de riego y dentro de cada lateral
se seleccionaron cuatro (4) unidades de riego o
emisores, donde cada una de estas unidades riega
un árbol de cacao diferente dentro del sector a
evaluar. Las unidades de riego que fueron some-
tidos a la evaluación cuentan con las siguientes
características de operación (Tabla 1).
Figura 1. Localización de las áreas de estudio. (Alcaldía de Baraya, Campoalegre y Palermo, 2013).
Tabla 1. Características de las unidades de riego evaluadas
Unidad de riego Tipo de emisorPresión de
trabajo (PSI)
Caudal de
descarga (LPH)Diámetro
húmedo (m)Unidadespor árbol
Gotero NDJ de Botón Clicktif 15 - 58 4,0 N.A 3
MicroaspersorAmanco Rotativode boquilla verde
15 - 58 25,0 5,0 1
Micromanguera Manguera de 6 mm 3 - 10 Varía con la presión N.A 1
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
48
En la evaluación de los sistemas de riego los pará-
metros que se tuvieron en cuenta fueron: caudal
de unidades de riego, el Coeficiente de Uniformi-
dad (CU) y Eficiencia de Uso (EU).
El procedimiento metodológico empleado con-
templó las siguientes actividades:
1. Comprobación del funcionamiento del sis-
tema con normalidad, revisión de los filtros,
unidades de riego, tapones de lavado de la tu-
bería principal, múltiple y lateral.
2. Selección el sector de riego crítico, es decir,
el sector que cuente con las condiciones de
mayor dificultad (contrapendiente, mayor
número de microaspersores y mayor distan-
cia a la válvula de paso) para permitir la libre
circulación del agua dentro del sector.
3. Dentro del sector de riego seleccionado, se
identificó el primer lateral, el lateral ubicado
a 1/3 de la distancia desde el inicio, el lateral
ubicado a 2/3 de la distancia desde el inicio y
el último lateral. Luego en cada uno de ellos
se identificó la primera unidad de riego, la
unidad ubicada a 1/3 del inicio del lateral, la
unidad ubicada a 2/3 del inicio del lateral y la
última unidad de riego (Figura 2).
4. Medición del caudal de salida en cada uni-
dad de riego y elaboración del registro de las
mediciones.
5. Estimación de los Coeficientes de Uniformi-
dad (CU) de acuerdo a la ecuación 1.
CUQ = 100 * Q25% !�� ��,��
Dónde:
Q25%
= media del 25% de los valores más bajos
de los volúmenes recogidos, en litros/hora.
Q = media de todos los volúmenes de agua
recogidos, en litros/hora.
6. Clasificación de los Coeficientes de Unifor-
midad calculados de acuerdo a la Tabla 2.
Tabla 2. Clasificación de los coeficientes de
uniformidad.
Coeficiente de uniformidad Tipo de uniformidad
90-100 Uniformidad Excelente
80-90 Uniformidad Buena
70-80 Uniformidad Aceptable
<70 Uniformidad Inaceptable
(Merriam y Keller, 1978)
Figura 2. Esquema selección unidades de riego a evaluar. (CITRA - Modificado Equipo CE-
NIGAA 2013).
Q
49
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
7. Estimación de la Eficiencia del uso del agua
(EU) de acuerdo a la ecuación 2.
EU = (EAP * CU)
100 !�� ����
Dónde:
EU= Eficiencia de uso del agua.
EAP= Eficiencia de aplicación (característico
de cada sistema de riego).
CU= Coeficiente de uniformidad.
3. Resultados
Las áreas experimentales se georeferenciaron con
Estación Total de Topografía, de tal manera que se
especifican las coordenadas geográficas precisas
con miras a su fácil ubicación en posteriores eva-
luaciones que realicen otras entidades (Tabla 3).
Para la evaluación de la eficiencia de los siste-
mas de riego en el municipio de Campoalegre
se seleccionaron los sectores y las unidades de
riego que se ilustran en la Fig. 3, para Palermo
los sectores y unidades de la Fig. 4 y para Bara-
ya los sectores y unidades de la Fig. 5, siguiendo
los criterios de selección de los sectores crítico, es
decir, los sectores que cuente con las condiciones
de mayor dificultad (contrapendiente, mayor nú-
mero de microaspersores y mayor distancia a la
válvula de paso) para la libre circulación del agua
dentro del sector.
En cada unidad de riego se realizaron tres (3) afo-
ros, se promediaron estos valores y se registraron
en el formato correspondiente (Figuras 6, 7 y 8).
Riego por Microaspersión: En los sistemas de
riego de microaspersión, el agua es aplicada sobre
Tabla 3. Georeferenciación de Área experimentales.
Municipio Vereda Finca CoordenadaALTURA
(msnm)
Campoalegre Bejucal bajo Los lagos N 02° 44´ 26,7´´; W 75° 16´ 41,8´´ 666,5
Palermo Nilo Potreritos N 02° 51´ 23,7´´; W 75° 31´ 38,4´´ 841,5
Baraya La Unión San José N 03° 16´ 37,9´´; W 74° 56´ 09,9´´ 571,0
Sector Evaluado
02-MM Sistema de riego por Micromanguera
01-MA Sistema de por Microaspersión
Figura 3. Ubicación de los Sectores y unidades de Riego evaluados en el municipio de Campoalegre.
Unidades de riego evaluadas
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
50
Figura 4. Ubicación de los sectores y unidades de riego evaluados en Palermo.
Sector Evaluado03-G Sistema de riego por goteo02-MM Sistema de riego por Micromanguera01-MA Sistema de por Microaspersión
Unidades de riego evaluadas
Sector Evaluado
07-G Sistema de riego por goteo
09-MM Sistema de riego por Micromanguera
Unidades de riego evaluadas
Figura 5. Ubicación de los sectores y unidades de riego evaluados Baraya
51
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
una superficie limitada del terreno en forma de
lluvia artificial y se desplaza en el suelo en fun-
ción de tres factores fundamentales: a) las propie-
dades y características del perfil físico del suelo;
b) el volumen de agua aplicado; y c) el caudal del
emisor (Gispert y García, 1994). La información
recolectada en campo de la evaluación realizada
al sistema de riego por microaspersión en los tres
municipios se registra en la Tabla 4, 5 y 6.
Probeta para determinar el
caudal del emisor
Micromanguera de
Control de tiempo
6 mm
Figura 6. Selección unidades de riego en mi-
cromanguera
Figura 7. Selección unidades de
riego en goteo
Figura 8. Aforo a unidades de
riego por micromanguera
Tabla 4. Evaluación de las unidades de riego en el sistema de microaspersión, Campoalegre.
SECTOR 01 MICROASPERSIÓN
1 Emisor
Q (ml/Min)
Emisor 1/3
Q (ml/Min)
Emisor 2/3
Q (ml/Min)
Último Emisor
Q (ml/Min)
1 Lateral 450 445 420 435
2º Lateral a 1/3 445 445 450 410
4º Lateral a 2/3 430 430 440 445
Último lateral 440 430 420 430
Tabla 5. Evaluación de las unidades de riego de microaspersión, Palermo.
SECTOR 01 MICROASPERSIÓN
1 Emisor
Q (ml/Min)Emisor 1/3Q (ml/Min)
Emisor 2/3Q (ml/Min)
Último EmisorQ (ml/Min)
1 Lateral 445 440 445 440
3º Lateral a 1/3 450 445 440 440
6º Lateral a 2/3 440 420 410 420
Último lateral 430 430 420 410
Tabla 6. Evaluación de las unidades de riego de microaspersión, Baraya.
SECTOR 08 MICROASPERSIÓN
1 Emisor
Q (ml/Min)Emisor 1/3Q (ml/Min)
Emisor 2/3Q (ml/Min)
Último EmisorQ (ml/Min)
1 Lateral 460 445 430 430
5º Lateral a 1/3 455 430 415 420
9º Lateral a 2/3 440 425 420 430
Último lateral 420 430 440 425
Emisor
Lateral
EmisorLateral
Emisor
Lateral
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
52
De acuerdo a los aforos realizados en los microas-
persores seleccionados y al cálculo del Coeficien-
te de Uniformidad (Ecuación 1), el sistema de rie-
go por microaspersión en Campoalegre presenta
un CU = 96,48%, en Palermo un CU = 95,88% y
en Baraya un CU = 96,89%, lo cual indica que los
sistemas presentan un tipo de uniformidad Exce-
lente, debido a que se encuentran en el rango de
90 – 100 %.
De igual forma se realizó el cálculo del Eficien-
cia de uso del agua (EU) aplicando la ecuación 2
y empleando Eficiencia de aplicación (EAP) del
85% para el sistema de riego por microaspersión,
valor obtenido al promediar los rangos de efi-
ciencia según la WWF (2009) y Liotta (2005) que
oscila entre los 90% y 80%. El cálculo de la EU
para el sistema de riego por microaspersión en el
municipio de Campoalegre muestra un resultado
de EU = 82,01%, para el municipio de Palermo de
EU = 81,50% y para el municipio de Baraya una
EU = 81,50% evidenciando que existe eficiencia
en los sistemas de riego instalados y que garanti-
zan uniformidad en las láminas de riego aplica-
das en el cultivo de cacao.
Riego por Goteo: El sistema de riego por goteo
es un método de riego localizado donde el agua
se aplica en forma de gotas a través de unidades
de riego denominadas goteros, los cuales sumi-
nistran agua a intervalos frecuentes en pequeñas
cantidades a la raíz de cada planta. La informa-
ción recolectada en campo de la evaluación reali-
zada a los sistemas de riego por goteo en los tres
municipios se registra en las Tablas 7, 8 y 9.
La información de la evaluación realizada a los
goteros seleccionados, muestra para el municipio
de Campoalegre un valor de CU = 97,53%, para
Palermo un CU = 96,72% y para el municipio de
Tabla 7. Evaluación de las unidades de riego de goteo, Campoalegre.
SECTOR 04 GOTEO
1 Emisor
Q (ml/Min)Emisor 1/3Q (ml/Min)
Emisor 2/3Q (ml/Min)
Último EmisorQ (ml/Min)
1 Lateral 69 67 65 64
2º Lateral a 1/3 67 65 65 66
4º Lateral a 2/3 66 68 65 67
Último lateral 65 67 65 63
Tabla 8. Evaluación de las unidades de riego de goteo, Palermo.
SECTOR 03 GOTEO
1 Emisor
Q (ml/Min)Emisor 1/3Q (ml/Min)
Emisor 2/3Q (ml/Min)
Último EmisorQ (ml/Min)
1 Lateral 68 66 65 66
3º Lateral a 1/3 66 64 65 62
5º Lateral a 2/3 69 65 64 63
Último lateral 65 64 64 62
Tabla 9. Evaluación de las unidades de riego de goteo Baraya.
SECTOR 07 GOTEO
1 Emisor
Q (ml/Min)
Emisor 1/3
Q (ml/Min)
Emisor 2/3
Q (ml/Min)
Último Emisor
Q (ml/Min)
1 Lateral 67 64 65 64
4º Lateral a 1/3 66 64 65 63
7º Lateral a 2/3 67 63 63 64
Último lateral 66 63 65 63
EmisorLateral
EmisorLateral
Emisor
Lateral
53
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Baraya un CU = 97,67%, lo cual indica que los
sistemas presentan un tipo de uniformidad Ex-
celente.
Igualmente se realizó el cálculo del EU (Eficien-
cia de uso del agua) aplicando la ecuación 2 y em-
pleando EAP (Eficiencia de aplicación) del 90%
para el sistema de riego por goteo, valor obteni-
do al promediar los rangos de eficiencia según la
WWF (2009) y Liotta (2005) que oscila entre los
95% y 85% para este tipo de sistema de riego. El
cálculo de la EU para el sistema de riego por go-
teo en Campoalegre arrojo un resultado de EU
= 87,78%, para el municipio de Palermo de EU
= 87,05% y para el municipio de Baraya de EU =
87,91%.
Riego por Micromanguera: Los sistemas de rie-
go por micromanguera son un método de riego
localizado poco usado debido a que no es un
sistema presurizado y presenta bajos índices de
uniformidad y eficiencia, lo cual puede afectar el
rendimiento de la cosecha y la eficiencia de uso
del agua, lo cual ha sido demostrado por diferen-
tes investigadores (Warrick y Gardner, 1983; Le-
tey et al., 1984; Montovani et al., 1995; Li, 1998).
En este sistema la unidad de riego es un segmen-
to de manguera por la cual se conduce el agua
hacia la planta y se aplica en la zona radicular en
forma de chorro y cuyo diámetro es de 6 mm y
longitud variable que permite su calibración por
perdida de energía (a mayor longitud, mayor per-
dida y menor caudal de entrega), tal como está
instalada en los municipios de Campoalegre y
Palermo; para el municipio de Baraya se realizó
una pequeña modificación para la calibración de
las unidades de riego que consistió en dejar la mi-
cromanguera de la misma longitud en todos los
árboles de cacao y obturar la punta de ésta con
un dobles que va atado con un nudo de control
que se realiza con un trozo de cabuya para regu-
lar el caudal de entrega en la unidad de riego (ver
figura 6). La información de los aforos realizados
para evaluar el Coeficiente de Uniformidad al
sistema de riego por micromanguera en los tres
municipios se registra en las Tablas 10, 11 y 12.
De acuerdo a los aforos y al cálculo realizado, el
sistema de riego por micromanguera en el mu-
nicipio de Campoalegre presenta un Coeficiente
de Uniformidad CU = 80,93%, en el municipio
de Palermo un CU = 84,75% y en el municipio
Tabla 10. Evaluación de las unidades de riego de micromanguera, Campoalegre.
SECTOR 02 MICROMANGUERA
1 Emisor
Q (ml/Min)
Emisor 1/3
Q (ml/Min)
Emisor 2/3
Q (ml/Min)
Último Emisor
Q (ml/Min)
1 Lateral 500 440 485 420
2º Lateral a 1/3 450 380 430 320
4º Lateral a 2/3 415 405 410 430
Último lateral 380 320 315 350
Tabla 11. Evaluación de las unidades de riego de micromanguera, Palermo.
SECTOR 02 MICROMANGUERA
1 Emisor
Q (ml/Min)
Emisor 1/3
Q (ml/Min)
Emisor 2/3
Q (ml/Min)
Último Emisor
Q (ml/Min)
1 Lateral 450 350 415 405
3º Lateral a 1/3 480 410 440 400
7º Lateral a 2/3 510 405 310 420
Último lateral 380 370 400 345
Emisor
Lateral
Emisor
Lateral
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
54
de Baraya un CU = 89,51%, lo cual indica que el
sistema presenta un tipo de Uniformidad Buena,
debido a que se encuentran en el rango de 80 –
90% especificado en la tabla 2 de Clasificación de
los Coeficientes.
De igual forma se realizó el cálculo del Eficiencia
de uso del agua (EU) empleando la Eficiencia de
aplicación (EAP) del 85% para el sistema de riego
por micromanguera, valor que se determinó por
las comparaciones que se realizaron en campo
entre los sistemas de microaspersión y micro-
manguera, comparación que se considera tolera-
ble debido a que se realizaron diferentes ajustes
a las micromangueras, que permitieron presuri-
zar el sistema y regular el caudal de entrega de
las unidades de riego. El cálculo de la EU para
el sistema de riego por micromanguera en Cam-
poalegre muestra un resultado de EU = 68,79%,
en el municipio de Palermo de EU = 72,03% y en
el municipio de Baraya de EU = 76,08%.
4. Conclusiones
El sistema de riego que brinda un coeficiente de
Uniformidad mayor es el sistema de riego por
goteo con un valor promedio para los tres muni-
cipios evaluados de 97,31% y de tipo de unifor-
midad excelente, lo que garantiza que todas las
plantas de cacao de la plantación reciben aproxi-
madamente el mismo caudal de agua y por ende
se espera un desarrollo fisiológico homogéneo en
todo el cultivo si solo dependiera de este factor.
El coeficiente de uniformidad encontrado para
el sistema de riego por micromanguera es cata-
logado como de tipo de uniformidad buena con
un valor promedio entre los tres municipios del
85,06 %, lo que posiciona a este sistema como
una buena alternativa para solucionar problemas
de déficit hídrico en cultivos de cacao y a más
bajo costo si es comparado con los sistemas de
riego por goteo y microaspersión.
De los sistemas evaluados para el cultivo de ca-
cao en los municipios de Campoalegre, Palermo
y Baraya el que mayor mostró eficiencia en el uso
del agua, es el sistema de riego por goteo con un
valor promedio de 87,58% y el menos eficiente es
el sistema de riego con micromanguera mostran-
do un valor de 72,30%.
El coeficiente de uniformidad calculado para el
sistema de riego por micromanguera en los tres
municipios demuestra que donde mejor unifor-
midad existe es en el municipio de Baraya con
un valor de 89,51%, valor muy cercano al tipo de
uniformidad Excelente, según la clasificación de
uniformidad de la tabla 3; dado que la calibra-
ción de las micromangueras en este municipio
se realizó mediante la práctica de obturación de
la manguera con un nudo de control en la par-
te final de esta, que permite calibrar con mayor
facilidad y precisión el caudal a entregar a cada
árbol y no por longitudes de las micromangueras
como se realizó en los municipios de Campoale-
gre y Palermo.
Tabla 12. Evaluación de las unidades de riego de micromanguera, Baraya.
SECTOR 09 MICROMANGUERA
1 Emisor
Q (ml/Min)
Emisor 1/3
Q (ml/Min)
Emisor 2/3
Q (ml/Min)
Último Emisor
Q (ml/Min)
1 Lateral 400 460 435 405
4º Lateral a 1/3 430 460 440 375
8º Lateral a 2/3 420 405 370 420
Último lateral 380 370 365 345
Emisor
Lateral
55
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Posteriores investigaciones deben estar orienta-
das a la evaluación de producciones en cacao bajo
diferentes sistemas de riego localizado que utili-
cen la fertirrigación como método para la aplica-
ción de suplementos nutricionales, de igual for-
ma se bebe seguir investigando sobre el aumento
de la eficiencia de uso del agua en el sistema de
riego por Micromanguera considerando que su
instalación es de menor costo.
Agradecimientos
Los autores agradecen enormemente al Minis-
terio de Agricultura y Desarrollo Rural y a la
Corporación Red Especializada de Centros de
Investigación y Desarrollo Tecnológico del sec-
tor Agropecuario CENIRED por su financiación
y valiosos aportes logísticos y científicos, y a los
profesionales de la Fundación Centro de Investi-
gación en Ciencias y Recursos Geoagroambien-
tales CENIGAA por el apoyo en el desarrollo del
presente estudio.
5. Referencias Bibliográficas
1. Alcaldía de Baraya. 2013. Mapa político del Muni-
cipio de Baraya. http://baraya-huila.gov.co/mapas_
municipio.shtml?apc=bcMapas%20Pol%EDticos-
1-&x=3167002. Consultado el 31 de diciembre de
2013.
2. Alcaldía de Campoalegre. 2013. Mapa polí-
tico del Municipio de Campoalegre. http://
campoalegre-huila .gov.co/mapas_munici-
pio.shtml?apc=bcMapas%20Pol%EDticos-1-
&x=3106232. Consultado el 31 de diciembre de
2013.
3. Alcaldía de Palermo. 2013. Mapa político del Mu-
nicipio de Palermo. http://www.palermo-huila.
gov.co/mapas_municipio.shtml?apc=bcxx-1-
&x=2810153. Consultado el 31 de diciembre de
2013.
4. Centro de Investigación y Transferencia en Riego y
Agroclimatología (CITRA). 2013. Evaluación de la
Uniformidad de Riego en una Instalación de Riego
por Goteo. Facultad de Ciencias Agrarias, Univer-
sidad de Talca, Talca - Chile.
5. Gispert, J. R. y García, J. A. 1994. El volumen hú-
medo del suelo. Aspectos Agronómicos Relacio-
nados con la Microirrigación. Riegos y drenajes.
16-28, 77p.
6. Liotta. Mario A., 2005. Los sistemas de riego por
Goteo y Microaspersión. INTA. Provincia de San
Juan, Argentina. 20p.
7. WWF, 2009. Manual de Buenas Prácticas de Riego,
Propuestas de WWF para un uso eficiente del agua
en la agricultura. World Wide Fund for Nature -
WWF (Fondo Mundial para la Naturaleza)
8. Montovani, E. C.; Villalobos, F. J.; Orgaz, F.; and
Fereres, E. 1995. Modeling the Effects of Prinkler
Irrigation Uniformity on Crop yield. Agric. Water
Manage. 243-257p.
9. Ochoa, A, M. y Peña, P., 2012. Efecto del Riego Su-
perficial en la Microinjertación del Cacao. Revis-
ta Ciencias Técnicas Agropecuarias. Universidad
Agraria de la Habana Fructuosa Rodríguez. La Ha-
bana, Cuba.
10. Stape, J., D. Binkley & Ryan, M., 2004. Eucalyptus
Production and the Supply, Use and Efficiency of
use of Water, Light and Nitrogen Across a Geogra-
phic Gradient in Brazil.
11. Sujatha S, B., 2013. Impact of Drip Fertigation on
Arecanut- Cocoa System in Humid Tropics of In-
dia. Agroforest Syst. 1 de Junio; 87 (3): 643-56p.
12. Warrick, A. W. and Gardner, W. R., 1983. Crop
Yield as Affected by Spatial Variation of Soil and
Irrigation. Water Resour. 181-186p.
13. World Wide Fund for Nature - WWF (Fondo Mun-
dial para la Naturaleza), 2009. Manual de Buenas
Prácticas de Riego, Propuestas de WWF para un
Uso Eficiente del Agua en la Agricultura. España,
10p.
57
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Implementación de OpenFlow sobre NetFPGA
Implementation of OpenFlow on NetFPGA
Johnnathan Machado 1, Andrés Felipe Ramos 2 y Juan Carlos Cuéllar 3
Resumen
Las redes tradicionales están diseñadas e implementadas con diferentes dispositivos de red, como routers, switches y firewalls; cada uno tiene unas funciones asociadas y es configurado con diferentes estándares y protocolos para realizar la trasmisión de paquetes. Pero este modelo tradicional no es el único que existe, hoy en día se está empezando a imponer un nuevo modelo de red definida por software [SDN por Software Define Networks]. Si bien este modelo usa los mismos dispositivos de red, es diferente pues utiliza las ventajas del software de programación, el cual mediante una inter-faz universal controla los dispositivos de red y programa los servicios de envío o enrutamiento de paquetes. Este artículo presenta las ventajas de las SDN respecto de las redes tradicionales y muestra pruebas de desempeño básicas realizadas en un ambiente de laboratorio con una tarjeta NetFPGA implementando OpenFlow, en contraste con pruebas de desempeño realizadas con dispositivos de red comerciales.
Palabras Clave: Redes definidas por Software; OpenFlow; Control de flujo; switch; router.
Abstract
Traditional networks are designed and implemented with network devices such as routers, swit-ches, firewalls, etc. Each network device has associated functions and is configured with different standards and protocols for packet transmission. But this traditional model is not the only one that exists, today is beginning to impose a new model of software-defined network, known as SDN (Software Define Networks). While SDN also uses the same network devices, the difference is that these networks are using the advantages of programming software, which means to use a universal control interface; this interface controls the network devices and program delivery services or rou-ting packets. This article presents the advantages of SDN over the traditional networks and displays basic performance tests conducted in a laboratory environment with implementing OpenFlow in a NetFPGA card, in contrast to performance tests conducted with commercial network devices.
Keywords: Software defined networking; OpenFlow; Flow´s control; Switch; Router.
1 Ingeniero Telemático. Universidad ICESI, Cra 48 # 10-09. Cali-Colombia. [email protected]
2 Estudiante Ingeniería Telemática. Universidad ICESI, Cra 48 # 10-09. Cali-Colombia. [email protected]
3 Ingeniero Electricista. Magister en Ingeniería. Candidato a Doctor en Ingeniería Telemática. Director Programa Ingeniería
Telemática. Universidad ICESI, Cra 48 # 10-09. Cali-Colombia. [email protected]
Recibido 3 de marzo de 2014 Aprobado 30 de abril de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 57-71
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
58
1. Introducción
Las redes tradicionales a medida que crecen son
notoriamente más difíciles de administrar. Esto
se debe en buena parte a que cada dispositivo de
red contiene conjuntamente dos funcionalidades,
una para los datos y otra para el control, esto con-
lleva a una serie de inconvenientes. Uno de ellos
es que se hace necesario configurar cada dispo-
sitivo de red por separado mediante comandos
o una interfaz web, ya que a medida que la red
va aumentando en tamaño, es necesario adqui-
rir más dispositivos de red convirtiendo la tarea
de administración más compleja porque hay que
ajustar las direcciones de red, las reglas de los fi-
rewall, etc. Estos ajustes toman tiempo y no es-
calan bien si se agregan numerosos dispositivos
de red de manera simultánea (Strom, 2013). Otro
inconveniente es el hecho de que una red no es
estática, la topología está propensa a cambios, ya
sea por la necesidad de expansión de la misma o
por las caídas de los diferentes enlaces durante el
funcionamiento normal, lo que obliga a agregar
tareas a los equipos que pueden aumentar la la-
tencia en su procesamiento.
La división de las funcionalidades de datos y
control se pensó como una forma de resolver el
problema de administración de las redes actuales,
y fue de esta idea que nació la noción de SDN
(Software Define Network) o redes definidas por
software, donde se busca un control centralizado,
mientras que los dispositivos puedan dedicar to-
dos sus recursos al envió y direccionamiento de
datos. Lo que se busca con las SDN es ofrecer a
los administradores de red la flexibilidad necesa-
ria para configurar, administrar, asegurar y opti-
mizar los recursos de la red a través de progra-
mas de automatización definidos por una capa de
control.
Bajo el concepto de SDN, se ha creado el estándar
OpenFlow. El cual es el primer estándar de co-
municación que define un protocolo para la inte-
racción entre el software de control y el hardware
de red, como lo describe la arquitectura de Redes
definidas por software. OpenFlow permite el ac-
ceso directo y la administración de los dispositi-
vos de red tales como switches y routers, mediante
primitivas básicas que pueden ser utilizadas por
un software de aplicación externo para progra-
mar el reenvío de datos en los dispositivos de red
(ONF,2012).
SDN es un concepto que está llamando la aten-
ción; en universidades de los Estados Unidos ya
inició la implementación del estándar OpenFlow.
Existen casos como el de la Universidad de Stan-
ford en California, donde se encuentra en eje-
cución el protocolo OpenFlow como estándar
de comunicación entre sus dispositivos de red,
tanto de forma interna, como para la comunica-
ción con otras universidades de los Estados Uni-
dos –como las de Wisconsin e Indiana (Stanford,
2013). Ellos controlan el flujo de la información
mediante los controladores de los dispositivos
de interconectividad a través de software. Tam-
bién gigantes como Google y Facebook han de-
cidido implementar OpenFlow (Strom, 2013). El
Vicepresidente Senior de operaciones de Google
anuncio que desde principios de 2012 ya se en-
contraba funcionando con el estándar OpenFlow
(Open-Flow-20120512).
2. Metodología
Redes definidas por software
Los orígenes de las redes definidas por software
(SDN-Software Define Networks) provienen de la
investigación de los profesores Nick McKeown de
Stanford, Scott Shenker de Berkeley y un grupo
de sus estudiantes. El proyecto, llamado Ethane,
era una arquitectura de software para corporacio-
nes que permitía definir una política global para
la red, funcionaba con switches Ethernet norma-
les y con un control centralizado (Casado, 2008).
Se tenía entonces un controlador que almacenaba
la política global, la cual determinaba el destino
de cada paquete de datos. El controlador conocía
toda la topología para hacer el enrutamiento de
los datos y una administración de permisos de
59
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
acceso. El segundo componente eran los switches
Ethernet, que contienen únicamente una tabla de
envío y un canal seguro al controlador.
Uno de los estudiantes que trabajó en “Ethane”,
Martin Cascado, creó después un pequeño siste-
ma SDN que fue adquirido en 2012 por VMware.
Sus esfuerzos dieron como fruto el protoco-
lo OpenFlow (Strom,2013). Más a delante este
protocolo obtuvo su propia Fundación, la Open
Networking Foundation (ONF, 2012), la cual se
encarga de la promoción y adopción de SDN a
través del desarrollo de estándares abiertos.
La idea de las SDN no es nueva, aunque las em-
presas han invertido en virtualización y tecnolo-
gía de Cloud Computing aún no han logrado la
habilidad de proveer una conexión de red de for-
ma inmediata. La causa de esto tiene que ver con
la poca flexibilidad de una infraestructura donde
sus dispositivos cuentan con una funcionalidad
de datos y otra de control, y se requieren tener en
cuenta parámetros de configuración de red como
la direcciones IP o las reglas del Firewall, esto sin
contar con la variedad de aplicaciones y proto-
colos ejecutándose de manera simultánea. Como
resultado aparecen problemas en la administra-
ción y complejidad en la infraestructura de las re-
des a medida que estas van creciendo en usuarios
y aplicaciones.
La intención con las SDN fue separar los dife-
rentes dispositivos de red, como un enrutador,
su parte de datos y su parte de control, para co-
locar una interfaz de programación entre ambas
partes y poder lograr una “abstracción” de ambas
funcionalidades. Con esta abstracción se busca
dividir el problema de infraestructura en piezas
más sencillas de tratar (Shenker, 2011). Y este en-
foque está claramente plasmado en la definición
propuesta por la ONF, 2012: “En la arquitectura
de la SDN, los planos de control y de datos están
Sistema operativoSistema operativo
Aplicaciones
Plano de Control
Topología de la red ACL’S,
Envío y enrutamiento QoS,
Gestión de enlaces.
Plano de datos.
Enlace, Switching,
Envío, enrutamiento
Nodo de Red
Application
Programming
Interface (API)
Plano de datos.
Enlace, Switching,
Envío, enrutamiento
Nodo de Red
Topología de la red ACL’S,
Envío y enrutamiento QoS,
Gestión de enlaces.
Plano de Control
Aplicaciones
SDN stack
APIAPI
API
(a) (b)
Figura 1. Comparación entre el enfoque tradicional de red (a) y el enfoque basado en SDN (b). Adaptado de Sezer,
2013.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
60
desacoplados, la inteligencia y estado de la red es-
tán lógicamente centralizados, y la infraestructura
subyacente de red es abstraída desde las aplica-
ciones”. SDN se enfoca en cuatro características
principales: separación del plano de control del
plano de datos, un control y vista centralizada de
la red, interfaces abiertas entre dispositivos en el
plano de control y el plano de datos y programa-
ción de la red por aplicaciones externas (Sezer,
2013).
La Figura 1 refleja la diferencia entre el enfoque
tradicional de las redes de datos y el enfoque de
SDN; en su parte (a) se aprecia el enfoque tradi-
cional, en el cual el plano de control es respon-
sable de la configuración del dispositivo de red y
de la programación de los caminos para los flujos
de datos; en su parte (b), se presenta el enfoque
basado en SDN, en el cual el control es trasladado
fuera del dispositivo de red en un control centra-
lizado.
La primera versión de SDN (SDNv1) estaba con-
formada por dos partes:
Abstracción de envío: Que permitía tener un
modelo flexible de reenvío en la funcionalidad
de control de los dispositivos de red, hardware
“abstracto”, que permite obtener soluciones no
atadas a vendedores específicos y flexibilidad
en su arquitectura.
Sistema Operativo de Red o NOS (Network
Operating System): Que corre en los controla-
dores en la red, crea una vista de la red, donde
el control opera sobre ésta y por tanto no es un
control distribuido y hace uso de la Abstrac-
ción de envío.
En la Figura 2 se puede apreciar la estructura de
la versión de SDN. El resultado fue una red más
fácil de programar, verificar, y administrar.
Más adelante se dio una transición hacia SDNv2
de estructura similar a la versión previa y la tran-
sición surge de hacer una completa separación
de funcionalidades. Que dio como resultado tres
interfaces:
1. Interfaz de envío (Modelo abstracto de en-
vío), oculta las capas superiores del hardware
de envío.
2. Interfaz de distribución (Vista Global de la
Red), oculta las capas superiores del estado
de difusión.
3. Interfaz de especificación (Vista abstracta de
la red), oculta el control de programa de los
detalles de la red física.
Lo que se definió en su comienzo con SDN fue
que no se necesitaba de la creación de nuevos me-
canismos ya que para envío se podía usar MPLS,
Control de programa
Vista global de la red
Sistema operativo de red
Control vía
interfaz de usuario Protocolos Protocolos
Figura 2. SDNv1. Adaptado de ONF, 2012.
61
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
para distribución de estados se podían utilizar
protocolos como OSPF y para el control, BGP.
En SDN la idea era agregarle a las redes los be-
neficios de la programación modular que al igual
que con la programación y la abstracción permi-
tiera más flexibilidad y construir funcionalidades
más complejas que las infraestructuras actuales
con su poca flexibilidad no permitían.
También con SDN se busca poder definir com-
portamientos que sólo deberían ser especificados
en la red abstracta y que no se siguieran diseñan-
do protocolos de control distribuido.
La ONF ha venido haciendo desarrollos en las
SDN. Ellos definen a las SDN como traer progra-
mabilidad de software a las redes (Cariden, 2013).
En la SDN se refiere a un control de software ló-
gicamente centralizado.
Existen diferentes clases de SDN(Cariden, 2013):
FlowServices SDN, referencia una gran canti-
dad de aplicaciones de seguridad y visibilidad
que interactúan con flujos de datos.
Virtualization SDN, provee conectividad de
red virtual para eficiencia y agilidad.
Infraestructure SDN, provee visibilidad y con-
trol de recursos de red y aplicaciones de soft-
ware.
La clase de interés para este análisis es la Flow
Service SDN con interfaz OpenFlow. Esta clase
de SDN básicamente permite a un software es-
pecializado interactuar con flujos individuales
o arreglos de flujos. Por ejemplo en OpenFlow,
se definen reglas de flujo, si un paquete cumple
con la regla, se realiza una acción. En las SDN el
control, el NOS, está separado del plano de desa-
rrollo.
SDN es una arquitectura de red donde el control
es desacoplado de la trasmisión y se vuelve di-
rectamente programable (ONF, 2012). Este des-
acoplamiento crea una capa de abstracción entre
la infraestructura y las aplicaciones y servicios de
red, por lo que la red puede ser tratada como una
entidad virtualizada y se vuelve independiente
de cada uno de los dispositivos de comunicación
que la conformen y de sus fabricantes, que es una
ganancia para las empresas. En la Figura 3 se
puede apreciar la arquitectura lógica de la SDN
(ONF, 2012) y también se puede observar su si-
militud con SDN v1.
CAPA DE APLICACIÓN
CAPA DE CONTROL
CAPA DE INFRAESTRUCTURA
Sofware de
control SDN
API API API
Interface de planes de control de datos
Dispositivo de red
Dispositivo de red
Dispositivo de red
Dispositivo de red
Dispositivo de red
Aplicaciones del negocio
Servicios de red
Figura 3. Arquitectura SDN. Adaptado de (ONF, 2012)
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
62
En las SDN el control ya no está sujeto a dispositivos individuales de red sino a dispositivos informáticos. La inteligencia de red se centraliza en controladores SDN, los cuales mantienen una visión global de la red y permiten un control centralizado. Por esto, la red es como una entidad lógica y será vista como un único switch lógico para las aplicaciones y demás políticas. Al existir esta centralización se tendrá un control total de la red desde un sólo punto lógico lo que simplifica enormemente su diseño y operación, también sim plifica los dispositivos que la conforman en sí mismos, pues estos ya no necesitan entender ni procesar estándares de protocolos, sólo necesitan aceptar instrucciones de los controladores SDN (ONF, 2012).
Una característica importante de las SDN es su configuración, pues los operadores de la red pue-den configurarla con facilidad ya que su abstrac-ción dispone de un controlador centralizado y no tiene la necesidad de programar varias líneas de código en dispositivos dispersos. Además se pue-de alterar/configurar el comportamiento de la red en tiempo real e implementar nuevos servicios o nuevas aplicaciones rápidamente, en horas o días y no en meses como sucede con otras arquitecturas. El controlador provee también programas especia-les tipo SDN que permiten a los operadores más flexibilidad a la hora de configurar, administrar, proteger y optimizar los recursos de manera di-námica. Estos programas pueden ser escritos por los mismos operadores, por lo que no dependen de vendedores (ONF, 20). Adicionalmente de la abstracción del control de la red, la arquitectura SDN admite un conjunto de API que hacen posi-ble la implementación de servicios de red comu-nes como enrutamiento, multidifusión, seguridad, control de acceso, gestión de ancho de banda, ingeniería de tráfico, calidad del servicio, uso de energía y demás políticas de gestión de redes.
3. Resultados
OpenFlow- Vista general
OpenFlow es un nuevo estándar para control
avanzado de redes; de código abierto, fue desa-
rrollado por investigadores de las Universidades
de Stanford y California con el fin de estandari-
zar la comunicación entre switches y un controla-
dor basado en software en una arquitectura SDN
(McKeown, 2008). OpenFlow se agrega como
una función para los Switches comerciales permi-
tiendo a sus usuarios llevar a cabo experimentos,
sin necesidad de estar ligados directamente al
proveedor de los dispositivos de red. OpenFlow
está siendo implementado por los principales fa-
bricantes de dispositivos de red del mercado.
El inicio de esta tecnología se dio debido a la im-
posibilidad de manejar las asignaciones de ru-
tas en Internet y cambiar la infraestructura del
modelo OSI de Internet, con la investigación de
esta tecnología lo que se pretende es básicamente
abrir Internet a los investigadores, hacer conexio-
nes de red por software para tener control sobre
el tráfico, lo que permitiría encaminar mejor los
paquetes, teniendo mejoras en el desempeño de
servicios como video, telefonía móvil, ancho de
banda, entre otros.
La puesta en marcha de este proyecto se tornó
algo complicado ya que acceder al código fuen-
te del software que controla el hardware de los
switches comerciales era casi imposible debido a
los licenciamientos y privacidad de cada uno de
los fabricantes. Se empezó con el desarrollo en
switches de laboratorio creados por estudiantes y
profesores de las universidades de Stanford y Ca-
lifornia, con el auge del proyecto y lo valioso de
sus resultados, grandes compañías como Cisco,
Juniper, HP, entre otras, se empezaron a interesar
por el proyecto y en la actualidad HP tiene en su
lista de productos switch que soportan el proto-
colo OpenFlow. La política principal es que es un
estándar de código abierto.
Actualmente se ha probado en el campus de la
Universidad de Stanford con un total éxito, se
han unido otras nueve universidades a esta in-
vestigación tales como la Universidad de Cali-
fornia, Universidad de Washington, Universidad
de Wisconsin entre otras (Lara, 2013), y se está
63
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
probando para crear una red de universidades re-
gidas por esta tecnología.
En cuanto a las versiones de OpenFlow se puede
indicar hay disponibles diferentes versiones. La
primera versión fue la 0.2.0 lanzada en marzo del
2008, las versiones 0.8.0 y 0.8.1 llegaron en mayo
de 2008. La versión 0.8.2 se lanzó en octubre de
2008 adicionando mensajes de Echo Request and
Echo Replay. En diciembre de 2008 se lanzó la ver-
sión 0.8.9 que incluía máscaras IP e información
estadística adicional. La versión 0.9.0 fue lanzada
en julio de 2009 y la versión 1.0 que es la más usa-
da fue lanzada en diciembre de 2009 (Lara, 2013).
Las versiones 1.0.0, 1.1.0, 1.2 y 1.3.0 están dispo-
nibles. Y en el documento (OpenFlow Switch
Specification, 2012) se encuentra de manera deta-
llada los cambios incluidos a cada versión.
Funcionamiento de dispositivos de red
Como se puede apreciar en la Figura 4, los dis-
positivos de red en la actualidad cuentan con tres
planos de operación muy importantes: el plano de
control, que son los protocolos de enrutamiento
como OSPF, BGP, entre otros, que corren sobre el
dispositivo para controlar el re-envío de paque-
tes. El plano de administración del dispositivo,
para su respectiva configuración que se realiza
a través de protocolos de administración como
SNMP, SSH o XML. Por último se encuentra el
plan de reenvío (Forwarding) de paquetes el cual
será indicado por el plan de control (Protocolo de
enrutamiento) que se ejecute sobre el dispositivo.
Pero, ¿cómo los dispositivos comienzan a inter-
cambiar paquetes? Pues bien, los dispositivos de
red, como los switches y routers, cuentan con ta-
blas de información básicas de los dispositivos,
cuya función es encontrar la interfaz adecuada de
entrada para que el paquete pueda ser transmiti-
do, conocidas como Forwarding tables o Forwar-
ding Information Base (FIB) (Trotter,2001).
Con la información básica en los dispositivos las
FIB, aparecen las routing information base (RIB),
también conocidas como tablas de enrutamiento
son las que contienen las listas con las diferentes
rutas a los diferentes nodos en una red informá-
tica. Para tener una idea más clara de estos dos
conceptos de FIB y RIB, los FIB se han optimi-
zado para la búsqueda rápida de direcciones
de destino, son usadas principalmente en redes
pequeñas y en donde se puede tener un conoci-
miento uno a uno de todos sus nodos, los RIB se
utiliza principalmente para tener conocimiento
de todo Internet y saber cómo llegar desde cual-
quier punto hasta un destino (Berkowitz, 2005).
Con la información de las FIB y RIB en cada uno
de los dispositivos de intercomunicación, los
protocolos de enrutamiento empiezan a jugar su
papel en el conocimiento de las redes, los proto-
colos empiezan a mapear caminos y a llenar las
tablas de enrutamiento de manera dinámica para
encontrar los mejores caminos y los más cortos
utilizando diferentes algoritmos dependiendo del
protocolo.
Con base en esto, el controlador mediante soft-
ware, se encarga de la administración del hard-
ware de los dispositivos de red, permitiendo
constituir una estructura en la cual los FIB sean
construidos desde los RIB, y las tablas de infor-
mación de reenvío se construyan solo con las
mejores rutas obtenidas en las tablas de enruta-
miento.
Con esta nueva parte en la infraestructura de las
redes, el controlador, la arquitectura de los dis-
positivos de red será mucho más sencilla y se
PLANO DE GESTIÓNPLANO
DE CONTROL
PLANO DE ENVÍO
OSPF/BGP-LDP
CLI/SSH/SNMP/XML
Figura 4. Operación de dispositivos de red actualmente.
Adaptado de Ferro, 2012.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
64
podrán construir dispositivos a más bajo costo.
En la Figura 5 se puede observar la arquitectura
actual de un dispositivo de red, los cuales cuen-
tan con software complejo en el plano de control
para la implementación de los protocolos de red
y con su administración embebida en el mismo
dispositivo.
Con un dispositivo OpenFlow, el sistema opera-
tivo es mínimo, solo un firmware y un adminis-
trador del dispositivo serán incluidos en la nueva
arquitectura que es menos compleja, consumirá
menos recursos y su costo será menor.
El controlador será el software que brinde conec-
tividad a todos los dispositivos en la red, cons-
truirá una topología de la red en memoria, corre-
rá el algoritmo para mapear la red y actualizará
las tablas de reenvío con un API, usando el pro-
tocolo OpenFlow, que será el que sostenga la co-
municación entre el dispositivo y el controlador.
El controlador está conformado por la interfaz de
usuario (UI), la cual será el acceso y la adminis-
tración para los usuarios del controlador. El con-
trolador tendrá un mapa de toda la red. Contará
con el protocolo OpenFlow con el cual se comu-
nicará con cada uno de los dispositivos de la red.
El controlador podría correr un algoritmo de ca-
mino más corto para hacer lo mismo que OSPF y
podría implementar BGP para la interoperabili-
dad con otras redes, como un router server.
Funcionamiento
En un router o switch clásico, la transmisión de
paquetes y el enrutamiento se producen en el
mismo dispositivo. Lo que se pretende con este
nuevo estándar es separar estas dos funciones. La
porción del camino continuará residiendo en el
switch, mientras que las decisiones de alto nivel
como el enrutamiento se trasladarán a un contro-
lador independiente.
El estándar de OpenFlow se constituye de tres
elementos básicos:
Hardware: Un switch que soporte el estándar
OpenFlow.
Software (Controlador): Un software que será el
controlador de los dispositivos de red, donde el
administrador de red define la manera de fun-
cionamiento del dispositivo de red, ya sea como
switch o como router.
Protocolo: El protocolo OpenFlow que se encar-
gará de la comunicación entre el hardware y el
software.
DISPOSITIVO DE RED
Plano de control
Ruta de datos/envíoGestión
Figura 5. Arquitectura típica de los dispositivos actuales.
Adaptado de McKeown, 2008.
Controlador
OpenflowSTP/OSPF/BGP
Vecinos
Gestión
Cliente Openflow
Sistema operativo de red
Ruta de datos/envío
Figura 6. Arquitectura de dispositivo OpenFlow. Adap-
tado de Ferro, 2012.
arquitectura del dispositivo, como se puede ob-
servar en la Figura 6.
Toda la complejidad del software se escala a un
nivel superior, al controlador (Open Flow Contro-
ller en la Figura 6). Los dispositivos OpenFlow
también podrán soportar los ya conocidos pro-
tocolos de enrutamiento como OSPF, BGP, entre
otros. El Network OS o sistema operativo de red
será el encargado de la operación de todos los dis-
positivos operacionales tales como el arranque,
la administración de memoria, controlador del
protocolo OpenFlow y agente SNMP. Esta nueva
65
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
El Switch de OpenFlow se comunicará con el
controlador a través del protocolo OpenFlow,
que definirá los mensajes –tales como recepción,
envío y modificación de paquetes– y ayudará a
obtener estadísticas.
OpenFlow trabaja con base en una tabla de flujos
o flowtable, la cual contiene las entradas sobre el
flujo, la llegada y salida de paquetes en el Switch.
En la Tabla 1 se puede observar la estructura de
una entrada de flujo en una flowtable.
Tabla 1. Componentes de una entrada de flujo en
una flowtable. Tomado de (Openflow, 2011)
MATCH FIELDS COUNTERS INSTRUCTIONS
Cada entrada de la flowtable contiene:
Match field: Contiene información tal como
puerto de entrada, cabecera de los paquetes, es-
pecificaciones de la tabla anterior, entre otros.
Counter: Lleva la cuenta de la actualización de
los paquetes
Instrucción: Contiene la acción que se va a reali-
zar, puede un set para cambiar algo, o un borrar
la entrada entre otras instrucciones.
El funcionamiento básico de OpenFlow consis-
te que cuando a un Switch llega una entrada que
no conoce, se le envía el paquete al controlador
mediante el protocolo OpenFlow. El controla-
dor entonces especifica los campos y las acciones
que deben ser aplicadas a los paquetes (Palacin,
2009).
Se pueden aplicar diferentes acciones a los pa-
quetes:
Apply-action acción: Aplica la acción especifi-
cada inmediatamente.
Clear-action acción: Borra todas las acciones
establecidas inmediatamente.
Write-action acción: Combina la acción actual
con las ya existentes.
El protocolo OpenFlow es el que describe la en-
trega de datos entre el controlador y el disposi-
tivo. Conceptualmente, en términos generales,
igual a SNMP, utiliza una conexión SSL que le
proporciona una comunicación segura entre el
controlador y el dispositivo.
Controlador NOX
NOX es la plataforma para crear aplicaciones
de control de red y se destina a proporcionar
una plataforma de programación para controlar
uno o más switches OpenFlow. Es una platafor-
ma abierta para el desarrollo de las funciones de
gestión de redes empresariales y del hogar. NOX
se ejecuta en hardware y proporciona un entorno
de software en la parte superior de los programas
que pueden controlar grandes redes a velocidad
Gigabit.
NOX permite lo siguiente:
NOX proporciona funcionalidades sofistica-
das de red (gestión, visibilidad, control) en
switch de muy bajo costo.
Los desarrolladores pueden añadir su propio
software de control para el manejo de la red.
NOX ofrece un modelo de programación
central para toda la red. Un programa puede
controlar las decisiones de envío en todos los
switches de la red.
NOX fue el primer controlador de OpenFlow
donado a la comunidad científica en 2008 por la
compañía Nicira. En una red OpenFlow, NOX
controla la red enviándole mensajes al Switch
de OpenFlow a través del protocolo OpenFlow,
que define los mensajes, tales como recepción de
paquetes, envío de paquetes, modificación de pa-
quetes y ayudará a obtener estadísticas de la red
(Gude, 2008).
NetFPGA
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
66
NetFPGA es una plataforma hardware de bajo
costo, diseñada por la Universidad de Stanford
como una herramienta para el diseño de hard-
ware de redes (switches y enrutadores) que per-
mite a los investigadores la construcción de pro-
totipos de trabajo de alta velocidad y sistemas de
redes con hardware de alto desempeño.
Las FPGA (Field Programmable Gate Array) son
dispositivos lógicos de propósito general que se
pueden programar por el usuario, compuesto
de bloques lógicos comunicados por conexio-
nes programables. Puede realizar funciones tan
sencillas como las hechas por una puerta lógica
o hasta funciones complejas como las realizadas
por un sistema basado en microprocesador.
Las FPGA son utilizadas en aplicaciones hechas
a la medida para un uso particular y los requeri-
mientos de un usuario. Tienen la ventaja de ser
reprogramables, lo cual añade una enorme flexi-
bilidad al flujo de diseño, sus costes de desarrollo
y adquisición son más bajos en comparación con
otros dispositivos con características similares y
el tiempo de desarrollo también es menor (Wat-
son, 2006).
Entre las aplicaciones más frecuentes que tienen
uso las FPGA se encuentran, el procesamiento
digital de señales, radio definido por software,
sistemas aeroespaciales, sistemas de imágenes
para medicina, reconocimiento de voz, bioinfor-
mática, entre otras (etFPGA-OneGig, 2012).
La tarjeta de desarrollo de NetFPGA que se utili-
zó para las pruebas se puede apreciar en la Figura
6 y tiene las siguientes especificaciones: Conec-
tor PCI: Bus estándar de 32 bits, 33Mhz, 4 Inter-
faces GigaBitEthernet (1Gbps), un chip FPGA
Virtex-2, SRAM de 4,5 MBytes y DRAM de 64
MBytes (Figura 7).
Ya que la tarjeta NetFPGA cuenta con memoria
SRAM y DRAM que son memorias volátiles, al
desconectar su alimentación eléctrica perderán
la información por lo que la tarjeta quedará des-
configurada y será necesario su reconfiguración
(NetFPGA,2012).
La tarjeta tiene tres opciones de uso para imple-
mentar un switch o un enrutador: una de ellas es
descargando las librerías de un switch o enruta-
dor básico e instalarlas directamente en la tarjeta,
otra descargando las librerías básicas y agregar
extensiones (módulos hardware) creados por el
usuario y creando un nuevo router o switch con
librerías desarrolladas por el usuario o por el de-
sarrollador (Naous et al., 2008).
Pruebas de laboratorio
Para la realización del montaje de pruebas se
utilizó el material la Universidad de Stanford.
La cual ya ha realizado con OpenFlow es sus la-
boratorios diferentes experimentos y montajes.
Principalmente se siguió una de sus guías para el
montaje de una red OpenFlow con múltiples PC/
NetFPGAs con un controlador NOX en un labo-
ratorio (OpenFlow, 2012); la cual contenía toda
la información necesaria para realizar un mon-
taje de manera eficiente y sencilla, indicando re-
querimientos de software y hardware así mismo
como detallando una serie de pasos a seguir. Esta
guía se adaptó al Laboratorio de Redes de la Uni-
versidad Icesi, donde se realizaron los montajes Figura 7. Tarjeta NetFPGA. Tomado de NetFPGA, 2012
67
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
y pruebas (Tanenbaum, 2003) que se describen a
continuación:
Para el montaje de pruebas, básicamente se reali-
zaron los siguientes procesos:
- Instalación de la tarjeta NetFPGA: Para este
montaje se instaló el LiveDVD de Fedo-
ra(2012), que trae los paquetes básicos para
el funcionamiento de la tarjeta NetFPGA y
por medio de comandos se puede compro-
bar que la instalación esté correcta (NETFP-
GA, 2011).
- Instalación del módulo OpenFlow sobre el
Hardware NetFPGA: Luego de tener todo
el hardware configurado y listo para su uso,
se instala el módulo OpenFlow para realizar
pruebas de capa 2 y capa 3 sobre el protocolo
OpenFlow.
- Instalación del software del Controlador
NOX para el control de OpenFlow (Noxre-
po,2012). Para la instalación del software
del controlador se usó el sistema operativo
Ubuntu 12.04.
- Comunicación entre el SwitchOpenFlow y
el controlador: Una vez se tienen todos los
componentes de la solución listos, tanto el
switchOpenFlow como el controlador se
puede iniciar la comunicación entre estos.
OpenFlow funcionando como switch de capa 2
Después de haber sincronizado correctamente el
controlador con el Switch se validó el funciona-
miento de Switch OpenFlow de capa 2. Se con-
figuró la topología que se puede observar en la
Figura 8 en el laboratorio de la Universidad Icesi.
Para validar que el switch funcione correctamen-
te se utiliza el comando de administración y el
monitoreo del switch OpenFlow:#dpctl. Con este
comando se puede observar el estado actual de
los puertos, tabla de flujos, agregar y eliminar flu-
jos, ver la tabla de direcciones MAC, entre otros
(Openvswitch, 2012)
Comparación de rendimiento entre Switch
OpenFlow y un Switch Cisco 2950
Figura 8. Topología diseñada en el laboratorio para implementar OpenFlow como
Switch capa 2.
ControladorNOX
Switch Openflowsobre NetFPGA
H1: 10.0.0.5/24H2: 10.0.0.6/24 H3: 10.0.0.7/24 Sevidor FTP
10.0.10/24
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
68
Para realizar una comparación de rendimiento se
siguieron los siguientes pasos: Se realizó un mon-
taje de red igual al de la Figura 7, intercambian-
do el Switch OpenFlow sobre NetFPGA por un
switch Cisco capa 2, con 2 puertos GB Ethernet,
de referencia Catalyst 2950 (Cisco2950, 2012).
Para las pruebas se utilizaron paquetes ICMP de
solicitud y respuesta mediante el comando PING.
Se enviaron paquetes de diferentes tamaños entre
el equipo H1 y el equipo H2. El tamaño de los
paquetes se varió desde 64 bytes hasta 1500 bytes.
En la Figura 9 se pueden apreciar los resultados
obtenidos, mostrando que cuando los paquetes
de ping son pequeños el tiempo de envió es simi-
lar. Pero a medida que el tamaño de los paquetes
aumenta, el switch Cisco se demora más en el en-
vió. De esta figura se puede concluir que Open-
Flow tiene mejor desempeño que Cisco, ya que
el tiempo de envío se mantuvo constante, esto,
aclarando que el switch Cisco no tenía más equi-
pos conectados, estaba solo dedicado a la trans-
misión del ping.
Luego de la prueba de envío de paquetes ICMP,
se realizó una prueba más rigurosa. Se instaló un
Servidor FTP mediante el Software FileZilla FTP
Server (FTP Server, 2012) en un equipo del labo-
ratorio, tal como lo muestra la topología de la Fi-
gura 7. Se configuró un usuario para tener acceso
desde el equipo H3 al servidor (FTP, 2012). Para
el equipo H3 y el FileServer se transfirió una ima-
gen de disco ISO de 1GB. El tiempo de esta trans-
ferencia en el switch Cisco fue de 18 segundos,
mientras que utilizando el switch OpenFlow fue
de 14 segundos. La diferencia fue de 4 segundos,
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
64 128 256 512 1024 1508
Tie
mp
o (
mse
g)
Tamaño de paquete (Bytes)
Switch Openflow Switch Cisco
Figura 9. Envío de paquetes ICMP de diferentes tama-
ños en switch OpenFlow y switch Cisco
Figura 10. Topología diseñada en el laboratorio para implementar OpenFlow como Switch capa 3.
ControladorNOX
10.02.1010.0.2.0/24
10.0.2.110.0.1.1
10.0.3.0/24
10.0.3.10
10.0.3.1
10.0.4.1
10.0.4.0/24
10.0.4.10
10.0.1.0/24
Servidor FTP10.0.1.10
69
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
esto se debe a que los algoritmos utilizados en el
Switching de OpenFlow son mucho más eficien-
tes que los utilizados en Cisco.
OpenFlow funcionando como switch de capa 3
Para configurar OpenFlow como un Switch de capa 3 se debe reprogramar la tarjeta y volver a configurar como el módulo Switch, pero en esta ocasión se le dirá al Switch que también sea un Router. En la Figura 10 se muestra la topología utilizada para realizar las pruebas de OpenFlow en capa 3.
Comparación de rendimiento entre SwitchO-penFlow y un Router Cisco 3825
Para realizar una comparación y validar la imple-mentación del protocolo OpenFlow, se realizó un montaje de red mostrado en la Figura 10, para un caso la prueba se realizó sobre la tarjeta Net FPGA configurada como switch de capa 3 y para la otra con un router Cisco 3825, con 2 puertos GB Ethernet (Cisco3825, 2012). Se transfirió un archivo de 1GB en ambos montajes y utilizando el Switch OpenFlow capa 3 la transferencia del ar-chivo tardó 18 segundos mientras que en Router Cisco la transferencia del archivo tardó 20 segun-dos. Se puede apreciar que al igual que con los Montajes con Switches capa 2, en capa 3 el Swit-chOpenFlow tiene un menor rendimiento que el Switch y router Cisco.
4. Conclusiones
Con las pruebas realizadas en el laboratorio de la Universidad Icesi, se puede concluir que Open-Flow se puede convertir en una gran alternativa para el Switching en Ethernet, ya que tiene las mismas funciones que un switch de capa 2, agre-gándole un gran desempeño a la transmisión de paquetes. Además de su desempeño como switch de capa 2, posee la capacidad de configurarse como Switch de capa 3, añadiéndole un excelente desempeño en términos de throughput y proce-samiento, en comparación con las tecnologías y dispositivos actuales.
Openflow, aparte de su gran desempeño, aña-
de una gran flexibilidad, permite a sus usuarios
crear caminos para sus paquetes, al permitir
crear reglas que le indiquen a los paquetes por
qué puerto deben entrar y por qué puerto deben
salir. Permite la fácil administración de una red
de comunicaciones; mediante su controlador
(software de control NOX), se puede realizar una
administración centralizada, no solo de uno, sino
de varios dispositivos de red que implementen la
tecnología Openflow.
Aparte del desempeño, su flexibilidad y la admi-
nistración que brinda la tecnología Openflow,
tiene un valor agregado y es la seguridad que se
puede tener en una red al implementar Openflow.
Con reglas, similares a las que se configuran en
un firewall, se pueden crear en los Switch Open-
Flow para evitar el paso de paquetes maliciosos o
que provengan de sitios que se han identificado
como peligrosos, lo que añade un modulo de se-
guridad a los dispositivos.
OpenFlow no solo se convierte en una solución
para las grandes empresas, sino que también se
convierte en una gran posibilidad para que las
medianas y pequeñas empresas puedan invertir
en tecnología mucho más fácil de administrar y a
unos costos mucho más asequibles, ya que con la
implementación de un switch OpenFlow podrán
tener no solo el switching de la red sino también
funciones de enrutamiento IP.
5. Referencias Bibliográficas
1. Berkowitz H., RFC 4098: Terminology for Berch-
marking BGP Device Conveergence in the control
plane, 2005.
2. Cariden, “Infrastructure SDN with Cariden Te-
chnologies,” 15 Agosto 2013. [Online]. Available:
http://cdn.sdncentral.com/wp-content/uploads/
2012/08/Infrastructure_SDN.pdf. [Accessed 27
Marzo 2013].
3. Casado M., M. J. Freedman, J. Pettit, J. Luo, N. Mc-
Keown y S. Shenker, 2008 «Ethane Taking Control
of the
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
70
4. Cisco 2950, «Switch Cisco 2950,» [En línea]. Avai-
lable: http://www.cisco.com/en/US/products/hw/
switches/ps628/index.html. [Último acceso: 19
Noviembre 2012].
5. Cisco3825, «Router Cisco 3825,» [En línea]. Avai-
lable: http://www.cisco.com/en/US/products/ps
5857/index.html. [Último acceso: 28 Noviembre
2012].
6. Defined Networks,» IEEE Communication Maga-
zine, pp. 36-43, July 2013.
7. Enterprise,» [En línea]. Available: http://www.
cs.utexas.edu/users/yzhang/teaching/cs386m-f8/
Readings/fp298-casado.pdf. [Último acceso: 3
Mayo 2013].
8. Fedora «Fedora core with netfpga live cd,» [En lí-
nea]. Available: http://netfpga.org/foswiki/bin/
view/NetFPGA/OneGig/LiveDVDInstall. 4.1.1 .
[Último acceso: 2 Julio 2012].
9. Ferro G.2012. [En línea]. Available: demo.ipspace.
net/get/Software%20Defined%20Networking.pdf.
[Último acceso: 25 Septiembre 2012].
10. FTP .«Creación y Gestión de Usuarios de FileZi-
lla FTP Server,» [En línea]. Available: http://www.
adslayuda.com/filezilla_ftp_server-usuarios.html.
[Último acceso: 17 Noviembre 2012].
11. FTP Server «Manual FileZilla FTP Server,» [En lí-
nea]. Available: http://www.adslayuda.com/filezi-
lla_ftp_server.html. [Último acceso: 19 Noviembre
2012].
12. Gude N., B. Pfaff, T. Koponen, M. Casado, S.
Shenker, J. Pettit y N. Mckeown. 2008[En línea].
Available: http://www.cs.stonybrook.edu/~vyas/
teaching/CSE_592/Fall12/papers/nox.pdf. [Último
acceso: 1 Marzo 2012].
13. Lara A. K. a. B. R. A., «Network Innovation using
OpenFlow: A Survey.,» IEEE Communications
Surveys and Tutorials, Aug 2013.
14. McKeown, T. A. H. G. P. L. P. J. S. S. a. J. T. N.
«OpenFlow: enabling innovation in campus net-
works.,» SIGCOMM Cumpt. Commun. Rev, vol.
38, nº 2, pp. 69-74, 2008.
15. Naous J, D. Erickson, A. Covington, G. Appenzeller
y N. Mckeown. 2008 [En línea]. Available: http://
yuba.stanford.edu/~jnaous/papers/ancs-open-
flow-08.pdf. [Último acceso: 20 Abril 2012].
16. NetFPGA . 2012 «NetFPGA,» [En línea]. Available:
http://www.netfpga.org/. [Último acceso: 24 Junio
2012].
17. NETFPGA «Verificación de Hardware y Software,»
13 Octubre 2011. [En línea]. Available: http://wiki.
netfpga.org/foswiki/bin/view/NetFPGA/OneGig/
VerifyHardwareAndSoftware#Run_Selftest. [Últi-
mo acceso: 17 Noviembre 2012].
18. NetFPGA-OneGig.2012 [En línea]. Available:
http://netfpga.org/foswiki/bin/view/NetFPGA/
OneGig/. [Último acceso: 27 Octubre 2012].
19. Noxrepo [En línea]. Available: https://github.com/
noxrepo/nox-classic/wiki/Using-NOX . [Último
acceso: 2 Julio 2012].
20. ONF, 2012 «Software-Defined Networking:The
New Norm for Networks.,» white paper https://
www.opennetworking.org.
21. Open Networking Foundation (ONF) 13 Abril
2012. [En línea]. Available: https://www.opennet-
working.org/images/stories/downloads/white-
papers/wp-sdn-newnorm.pdf. [Último acceso: 1
Septiembre 2012].
22. Openflow .28 Febrero 2011. [En línea]. Available:
http://www.openflow.org/documents/openflow-
spec-v1.1.0.pdf. [Último acceso: 2012 Enero 30].
23. OpenFlow «OpenFlow deployment portal,» [En
línea]. Available: http://yuba.stanford.edu/foswiki/
bin/view/OpenFlow/Deployment/HOWTO/Lab-
Setup. [Último acceso: 2 Julio 2012].
24. OpenFlow Switch Specification. 2012 «OpenFlow
Switch Specification, version 1.3.0 (Wire Protocol
0x04),» [On Line] Avaible https://www.opennet-
working.org/images/stories/downloads/specifica-
tion/openflow-spec-v1.3.0.pdf.
25. Open-Flow-20120512 «Google funciona con Open
Flow,» 12 Mayo 2012. [En línea]. Available: http://
www.elancasti.com.ar/tecnologia/Google-funcio-
na-con-Open-Flow-20120512-0012.html. [Último
acceso: 3 Junio 2013].
26. Openvswitch [En línea]. Available: http://
o p e n v s w i t c h . o r g / c g i - b i n / o v s m a n .
cgi?page=utilities%2Fovs-dpctl.8 . [Último acceso:
20 Noviembre 2012].
27. Palacin M. Mateo, OpenFlow Switching: Data Pla-
ne Performance, Tesis de Maestría. Torino: Politéc-
nico de Torino. Facultad de Ingeniería. Departa-
mento de Ingeniería de Telecomunicaciones, 2009.
28. Sezer, S. S.-H. P. B. F. D. J. F. N.-. V. M. M. S. «Are
We ready for SDN? Implementation Challenges for
Software-
71
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
29. Shenker S., «Slideshare,» 5 Enero 2011. [En línea].
Available: http://www.slideshare.net/martin_ca-
sado/sdn-abstractions. [Último acceso: 1 Mayo
2013].
30. Stanford, «Dashboard,» [En línea]. Available:
https://openflow.stanford.edu/dashboard.action.
[Último acceso: 3 Junio 2013].
31. Strom D., «arstechnica,» 19 Febrero 2013. [En lí-
nea]. Available: http://arstechnica.com/informa-
tion-technology/2013/02/100gbps-and-beyond-
what-lies-ahead-in-the-world-of-networking/2/.
[Último acceso: 1 Mayo 2013].
32. Tanenbaum A., Redes de computadoras, México:
Pearson Educación, 2003.
33. Trotter G., RFC 3222: Terminology for Forwarding
Information Base (FIB) based Router Performance,
2001.
34. Watson G.N. M. a. M. C. 2006 [En línea]. Available:
http://groups.csail.mit.edu/cag/warfp2006/sub-
missions/watson-stanford.pdf. [Último acceso: 27
Octubre 2012].
73
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Diseño e implementación de un prototipo inhibidor de señales de celular para un salón de clases
Design and implementation of an inhibitor prototype of cellular signals for a classroom
Martín Diomedes Bravo Obando1, Juan Gabriel Carvajal Vega2
y Alejandro Fabián Torres Camacho3.
Resumen
Este proyecto, consiste en el diseño y la implementación de un prototipo inhibidor de señales de celular para un salón de clases y así, evitar el plagio académico por medio de la red celular. Existen varias técnicas para realizar un Jammer, nombre con el cual también se conocen los inhibidores, siendo la técnica de inhibición por ruido la más conveniente debido a la gran dificultad para tener acceso a la información técnica necesaria de la señal a inhibir; los aspectos necesarios para poder ejecutar esta técnica son: conocer los rangos de frecuencia donde opera la señal objetivo y disponer de un analizador de espectros. Por último, se logró desarrollar un prototipo inhibidor de celulares con un comportamiento efectivo dentro de un radio de 3 metros a la redonda, se aclara que por fuera de este rango (3 a 10 metros de radio) también se impide la comunicación pero la inhibición no es tan efectiva, sólo degrada la calidad de la señal.
Palabras claves: Inhibidor, Espectro de frecuencia, MINTIC, GSM, UMTS, VCO, RF, PCB.
Abstract
This project consists in the design and implementation of an inhibitor prototype of cellular signals for a classroom and thus avoid academic plagiarism through the cellular network. There are several techniques to build a Jammer, which is known also as inhibitors, being the inhibition technique by noise the most convenient because of the great difficulty to access the technical information neces-sary to inhibit signal; the aspects needed to implement this technique are: to know the frequency operating ranges of the target signal and to arrange an analyzer of spectrums. Finally, it was possible to develop a cell inhibitor prototype with an effective behavior within 3 meters around, it is clarified that outside this range (3 to 10 m radius), the communication is inhibited but the inhibition is not so effective, only degrading the quality of the sign.
Keywords: Inhibitor, Frecuency Espectrum, MINTIC, GSM, UMTS, VCO, RF, PCB.
1 Ingeniero Electrónico C.D. Universidad Surcolombiana. Neiva Av. Pastrana Borrero – Carrera 1. [email protected]
2 Ingeniero Electrónico e Ingeniero de Sistemas. Universidad Surcolombiana. Neiva Av. Pastrana Borrero – Carrera 1. viaju55@
hotmail.com
3 Ingeniero Electrónico. Universidad Surcolombiana. Neiva Av. Pastrana Borrero – Carrera. [email protected]
Recibido 15 de octubre de 2013 Aprobado 27 de febrero de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 73-84
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
74
1. Introducción
La mayoría de los grandes desarrollos tecnológi-
cos, han surgido de las necesidades militares, los
dispositivos inhibidores de señal o jammers no
son la excepción porque en sus inicios, se em-
plearon para evitar las comunicaciones de los
grupos enemigos.
Los inhibidores de señales de celular o jammers,
bloquean el uso de teléfonos celulares mediante
el envío de ondas de radio a lo largo de las mis-
mas frecuencias que utilizan los teléfonos celu-
lares. Esto hace que se genere una interferencia
suficiente entre la comunicación de los teléfonos
celulares y las torres así los teléfonos quedan in-
servibles y la red simplemente parece fuera de
alcance.
Con el empleo de estos dispositivos inhibido-
res de señal celular se puede contrarrestar, tan-
to problemas de seguridad como de aislamiento
acústico, el primero hace referencia al empleo de
celulares como detonadores de explosivos, situa-
ciones delictivas en un banco o desde una cárcel,
invasión a la privacidad, en estaciones de gasoli-
na y plagio académico en los exámenes, siendo
este último el objetivo principal de este proyecto.
En cuanto al aislamiento acústico se encuentra el
uso de teléfonos celulares en iglesias, bibliotecas,
cines, teatros, etc.
Las comunicaciones a través de dispositivos mó-
viles son muy comunes en la actualidad y hay
países donde la cantidad de líneas telefónicas ce-
lulares sobrepasan al número de habitantes, “Co-
lombia alcanzó 47.172.785 abonados en servicio
de telefonía móvil al término del primer trimes-
tre de 2012, 972.364 abonados más que a diciem-
bre 31 de 2011, lo que representó un crecimiento
del 2,10%. De acuerdo con esta cifra, a marzo de
2012, en el país existen 101,3 abonados en servi-
cio de telefonía móvil por cada 100 habitantes”.
Estas son noticias alentadoras; aunque, al mismo
tiempo, se ha podido apreciar en las personas
una enorme dependencia hacia su teléfono móvil
(MINTIC, 2012).
Debido a esta gran proliferación de los celulares
en nuestra sociedad, los estudiantes tienen a la
mano nuevas y diferentes estrategias para realizar
plagios o copias de forma muy versátil. Ante esta
situación surge el interrogante ¿cómo evitar estos
FRAUDES en nuestro claustro universitario?. El
prescindir de los dispositivos móviles no es una
opción, así que una solución sería la de utilizar
inhibidores de celular o Jammers.
Desde hace una década, ha tomado fuerza en Eu-
ropa las zonas libres de celulares, siendo Francia
y España los países pioneros en utilizar estos dis-
positivos en lugares como cines, teatros, salas de
concierto, bibliotecas y en salas de plenaria gu-
bernamentales (Vargas, 2004).
Actualmente, el uso de los dispositivos inhibido-
res están prohibidos en casi todos los países del
mundo y son de uso exclusivo para actividades
militares y gubernamentales, en algunos países
suramericanos como Brasil son utilizados en cár-
celes. En Colombia, pueden ser utilizados bajo
permiso otorgado por el Ministerio de las Tecno-
logías y las Comunicaciones según lo establecido
en la Resolución 2774 del 5 de Agosto de 2013
(MINTIC, 2013).
2. Metodología
Para realizar el prototipo inhibidor fue necesario
dividir el proyecto en fases con una retroalimen-
tación constante entre ellas. Las fases que se de-
sarrollaron fueron:
2.1 Recolección de información
Esta fase consistió en consultar e investigar as-
pectos importantes para el desarrollo del pro-
yecto como las diferentes técnicas Jamming exis-
tentes (Poisel, 2011), la asignación espectral de
frecuencia actual en nuestro país (Figura 1) y el
tipo de tecnología celular utilizada por cada uno
de los operadores de Telefonía Móvil Celular en
Colombia. Es pertinente saber que los operado-
res son reservados, cuando se trata de proporcio-
75
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
nar información detallada sobre sus tecnologías
implementadas; por lo que se pudo conocer que
todos los operadores utilizan tecnologías GSM y
UMTS, según información suministrada vía on-
line por el MINTIC.
2.2 Análisis, diseño e implementación del Pro-
totipo Inhibidor
En esta etapa del proyecto se utilizó la técnica
de Jamming por Ruido de Banda ancha o Ban-
da Completa, la que consiste en modular la señal
portadora con ruido blanco en toda la banda de
frecuencia ocupada por el sistema de comuni-
caciones a inhibir. El ruido blanco es una señal
no correlativa (aleatoria) que tiene una densidad
espectral de potencia plana (la misma a lo largo
de toda la banda de frecuencias) y un ancho de
banda teóricamente infinito (Colaboradores de
Wikipedia, 2013). Se conoce que el ruido es el
problema más importante (némesis) para cual-
quier sistema de comunicación y si se incrementa
este nivel, la comunicación será más difícil hasta
el punto de impedirla totalmente. En la Figura 2,
se muestra el diseño por bloques del prototipo
inhibidor, el cuál será descrito en las siguientes
subsesiones:
Espectro frecuencial asignado en Colombia
bandas 850 MHz y 1900 MHz
Figura 1. Asignación actual del espectro en la Banda de 850 MHz y 1900 MHz en Colombia. (MIN-
TIC, 2010)
GENERADOR
DE ONDA
ADAPTACIÒN
SEÑAL
ANTENA
AMPLIFICADOR
RF
VCO
FUENTES
DE
VOLTAJE
Figura 2. Diseño por bloques del Prototipo Inhibidor.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
76
2.2.1 Bloque fuentes de voltaje
En esta etapa, se implementaron las fuentes de
voltaje necesarias para alimentar los dispositivos
usados en los diferentes bloques del prototipo
inhibidor. La figura 3, muestra la configuración
obtenida para cada uno de los niveles de voltaje
requeridos.
Donde se implementaron 5 fuentes de voltaje con
los siguientes valores: 5, 8, 18, 24 y 26 voltios. La
fuente de 5v se utilizó para polarizar los Ampli-
ficadores RF, la fuente de 8v para los Osciladores
Controlados por Voltaje (VCO), la fuente de 18v
para alimentar los XR-2206, la fuente de 26v para
alimentar al OPA4131 y la fuente de 24v se utilizó
como nivel de referencia DC a la entrada no in-
versora del OPA4131.
2.2.2 Bloque VCO
Teniendo en cuenta el tipo de conexión, empa-
quetamiento, frecuencia de sintonización y cos-
tos, se decide utilizar el POS-1060 para la banda
de 850 MHz y el POS-2000 para la banda de 1900
MHz. El POS-1060 es un Oscilador Controlado
por Voltaje Plug-in de sintonización lineal de
750 a 1060 MHz con una potencia de salida típi-
ca de +12.0 dBm; y el POS-2000 es un Oscilador
Controlado por Voltaje Plug-in de sintonización
lineal de 1370 a 2000 MHz con una potencia
de salida típica de +11.8 dBm. Luego tomando
como referencia la Tabla 1 se define el rango en
el cual debe estar el voltaje de sintonización y la
frecuencia de cada VCO. Es pertinente saber que
actualmente los operadores en Colombia tienen
adjudicados rangos de frecuencia comprendidos
entre 824-894 MHz y 1850-1990 MHz.
En la Tabla 1 del POS-1060 se observa que el vol-
taje de sintonización deberá ser variado entre 7
y 11 voltios aproximadamente para cubrir el es-
pectro de frecuencia deseado en la banda de 850
MHz, de lo cual se deduce que la señal de entrada
al VCO deberá ser una señal alrededor de 4 Vpp y
centrada a un nivel DC de 9v aproximadamente;
y de la tabla del POS-2000 se observa que el volta-
je de sintonización deberá ser variado entre 13,5
y 17,5 voltios aproximadamente para cubrir el es-
pectro de frecuencia deseado en la banda de 1900
MHz, de lo cual se deduce que la señal de entrada
al VCO deberá ser una señal alrededor de 4 Vpp
y centrada a un nivel DC de 15,5v aproximada-
mente.
Figura 3. Configuración de la fuente de voltaje.
77
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Tabla 1. Datos de sintonización del VCO POS-1060 y VCO POS-2000, respectivamente.
V
TUNE
Tuning
Sens.
(MHz/V)
Frequency (MHzs) Power output (dBm)
-55ºC +25ºC +85ºC -55ºC +25ºC +85ºC
0.00 23.35 667.98 660.15 652.46 11.14 10.85 10.26
2.00 19.99 705.71 697.66 690.63 1.98 10.98 10.90
4.00 20.73 749.19 741.35 732.14 12.00 11.56 11.00
6.00 24.32 786.40 777.56 770.01 11.90 12.04 12.05
8.00 25.69 841.58 833.68 826.97 12.52 12.45 12.15
10.00 26.61 901.15 893.70 884.16 12.85 12.52 12.11
12.00 27.64 959.47 949.31 938.49 12.63 12.33 12.14
14.00 27.49 1002.41 994.54 986.85 12.48 12.54 12.51
16.00 23.00 1052.01 1046.38 1037.38 12.20 12.00 11.60
18.00 25.88 1092.75 1083.05 1067.83 11.49 11.64 11.86
20.00 14.94 1138.66 1124.15 1108.01 12.03 11.92 11.49
V
TUNE
Tuning
Sens.
(MHz/V)
Frequency (MHzs) Power output (dBm)
-55ºC +25ºC +85ºC -55ºC +25ºC +85ºC
1.00 60.22 1315.76 1298.69 1282.39 12.68 12.63 11.97
2.00 45.61 13.60.30 1344.30 1329.07 12.83 12.43 11.39
3.00 4.69 1400.13 1384.99 1370.50 12.91 12.72 11.73
4.00 38.28 1438.08 1423.27 1409.23 12.52 12.43 11.39
5.00 37.88 1475.67 1461.15 1447.41 12.15 12.08 11.28
6.00 38.21 1513.49 1499.36 1485.93 11.89 11.71 10.78
7.00 38.97 1552.21 1538.33 1525.27 12.09 11.86 10.80
8.00 40.98 1593.01 1579.31 1566.39 11.92 11.78 10.88
9.00 44.58 1639.49 1623.89 1610.31 11.61 11.43 10.62
10.00 46.93 1686.88 1670.81 1656.97 11.39 10.92 10.05
11.00 48.90 1735.04 1719.71 1705.77 11.57 11.18 10.00
12.00 49.42 1784.37 1769.13 1755.29 11.55 11.02 10.16
13.00 48.15 1831.94 1817.28 1803.71 10.84 10.61 9.70
14.00 45.61 1877.13 1862.89 1849.52 10.86 10.64 9.49
15.00 42.30 1919.10 1905.19 1891.96 10.89 10.67 9.51
16.00 38.45 1957.47 1943.64 1930.56 10.97 10.88 9.80
17.00 35.00 1992.45 1978.64 1965.61 10.42 10.40 9.58
18.00 31.99 2024.60 2010.62 1997.48 10.26 10.14 9.19
19.00 29.29 2054.18 2039.91 2026.75 10.12 10.11 9.13
20.00 27.41 2081.17 2067.06 2053.70 10.36 10.07 9.07
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
78
Con el Analizador de Espectros, se sintonizan
los rangos de frecuencia en los cuales deberán
trabajar los VCOs en ambas bandas. En la ban-
da de 850 MHz se alcanzaron niveles alrededor
de los 10 dBm (10 mW) y en la banda de 1900
MHz se tienen niveles máximos de 20 dBm (100
mW). En la Figura 4, podemos observar la salida
del VCO en la bandas de 850 MHz y 1900 MHz,
respectivamente.
2.2.3 Bloque generador de onda
Con el análisis del comportamiento de las dife-
rentes formas de ondas, se concluye que se debe
generar una señal de onda triangular de 4 Vpp
para cada una de las bandas de frecuencia. Ade-
más, de estudiar varios circuitos para generar la
onda, seleccionando el XR-2206 con la configu-
ración mostrada en la Figura 5.
Figura 4. Salida del VCO banda de 850 MHz y 1900 MHz.
Figura 5. XR-2206 como generador de onda triangular.
Figura 6. Señal de onda generada con variaciones en la frecuencia.
79
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
El XR-2206 es un circuito integrado monolítico
generador de funciones con la capacidad de pro-
ducir formas de onda senoidal, cuadrada, trian-
gular, rampa y pulsos de alta calidad, estabilidad
y precisión. Además, la señal de onda de salida
puede ser controlada en amplitud y frecuencia
por un voltaje externo, y la frecuencia de ope-
ración se puede seleccionar externamente en un
rango de 0,01 Hz a 1 MHz. Una de las ventajas
de trabajar con este circuito integrado es que pre-
senta un nivel de desplazamiento DC de la señal
de onda generada aproximadamente de Vcc/2,
por lo que la polarización para este integrado es
aproximadamente 18v para que entregue un ni-
vel DC de 9V y de esta manera evitar la etapa de
adaptación de la señal para la banda de 850 MHz.
Finalmente, se generó una onda con la frecuencia
máxima alrededor de los 750 KHz y no a la 1 MHz
como fue indicado en la hoja de especificaciones
del XR-2206; en la Figura 6, se puede observar
que al aumentar la frecuencia, la señal triangular
pierde su forma y tiende a ser sinusoidal.
2.2.4 Bloque adaptación de la señal
La adaptación de la señal consiste en fijar un nivel
DC para la onda triangular, de modo que quede
centrada para que al aplicarse como entrada del
VCO, corresponda en la salida al barrido frecuen-
cial deseado. Esta etapa solo fue necesaria para la
banda de 1900 MHz. El circuito seleccionado es
mostrado en la Figura 7. (Muhammad, 2000).
Si R1=R
2 y R
i=R
f, se obtiene que , donde V
DC,
como su nombre lo indica, es un voltaje DC y por
lo tanto el voltaje de salida solo cambiará en el
nivel DC de la señal.
Finalmente, se implementó este bloque con el cir-
cuito integrado OPA4131, el cual ofrece un alto
rendimiento a un bajo costo, tiene un ancho de
banda de operación de 4 MHz y soporta voltajes
de polarización de hasta 36 voltios.
En la Figura 8, se puede observar que el nivel de
DC es aproximadamente 9 y 15,5 voltios para las
bandas de 850 MHz y 1900 MHz, respectivamente.
2.2.5 Bloque amplificador RF
Teniendo en cuenta la relación costo-beneficio se
seleccionan los amplificadores de radiofrecuencia
tipo coaxial ZX60-P162LN+ y ZX60-242GLN+
para las bandas de 850 MHz y 1900 MHz, res-
pectivamente. Además de su función como am-
Figura 7. Circuito Fijador Nivel DC.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
80
plificador, permitieron el acople de impedancias
respectivo con las antenas consiguiendo un au-
mento notable, en el radio de inhibición.
En la Figura 9, se observan los niveles de poten-
cia de la salida de ambos amplificadores de RF,
teniendo en cuenta que el dispositivo Analizador
de Espectros Anritsu, tiene por defecto una ate-
nuación de 20 dBm para la protección del equipo
que deben ser sumados al valor mostrado en la
imagen; para la banda de 850 MHz debe tenerse
en cuenta que la medida fue tomada con un dis-
positivo atenuador de 20 dBm como protección
extra.
Para la banda de 1900 MHz no es necesario te-
ner en cuenta esta atenuación, debido a que el
dispositivo atenuador fue colocado a la entrada
del Amplificador RF para evitar que la salida del
VCO supere los niveles de potencia máximos so-
portados por el Amplificador RF. Conociendo es-
tos detalles, los niveles de potencia real promedio
para la banda de 850 MHz son de 25 dBm y de 20
dBm (100 mW) para la banda de 1900 MHz.
Figura 8. Señal adaptada para la Banda de 850 MHz y 1900 MHz.
Figura 9. Salida del Amplificador RF en las bandas de 850 MHz y de 1900 MHz, respectivamente.
81
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
2.2.6 Bloque antena
Se utilizaron antenas “indoor”, las características
más importantes que se tuvieron en cuenta para
la selección de la antena fueron la ganancia, fre-
cuencia de operación, costo y una impedancia de
50 ohmios para conseguir acoplamiento directa-
mente con los amplificadores RF.
Con el Analizador de espectros ANRITSU, se
analizaron varios tipos de antenas, que fueron:
Antenas de router Wi-Fi Huawei y Dlink.
Antena GSM MAG de bajo costo, 9,5 cm de
longitud y ganancia de 3dBi.
Antena GSM SMA 3M de bajo costo, ganancia
de 3,5 dBi y frecuencia de operación en la ban-
da de 890 MHz y 1800 MHz.
Antena Whip Magnética MARPED AWI-
DB819-5 con una longitud de 32,5 cm, ganan-
cia de 5dBi y opera en las frecuencias de 824-
960 MHz y 1850-1990 MHz.
Antena Whip Magnética MARPED AWI851-
7 con una longitud de 60 cms, ganancia de 7
dBi y frecuencia de operación de 824 a 890
MHz.
Se concluyó que las antenas de mejor comporta-
miento fueron la antena Whip Magnética MAR-
PED AWIDB819-5 para la banda de 1900 MHz y
la antena Whip Magnética MARPED AWI851-7
para la banda de 850 MHz, el comportamiento
de esta última se puede observar en la Figura 10.
2.3 Diseño del impreso o PCB (printed circuit
board)
El software utilizado fue el MULTISIM, el cual
cuenta con una plataforma de fácil manejo, tra-
baja con el modelo SPICE comercial, a través de
un entorno gráfico, con esquemas de circuitos de
fácil comprensión. El programa es utilizado para
identificar errores, observar el comportamiento
de los diseños realizados y generar prototipos.
Además de realizar los esquemáticos es capaz de
hacer una transferencia a NI UTILBOARD, para
los modelos de las placas de circuitos impresos
(PCB) terminadas. Para el correcto funciona-
miento de la placa, es necesario tener en cuenta
las siguientes recomendaciones:
1. Tener en cuenta la longitud y el grosor de las
pistas porque éstas suelen tener un efecto re-
sistivo que puede incrementar algún valor no
deseado de resistencia y causar caídas de ten-
sión; también se debe tener en cuenta la co-
rriente máxima. Las pistas deben ser lo más
cortas posibles.
2. Por el manejo de altas frecuencias en el pro-
yecto, se recomienda que las curvas de las
pistas no superen ángulos de 45º porque se
podría producir una auto inducción sobre la
misma, dañando o deformando la señal en-
viada.
3. No colocar pistas, ni componentes cerca a los
bordes de la placa donde puedan hacer con-
tacto con los tornillos exteriores o de fijación
para evitar cortos y descargas eléctricas, así
mismo, tener en cuenta la separación entre
pistas que depende del voltaje y corriente que
vaya a circular por cada una, en este caso fue Figura 10. Análisis de frecuencia Antena Whip Magné-
tica MARPED AWI851-7.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
82
de 0.3 mm de holguras o de separación ya
que no se excedió los 35 voltios.
4. Debe utilizarse PCB de fibra de vidrio para
brindar estabilidad y seguridad de los com-
ponentes electrónicos. En este caso, se utilizó
una placa rígida de fibra de vidrio con cobre
de una sola capa.
5. No se recomienda el uso de PCB o placas
de doble capa por las elevadas capacitancias
parásitas, en caso de que se utilicen este tipo
de placas es recomendable evitar paralelismo
entre las pistas.
6. Los elementos ubicados deben estar lo más
cerca posible para evitar efecto de carga en
las pistas de interconexión.
7. La alimentación debe estar bien filtrada.
8. Cada etapa que se realice debe estar blindada
(holguras) unas con otras.
9. Se recomienda utilizar un plano de potencia
o también llamado plano de masa (tierra).
10. Las fuentes de alimentación de los oscilado-
res deben ser totalmente independientes a la
de los amplificadores.
11. Colocar condensadores de 0.1μF entre la sa-
lida de las fuentes y tierra, lo más cercano
posible a los circuitos integrados para evitar
ruidos de conmutación producidos por los
circuitos digitales.
12. Las bobinas, nunca deben estar cercanas
entre ellas o ubicadas de forma paralela a la
placa para evitar el dominio de los campos
electromagnéticos sobre los componente
electrónicos, recordar que las bobinas son
solenoides y su campo magnético se concen-
tra sobre su eje axial.
13. Se recomienda que los condensadores cerá-
micos sean de tipo NPO (negativo positivo
cero), porque estos condensadores tienen
una gran estabilidad de temperatura y son
utilizados en osciladores, resonancia y filtros.
14. Los condensadores electrolíticos deben ser
de buena calidad.
15. Hay que tener en cuenta el empaquetamiento
de los elementos a utilizar.
16. Tener cuidado con la temperatura de funcio-
namiento de los elementos.
17. Se aconseja dejar puntos de pruebas.
En la Figura 11, es ilustrado el diseño final de la
placa PCB y su respectiva vista en 3D.
El siguiente paso es generar el archivo para po-
der realizar el respectivo quemado de la placa. En
este caso, se creó un archivo con formato GBR
Figura 11. Diseño final de la placa PCB y su respectiva vista en 3D.
83
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
compatible con la máquina que realiza el quema-
do de la placa, este archivo se importa desde el
software respectivo de la máquina LPKF LASER
& ELECTRONICS para que se realice el impreso
en la placa. Finalmente, se procede a soldar los
elementos en la placa.
2.4 Pruebas de Campo
Las pruebas de campo consistieron en colocar las
antenas del prototipo inhibidor en un sitio fijo y
los celulares a 40 cms de distancia, se encendía el
inhibidor y se capturaba el tiempo que tardaba el
celular en perder la señal, después se apagaba el
inhibidor y se anotaba el tiempo que tardaba en
recuperar la señal el celular. Este proceso se repi-
tió cada 40 cms hasta alcanzar una distancia de 5
metros. Los celulares utilizados fueron:
BlackBerry 9700 Bold.
Sony Xperia Sola
Nokia 1100
LG-T395
Para cada celular se aplicaron mediciones con si-
mcard de cada uno de los tres operadores y para
cada operador se modificó los diferentes tipos de
red soportados por el celular (2G, 3G y los dos al
mismo tiempo). En la Figura 12, se puede obser-
var las evidencias cuando la señal celular estaba
bloqueada.
3. Resultados y Conclusiones
La Figura 13 muestra el prototipo inhibidor de
señal celular construido en este proyecto. Este
prototipo, tiene un radio efectivo de cobertura de
3 metros. Por fuera de este radio también inhibe
la señal celular pero puede suceder que el celular
no pierda totalmente la señal o darse el caso de
entrar una llamada pero con degradación de la
comunicación.
Por medio de este proyecto se confirma que el
ruido es el elemento más nocivo para las comu-
nicaciones móviles y basados en las pruebas efec-
tuadas se verificó que la señal del operador TIGO
fue la que siempre presentó mayor resistencia
para ser inhibida.
4. Recomendaciones.
Adquirir equipos y herramientas idóneos para
el desarrollo de este tipo de proyectos de tele-
comunicaciones.
Realizar gestión y convenios con empresas de
telefonía celular para profundizar en el desa-
Figura 12. Los celulares cuando el prototipo inhibidor está encendido.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
84
rrollo e implementación de este tipo de dis-
positivos.
Estudiar la posibilidad de hacer uso de estos
dispositivos inhibidores sin permiso del MIN-
TIC, soportado bajo el concepto de autonomía
universitaria.
Ampliar el rango de operación del prototipo
para que también inhiba la señal Wi-Fi y blue-
tooth.
5. Referencias Bibliográficas
1. Colaboradores de Wikipedia. Ruido blanco [en lí-
nea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2013 [fecha
de consulta: 25 de octubre del 2013]. Disponible
en <http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=
Ruido_blanco&oldid=67202815>. Último acceso:
Marzo de 2014.
2. Ministerio de Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones - Dirección de Comunicaciones,
2010. Documento de política. Banda 2.500 a 2.690
MHz. [en línea]. Disponible en <http://archivo.min-
tic.gov.co/mincom/documents/portal/documents/
Figura 13. Prototipo inhibidor de señal celular construido.
root/agutierrez/docs/01DocumentodePoliticaIMT.
pdf>.Último acceso: Abril de 2014.
3. Ministerio de Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones. Boletín trimestral de las TIC –
Cifras primer trimestre de 2012. [en línea]. Dis-
ponible en <http://201.234.78.59/colombiatic/
images/sectorial/boletin_banda_ancha_vive_
digital_1t_2012.pdf>.Último acceso: Abril de 2014.
4. Ministerio de Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones, 2013. Resolución No 2774: por la
cual se reglamenta el uso de Inhibidores, Bloquea-
dores y Amplificadores de Señales Radioeléctricas.
5. Muhammad H. Rashid, Circuitos Microelectróni-
cos, Análisis y Diseño. Mexico: International Thom-
son Editores, 2000. 991p. ISBN 968-7529-79-2.
6. Poisel Richard, Modern Communications Jam-
ming. Principles and Techniques. Segunda Edi-
ción. Estados Unidos de América: Artech House,
2011. 870p. ISBN-13 978-1-60807-165-4.
7. Vargas Víctor Manuel, 2004. Territorio Libre
de Celulares. [en línea]. Disponible en <http://
www.eltiempo.com/archivo/documento/MAM-
1499200>. Último acceso: Marzo de 2014.
85
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Estudio Multifactorial de Resistencia Última a Tensión Paralela a la Fibra en Muestras de Guadua angustifolia Kunth
Multifactorial Study of Last resistance to Parallel tension to the Fiber in Samples of Guadua angustifolia Kunth
Caori Takeuchi T.1, Mauricio Duarte T.2, John E. Alarcón G.3 y Jairo F. Olarte F.4
Resumen
Este artículo presenta la relación de la resistencia última a tensión paralela a la fibra de probetas de Guadua angustifolia procedentes de cuatro zonas del municipio de Pitalito-Huila, con factores como sección inferior, medio o superior y zona, determinada mediante un análisis de varianza multifactorial. La metodología para el corte de los culmos, obtención de las probetas y pruebas de resistencia a tensión, se basó en las normas NTC5300, NTC5525, NSR10 e ISO/TC 165N315, y en los protocolos para corte de culmos, probetas y determinación de la resistencia a tensión paralela a la fibra de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Fueron ensayadas 120 probetas en la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. El promedio de resistencia a la tensión paralela fue de 61,0 Mpa. El análisis multifactorial del diseño experimental, permitió identificar la significancia estadística de los factores sección y zona sobre la resistencia a la tensión con un valor-p inferior a 0,05 y un nivel de confianza del 95%, la interacción de segundo orden no fue significativo.
Palabras clave: Guadua angustifolia; resistencia a la tensión paralela a la fibra; factores.
Abstract
This article presents the Parallel tension to the Fiber Strength in Samples of Guadua angustifolia specimens from four areas of Pitalito Huila in relation to factors such as base, intermediate or hig-her area, performed by multifactorial analysis of variance. The methodology for cutting the culms, obtaining test samples and tensile strength testing was based on the rules NTC5300, NTC5525, NSR10 and ISO / TC 165N315, and the cutting of culms protocols, test sample and determination of the tension parallel to the fibers strength of the Universidad Nacional de Colombia in Bogotá. 120 tests were performed at the Universidad Nacional de Colombia in Bogotá. The average value of the parallel tension strength was 61.0 MPa. Multivariate analysis of the experimental design, helped to identify the statistical significance of the section factors and area on the resistance to tension with a p-value less than 0.05 and a confidence level of 95%, the second-order interaction was not significant.
Keywords: Angustifolia Guadua; resistance to parallel tension to the fibers, factors.
1 Magister en Estructuras. Docente Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. E-mail: [email protected]
2 Magister en Ingeniería Civil. Docente Universidad Surcolombiana. Av. Pastrana Borrero carrera 1ª Neiva. E-mail: maduto@
usco.edu.co
3 Ingeniero Agrícola. Universidad Surcolombiana. Av. Pastrana Borrero carrera 1ª Neiva. E-mail: [email protected]
4 Ingeniero Agrícola. Universidad Surcolombiana. Av. Pastrana Borrero carrera 1ª Neiva. E-mail: [email protected]
Recibido 30 de septiembre de 2013 Aprobado 29 de octubre de 2013
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 85-90
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
86
1. Introducción
En Colombia, desde la época de la colonización,
la guadua fue utilizada para la construcción de vi-
viendas rurales y urbanas. Para los colonizadores
antioqueños la guadua fue el símbolo de la civi-
lización en dichas tierras. Este material también
ha sido utilizado para la construcción de vivienda
tradicional en los sectores menos favorecidos de
la población (Garzón, 1996, citado por Gutiérrez
et al., 2011).
Actualmente la Guadua angustifolia es conside-
rada como alternativa ambiental y material es-
tructural de grandes construcciones alrededor
del mundo gracias a arquitectos como Simón Vé-
lez que han motivado el interés de trabajar con
materiales naturales como éste, contribuyendo al
mejoramiento ambiental muy afectado por el uso
de los materiales cotidianos en construcción.
En el municipio de Pitalito ubicado en el sur del
departamento de Huila, se encuentra la especie
Guadua angustifolia, la cual ha sido utilizada en
su gran mayoría en el sector artesanal y cons-
tructivo. Las experiencias de sus pobladores de-
bido a tradiciones familiares, han servido para
la construcción de estructuras de tipo agrícola
como secadores solares, corrales, establos y be-
neficiaderos de café. La falta de conocimiento de
las propiedades físicas y mecánicas de la guadua
en la región, y la mala información generada por
algunos propietarios de los rodales que la con-
sideran como maleza, hace que se ignore el ver-
dadero aprovechamiento industrial de la especie
como alternativa económica generadora de em-
pleo e ingresos para las comunidades rurales del
municipio de Pitalito-Huila.
Lo mencionado anteriormente, hace importante
el estudio de las propiedades físico-mecánicas de
la guadua de este municipio y específicamente su
comportamiento a tensión paralela a la fibra. Con
la determinación del esfuerzo máximo a tensión
paralela a la fibra, resulta apropiado analizar su
comportamiento en relación con factores como
procedencia de culmos y sección complementan-
do investigaciones como las realizadas por López
y Trujillo (2002), Janssen (2002), Castrillón &
Malaver (2004), Osorio & Vélez (2005), Lozano
et al. (2010), Gutiérrez (2011), donde se ha ob-
servado el incremento de la resistencia a tensión
paralela con la altura del culmo de guadua.
2. Metodología
2.1. Localización
El material objeto de la investigación, provino
del municipio de Pitalito al sur del departamen-
to del Huila. En total se seleccionaron 4 rodales
(zona de estudio A, B, C, D), y la selección de los
sitios de muestreo se realizó de forma aleatoria.
El rango de altitud de la zona de estudio fue de
1000 a 1800 m.s.n.m, con una temperatura me-
dia anual de 19 a 22°C. Los límites de la zona de
estudio, de acuerdo con el sistema de referencia
de coordenadas MAGNA-SIRGAS fueron: La-
titud 1°56›40.95»N - 1°50›26.30»N y Longitud
76°57’15.00”O - 76°08›02.38»O.
2.2. Etapas para el desarrollo del proyecto
Para la selección, corte, caracterización física,
determinación del comportamiento del esfuerzo
a compresión paralela a la fibra, densidad básica
y contenido de humedad, se trabajó con las si-
guientes normas, leyes y protocolos:
Norma unificada para el manejo y aprovecha-
miento de la Guadua, (Carder, 2002).
Ley forestal 1021 de 2006.
ISO/TC 165N315, 2001. “Laboratory manual
on testing methods for determination of phy-
sical and mechanical properties of bamboo”
NTC5300 “Cosecha y postcosecha del cul-
mo de Guadua angustifolia Kunth” (Icontec,
2008).
NTC5525 “Métodos de ensayo para determi-
nar las propiedades físicas y mecánicas de la
Guadua” (Incotec, 2007).
87
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Reglamento colombiano de construcciones
sismo-resistente NSR10, 2010. Título G “Es-
tructuras de madera y estructuras de Guadua.
Bogotá D.C
Protocolos de la Universidad Nacional de Co-
lombia sede Bogotá (2008). “Corte de culmos
y probetas, determinación de la resistencia a
tensión paralela a la fibra, medición del conte-
nido de humedad para la Guadua angustifolia
Kunth”.
2.2.1 Selección de culmos y Corte
En esta etapa se seleccionaron e identificaron las
guaduas maduras y se contó con la colaboración
del personal del Tecnoparque 7 Agroecológico
Yamboró del Servicio Nacional de Aprendizaje
(SENA). Las guaduas, objeto de estudio, fueron
cortadas a 1 metro por encima del cuello y poste-
riormente avinagradas (pérdida de humedad en
la guadua) durante un periodo de 1 mes. Una vez
terminado este proceso se cortaron en 3 seccio-
nes longitudinales: inferior (1,5m), medio (4,5m)
y superior (3,0m).
2.2.2 Obtención de las probetas
El material fue transportado en toletes de 50 cm
de largo, al taller BIO-ARTEGUADUA ubicado
en el municipio de Pitalito- Huila. Allí se realizó
el trabajo de obtener las láminas o latas de 2,0 cm
de ancho, de las cuales se escogieron 4 latas de
cada tolete y fueron marcadas con sus respecti-
vos caracteres el rodal, el número de la guadua,
la sección de la guadua y una letra que identifica
cada lata (a, b, c y d); posteriormente las latas se
trasladaron hacia la ciudad de Neiva, donde se
seleccionaron dos latas de las cuatro disponibles
de cada tolete, a las cuales se les realizó un tra-
zado mediante una plantilla con la forma y las
dimensiones deseadas para la probeta. Luego de
este proceso se elaboraron 288 probetas con una
sierra sinfín. Posteriormente, estas probetas se
enviaron a la Universidad Nacional de Colombia
sede Bogotá donde se tomaron las medidas de
ancho y espesor para determinar el área de falla.
Una vez medidas, estas probetas fueron sumer-
girlas en agua durante un periodo aproximado de
2 semanas, para evitar el fisuramiento por pérdi-
da de humedad y obtener valores conservadores
de resistencia (figura 1).
2.2.3 Ensayos de resistencia a la Tensión para-
lela a la fibra
Los ensayos se realizaron, con el equipo de en-
sayos marca VERSA TESTER (figura 2), con ca-
pacidad de carga de 30 Toneladas. Del total de
las probetas realizadas, se ensayaron 178, de las
cuales fueron descartadas 58 por presentar una
falla diferente a la esperada ya fuera por corte,
Figura 1. Inmersión en agua de las probetas
Figura 2. Equipo de ensayo a tensión paralela.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
88
por punzonamiento o por daños producidos por
las mordazas. La velocidad de aplicación de carga
fue de de 0,01 mm/s aproximadamente. Una vez
finalizados los ensayos de resistencia a la tensión
paralela a la fibra, se procedió a determinar el
contenido de humedad para cada probeta; para
este ensayo se extrajo una lámina de la probeta
para luego ser introducidas al horno de secado a
una temperatura de 103°C ± 2°C, como lo esta-
blece la Norma Técnica Colombiana NTC 5525.
2.2.4 Análisis estadístico (ANOVA MULTI-
FACTOR)
Para el análisis estadístico se utilizó un diseño
de varianza multifactorial totalmente aleatorio,
donde se evaluaron las resistencias a tensión pa-
ralela a la fibra de las probetas ensayadas. Previa-
mente se descartaron los valores atípicos median-
te análisis exploratorio; la normalidad se verificó
mediante la prueba de Shapiro-Wilk. La variable
respuesta para el diseño ANOVA multifactorial,
los factores y niveles de factor se muestran en la
tabla 1.
Tabla 1. Factores y niveles de factor cuyos efectos
sobre la resistencia a la compresión fueron eva-
luados.
Factor Niveles de factorVariabledependiente
�, 2����
, P��!�������
!�%������ �� ��� +�-�� � ��������� �� �������������
� �Q��������#�B �P��7����6 �:�����
�� �;����
, �)%�����2. Medio
B �;�������
El nivel de confiabilidad mínimo para los re-
sultados fue del 95%, los datos se organizaron y
se procesaron en el software STATGRAPHICS
CENTURION versión 15.2.06 asumiendo como
hipótesis la normalidad, homocedasticidad e in-
dependencia de los mismos.
3. Resultados
Las probetas ensayadas a tensión paralela a la fi-
bra, presentaron una densidad anhídrida prome-
dio de 687,08 kg/m3 con una desviación estándar
de 53,90 kg/m3 y contenidos de humedad prome-
dio de 101,25% con una desviación estándar de
11,91%. Se analizaron 115 probetas en el ANO-
VA multifactorial, la aleatoriedad en el muestreo,
obtención de probetas y ejecución de ensayos,
garantizaron la normalidad, independencia y he-
terocedasticidad de los residuos.
3.1 ANOVA Multifactorial
El análisis de varianza multifactorial presentado
en la tabla 2, permitió identificar la significan-
cia estadística del factor sección y zona sobre la
resistencia a la tensión paralela a la fibra con un
valor-p inferior a 0,05 y un nivel de confianza del
95%; las interacciones de segundo grado no pro-
dujeron efectos significativos sobre la resistencia
de la guadua.
Tabla 2. Análisis de varianza multifactorial para
resistencia a la tensión paralela a la fibra.
Fuente
Suma
de
Cua-
drados
Gl
Cua-
drado
Medio
Ra-
zón-
F
Valor
P
Efectos
Principales
A:seccion 229,07 2,00 114,54 3,33 0,04
B:zona 401,96 3,00 133,99 3,90 0,01
Interacciones
AB 122,80 6,00 20,467 0,60 0,73
Residuos 3539,90 103,00 34,37
Total
(Corregido)4292,59 114,00
3.2 Pruebas de múltiples rangos (Efectos prin-
cipales)
La comparación múltiple entre los niveles del fac-
tor zona que se presenta en la tabla 3, demues-
89
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
tra diferencias significativas entre la zona B y las
demás, con el valor más bajo de resistencia pro-
medio. Se evidencia homogeneidad entre la resis-
tencia de la guadua de las zonas A, C y D, lo que
significaría condiciones similares de sitio.
Tabla 3. Prueba de múltiples rangos para resis-
tencia a la compresión por Zona.
DatosEstadísticos
ZonasTotal
A B C D
Casos 26,00 30,00 29,00 30,00 115,00
Media (Mpa) 62,64Q 57,95P 61,26Q 62,31Q 61,00
DesviaciónEstándar (Mpa)
7,10 4,67 6,49 5,26 6,13
Coeficiente de variación (%)
11,33 8,07 10,60 8,45 10,05
Mínimo (Mpa) 49,81 51,56 48,71 51,18 48,71
Máximo (Mpa) 75,15 67,01 75,00 74,00 75,15
Límite Inferior 60,36 55,83 59,10 60,19 55,83
Limite Supe-rior
64,93 60,08 63,43 64,43 64,93
Letras diferentes para la media indican diferencias estadísticamente sig-nificativas con un nivel de confianza del 95%.
Se encontró que la sección del culmo de la Gua-
dua angustifolia es significativa sobre la resisten-
cia a la tensión paralela a la fibra de acuerdo con
el análisis de varianza. La parte superior es la más
resistente y difiere significativamente de los valo-
res promedio de las secciones media e inferior; tal
como se indica en la tabla 4. Se confirma lo indi-
cado por investigadores como Gutiérrez (2011),
López & Correal (2009), Pacheco (2006), Uribe &
Durán (2002), entre otros; que han descrito que
la resistencia de los culmos a tensión es mayor
en la sección superior disminuyendo hacia la sec-
ción inferior.
Otros estudios de algunos autores, han encontra-
do diferentes valores para referirse a la resisten-
cia última a tensión en probetas de guadua. Por
ejemplo, Gutiérrez (2011) encontró un valor pro-
medio de esfuerzo último de 86.96 MPa. Lozano
et al. (2010) hallaron un valor de esfuerzo último
promedio de 61.40 MPa. Ciro, Osorio & Vélez
(2005) encontraron que el valor promedio de es-
4. Conclusiones
El factor zona es significativo sobre la variable
respuesta resistencia a la tensión paralela a la fi-
bra, con un valor-p de 0,01. Solo se encontró para
la zona B diferencias mínimas significativas en
comparación con las demás zonas de estudio se-
gún lo establecido por la prueba LSD de Fisher.
La sección del culmo es un factor significativo so-
bre la resistencia a la tensión con valor-p de 0,04.
Se encontraron diferencias estadísticamente sig-
nificativas entre valores de resistencia promedio
de las secciones inferior y media frente al valor
obtenido por la sección superior. Los valores pro-
medio para las cuatro zonas para las secciones
inferior y media fueron de: 60,77 y 59,46 Mpa
respectivamente; valores que se encuentran por
debajo de la resistencia alcanzada para la sección
superior 62,89 Mpa.
fuerzo último promedio fue de 190.70 MPa. Por
otra parte Castrillón & Malaver (2004) de los en-
sayos realizados obtuvieron un esfuerzo último
promedio de 91.87 MPa. Del mismo modo Jans-
sen (2002) presenta un valor promedio de 148.40
MPa. Siguiendo las normas del INBAR, López
y Trujillo (2002) hallaron un valor de esfuerzo
ultimo promedio de 53.5 MPa.
Tabla 4. Prueba de múltiple rangos para resisten-
cia a la tensión por Sección.
Datos
Estadísticos
Sección
Inferior Media Superior Total
Casos 38,00 38,00 39,00 115,00
Media (Mpa) 60,77Q 59,46Q 62,89P 61,00
Desviación
Estándar (Mpa)5,95 7,13 4,79 6,13
Coeficiente de
variación (%)9,79 12,00 7,63 10,05
Mínimo (Mpa) 50,47 48,71 53,75 48,71
Máximo (Mpa) 75,00 75,15 72,77 75,15
Límite Inferior 58,89 57,57 61,03 55,83
Limite Superior 62,66 61,36 64,75 64,93
Letras diferentes para la media indican diferencias estadísticamente sig-nificativas con un nivel de confianza del 95%.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
90
Los efectos de las interacciones entre factores no
son significativos. El valor-p para la interacción
entre zona y sección fue de 0,73.
5. Referencias Bibliográficas
1. Castrillón, B., Malaver, D., 2004. Procedimientos
de ensayo para la determinación de las propieda-
des físico mecánicas de la guadua. Tesis de grado.
Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. 94 p.
2. Ciro. V., Jairo A., Vélez, R., Juan y OSORIO, S.,
2005. Determinación de la resistencia mecánica
a tensión y cizalladura de la Guadua Angustifolia
Kunth. Medellin: Rev.Fac.Nal.Agr. V.58, No 1.p.
2709-2715
3. Garzón, C., Jenny. V., 1996. Optimización de unio-
nes en guadua: Trabajo estructural de uniones a
tensión. Universidad Nacional de Colombia
4. Giraldo, E., Sabogal, A., 2002. La GUADUA una al-
ternativa sostenible. Publicación de la corporación
autónoma regional del Quindío, CRQ. Quindío,
1999. 42 p. Citado por: URIBE, Maritza y DURÁN,
Alejandro. Estudio de elementos solicitados a com-
presión armados por tres guaduas. Tesis de grado.
Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. De-
partamento de Ingeniería Civil. 125 p
5. Icontec, Instituto colombiano de normas técnicas,
2007. Métodos de ensayo para determinar las pro-
piedades físicas y mecánicas de la Guadua angusti-
folia Kunth. NTC 5525. Bogotá D.C
6. Icontec, Instituto colombiano de normas técnicas,
2008. Cosecha y postcosecha del culmo de Guadua
angustifolia Kunth. NTC 5300. Bogotá D.C
7. Lozano, J., Luna, Patricia., Takeuchi, Caori., 2010.
Validación de la Guadua angustifolia como mate-
rial estructural para diseño, por el método de es-
fuerzos admisibles. Bogotá: Universidad Nacional
de Colombia. 190 pp
8. López, L., Trujillo, D., 2002.Diseño de uniones y
elementos en estructuras de guadua. Pereira: Se-
minario – Taller Avances en la investigación sobre
guadua.
9. Reglamento Colombiano de Construcciones Sis-
mo-resistente NSR10, 2010. Título G “Estructuras
de madera y estructuras de Guadua. Bogotá D.C.
10. Pacheco, C., 2006. Resistencia a la tracción perpen-
dicular a la fibra de la guadua angustifolia. Trabajo
de grado. Bogotá. Universidad Nacional de Colom-
bia. Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola.
132 p.
11. The international organization for standardization,
2001. Laboratory manual on testing methods for
determination of physical and mechanical proper-
ties of bamboo. ISO/TC 165N315
12. Universidad Nacional de Colombia, 2008. Protoco-
los de la Universidad Nacional de Colombia sede
Bogotá, Corte de culmos y probetas, determina-
ción de la resistencia a tensión paralela a la fibra,
medición del contenido de humedad para la Gua-
dua angustifolia Kunth. Bogotá
13. Uribe, M., Durán, A., 2002. Estudio de elementos
solicitados a compresión armados por tres Gua-
duas. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia.
Departamento de Ingeniería Civil. 125 pp.
91
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Optimización del Diseño en Armaduras
Truss Design Optimization
Myriam R. Pallares Muñoz1 y Wilson Rodríguez Calderón2
Resumen
Las estructuras formadas por elementos lineales articulados constituyen una tipología importante de los sistemas estructurales que se utilizan en ingeniería y por ello resultan un campo muy intere-sante para la aplicación de métodos de optimización. La optimización en estas estructuras se refiere a las dimensiones de las secciones transversales de la barras y a la posición de los nudos, teniendo en cuenta las restricciones que el pandeo introduce sobre las barras solicitadas a compresión que se traducen en límites de tamaño de las secciones transversales para evitar la disminución de capaci-dad resistente. En este artículo se determinan secciones optimizadas de elementos articulados iden-tificando la función objetivo a minimizar, las variables de diseño y las restricciones del problema. Se reportan dos casos de estudio de peso mínimo: una celosía y una armadura de puente, ambos con restricciones de esfuerzos admisibles. Se realiza una validación comparando los resultados de modelos de elementos finitos acompañados de esquemas de optimización en Ansys® y la solución teórica. Se concluye que el diseño de las estructuras en ingeniería puede ser refinado para obtener un mejor diseño, el óptimo, llevando a cabo el cálculo inicial y mejorándolo mediante técnicas de optimización sin decisiones subjetivas.
Palabras clave: Optimización, función Objetivo, variables de diseño, variables de estado, minimi-zación, Ansys®.
Abstract:
Articulated structures formed by linear elements are an important type of structural systems which are used in engineering and are therefore a very interesting field for application of optimization methods. Optimization in these structures refers to the dimensions of the cross sections of the bars and the position of the nodes taking into account the constraints included by buckling over compression bars which are translated into limits on the size of the cross sections to prevent loss of strength capacity. In this paper, we want to find optimized sections of hinged elements, for that, is necessary to determine the objective function, design variables and constraints of the problem. Two case studies of minimum weight are reported: a lattice and a bridge truss, both constrained allowable stresses. Validation is performed by comparing the results of finite element models ac-companied by Ansys® optimization schemes and the theoretical solution. We concluded that the
1 Magíster Métodos Numéricos en Ingeniería. Universidad Surcolombiana. Avenida Pastrana Borrero Carrera 1, Neiva-Colom-
bia. : E-mail: [email protected]
2 Magíster Métodos Numéricos en Ingeniería. Universidad de La Salle. Carrera 2 # 10- 70, Bloque D Piso 7, Bogotá-Colombia.
E-mail: [email protected]
Recibido 4 de febrero de 2014 Aprobado 28 de abril de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 91-99
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
92
1. Introducción
El proceso de diseño tradicional se caracteriza
por cierto carácter subjetivo y porque su desa-
rrollo depende en gran medida del criterio y la
experiencia del analista, que normalmente está
presionado por límites de tiempo que no hacen
posible contrastar todas las posibilidades o alter-
nativas de diseño para escoger la más adecuada
(Oñate, 2011). El propósito de un diseño tradi-
cional generalmente consiste en encontrar la es-
tructura que cumpla los requisitos impuestos por
una normativa o en general por criterios basados
en la mecánica de los materiales sin entrar a es-
tablecer criterios de optimización de la misma
(Schmit, 1980). La tarea que realiza un diseña-
dor puede ser planteada de manera analítica con
miras a generar ciclos de análisis – diseño que
posibiliten comparar diferentes alternativas y de-
cidir bajo ciertas restricciones en las variables de
entrada y de respuesta de la estructura que per-
mitan optimizar alguna característica importante
para el desempeño o el costo como puede ser el
peso o un límite de desplazamiento (Cosmos/M,
2012)). Los aspectos de diseño a intervenir no
siempre son los mismos y pueden ser clasifica-
dos en cuatro categorías: el tipo de material y
sus características; la morfología de la estructu-
ra; la disposición geométrica de los elementos; y
por último, la forma y dimensiones de la sección
transversal de los elementos (Zienkiewicz, 2010).
El último caso es de amplio interés en estructuras
articuladas y sobre éste se plantean los casos in-
vestigados y reportados en este artículo.
2. Metodología
En el proceso de diseño existen algunas mag-
nitudes que pueden considerarse constantes y
que en el diseño óptimo de estructuras suelen
llamarse parámetros fijos. Estos parámetros, de
manera general, pueden agruparse en un vector
���� , kppp �� , mientras que las característi-
cas que pueden variar en la estructura y que se
denominan variables de diseño se encuentran
contenidas en el vector ���� , nxxx �� . Las ac-
ciones sobre las estructuras normalmente indu-
cen condiciones que deben ser cumplidas y que
en la práctica se relacionan con: los esfuerzos del
material, los desplazamientos de los nudos, las
deflexiones, etc. Muchas de ellas son variables de
estado de la estructura que dependen de x y p ,
están sujetas a límites, condiciones o restricciones
y pueden ser expresadas en la forma � � �� �pxg .
Estas condiciones usualmente están ligadas al
comportamiento o al diseño mismo. Las condi-
ciones de comportamiento están relacionadas con
los estados límite de la estructura o los modos de
colapso considerados. No pueden violarse ya que
se puede poner en peligro la estabilidad, la segu-
ridad o la funcionabilidad de la estructura. En el
caso de esfuerzos o movimientos estas condicio-
nes tienen la forma de las ecuaciones (1) y (2).
� � admpx �� �,�
� � admupxu �� ���
donde σadm
y uadm
, representan los esfuerzos y des-
plazamientos admisibles de acuerdo al material
constitutivo de la estructura o a requerimientos
basados en normativas. En ocasiones se acostum-
bra normalizar estas condiciones por lo que pue-
den re-escribirse en la forma de las ecuaciones
(3) y (4).
�B�
�6�
design of engineering structures can be refined for better design, optimum, for that, we must make initial computation and then improve it by optimization techniques without subjective decisions.
Keywords: Optimization, objective function, design variables, state variables, minimization, Ansys®.
� � �,��
adm
px
� � �,��
admupxu
93
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Por su parte, las condiciones de diseño dependen
de criterios de forma o técnicos y no se encuen-
tran vinculadas al comportamiento resistente de
la estructura. La mayoría de las veces sirven para
limitar el campo de existencia de las variables de
diseño y pueden representarse a través de (5).
�A�
También, el analista debe decidir qué caracterís-
tica desea perfeccionar u optimizar en el diseño
y formularla analíticamente en términos de una
función de la forma � �pxfF �� denominada
función objetivo. A partir de estas consideracio-
nes puede plantearse el problema de optimiza-
ción o de diseño óptimo como la búsqueda del
conjunto de variables contenidas en el vector xque cumpla la condición expresada en (6).
� �xfFMaximizaroMinimizar ��� �@�
Sujeto a las condiciones descritas por (7) y (8).
� � mjxg j � �,� �� �8�
nixxx iii � �,��$�� ��� ���
En las expresiones (6), (7) y (8) se omite el vector
de parámetros p dado que es invariante durante
el proceso de optimización. La metodología de
optimización descrita, permite plantear proble-
mas de diversa índole. Para el caso de estructu-
ras lineales de nodos articulados, se propone: a)
el diseño óptimo “de menor peso” (o de menor
volumen) de una celosía de tres barras solicitada
por dos estados alternantes de carga (Figura 1a),
y b) la configuración simétrica de peso mínimo
de una armadura de puente solicitada por una
carga que puede actuar en cualquiera de los nu-
dos del cordón inferior de la misma (Figura 1b).
Para el caso (a) de la celosía, la alternancia de la
carga P genera una simetría en el diseño que hace
que existan solo dos variables de diseño que se
almacenan en el vector ��� �, xxx � donde x1 y
x2 representan las áreas de las barras indicadas en
la Figura 1a. Los parámetros del modelo son: el
peso específico [γ], el módulo de elasticidad [E],
la longitud [L], la carga [P] y el esfuerzo admisi-
ble del material a tracción [sM
] que es constante
en el proceso de optimización. Las condiciones o
restricciones del problema son:
1. Esfuerzos admisibles:
A tracción: sM
A compresión: 0.75sM
��$�� xxx ��
PP
1
� C 7
P
PP
u
u
,
�
, � B
$, ,$�$
,
�
B
6
A
@
7�D,�,,,�
�, �� �B �6 �A
,
�
B
6
A
@
7
�
D
,�
,,
,�
,B
,6
,A
,@
,8
,�
,D ��
�,
��
�B
�6
�A
A�� A�� A��
@��
ABB
BBB
�
(a) (b)
Figura 1. Casos de optimización. a) celosía de tres barras bajo cargas P alternantes. b) armadura de puente sujeta a
carga móvil Pi
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
94
2. Valores de las variables de diseño:
��,� �� ixi que significa que las áreas de-
ben ser positivas.
La solución teórica del problema de la celosía
puede encontrase empleando los planteamientos
clásicos del análisis matricial para estructuras ar-
ticuladas de donde se obtiene el sistema matricial
(9) en función de los movimientos de los nudos.
�D�
Asimismo, los esfuerzos en las barras quedan re-
presentados por el sistema (10).
�,��
De la ecuación matricial (10) se obtienen las ex-
presiones para σ1, σ
2 y σ
3; y particularizando el
esquema de optimización planteado en (6), (7) y
(8) se obtiene el problema a solucionar ,descrito
en (11), (12), (13), (14) y (15).
�,,�
Sujeto a:
�,��
�,B�
�,6�
��,� �� ixi�,A�
Cada una de las condiciones � � ��xg j determi-
na una porción del espacio donde puede estar la
solución. La intersección de todas las condicio-
nes determina la región de diseño. Un punto xque pertenezca a esta región es un diseño váli-
do y es no válido si no pertenece o está fuera de
ella. Los puntos situados dentro de la región se
denominan diseños incondicionados y son con-
dicionados cuando se sitúan en una curva fron-
tera � � ��xg j ó en la intersección de varias de
ellas. Las condiciones que cumplen � � ��xg j se
denominan activas y pasivas en caso contrario.
Pueden existir condiciones que estén situadas
fuera de la región de diseño y en tal caso pue-
de prescindirse de ellas ya que no son relevantes
en el proceso de optimización. Sin embargo, esta
situación es difícil de identificar en problemas
de muchas variables. Los diferentes valores de la
función objetivo originan curvas F1, F2 como se
muestra en la Figura 2, en este caso se trata de
líneas rectas, sin embargo, la función objetivo en
general puede ser no lineal.
Ahora bien, en el análisis y diseño de armaduras
de puentes toman considerable importancia las
cargas móviles impuestas por los vehículos. Por
esto, el caso (b) es una armadura de puente solici-
����
�
����
�
�
��
���
��
���
��
�
���
�
�
,
�,
,
P
P
uu
xxx
2LE
�
���
�
�������
�
�������
�
�
�
�
�
��
���
�
���
�
���
�
�
�
���
�
���
�
�
PP
xxx
xx
xxx
uu
LE
�,,
�,
�,,
�
,
B
�
,
�A �A ��
,�
�A �A �
A �A �,�A �A �
�,�� LxxLFMinimizar �� �
� � ����
�,�,
,�,, �
��
�� MM Pxxx
xxxg
� � ��
,
�,�� �
��� MM P
xxxg
� � �8A ���
8A ��,
�,
�BB ��
����� MM P
xxxxxg ���
La representación gráfica del problema se obser-
va en la Figura 2.
� A , � , A
, �
� �
B ���F�,
B��F�
���F�
�������)�������
7���"��3���������
I,I�
I��
���� ����
REGIÓN DE DISEÑO
*�N�C��
,*�N�C��
Figura 2. Representación gráfica del esquema de optimi-
zación del problema de optimización de volumen de una
celosía de tres barras sujeta a cargas alternantes P.
95
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
tada por una carga de 30 ton que puede actuar en
cualquiera de los nudos del cordón inferior. En el
problema, los parámetros son: el peso específico
[γ], el módulo de elasticidad [E], la carga [P] y
se requiere obtener la configuración simétrica de
peso mínimo sujeta a las condiciones (16), (17) y
(18) (Pedersen, 1972).
�,@�
Sujeto a:
�,8�
�,��
3. Resultados
El diseño óptimo para el caso (a) de la celosía
de tres barras se obtiene para un valor F de la
función objetivo tal que los valores menores de
las variables de diseño pertenezcan a una curva
frontera � � ��xg j (punto óptimo). En este caso
la solución corresponde a una tangente a la con-
dición � � �, �xg en el punto óptimo. La solución
se describe en (19) y (20):
�,D�
����
Al remplazar los valores de x1 y x
2 en la función
objetivo (11) se obtiene la ecuación (21).
��,�
Las expresiones (22) y (23) para los desplaza-
mientos u1 y u
2 respectivamente, pueden obte-
nerse de (9).
����
��B�
Planteado en su totalidad el esquema de opti-
mización para el problema de la celosía, bas-
ta tomar el vector de parámetros p y rempla-
zarlo en las ecuaciones (19) a (23) para
ob te ner los resultados del problema optimizado. �B @���,����,����@�8 �A!�����P�!���������� �A6B�, ���� pppppp �
donde [γ] está expresado en ton/cm3, [E] en ton/
cm2, [L] en cm, [P] en ton y [sM
] en ton/cm2.
El escenario de optimización queda repre-
sentado por el vector de variables de diseño
�
��A
,iii LxFMinimizar
�A� �,CB ,C�6 , �� ���� icmtoncmton i�
�A� �,� �� ixi
M
Px
8�� �, �
,, xE
PLu �
� ��,� �xxE
PLu�
�
M
Px
6�� �� �
M
PLF
@BD ��
Validación Optimización en Excel
GM
3,6
P 20
L 100
X1
X2
X1*Gm/P X2*Gm/P g
1g
2g
3
4,381 2,269 0,789 0,408 8,6483E-07 -0,96491119 -1,73508795
F 1466,088
F*Gm/(P*L) 2,639
Figura 3. Validación del problema de optimización de volumen de la celosía de tres barras sujeta
a cargas alternantes P
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
96
��@8 ��B8� 6���� �, �� xxx cm2, el valor de la
función objetivo 3 y el vector de varia-
bles de respuesta �,�@ ���,� ����� �, �� Tuuu
cm.
Al emplear la toolbox Solver de Excel se validan
los resultados. La Figura 3, presenta el desarrollo
del problema haciendo uso de la herramienta.
Un modelo de mismas características desarro-
llado en el programa de elementos finitos Ansys®
corrobora los resultados encontrados. El elemen-
to empleado corresponde al elemento LINK1 de
la librería de elementos del programa el cual está
definido por dos nodos y dos grados de liber-
tad por nodo. En Ansys® es posible emplear dos
métodos de optimización, el más complejo pero
también el más exacto es el de primer orden, usa-
do para este modelo. El número máximo de ite-
raciones empleado fue 20. La Figura 4 presenta la
evolución de la convergencia de la función obje-
tivo que se desarrolla sin oscilaciones. Se observa
que el descenso de la pendiente es acelerado des-
de las primeras iteraciones. Las iteraciones finales
revelan un esfuerzo de acercamiento al volumen
óptimo de 1470.3 cm3. La familia de curvas de la
Figura 5 muestra un comportamiento de la con-
vergencia de las variables de diseño muy similar
al de la función objetivo (Area1 óptima = 4,3857
cm2, Area2 óptima = 2.2988 cm2). Las Figuras 6
1450
1500
1550
1600
1650
1700
1750
1800
1850
1900
1950
13
57
911
1315
1719
21
�
Figura 4. Convergencia función objetivo
2
2.4
2.8
3.2
3.6
4
4.4
4.8
5.2
5.6
6
13
57
911
1315
1719
21
�
Figura 5. Convergencia de las variables de diseño
Figura 6. Isocontornos de desplazamiento en X.
Figura 7. Isocontornos de desplazamiento en Y.
97
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
y 7 presentan los resultados de desplazamiento
horizontal y vertical de la celosía, respectivamen-
te. Se aprecia que el nodo inferior se desplaza
horizontalmente 0.217156 cm y verticalmente
0.124711 cm.
En la tabla 1 se comparan los resultados del es-
quema de optimización obtenido por la vía del
modelado en Ansys® y la solución teórica. Se ob-
serva una correspondencia importante en los re-
sultados.
Tabla 1. Comparación de resultados
Sol teórica Ansys®
Desp. Horiz. nodo inferior
(cm)0.218 0.217
Desp.Vert. nodo inferior (cm) 0.126 0.125
Volumen óptimo (cm3) 1466.111 1470.300
AREA1 4.378 4.386
AREA2 2.267 2.299
El diseño óptimo para el caso (b) de la armadura
de puente para carga móvil P=30 ton se obtiene
implementando un modelo en Ansys®. El núme-
ro máximo de iteraciones definido para resol-
ver el problema es 50. El vector de parámetros�B�,����@�8 �A!��P!�������� B�, ���� pppp ,
donde [γ] está expresado en ton/cm3, [E] en ton/
cm2 y [P] en ton. La Figura 8 muestra la discreti-
zación del modelo, la Figura 9 presenta la evolu-
ción de la convergencia de la función objetivo la
cual se desarrolla escalonadamente en las prime-
ras 23 iteraciones con una aproximación al peso
óptimo (1.933 ton) en las posteriores iteraciones.
La familia de curvas de la Figura 10 denota un
comportamiento irregular de la convergencia de
las variables de diseño, sin embargo después de la
iteración 32 alcanzan el refinamiento de la solu-
ción. La Figura 11 muestra la solución del volu-
men optimizado para la discretización; se aprecia
que buena parte del volumen se concentra en el
arco resistente de la estructura.
En la tabla 2 se presenta la solución de referencia
obtenida mediante una serie de programas linea-
les (Pedersen, 1972).
Figura 8. Discretización del modelo
Figura 9. Convergencia de la función objetivo
Figura 10. Convergencia de las variables de diseño
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
98
Tabla 2. Solución de Pedersen. Variables de di-
seño
Barra Área (cm2) s (ton/cm2)
1 43.37 -1.04
2 16.55 1.30
3 36.38 -1.04
4 6.07 1.30
5 33.17 -1.04
6 3.87 -1.04
13 11.90 1.30
14 12.13 1.30
15 13.15 1.30
18 5.95 -1.04
19 16.40 1.21
20 10.85 1.30
21 6.81 1.30
Al tomar el vector de parámetros p y el vector de
variables de diseño �� �� �,�, xxxx � cm2 y rem-
plazarlo en la ecuación (16) se obtiene un peso
mínimo Fmín
=1.868 ton. El valor de peso óptimo
obtenido por la vía del modelado en Ansys® es de
1.933 ton.
En la Tabla 3 se presentan los resultados del es-
quema de optimización obtenido por la vía del
modelado en Ansys®. Se observa una correspon-
dencia importante con los resultados de la solu-
ción de referencia de la Tabla 2.
Existe un buen grado de aproximación por las dos
vías. Las variaciones se deben fundamentalmente
a la diferencia entre los métodos de solución, los
fenómenos de propagación de error, los errores
inducidos por la malla de elementos finitos, entre
otros. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el
problema de optimización es altamente no lineal
por la condición de variabilidad de la posición de
la carga y la envolvente de esfuerzos máximos y
mínimos que debe hallarse para cada ciclo de la
solución.
Tabla 3. Solución de Ansys®
Barra Área (cm2) s (ton/cm2)
1 44.05 -1.02
2 17.07 1.25
3 37.66 -1.01
4 6.54 1.25
5 33.86 -1.02
6 4.58 -0.94
13 12.86 1.25
14 12.85 1.23
15 14.38 1.21
18 6.83 -0.99
19 16.3 1.18
20 11.07 1.25
21 6.99 1.24
4. Conclusiones
La optimización del diseño representa una he-
rramienta de competitividad extremadamente
eficiente para las empresas dedicadas al diseño de
maquinaria e infraestructura dada la gran varie-
dad de posibilidades de optimizaciones flexibles
y adaptables por medio de la parametrización
de modelos. Es importante tener en cuenta que
cuando se resuelve un problema por elementos
finitos o cualquier otra técnica numérica siempre
se obtienen soluciones aproximadas que deben
ser evaluadas con criterio ingenieril.
En cuanto a los casos estudiados se concluye que
las soluciones numéricas muestran confiabilidad
y adaptabilidad a problemas complejos que pue-
den ser muy útiles en la práctica para obtener
Figura 11. Volumen optimizado por elementos
99
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
ahorros importantes en el diseño y construcción
final de estructuras. En el caso de la armadura de
puente se entiende que una decisión importan-
te de diseño es concentrar buena parte del acero
en el arco resistente ya que en este se ubican las
fuerzas axiales más altas. También puede notarse
que la solución óptima en el puente tiende a uni-
formizar el valor absoluto de los esfuerzos en las
barras.
5. Referencias Bibliográficas
1. Ansys User Manual, V11, Swanson Analysis Sys-
tems, Inc. Houston.
2. Cosmos/M, 2012, Structural Research and Analysis
Corporation. Optstar.
3. Oñate, E., 2011, Cálculo de Estructuras por El Mé-
todo de Elementos Finitos, Cimne. Barcelona.
4. Pedersen, P., 1972, On the Optimal Layout of Mul-
ti-Purpose Trusses, Comput. Struct. Vol. 2, Den-
mark, pp 695-712.
5. Schmit, L., 1980, Structural Design by Systematic
Synthesis, Second Conference on Electronic Com-
putation, Asce, Pittsburgh, pp105-132.
6. Zienkiewicz, O. C. & Taylor, R. L., 2010, El Método
de Los Elementos Finitos, Cimne. Barcelona. 890
pp.
101
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Evaluación sensorial en Café Espresso. Una Comparación entre Jueces Internacionales
Sensory Analysis in Espresso Coffee Brewed. A Comparison between International Judges
Nelson Gutiérrez Guzmán1, Javier Murgueitio Cortes2, Nataly Peña Gómez3
Resumen
Se evaluaron sensorialmente tres tipos de cafés especiales comerciales y un café de procedencia Huila recién tostado, las muestras se prepararon como café espresso y se evaluaron como bebida de consumo; el panel sensorial estuvo compuesto por tres catadores de Estados Unidos, tres cata-dores Europeos y cuatro catadores colombianos. Las muestras fueron evaluadas sensorialmente de acuerdo a la metodología de la Asociación Americana de Cafés Especiales (SCAA). Los resultados mostraron diferencias estadísticamente significativas (P < 0,05) para la evaluación de las muestras, según la procedencia del evaluador; en cuanto a las notas reportadas por los tres tipos de evaluado-res, los catadores estadounidenses reportaron notas asociadas a madera y cacao, mientras que los catadores colombianos reportaron notas asociadas a frutos rojos y amarillos.
Palabras clave: Cafés especiales; análisis sensorial; café espresso.
Abstract
Three commercial specialty coffees and one fresh specialty coffee of Huila were sensory analyzed; the samples were make as espresso coffee; the sensory panel was composed by three USA judges, three European judges and four Colombian judges, the samples were evaluated with the Specialty Coffee Association of America (SCAA) methodology. The results showed statistically significant di-fferences (p < 0,05) in the samples by judge origin; the USA judges reported flavor notes associated with wood and cocoa, while the Colombian judges reported flavor notes associate with citric and red fruits.
Keywords: Specialty coffees; sensory analysis; espresso.
1 Ingeniero Agrícola. Ph.D, Docente Universidad Surcolombiana. E-mail: [email protected]
2 Gerente General Mild Coffee Company Huila S.A.S. C.I. E-mail: [email protected]
3 Ingeniero Agrícola. Investigadora Grupo Investigación Agroindustria Usco. E-mail: [email protected]
Recibido 16 de diciembre 2013 Aprobado 28 de febrero de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 101-105
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
102
1. Introducción
Después de la primera mitad del siglo XX se expe-
rimentó un importante incremento en el consu-
mo mundial de café debido al atractivo universal
y a la diversidad de posibilidades en la prepara-
ción de bebidas a base de café, constituyéndose
los países de Europa septentrional como los de
mayor consumo per cápita (Beltrao, 1992). La
preparación de la bebida consiste en extraer con
agua caliente los compuestos solubles que dan el
sabor, cuerpo y características organolépticas a la
taza de café. La preparación se hace con agua lim-
pia y caliente, a punto de ebullición, separando
las partículas de café agotado (borra o cuncho)
por filtración o sedimentación (Puerta, 2003). El
café espresso se define como la bebida obtenida
por la filtración de agua caliente a presión a través
de una torta comprimida de café molido (Illy et
al., 2005), el origen de la denominación espresso
hace referencia al corto tiempo en la extracción
de la bebida que no supera los 30 segundos. Un
café espresso generalmente se presenta en una pe-
queña taza en la que se ponen aproximadamente
35ml de café oscuro con una capa de espuma ma-
rrón denominada crema que constituye un rasgo
distintivo (Parenti et al., 2014). El espresso es el
método de elaboración de café más común en
Italia y se hace cada vez más popular en muchos
otros países en el mundo entero, donde más de
50 millones de tazas de café son consumidas cada
día (Illy et al., 2005).
Un café espresso de buena calidad debe tener
atributos específicos sensoriales relacionados con
el aspecto visual, el gusto y el aroma, un gusto
equilibrado amargo/ácido, un cuerpo fuerte, un
aroma potente y fino, y una crema consistente
con una textura muy compacta. La presencia y la
intensidad de cada descriptor sensorial específico
en una taza de café espresso está influenciado por
la variedad y el protocolo de tostión; la calidad fi-
nal en taza puede afectarse por la condición física
que controla el proceso de filtración, el nivel de
molido, la temperatura y la presión del agua, y el
tiempo de filtración (Albanese et al., 2009).
Tradicionalmente los atributos de calidad en el
café son evaluados mediante la utilización de la
metodología de la Asociación Americana de Ca-
fés Especiales (Specialty Coffee Association of
America – SCAA) (SCAA, 2013), en la que 8,25
gr de café tostado y molido son mezclados con
150 ml de agua a 93 oC, para identificar los defec-
tos presentes en la bebida de café y medir la in-
tensidad de los atributos sensoriales como la aci-
dez y el dulzor, y de igual forma, calificar el sabor,
el aroma y la calidad global del producto; esta in-
fusión no es una bebida de consumo, por lo que
los catadores generalmente escupen la muestra
después de retenerla por unos pocos segundos en
su paladar. El nivel de aceptación de una bebida a
base de café como puede ser el espresso, se realiza
mediante una prueba sensorial de degustación,
realizada sobre la bebida de consumo, preparada
como tradicionalmente se presenta a los consu-
midores en las tiendas de café.
Algunos estudios se han realizado para evaluar
atributos de calidad en bebidas a base de café,
realizados en pruebas de degustación como es el
caso de Andueza et al. (2003) quienes evaluaron
las características químicas y sensoriales de un
café espresso en función del grado de molienda
y nivel de tostión; Fermín et al. (2012) evaluaron
la calidad físicoquímica y sensorial de tres mar-
cas comerciales de café tostado y molido; Da Sil-
va et al. (2004) realizaron una evaluación en la
intensidad de sabor amargo en cuatro muestras
comerciales de café orgánico y convencional; fi-
nalmente, Ontaneda (2004) evaluó mezclas de
café arábiga y robusta, en diferentes proporciones
y grados de tueste, valorando el grado de acepta-
ción en infusiones de café como bebida de con-
sumo.
El objetivo del presente trabajo fue evaluar el ni-
vel de aceptación y los atributos sensoriales en
bebidas de café espresso obtenidas de tres marcas
comerciales de café y una muestra recién tosta-
da de origen Huila, realizado por un panel com-
puesto por catadores europeos, norteamericanos
y colombianos.
103
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
2. Materiales y Métodos
Muestras
Fueron evaluadas tres muestras comerciales de
cafés especiales de reconocidas marcas naciona-
les referidas a origen Huila (M1), Café Premium
(M2), a cafés tipo Premium alta montaña (M3), y
una muestra de café del sur del Huila (M4) tos-
tada el mismo día de la prueba. Se prepararon
cinco tazas de café espresso de cada una de las
muestras evaluadas, utilizando 7,5 gr de café mo-
lido haciendo pasar agua a 92 oC a una presión
de 9 bares durante 25 segundos, hasta obtener 35
ml de café espresso. Se utilizó una máquina de
extracción marca Bezzera modelo BZ40DEPM
(Macchine Bezzera It.).
Panel de evaluadores.
El panel de evaluadores estuvo conformado por
10 jueces entrenados, tres estadounidenses, 3 ho-
landeses y 4 colombianos; los cuales analizaron
las bebidas ubicadas sobre una mesa rectangular
de acero inoxidable en la que se dispusieron cin-
co tazas por cada muestra en evaluación.
Atributos de calidad.
Se evaluó la acidez, el cuerpo, flavor, balance y
puntuación del catador (Impresión global), en
una escala de 6 a 10 puntos atendiendo la esca-
la de evaluación de la SCAA (Barrera, 2014); las
muestras que obtienen puntuaciones por debajo
de seis puntos no son considerados cafés especia-
les. Los evaluadores indicaron además las notas
predominantes en el sabor de la bebida.
Análisis estadístico.
Se realizaron los perfiles descriptivos de las cua-
tro muestras evaluadas mediante la utilización de
gráficos de tipo radial haciendo uso del softwa-
re Excel (Microsoft Office). Mediante ANOVA
factorial se determinaron diferencias estadística-
mente significativas para la valoración según pro-
cedencia del catador y según muestras; se analizó
la interacción entre los factores procedencia del
catador y atributo evaluado; se utilizó la prueba
HSD Tukey para definir grupos homogéneos con
un nivel de confianza del 95%. Se utilizó software
estadístico STATGRAPHICS Plus 5.1 (Manugis-
tics, Inc., Rockville MD, USA).
3. Resultados y Discusión
La Figura 1 muestra el perfil descriptivo de las
cuatro muestras evaluadas, la puntuación de cada
atributo corresponde al promedio de los 10 pa-
nelistas participantes; como puede verse, todas
las muestras evaluadas superaron los 6 puntos,
pero en el atributo acidez, ninguna muestra su-
peró los 8 puntos.
0
2
4
6
8
10Acidez
Cuerpo
FlavorBalance
Total
Muestra 1
Muestra 2
Muestra 3
Muestra 4
Figura1. Perfil descriptivo de cuatro muestras de café
espresso.
La Figura 2 presenta la gráfica de medias para
catador según valoración de todos los atributos
evaluados en conjunto, como puede verse, exis-
ten diferencias estadísticamente significativas en
los catadores europeos pues éstos tienden a ca-
lificar con menor puntaje las muestras; así mis-
mo, los catadores americanos y colombianos
forman un grupo homogéneo en la percepción
de las cuatro muestras evaluadas. Es importan-
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
104
te tener en cuenta este resultado, pues cuando se
trate de comercializar cafés especiales con desti-
no a Europa, se deberá considerar que este tipo
de consumidores valoran con menor puntuación
los atributos evaluados en este estudio, cuando
se trata de muestras comerciales; para el caso de
cafés frescos (recién tostados), los panelistas eu-
ropeos puntuaron el atributo acidez por encima
de las puntuaciones de los catadores americanos
y colombianos.
Como puede verse, en la gráfica de interacción
(Figura 3), se presenta una fuerte interacción en-
tre la procedencia del catador y el atributo eva-
luado, esta afectación se hace más notoria entre
catadores de EEUU y europeos, los atributos
acidez y balance sufren cambios bruscos cuando
son valorados por estos dos tipos de catadores;
indicando que cuando se trata de evaluar acidez,
el catador europeo percibe con más intensidad el
atributo, que representa un gusto por bebidas que
contengan acidez pronunciada.
En la Tabla 1 se presentan las frecuencias obser-
vadas en las notas reportadas por los tres tipos
de catadores para el conjunto de las cuatro mues-
tras evaluadas, como puede observarse los cata-
dores colombianos tienden a reportar con mayor
frecuencia los notas asociadas a frutos rojos o
cítricos, mientras que los catadores americanos
asocian el sabor de la bebida con notas a madera
y cacao. Bhumiratana et al. (2014) sugieren que
existe una correlación fuerte entre las percepcio-
nes en el momento del consumo de café, con las
emociones evocadas en el momento del consu-
mo.
Tabla 1. Frecuencias observadas en notas repor-
tadas en café espresso según catador
Catador / Nota MaderaVino Tinto
Cacao CítricoFrutos Rojos
EEUU 6 2 6 3 0
EUROPEO 0 2 2 4 4
Colombiano 0 8 8 6 9
4. Conclusiones
Tanto las tres muestras comerciales como la
muestra recién tostada no presentaron diferen-
cias estadísticamente significativas al ser valora-
das por tres tipos de catadores de diferente pro-
cedencia, lo que implica que las condiciones de
empaque y almacenamiento del producto en los
puntos de venta donde se adquirieron son ade-
cuadas y mantienen las características sensoria-
les, similares a las del producto fresco.
Medias y 95,0 Porcentajes Intervalos HSD de Tukey
Catador
COLOMBIA EEUU EUROPA6,5
6,8
7,1
7,4
7,7
8
8,3
8,6
Val
ora
ció
n
Figura 2. Tabla de medias para valoración promedio de
café espresso según procedencia del catador
Gráfico de Interacción
Catador
Atributo
AcidezBalance
CuerpoFlavor
Total
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
COLOMBIA EEUU EUROPA
Figura 3. Gráfico de interacción para puntuaciones pro-
medio de las muestras de café espresso en función dela
procedencia del catador
105
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
En la evaluación de las cuatro muestras de café
presentados como bebida de consumo tipo es-
presso, los catadores de procedencia europea
valoraron en conjunto los atributos con menores
puntajes que los catadores colombianos y esta-
dounidenses, lo que indica una menor aceptación
para este tipo de bebidas, probablemente porque
las muestras resultaron con una acidez baja; pues
como se pudo observar en los resultados de la
interacción de los atributos por catador, cuando
valoraron el atributo acidez, los catadores euro-
peos otorgaron proporcionalmente puntuaciones
más altas.
De acuerdo a las notas reportadas por los catado-
res para café espresso como bebida de consumo,
fue notoria la inclinación de los catadores colom-
bianos a asociar la bebida con sabores frutales
(frutos rojos y amarillos), mientras que para los
consumidores americanos esta bebida evoca una
sensación menos expresiva con sabores a madera
y a cacao.
Agradecimientos
Los autores expresan los agradecimientos a la
empresa Mild Coffee Company Huila S.A.S C.I:
por el apoyo y participación con sus catadores de
procedencia europea para el desarrollo de este
proyecto.
5. Referencias Bibliográficas
1. Albanese D., Di Matteo M., Poiana M. y Spagna-
musso S. 2009. Espresso coffee (EC) by POD: Study
of thermal profile during extraction process and
influence of water temperature on chemical–physi-
cal and sensorial properties. Food Research Inter-
national, Vol. 42, pp. 727–732.
2. Andueza S., de Peña P. y Cid C. 2003. Chemical
and Sensorial Characteristics of Espresso Coffee As
Affected by Grinding and Torrefacto Roast. Journal
of Agricultural and Food Chemistry, Vol. 51, pp.
7034-7039.
3. Barrera, O. M. 2014. Selección y entrenamiento de
un panel en análisis sensorial de café. Tesis Inge-
niería Agrícola. Facultad de Ingeniería, Universi-
dad Surcolombiana, Neiva, 120p.
4. Beltrao A. 1992. Perspectivas culturales del con-
sumo de café. Foro sobre la cultura del café. Kobe
Japón, mayo de 1992. Pp. 7-13.
5. Bhumiratana N, Adhikari K. y Chambers IV E.
2014. The development of an emotion lexicon for
the coffee drinking experience. Food Research In-
ternational, In Press, pp. 1-10.
6. Fermín N., Galán H., García J. y Bracho N. Eva-
luación de la calidad físicoquímica y sensorial de
tres marcas comerciales de café tostado y molido.
Revista Científica UDO Agrícola, Vol. 12, pp. 428-
438.
7. Illy, A., Viani, R., Suggi Liverani, F., 2005. Espresso
Coffee: The Science of Quality. Elsevier Academic
Press, pp. 16–19.
8. Ontaneda A. C. 2004. Estudio técnico y sensorial
de café espresso para un mercado ecuatoriano. Te-
sis de Ingeniería Agroindustrial. Zamorano – Es-
cuela Agrícola Panamericana, Tegucigalpa Hondu-
ras; 36 p.
9. Parenti A., Guerrini L., Masella P., Spinelli S., Cala-
mai L. y Spugnoli P. 2014. Comparison of espresso
coffee brewing techniques. Journal of Food Engi-
neering, Vol. 121, pp. 112–117.
10. Puerta, G.I. 2003. Especificaciones de origen y bue-
na calidad del café de Colombia. Avances técnicos
Cenicafe, No. 316 Octubre, 8 p.
11. SCAA— Specialty Coffee Association of Ameri-
ca (2013). Disponible en in: http://www.scaa.org.
Consultado el 4 de junio de 2013.
107
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Evaluación de la eficiencia del uso de combustible en los hornos tradicionales de curado de Tabaco1
Evaluation of the efficiency of fuel in traditional tobacco curing ovens
Néstor-Enrique Cerquera-Peña2, Eduardo Pastrana-Bonilla3.
Resumen
El cultivo del tabaco se ha convertido en uno de los más importantes en Colombia, generando empleo a mano de obra calificada y no calificada. En la poscosecha del tabaco se han detectado varias problemáticas a resolver, una de ellas la concerniente al alto costo del combustible empleado en los hornos de curado. Por ello, se realizó una evaluación al intercambiador de calor tradicional tipo hornilla para determinar la eficiencia del uso del combustible. La información obtenida deja en evidencia la gran dificultad que se tiene con este sistema de transferencia de calor por convec-ción natural para mantener temperaturas estables al interior del horno, generando condiciones ambientales que se alejan considerablemente de las previstas para este proceso, dependiendo estas variaciones, en gran medida, de la frecuencia de cargue de la hornilla, encontrándose además, que la eficiencia en el aprovechamiento de la energía entregada por el carbón es menor del 10%.
Palabras clave: Curado de tabaco, intercambiador de calor, eficiencia térmica, horno.
Abstract
Tobacco has become one of the most important crops in Colombia, generating employment for both skilled and unskilled workers. In the post-harvesting of tobacco were found several problems to be solved, one of them concerning the high cost of the fuel used in the curing ovens. Therefore, an evaluation to the traditional heat exchanger, burner type, to determine the efficiency of the fuel used, was performed. The information obtained shows clearly the great difficulty with this system of heat transfer by natural convection to maintain stable temperatures inside the oven, creating environmental conditions that deviate significantly from those required for this process, depending these variations largely on the frequency of loading of the burner, we also found that the use effi-
ciency of the energy delivered by coal is less than 10%.
Key Words: Tobacco curing, heat exchanger, thermal efficiency, oven.
1 Trabajo realizado con el apoyo y financiación de la Gobernación del Huila, la Secretaría de Agricultura y Minería del Huila y la
Universidad Surcolombiana.
2 Colombiano, Ingeniero Agrícola, Magister en Ingeniería Agrícola UN, Magister en Dirección Universitaria, Especialista en
Ciencia y Tecnología de Alimentos UN, Profesor Titular, Facultad de Ingeniería, Universidad Surcolombiana, Neiva, cerquera@
usco.edu.co, Tel 57-8-8754753.
3 Colombiano, Ingeniero Agrícola, Doctor en Ciencia y Tecnología de Alimentos, Magister en Ciencia de los alimentos y Enolo-
gía, Profesor Titular, Facultad de Ingeniería, Universidad Surcolombiana, Neiva, [email protected], Tel 57-8-8754753.
Recibido 20 de mayo de 2013 Aprobado 9 de julio de 2013
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 107-116
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
108
1. Introducción
El sector tabacalero del Huila se ha caracteriza-
do por mantenerse estable durante las épocas de
crisis del sector agrícola en Colombia y en los
últimos años ha tenido un repunte con el consi-
guiente incremento de las áreas sembradas. Sin
embargo se han detectado etapas en el proceso
de la cosecha y la poscosecha que generan altas
pérdidas económicas a los productores. En la fase
de cosecha se provocan pérdidas por parte de los
recolectores al no tener la capacitación adecuada
para ello o al no aplicar dichos conocimientos a
su labor. En la fase de curado de la hoja de taba-
co se han detectado deficiencias en la construc-
ción de los hornos, en el uso del combustible, en
el control al proceso de curado y en la selección
final del material seco, lo que demerita la cali-
dad del producto a comercializar y por lo tanto
el valor de la transacción final. Esto cobra mayor
relevancia por el número de hornos tradiciona-
les existentes en el departamento, que supera los
quinientos (500) (Caicedo, 2005) y que represen-
tan una inversión económica significativa. Por lo
anterior, en este trabajo de investigación, que es
de tipo exploratorio, se determinaron y cuantifi-
caron variables del proceso de curado que permi-
tieron establecer en qué medida se aprovecha la
energía entregada por el combustible durante el
proceso de curado en los hornos tradicionales de
curado de tabaco.
De acuerdo a Castillo, 1984, la relación entre la
cantidad de calor efectivamente utilizada para la
evaporación y la cantidad de calor utilizada, se
define como eficiencia térmica. En equipos se-
cadores de granos bien diseñados se obtienen
eficiencias de aproximadamente 60% a 65%. Za-
mora et al. (2005), realizaron el análisis técnico
de las variantes de operación de un calentador
de aire tubular (CAT) empleado para secar café,
en el que inicialmente se aprovechaba solamen-
te el 0,4% de la energía que se desprende de la
combustión, logrando elevar esta eficiencia hasta
el 10,5%, considerada por ellos como la máxima
eficiencia de transferencia de calor en el CAT.
Roa et al, 1999, establecieron que para el caso de
intercambiadores utilizados con quemadores de
combustibles líquidos, se tiene lo siguiente:
Un intercambiador con superficie aletada per-
mite fácilmente obtener un 50% de eficiencia.
Con los intercambiadores sin aletas rara vez se
obtienen eficiencias superiores al 40%.
Para la quema de coque, en general, los cafi-
cultores utilizan equipos que tienen eficiencia
baja, máxima de 30%.
Altobelli (2010), en la evaluación energética rea-
lizada a una estufa bulk-curing, para el curado
de tabaco, encontró que su eficiencia energética
fue del 29.21%, que se considera baja. Cerquera y
Ruiz, 2007, empleando un intercambiador de calor
con aire forzado que utiliza como combustible car-
bón mineral o cisco de café, encontraron que las
eficiencias del uso del combustible en las etapas de
curado de tabaco tipo Virginia, fueron, utilizan-
do como combustible cisco de café: en la etapa de
amarillamiento 70%, en fijación de color 66% y en
secado de vena 69%; y empleando carbón mineral:
en la etapa de amarillamiento 67%, en fijación de
color 63% y en secado de vena 74,2%.
Según De Castro (1995), el proceso de curado en
secaderos de tabaco Virginia es, entre los proce-
sos de secado de productos agrícolas, el que más
energía utiliza. De acuerdo a Ryan et al (1988)
citado por De castro (1995), mientras el secado
de granos suele consumir 7 litros de gasóleo por
tonelada de producto seco, el curado de tabaco
consume 670 litros por tonelada del producto ya
curado. Suggs 1992, citado por De castro 1995,
afirma que el curado de tabaco Virginia es parti-
cularmente un proceso de consumo intensivo de
energía a causa del alto contenido de humedad de
las hojas (80-90% base húmeda, bh) cuando son
introducidas en el secadero. Por lo tanto, la can-
tidad de agua que hay que eliminar del producto
durante el proceso es muy importante: alrededor
de 5 a 10 kg de agua deben ser evaporados por
cada kilogramo de tabaco curado.
109
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
2. Metodología
La evaluación se llevó a cabo en los municipios
de Campoalegre y Garzón en el departamento
del Huila. En total se trabajó en tres (3) baterías
de hornos, ubicadas en fincas diferentes, una (1)
en Campoalegre y dos (2) en Garzón, evaluándo-
se en total nueve (9) hornos. En cada uno de los
hornos se realizaron lecturas de las siguientes va-
riables, en intervalos de dos horas, durante todo
el tiempo de curado así:
Seguimiento a las temperaturas de la superfi-
cie en seis puntos del tubo intercambiador de
calor y en un punto a la salida da los gases de
combustión hacia la chimenea (figura 1).
Lecturas de las temperaturas de bulbo seco y
de bulbo húmedo con un sicrómetro de me-
cha.
Lecturas de la humedad relativa.
Cuantificación del consumo de combustible y
seguimiento a los tiempos de cargue de com-
bustible a la hornilla
Cálculo de la energía entregada por convección
natural al ambiente interior del horno por el
intercambiador de calor. Para calcular la ener-
gía que entrega el intercambiador al ambiente
se utilizó la ecuación para convección cuyo co-
eficiente de película fue estimado con ayuda de
las ecuaciones para convección natural (Holman,
1996). Con los valores encontrados se obtuvo la
energía transmitida por unidad de longitud del
intercambiador de calor hacia el ambiente inter-
no del horno.
Cálculo de la energía requerida en cada fase del
curado. Para calcular la energía necesaria para
calentar el ambiente del recinto en el paso de una
fase de curado a otra, y de la energía requerida
para mantener las condiciones de temperatura y
Figura 1. Vista en planta del horno tradicional de tabaco y ubicación de los puntos de medi-
ción de la temperatura de superficie.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
110
humedad en un valor medio en cada una de ellas,
se utilizó la siguiente ecuación:
Q = m V (h2–h
1) (1)
Donde:
Q: Energía necesaria para cambiar de fase de cu-
rado por unidad de tiempo (KJ*h-1)
m: masa específica (KgAs*m-3)
V: Volumen del aire a calentar en el horno por
unidad de tiempo (m3 *h-1)
h: Entalpía (KJ* KgAs -1)
Se determinó la entalpía y la masa específica del
aire en el sistema por psicrometría, utilizando las
temperaturas del ambiente y las humedades rela-
tivas promedio.
El volumen ocupado por el aire en el horno se de-
terminó considerando el espacio libre en la zona
inferior y superior del recinto y el espacio entre
las hojas de tabaco
3. Resultados
Comportamiento de la temperatura en la su-
perficie del intercambiador de calor: En las fi-
guras 2 a 5 se presentan las curvas que reflejan el
comportamiento de la temperatura en diferentes
puntos de medición (figura 1) del horno Nº 1 de
la finca 3.
0
150
300
450
600
0 24 48 72 96 120 144 168
Tiempo (h)
Tem
pe
ra
tura
(ºC
)
Figura 2. Comportamiento de la temperatura de super-
ficie del intercambiador de calor en función del tiempo
en el punto de medición 1, del horno Nº 1, de la finca 3.
0
100
200
300
400
0 24 48 72 96 120 144 168
Tiempo (h)
Tem
pe
ra
tura
(ºC
)
Figura 3. Comportamiento de la temperatura de super-
ficie del intercambiador de calor en función del tiempo
en el punto de medición 3, del horno Nº 1, de la finca 3.
0
100
200
300
400
0 24 48 72 96 120 144 168
Tiempo (h)
Tem
pe
ra
tu
ra
(ºC
)
Figura 4. Comportamiento de la temperatura de super-
ficie del intercambiador de calor en función del tiempo
en el punto de medición 5, del horno Nº 1, de la finca 3.
0
100
200
300
400
0 24 48 72 96 120 144 168
Tiempo (h)
Tem
per
atu
ra (
ºC)
Figura 5. Comportamiento de la temperatura de los ga-
ses de combustión a la salida del intercambiador de calor
(TS) en función del tiempo, del horno Nº 1, finca 3.
En las figuras 2, 3 y 4, se puede observar la alta va-
riabilidad que tiene la temperatura en la superfi-
cie del intercambiador durante las diferentes eta-
pas del curado, dejando en evidencia la dificultad
que tiene este sistema para generar condiciones
estables de temperatura en el recinto. Se obser-
111
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
va también el efecto que tiene la alimentación
discontinua de combustible teniéndose picos de
temperatura elevada cuando se alimenta de com-
bustible la hornilla y reducciones considerables
de la misma cuando no se hace la alimentación
en el momento adecuado, llegando en ocasiones
a apagarse, lo que puede acarrear daños graves al
producto.
En las tablas 1 y 2 se presenta la temperatura pro-
medio obtenida en cada uno de los puntos de
medición, para cada etapa del proceso de curado.
Esta información es utilizada para el cálculo de la
eficiencia del uso de combustible en el intercam-
biador de calor.
Las temperaturas promedio del intercambiador
de calor evidencian que la temperatura decrece a
medida que se aleja de la hornilla, encontrándose
temperaturas altas al inicio de la tubería, puntos
1 y 2, y menores en los puntos 5 y 6. La dismi-
nución promedio de la temperatura entre la sa-
lida de la hornilla y los puntos de medición más
alejados fue: en amarillamiento de 11.5 ºC (52.6
ºF), en fijación de color de 81.5 ºC (178.7 ºF) y en
secado de vena de 95.4 ºC (203.6 ºF).
En los puntos de medición equidistantes, en cada
uno de los ramales del intercambiador, se ob-
servaron diferencias en la temperatura, lo que
se refleja en un calentamiento desuniforme del
producto que se encuentra sobre el tramo más
caliente (figura 1).
Comportamiento de las condiciones ambienta-
les en el interior del horno de curado. Las figuras
Tabla 1. Temperaturas promedio en los puntos de medición del Intercambiador de calor para cada fase
del curado en el horno Nº 1, de la finca 2. Desv Std: Desviación Estándar.
Puntos
de Medición
Temperaturas promedio de los puntos de medición del Intercambiador
Amarillamiento Fijación de color Secado de vena
ºF ºC Desv Std ºF ºC Desv Std ºF ºC Desv Std
TS 217 103 18,7 448 231 40,1 453 234 0,0
1 196 91 12,6 401 205 43,8 421 216 9,5
2 199 93 14,7 458 236 34,4 471 244 19,7
3 308 153 11,2 308 153 37,9 326 164 23,8
4 339 170 12,3 339 170 25,3 364 184 13,5
5 458 236 10,8 259 126 27,2 277 136 22,0
6 275 135 12,4 275 135 21,9 293 145 15,0
Tabla 2. Temperaturas promedio en los puntos de medición del Intercambiador de calor para cada fase
del curado en el horno Nº 1, de la finca 3. Desv Std: Desviación Estándar
Puntos de
Medición
Temperaturas promedio de los puntos de medición del Intercambiador
Amarillamiento Fijación de color Secado de vena
ºF ºC Desv Std ºF ºC Desv Std ºF ºC Desv Std
TS 224 106 11,6 423 217 40,4 469 243 39,1
1 220 104 16,9 587 308 63,5 692 366 63,0
2 224 107 20,6 581 305 59,4 681 361 63,6
3 171 77 17,0 384 196 37,0 467 241 36,0
4 185 85 12,9 424 218 37,2 518 270 43,7
5 179 82 12,7 334 168 32,2 405 208 29,1
6 192 89 11,2 415 213 36,1 503 262 38,4
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
112
0
50
100
150
200
0 24 48 72 96 120
Tiempo (h)
Tem
pe
ratu
ra (
ºF)
Temperatura Bulbo Seco TBS
Temperatura Bulbo Humédo TBH
Figura 6. Variación de las temperaturas de bulbo seco y
bulbo húmedo respecto al tiempo en el horno Nº 1 de la
finca 2.
Tabla 3. Temperaturas promedio de bulbo seco en los hornos evaluados.
Finca Horno
Temperatura promedio de bulbo seco
Amarillamiento Fijación de color Secado de vena
ºF ºC ºF ºC ºF ºC
12 100 38 129 54 153 67
5 102 39 135 57 161 72
21 91 33 131 55 155 68
2 94 34 129 54 158 70
3
0 96 36 112 44 153 67
1 96 36 132 56 159 71
3 99 37 132 56 162 72
4 103 39 130 54 163 73
5 101 38 126 52 163 73
Promedio 98 37 128 54 159 70
Patrones 100 38 140 60 160 71
Figura 7. Variación de las temperaturas de bulbo seco y
bulbo húmedo respecto al tiempo en el horno Nº 1 de la
finca 3.
tiene la temperatura en el interior del horno. En
la figura 7 se observa un comportamiento mu-
cho más crítico por cuanto las variaciones de la
temperatura son más pronunciadas y frecuentes,
esto refleja la influencia que tiene el suministro
del combustible a la hornilla en las variables de
curado.
En los hornos evaluados la temperatura prome-
dio que se maneja para cada etapa es cercana a los
patrones recomendados por las empresas comer-
cializadoras de tabaco (SENA, 2005), como se
observa en la tabla 3; sin embargo, en la práctica
se encuentran picos máximos y mínimos de tem-
peratura que se alejan en gran medida del valor
indicado (tabla 4).
Patrones: Temperaturas sugeridas por las empre-
sas productoras para cada una de las etapas del
curado de tabaco (SENA; 2005).
El horno Nº 5 de la finca 1 y los hornos Nº 4 y Nº
5 de la finca 3 presentaron las temperaturas más
elevadas en todas las etapas del curado de taba-
co, sobrepasando los límites de las temperaturas
recomendadas, específicamente en las etapas de
amarillamiento y de secado de vena. Esto se pue-
de ver reflejado en la reducción de la calidad del
producto final. Para citar un ejemplo, en el horno
2 de la finca 1, la temperatura de bulbo seco so-
0
40
80
120
160
200
0 24 48 72 96 120 144 168
Tiempo (h)
Tem
pe
ratu
ra (
ºF)
Temperatura Bulbo Seco TBS
Temperatura Bulbo Húmedo TBH
6 y 7 representan el comportamiento de las tem-
peraturas de bulbo seco y bulbo húmedo. En ellas
se puede apreciar la variación permanente que
113
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
brepaso los 160 ºF sugeridos en la etapa de seca-
do de vena llegando hasta los 190 ºF.
Tiempo de curado. La tabla 7 permite observar
la variación en el tiempo empleado para cada una
de las etapas de curado en las baterías de hornos
evaluadas. En la fase de fijación de color, que en
teoría debe ser de 36 a 48 horas, se presentan ca-
sos en que esta etapa es de tan sólo 12 a 14 horas,
esta reducción en los tiempos de fijación de color
se ven reflejados en un incremento en el tiempo
utilizado para el secado de vena, llegándose a te-
ner tiempos de hasta 122 horas cuando lo reco-
mendado es de 40 a 60 horas, con el consiguiente
sobrecosto en el uso de combustible y en la re-
ducción de la calidad de la hoja.
La etapa de amarillamiento no se puede analizar
de la misma forma por cuanto en algunas oca-
siones se realiza a temperatura ambiente y con
ventilaciones cerradas durante varios días, pro-
cedimiento que incide directamente en esta etapa
al no utilizar energía térmica durante una parte
de este periodo.
Consumo de combustible y energía generada
en la hornilla en las etapas de curado: En la
tabla 8 se presentan los consumos promedio de
combustible para cada fase del curado de tabaco.
Para determinar la energía generada en la horni-
lla durante cada fase de curado se tuvo en cuenta
el poder calorífico del carbón que se consume en
Tabla 4. Temperaturas mínimas y máximas de bulbo seco en los hornos evaluados.
Finca HornoTemperaturas Mínimas y Máximas de Bulbo Seco (ºF)
Amarillamiento Fijación de color Secado de venaTmin Tmáx Tmin Tmáx Tmin Tmáx
,� D6 ,,� ,�@ ,66 ,,� ,D�A D� ,�B ,,6 ,6B ,�B ,8�
�, �� D� ,,B ,6, ,6, ,@A� �@ ,�D ,,� ,6B ,6A ,8B
B
� D� ,�� ,�� ,B� ,B� ,��, �� ,�� ,�6 ,6� ,B� b,��B D6 ,�6 ,�6 ,A� ,66 b,��6 D@ ,�@ ,,� ,66 ,B@ b,��A D6 ,�A ,�� ,6� ,B� ,��
Tabla 7. Tiempo empleado en cada etapa del curado
Finca HornoTiempo empleado por etapas (h)
Amarillamiento Fijación de color Secado de vena
12 20 28 46
5 16 26 43
21 13 36 54
2 67 51 49
3
0 20 12 121
1 24 22 110
3 48 22 122
4 26 22 104
5 16 14 93
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
114
la zona y la cantidad promedio de combustible que
se emplea durante cada fase de curado (tabla 9).
Tabla 8. Consumo promedio de carbón en las fa-
ses del curado.
Fase Consumo de Carbón (Kg*h-1)
Amarillamiento 7
Fijación color 12
Secado Vena 18
Tabla 9. Energía generada (Qt) por la combus-
tión del carbón en la hornilla*.
Fase Qt (MJ*h-1) Q
t (Btu*h-1)
Amarillamiento 207 195303
Fijación color 354 334805
Secado Vena 532 502207
* Poder calorífico del carbón de 29.56 MJ*Kg-1 (Ingeominas, 2005)
Cálculo de la energía entregada por convección
natural al ambiente interior del horno por el
intercambiador de calor. Las temperaturas pro-
medio de la superficie (Tw) y del ambiente (T
∞) se
obtuvieron de las lecturas realizadas en los pun-
tos de medición del intercambiador de calor y del
ambiente interior del horno en las tres etapas de
curado, estos valores se presentan en la tabla 10:
Tabla 10. Temperaturas promedio de la super-
ficie del intercambiador de calor y del ambiente
interior del horno para cada etapa del curado
Temperaturas
(ºC)Amarillamiento
Fijación
color
Secado
Vena
Tw
85 156 199
T∞
37 54 70
El calor transferido por el intercambiador de ca-
lor en las etapas de amarillamiento, fijación de
calor y secado de vena se presenta en la tabla 11.
Cálculo de la energía empleada para iniciar
cada fase del curado y de la energía necesaria
para mantener la temperatura promedio del
ambiente interno. La energía necesaria para ca-
lentar el ambiente del recinto en el inicio de cada
fase de curado se calculó con la ecuación (1) uti-
lizando las temperaturas promedio del ambiente
(tabla 10) y las humedades relativas promedio
que se muestran en la tabla 12.
En la tabla 13 se presenta la cantidad de energía
necesaria para cambiar de una fase de curado a
otra.
Tabla 12. Humedad relativa promedio en cada
etapa de curado
Fase HR (%)
Amarillamiento 78
Fijación color 55
Secado Vena 39
Tabla 13. Energía necesaria para el calentamien-
to del aire en el cambio de fase de curado
Fase Qf (KJ*h-1) Q
f (Btu*h-1)
Amarillamiento 10025 9502
Fijación color 13542 12836
Secado Vena 14014 13282
Tabla 11. Energía entregada por el intercambia-
dor al ambiente interno del horno en las diferen-
tes etapas del curado.
Fase Q (w) Q (Btu*h-1)
Amarillamiento 4325 14757
Fijación color 13200 45040
Secado Vena 17236 58811
Tabla 14. Valores máximos y mínimos de las
temperaturas del ambiente y las humedades rela-
tivas para cada etapa de curado.
FaseT (ºC) HR (%)
Mínima Máxima Mínima Máxima
Amarillamiento 33 40 63 89
Fijación color 43 61 44 77
Secado Vena 57 85 25 55
El cálculo de la energía necesaria para mantener
las condiciones de temperatura y humedad re-
lativa en un valor medio, teniendo en cuenta la
variación entre máximos y mínimos en cada fase
115
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
de curado, se realizó utilizando la ecuación (1)
con los valores máximos y mínimos de las tem-
peraturas del ambiente y las humedades relativas
presentadas en la tabla 14.
En la tabla 15 se muestra la energía necesaria para
mantener la temperatura promedio del ambiente
interno para cada fase del curado.
Tabla 15. Energía necesaria para mantener las
temperaturas promedio del ambiente interno del
horno en las fases de curado de tabaco.
Fase Qm
(KJ*h-1) Qm
(Btu*h-1)
Amarillamiento 1965 1863
Fijación color 10247 9712
Secado Vena 11308 10718
Eficiencia en el uso de la energía en el curado
de tabaco.
Para el análisis de la eficiencia en el uso del com-
bustible se tuvieron en cuenta tres condiciones
que se relacionan a continuación:
Eficiencia del intercambiador de calor (h1):
Energía entregada por el intercambiador por
convección natural respecto a la energía total ge-
nerada en la hornilla (tabla 16).
Tabla 16. Eficiencia del intercambiador de calor
para cada etapa de curado.
Fase �1 (%)
Amarillamiento 7,6
Fijación color 13,5
Secado Vena 11,7
Cuantificación de la energía utilizada para el
calentamiento del aire: Porcentaje de energía
empleada en el calentamiento inicial de cada fase
respecto a la energía total producida en la hor-
nilla (e1) y porcentaje de energía empleada para
mantener la temperatura media respecto a la
energía total de la hornilla (e2), tabla 17.
Cuantificación de la energía transmitida por el
intercambiador de calor por convección natu-
ral: Porcentaje de la energía empleada en el calen-
tamiento inicial de cada fase respecto a la energía
entregada por el intercambiador al ambiente (e3)
y porcentaje de energía empleada para mantener
la temperatura media respecto a la energía entre-
gada por el intercambiador al ambiente (e4), tabla
18.
Tabla 18. Porcentaje del uso de la energía trans-
mitida por el intercambiador de calor por con-
vección natural para cada etapa de curado.
Fase �3 (%) �
4 (%)
Amarillamiento 64,4 12,6
Fijación color 28,5 21,6
Secado Vena 22,6 18,2
Como se puede observar en las tablas 16, 17 y 18,
la eficiencia en el aprovechamiento de la energía
generada por el combustible es muy baja, debi-
do especialmente a que la transferencia de calor
se realiza por convección natural. Esto tiene dos
efectos en el proceso, uno de ellos la escasa uti-
lización de la energía y el otro, la dificultad de
transportar el aire caliente a través de la hoja de
tabaco desde la parte inferior a la superior con
los problemas de desuniformidad de secado antes
mencionados.
4. Conclusiones
En los hornos tradicionales el sistema de transfe-
rencia de calor empleado es la convección natural
con el uso de tuberías internas que se calientan
con los gases de combustión provenientes de la
hornilla, este método es muy ineficiente, difícil
de controlar y además genera riesgos de incen-
Tabla 17. Porcentaje del uso de la energía genera-
da en la hornilla para el calentamiento del aire en
cada etapa de curado.
Fase �1 (%) �2 (%)1����������� 6�D ,��I�.��� ������ B�� ��D;������Q�� ��@ ��,
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
116
dio del horno por la posibilidad de que la hoja de
tabaco caiga sobre los tubos los cuales llegan en
ocasiones a la condición de “rojo vivo”.
La variabilidad que tiene la temperatura en la su-
perficie del intercambiador de calor durante las
diferentes etapas del curado, deja en evidencia
la dificultad que tiene este sistema para generar
condiciones estables de temperatura en el recinto.
Las condiciones ambientales en el interior del
horno se ven directamente afectadas por el ma-
nejo de las ventilaciones del cuarto de curado
que obedece más a un criterio personal que a un
procedimiento estandarizado y a la alimentación
discontinua de combustible teniéndose picos de
temperatura y humedad relativa, que reflejan la
influencia de esta forma de suministro del com-
bustible en las variables de curado.
En los hornos evaluados la temperatura prome-
dio del ambiente interior del horno, que se ma-
neja para cada etapa es cercana a los patrones
recomendados por las empresas productoras de
tabaco, sin embargo existen picos máximos y mí-
nimos que se alejan de manera importante del
valor indicado.
En general, los tiempos empleados en las diferen-
tes etapas del curado no corresponden a los suge-
ridos por las empresas comercializadoras, gene-
rando condiciones desfavorables en el proceso y
excesivo consumo de combustible.
La eficiencia en el aprovechamiento de la energía
generada por el combustible es muy baja, debi-
do especialmente a que la transferencia de calor
se realiza por convección natural. Esto tiene dos
efectos en el proceso, uno de ellos la escasa uti-
lización de la energía y el otro, la dificultad de
transportar el aire caliente a través de la hoja de
tabaco desde la parte inferior a la superior con
problemas de desuniformidad en el curado.
5. Referencias bibliográficas
1. Altobelli F. et al, Estudio del desempeño energético
de una estufa de secado de tabaco. Salta, Argenti-
na., Avances en Energías Renovables y Medio Am-
biente Vol. 14, 2010. Argentina.
2. Caicedo L. M., 2005. Diagnóstico integral de la ca-
dena productiva para el subsector tabacalero en el
departamento del Huila. Neiva: Gobernación del
Huila
3. Cerquera P. Néstor E. y Ruiz O. Yaneth L., 2007.
Adecuación y evaluación del horno tradicional de
curado de tabaco utilizando un intercambiador de
calor que emplea como combustible carbón mi-
neral o cisco de café, Universidad Surcolombiana,
Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Go-
bernación del Huila, Neiva.
4. Castillo N. Alvaro, Almacenamiento de granos, as-
pectos técnicos y económicos, Ediagro, 2ª edición,
Bogotá, 1984. pp 148.
5. De Castro, E, Secadero Experimental para el Cu-
rado de Tabaco Virginia en el Valle de Tietar: De-
terminación de Parámetros para ahorro energético
del proceso, Tesis Doctoral, Universidad Politécni-
ca de Madrid, Madrid, septiembre de 1995.
6. Holman, J.P. 1996.Transferencia de calor. México:
Compañía editorial S.A, p 310.
7. INGEOMINAS. 2005 “El carbón colombiano, fuen-
te de energía para el mundo”, Ministerio de minas y
energía. Bogotá, Colombia.
8. Roa, G., et al., Beneficio ecológico del café., CENI-
CAFE, Colombia, 1999, pp.165.
9. Servicio Nacional de Aprendizaje SENA Regional
Santander. 2005. Proceso productivo del tabaco ru-
bio y/o negro para la fabricación de cigarrillos [CD
ROM]. Modulo 5: Manejo final del tabaco curado,
Santander.
10. Zamora G. Luis, Sarria L. Bienvenido, Cisnero R.
Yusleisdis. 2005. Uso de biomasa como fuente de
energía para el secado agroindustrial del café: es-
tudio de caso, Revista Ciencias técnicas agropecua-
rias, Vol. 14, No. 1.
117
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
Análisis comparativo de los Sistemas de Gestión Ambiental para empresas agroindustriales
Comparative analysis of environmental management systems for agro-enterprises
Jennifer K. Castro Camacho1, Néstor-Enrique Cerquera Peña2, Alfredo Olaya-Amaya3
Resumen
Se desarrolló el análisis comparativo de los sistemas de gestión ambiental propuestos para treinta y cinco empresas dedicadas a actividades agroindustriales, ubicadas en Colombia, Suramérica; estas empresas se clasificaron en veintidós tipos y dos subsectores: alimentario y no alimentario. Se con-solidaron los impactos ambientales negativos de los tipos de empresa, obteniéndose un cuadro de impactos generados en todo el sector. Se realizó una comparación de los requisitos de la NTC ISO 14001:2004 para evaluar el estado inicial ambiental de las empresas, obteniéndose una valoración global baja, indicando que las empresas del sector agroindustrial no tienen un compromiso defi-nido respecto al manejo del medio ambiente, que se adelantan algunas acciones puntuales para el control de la contaminación pero es necesario la implementación de los sistemas de gestión formu-lados, para garantizar un enfoque ambiental integral y el mejoramiento continuo.
Palabras clave: Sistemas de gestión ambiental, empresas agroindustriales, NTC ISO 14001:2004, impactos ambientales
Abstract
A comparative analysis of environmental management systems proposed for thirty-five compa-nies engaged in agribusiness activities, located in Colombia, South America was developed; these companies were classified into twenty-two sub-types: food and non-food. Negative environmen-tal impacts of the types of company were consolidated to give a picture of the impacts generated throughout the sector. A comparison of the requirements of ISO 14001:2004 NTC was conducted to evaluate the initial environmental state companies, yielding a low overall score, indicating that the agribusiness companies have no defined commitment to environmental management, some specific actions to control pollution are ahead but you need to implement management systems formulated to ensure a comprehensive environmental approach and continuous improvement.
Keywords: Environmental management systems, agro-enterprises, NTC ISO 14001:2004
1 Ingeniera Agrícola. Estudiante Maestría en Ingeniería y Gestión Ambiental. Universidad Surcolombiana Neiva. Avenida Pastra-na Carrera 1a. Neiva, Huila, Colombia. [email protected].
2 Ingeniero Agrícola, MSc. en Ingeniería Agrícola Universidad Nacional de Colombia, MSc en Dirección Universitaria Universi-
dad de los Andes, Profesor Titular Facultad Ingeniería, Universidad Surcolombiana, Avenida Pastrana Carrera 1a, Neiva, Huila,
Colombia, [email protected] Licenciado en Biología y Química, PhD en Ingeniería Área recursos hidráulicos. Profesor Asociado Facultad de Ingeniería.
Universidad Surcolombiana Neiva. Avenida Pastrana Carrera 1a.Neiva, Huila, Colombia. [email protected].
Recibido 10 de abril de 2014 Aprobado 29 de mayo de 2014
Revista de Ingeniería y Región2014 (11): 117-128
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
118
1. Introducción
El sector agroindustrial representa un importan-
te aporte a la contaminación debido a que la ma-
yoría de las industrias descargan altos volúmenes
de residuos líquidos, provenientes de sus proce-
sos productivos y del lavado de los equipos, con-
siderados como de alta carga orgánica, con una
baja relación de instalaciones para su control.
Adicionalmente, existe un importante aporte de
desechos sólidos de naturaleza orgánica, genera-
das en los procesos productivos, así como cartón,
papel y plástico en las áreas administrativas y ac-
tividades de empaque (Sánchez et al., 2009).
Las agroindustrias de acuerdo a sus actividades
desarrolladas se pueden calificar como: (a) de
impacto medio en el ambiente y en la salud de
acuerdo a la agresividad de sus funciones; (b)
de alto impacto en relación al uso de los recur-
sos agua y energía, empleados en los procesos de
limpieza, cocción, lavado; y; (c) de alto impacto
en relación a los altos volúmenes de descargas a
la naturaleza de residuos líquidos y desechos só-
lidos,. Este sector industrial es responsable por
más de la mitad de los desechos orgánicos verti-
dos en el país, situación que se agrava debido a la
poca capacidad de respuestas que tiene el Estado
ante la problemática ambiental, lo que evidencia
las debilidades que limitan el logro de un desem-
peño ambiental aceptable (Sánchez et al., 2009).
De acuerdo con Zuluaga y Olarte (2014), el Siste-
ma de Gestión Ambiental -SGA- constituye una
de las herramientas de protección ambiental que
fortalece la toma de decisiones en el ámbito de
políticas, planes, programas y proyectos empre-
sariales, ya que incorpora variables que no han
sido consideradas durante los procesos adminis-
trativos tradicionales; es el análisis que anticipa
los impactos ambientales negativos y positivos de
acciones desarrolladas en los diferentes procesos
productivos, permitiendo seleccionar las alterna-
tivas que maximicen los beneficios y minimicen
los impactos no deseados. Su aplicación conside-
ra los contextos económicos, sociales e institucio-
nales de la región y del país.
El objetivo de esta investigación fue realizar una
síntesis comparativa de los sistemas de gestión
ambiental para empresas agroindustriales en Co-
lombia.
2. Metodología
Para la recolección de la información se efectuó
una revisión bibliográfica de los sistemas de ges-
tión ambiental para empresas que adelantan acti-
vidades agroindustriales en Colombia, así como
las Guías ambientales del Ministerio de Ambien-
te y Desarrollo Sostenible. Se consolidó la infor-
mación de treinta y cinco empresas que se clasi-
ficaron en veintidós tipos y en dos subsectores:
alimentario y no alimentario. El estudio adelan-
tado en esta investigación es de tipo descriptivo y
de carácter exploratorio.
Se compiló la información correspondiente a los
impactos ambientales negativos generados por
las actividades de producción de todas las empre-
sas, se asociaron los impactos comunes de acuer-
do a la frecuencia de ocurrencia y frecuencia re-
lativa expresada en porcentaje.
La revisión inicial ambiental, en todos los traba-
jos consultados, fue realizada aplicando la me-
todología de calificación de cumplimiento de
requisitos propuesta por Palom (1997); teniendo
en cuenta esto, se promediaron las calificaciones
obtenidas para cada requisito y para la valoración
global de todas las empresas, con lo que se ob-
tuvo el grado de satisfacción o grado de cumpli-
miento de los requisitos de la Norma NTC ISO
14001:2004; lo que se considera clave en la im-
plementación de un sistema de gestión ambiental
para el sector agroindustrial.
3. Resultados
3.1 Tipos de empresas
Las empresas estudiadas se clasificaron en vein-
tidós tipos, y estos a su vez se dividieron en dos
subsectores: alimentario y no alimentario. En la
119
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
tabla 1 se presentan las empresas correspondien-
tes al subsector alimentario, así como la fuente
bibliográfica que permitió la consolidación de la
información.
En la figura 1 se puede observar el porcentaje de
cada uno de los tipos de empresa del subsector
alimentario que han formulado su sistema de
gestión ambiental. En el subsector alimentario,
las “plantas de beneficio de carne y derivados
cárnicos” son las que más han reportado la im-
plementación de un sistema de gestión ambiental
con una participación del 18%, esto se debe prin-
cipalmente a que la cadena de la carne en Colom-
bia se caracteriza por una compleja interacción
en sus procesos productivos, y de estas activida-
des se generan muchos subproductos que requie-
ren la implementación inmediata de programas
de manejo ambiental (SIC, 2014). En segundo lu-
gar, se tiene a las empresas de “derivados lácteos”
y la “industria del café” con un 14%; en los otros
tipos de empresa la implementación varía de un
9% a un 4%. En general, las empresas del subsec-
tor deben trabajar más en la implementación de
estos sistemas de gestión ambiental para garanti-
zar el mejoramiento continuo de las mismas.
Tabla 1. Clasificación de las empresas del subsector alimentario
Tipo Empresa Cantidad Subsector Fuente
Industria Arroz 2
Alimentario
Borbón y Moya, 1997; Cabrera y Camacho, 2008
Piscícola 2 Díaz y Trujillo, 2012; Joaquí, 2011
Derivados lácteos 3Buyucué y Tovar, 2008; Medellín 2007; Bermúdez,
2009
Avícola (huevos y pollos) 2 Bolaños y Camargo, 2011; Muñoz, 2012
Chocolate 1 González, 2009
Industria café 3Ramírez, 2013; Herrera y Valencia, 2005; Cardona
y Gómez, 2012
Frutas y verduras 1 Gutiérrez et al, 2009
Plantas de beneficio de carne
y derivados cárnicos4 Mas, 2013; Lara, 2006; Echeverri, 2009; Mejía 2011
Porcícola 1 Machado et al, 2010
Panelero 1 Mejía, 2007
Cerveza 1 Parada, 2010
Azúcar 1 Ruíz y Sandino, 2013
Cerveza5%
Azúcar5%
Industria arroz9%
Piscícola9%
Panelero5%
Porcícola4%
Plantas debeneficio de
carne yderivadoscárnicos
18%
Derivadoslácteos
14%
Frutas yverduras
4%
Industria café14%
Chocolate4%
Avícola (huevosy pollos)
9%
La industria bananera, correspondiente al tipo de
empresa “frutas y verduras”, no reporta sistemas
de gestión ambiental, sin embargo Minambien-
te (2014) formuló una guía ambiental para la
agroindustria de banano para su implementación
Figura 1. Tipos de empresa del subsector alimentario
con sistemas de gestión ambiental.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
120
en los procesos industriales con fines de expor-
tación.
En la tabla 2 se presenta la clasificación de las
empresas correspondientes al subsector no ali-
mentario que fueron analizadas e igualmente la
fuente bibliográfica.
garantizan la existencia de programas sociales y
medioambientales en todos los cultivos del país
(Proexport, 2014), y esto se refleja siendo el tipo
de empresa que registra el mayor porcentaje de
implementación de sistemas de gestión ambien-
tal, que corresponde al 23%. El segundo lugar en
la formulación del sistemas de gestión ambiental
corresponde al tipo de empresa “Madera” con un
15%, y los otros tipos de empresas varían entre
un 7% y 8%.
3.2 Impactos ambientales generados por las
empresas del sector agroindustrial
Según Cabrera y Camacho, 2008, los aspectos
ambientales son los diferentes elementos, activi-
dades y productos de la empresa que pueden in-
teractuar con el medio ambiente. Los trabajos de
investigación consultados hicieron la identifica-
ción de los aspectos ambientales de las empresas
y la evaluación de los impactos ambientales aso-
ciados con los procesos industriales, que desa-
rrollan dichas empresas, utilizando metodologías
como: “Matriz de Leopold”, “redes de interacción”
y “reconocimiento de campo”. Los impactos am-
bientales negativos generados en las empresas, su
frecuencia de ocurrencia y la frecuencia relativa
expresada en porcentaje, se muestran a continua-
ción en la tabla 3:
Tabla 2. Clasificación de las empresas objeto de estudio del subsector no alimentario
Tipo Empresa Cantidad Subsector Fuente
Madera 2
No alimentario
Pérez y Upegui, 2008; Jaramillo, 2013
Flores 3 Álvarez et al, 2007; Londoño, 2003; Berrocal y Salazar, 2004
Palma 1 Enríquez, 2009
Centros de acopio 1 Calpa y López, 2008
Algodón 1 Mateus,2012
Grasas y aceites 1 Comisión Nacional del medio ambiente, 1998
Biocombustibles 1 Araujo y Misle, 2008
Curtiembres 1 Murcia, 2013
Tabaco 1 Alfaro, 2011
Alimentos balanceados
para animales1 León, 2009
Palma7%
Centros deacopio
7%
Algodón8%
Grasas y aceites8%
Biocombustibles8%
Curtiembres8%
Tabaco8%
Madera15%
Flores23%
Alimentosbalanceados
para animales8%
La figura 2 muestra los tipos de empresas del
subsector no alimentario que han formulado su
sistema de gestión ambiental. Las actividades en
las empresas dedicadas a la “poscosecha de flo-
res” se realiza con altos estandares de calidad que
Figura 2. Tipos de empresa subsector no alimentario con
sistemas de gestión ambiental
121
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
El impacto ambiental que se presenta con mayor
frecuencia en las empresas agroindustriales es la
“contaminación del aire por material particulado
y gases”, que se reporta en el 77,27% de ellas. Este
impacto se da por las emisiones de partículas en
los procesos de transformación como la trilla,
por la combustión de los motores de los equipos
de las plantas y por chimeneas.
La “generación de residuos sólidos ordinarios y
especiales” se presenta en el 68,18% de las em-
presas. Las causas de este impacto están asocia-
das con la generación de residuos que influyen
negativamente en la estética del paisaje y en la
contaminación del suelo.
El 63,64% de las empresas, consideran a la “con-
taminación por ruido” como un impacto muy
desfavorable debido a que afecta las funciones
auditivas en las personas que laboran en ellas y
que afecta a los habitantes del área de influencia
de las plantas.
Otro impacto que incide negativamente en las
empresas y su interacción con el medio ambien-
te es la “contaminación del recursos hídrico: al-
teración de parámetros fisicoquímicos” con un
59.09% de ocurrencia. El consumo de agua en
algunas empresas es significativo. El uso princi-
pal que las empresas le dan al agua es para ade-
lantar las labores de limpieza y desinfección, y se
descargan directamente a los cuerpos de agua,
alterando su calidad y disponibilidad para usos
primarios.
El “riesgo laboral y deterioro de la salud” que es
considerado negativo por el 50% de los tipos de
empresa, se debe a las actividades propias de las
plantas de procesamiento, generalmente en el
área de transformación que implique maquinaria
Tabla 3. Impactos ambientales negativos generados en los tipos de empresa del sector agroindustrial
Ítem Impactos NegativosFrecuencia de
ocurrencia%
1 Contaminación del aire por material particulado y gases 17 77,27
2 Generación de residuos sólidos ordinarios y especiales 15 68,18
3 Contaminación por ruido 14 63,64
4 Contaminación del recursos hídrico: alteración de parámetros fisicoquímicos 13 59,09
5 Riesgo laboral y deterioro de la salud 11 50,00
6 Vertimiento de aguas residuales y otros 9 40,91
7 Generación de olores desagradables 7 31,82
8 Proliferación de plagas: roedores e insectos 6 27,27
9 Deterioro del paisaje 6 27,27
10 Modificación del hábitat, alteración de fauna y flora 5 22,73
11 Disminución del caudal y deterioro en los cuerpos de agua 4 18,18
12 Desperdicio del recurso hídrico 4 18,18
13 Altos consumos de energía eléctrica 4 18,18
14 Afectación de vías por aumento de flujo vehicular 3 13,64
15 Erosión y degradación de las características físico químicas del suelo 3 13,64
16 Generación de alta carga contaminante por pelambre* 1 4,55
17 Afectación de las aguas por curtido al cromo* 1 4,55
18 Residuos sólidos con cromo* 1 4,55
19 Afectación del agua por presencia de grasas, ácidos orgánicos y anilinas* 1 4,55
*Impacto presente en un solo tipo de empresa pero que requiere un control especial.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
122
con partes móviles y que interactúan de manera
directa con los trabajadores.
En la figura 3 se observa que los cinco impactos
analizados arriba presentan una frecuencia de
ocurrencia mayor al cincuenta por ciento, sien-
do estos los impactos ambientales significativos a
los que se les debe prestar mayor atención para la
formulación de programas, metas y objetivos del
sistema de gestión ambiental de empresas agroin-
dustriales.
muy especiales del tipo de empresa dedicada a
“curtiembre”. En estos procesos las aguas utiliza-
das sufren alteraciones en su pH, es decir, dicha
agua contiene una gran variedad de sustancias
que traen como consecuencia contaminación al
medio ambiente, estas aguas no son aptas para el
consumo humano, porque generan diversas en-
fermedades virales, respiratorias, inmunológicas,
cutáneas, entre otras; además se deteriora la fau-
na aledaña a las fuentes hídricas (Murcia, 2013).
3.3 Evaluación de los requisitos NTC ISO
14001:2004 de los sistemas de gestión am-
biental del sector agroindustrial
En la figura 4 se puede apreciar la valoración pro-
medio del grado de satisfacción de los requisitos
de la NTC ISO 14001:2004 obtenidas por las em-
presas del sector agroindustrial, que aplicaron la
metodología propuesta por Palom (1997).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Impacto ambiental
Po
rcen
taje
de
emp
resa
s (%
)
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
Figura 3. Impactos ambientales negativos ordenados de
acuerdo al porcentaje de empresas que lo generan
Los impactos ambientales “vertimiento de aguas
residuales y otros”, “generación de olores desa-
gradables”, “proliferación de plagas: roedores e
insectos”, “deterioro del paisaje”, “modificación
del hábitat, alteración de fauna y flora”, “dismi-
nución del caudal y deterioro en los cuerpos de
agua”, “desperdicio del recurso hídrico”, “altos
consumos de energía eléctrica” y “erosión y de-
gradación de las características físico químicas
del suelo”, tienen una incidencia que varía desde
el 40,91% hasta el 13,64%. Estos impactos, de me-
nor frecuencia de ocurrencia, se pueden asociar
al diseño de los objetivos y metas ambientales
para cada empresa así como a los indicadores del
sistema de gestión ambiental.
En cuanto a los impactos “generación de alta car-
ga contaminante por pelambre”, “afectación de
las aguas por curtido al cromo”, “residuos sólidos
con cromo”, “afectación del agua por presencia de
grasas, ácidos orgánicos y anilinas”, son impactos
% Satisfacción
37,80
23,07
21,05
20,12
20,00
19,64
19,62
19,56
15,84
15,62
13,92
11,39
10,62
8,17
7,56
7,08
6,50
0,60
0,004.4.4 Documentación
4.2 Política Ambiental
4.6 Revisión por la dirección
4.1 Requisitos generales
4.5.2 Evaluación del cumplimiento legal
4.4.5 Control de documentos
4.4.1 Recursos, funciones, responsabilidad y...
4.4.3 Comunicación
4.4.2 Competencia, formación y toma de...
4.5.3 No conformidad, acción correctora y...
4.5.4 Control de los registros
Valoración Global Empresa
4.4.7 Preparación y respuestas ante emergencias
4.3.3 Objetivos, metas y programas
4.4.6 Control operacional
4.3.2 Requisitos legales y otros requisitos
4.5.1 Seguimiento y medición
4.3.1 Aspectos medioambientales
4.5.5 Auditorías internas
Teniendo como base la información obtenida de
las empresas del sector agroindustrial (Figura 4),
a continuación se presenta el grado de satisfac-
Figura 4. Histograma ordenado de acuerdo al grado de
satisfacción de los requisitos de la NTC ISO 14001:2004
presentes en el sector agroindustrial.
123
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
ción de los requisitos de la NTC ISO 14001:2004,
de acuerdo a lo reportado en las revisiones am-
bientales iniciales consultadas e igualmente la
apreciación del respectivo requisito.
Requisitos generales: Las empresas del sector
agroindustrial están empezando a tomar medidas
para definir y documentar un sistema de gestión
ambiental en ellas. Su calificación es de 7,56. Por
lo tanto es urgente insistir ante las gerencias so-
bre la importancia del tema ambiental, para for-
talecer su compromiso con la implementación de
un sistema de gestión ambiental que permita el
mejoramiento continuo.
Política ambiental: Su calificación es de 6,50.
Esto indica que algunas de las empresas están de-
finiendo los principios de acción o las directrices
generales sobre el medio ambiente, que permitan
fijar los objetivos y metas ambientales.
Aspectos ambientales: Este estudio permite evi-
denciar que este requisito tiene un grado de satis-
facción del 37,80% el cual, según Palom (1997),
corresponde a “mínima medida” con tendencia a
“grado aceptable”. Las empresas tienen metodo-
logías claras que permiten fijar directrices para
el manejo de los impactos ambientales, algunos
tipos de empresas cuentan con las guías ambien-
tales aportadas por el Ministerio de Ambiente y
Desarrollo Sostenible. Es importante resaltar que
este requisito presentó una calificación por enci-
ma de la obtenida en la “Valoración Global de las
empresas” que llegó a un 19,62%, lo que eviden-
cia que el sector agroindustrial tiene un interés
manifiesto en la implementación de los Sistemas
de Gestión Ambiental.
Requisitos legales y otros requisitos: Con un
grado de satisfacción del 21,05%, este requisito es
uno de los que más se acerca al cumplimiento de
“mínima medida”. Conforme a lo estipulado en la
Norma NTC ISO 14001:2004, toda empresa debe
tener un procedimiento que permita identificar
y tener acceso a los requisitos legales y otros que
influyan directa o indirectamente y que tengan
aplicabilidad en los aspectos ambientales de sus
Tabla 4. Requisitos legales y otros aplicables al sector agroindustrial
Impacto ambiental significativo u
otro componente ambientalDisposición legal de ámbito nacional, regional o local
Contaminación del aire por
material particulado y gases
Decreto 2811 del 18 de diciembre de 1974, Decreto 02 de 1982, Ley 30 de 5
de marzo de 1990, Decreto 948 del 5 de junio de 1995, Decreto 2107 del 30 de
noviembre de 1995, Resolución 1351 del 14 de diciembre de 1995, Resolución
619 del 7 de Julio de 1997, Resolución 1048 del 6 de diciembre de 1999, Ley
629 del 27 de diciembre de 2000, Resolución 0068 del 18 de enero del 2001 y
Resolución 0601 del 4 de abril del 2006.
Generación de residuos sólidos
ordinarios y especiales
Decreto 1715 del 4 de agosto de 1978, Ley 09 del 24 de enero de 1979, Resolu-
ción 541 del 14 de diciembre de 1994 y Decreto 1713 del 6 de agosto de 2002.
Contaminación por ruidoDecreto 2811 del 18 de diciembre de 1974, Resolución 08321 del 4 de agosto de
1983 y Resolución 0627 del 7 de abril de 2006.
Contaminación del recursos
hídrico: alteración de parámetros
fisicoquímicos
Constitución política de Colombia 1991, Ley 23 de 1973, Decreto 2811 del 18
de diciembre de 1974, Ley 09 del 24 de enero de 1979, Decreto 1594 de 1984,
Decreto 3930 del 25 de octubre de 2010, Decreto 4728 del 23 de diciembre de
2010, Resolución 1096 del 17 de noviembre de 2000, Decreto 3039 de 2010,
Decreto 1575 del 9 de mayo de 2007, Resolución 2115 del 22 de junio de 2007,
Resolución 1618 del 7 de mayo de 2010 y Decreto 2667 del 21 de diciembre de
2012.
Riesgo laboral y deterioro
de la salud
Resolución 08321 del 4 de agosto de 1983, Decreto 1295 del 22 de junio de 1994
y Ley 1562 del 11 de julio de 2012.
Industria Decreto 1299 del 22 de enero de 2008
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
124
actividades, productos y servicios. En la tabla 4
se muestra los requisitos legales y otros aplicables
al sector agroindustrial derivados de los impac-
tos ambientales más significativos encontrados
en esta investigación.
Objetivos, metas y programas: El requisito fue
valorado con un cumplimiento del 20%. Ésto de-
bido a que algunas empresas, aunque han realiza-
do evaluación de impacto ambiental, todavía les
falta fortalecer los objetivos, metas y programas
que conlleven a un compromiso real por parte de
todo el personal que labora en ellas.
Recursos, funciones, responsabilidad y autori-
dad: Su grado de satisfacción fue del 11,39%, lo
que se interpreta como la existencia de algunas
funciones de responsabilidad ambiental; se debe
trabajar en la elaboración de un manual de fun-
ciones que permita generar responsabilidades y
evidencias sobre el cumplimiento de las metas y
objetivos.
Competencia, formación y toma de conciencia:
La valoración de este requisito es de 15,62%. En
el sector agroindustrial se hacen algunas capa-
citaciones relacionadas con el medio ambiente,
pero es necesario generar conciencia en el perso-
nal mediante diversas actividades y responsabili-
dades que le permitan hacer parte importante de
un proceso que garantice su trabajo en armonía
con el ambiente.
Comunicación: Se obtuvo un grado de satisfac-
ción del 13,92%. Es necesario que las empresas
implementen estrategias de comunicación de los
programas y proyectos ambientales, así como
procedimientos para establecer y mantener co-
municaciones internas entre las diferentes áreas
y funciones de las empresas.
Documentación: El grado de satisfacción de este
requisito es de 0%, lo que indica que “no existe en
ninguna medida”. Las empresas no cuentan con
un documento que recopile la información sobre
temas y programas ambientales propios.
Control de documentos: El requisito control
de documentos fue valorado con un 10,62% de
satisfacción, lo cual muestra la necesidad de im-
plementar procedimientos claros en cuanto al
manejo del archivo en las empresas y la imple-
mentación de un adecuado sistema de control y
manejo de la documentación.
Control operacional: Este requisito se acerca a
la valoración “mínima medida”, con un 20.12%;
se documentan sólo los trámites administrativos.
Para mejorar este requisito se debe documentar
los procedimientos operativos y crear procedi-
mientos para actividades de carácter ambiental
específicamente.
Preparación y respuesta ante emergencias:
Este requisito tiene un grado de satisfacción del
19,64%, lo que indica que las empresas no tie-
nen claramente definidos los procedimientos de
emergencias ambientales.
Seguimiento y medición: Este requisito se acerca
a la valoración “mínima medida” con un 23,07%,
no obstante, se debe trabajar en la elaboración
de procedimientos documentados que permitan
medir y controlar las características medioam-
bientales significativas.
Evaluación del cumplimiento legal: Este requi-
sito obtuvo una valoración de 8,17%, ya que en
las empresas existe interés por el cumplimiento
legal pero no existen procedimientos para el mo-
nitoreo periódico del cumplimiento a la norma-
tividad.
No conformidad, acción correctiva y acción
preventiva: Las empresas tienen estudios de im-
pacto ambiental en donde se proponen algunas
acciones correctivas y preventivas, por ello este
requisito se calificó con 15,84%, aunque se deben
elaborar los procedimientos y métodos para de-
terminar las fallas o deficiencias del sistema y las
respectivas acciones correctivas y preventivas.
Control de registros: El control de registros tie-
ne un grado de satisfacción del 19,56%, las em-
125
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
presas cuentan con archivos de registros de es-
tudios ambientales y permisos ambientales, pero
deben establecer procedimientos para identificar,
archivar y eliminar registros ambientales.
Auditoría interna: En las empresas del sector
agroindustrial prácticamente “no existe en nin-
guna medida” las auditorías de calidad, por ello
su calificación es de 0,60%, sólo se hacen audito-
rías contables.
Revisión por la gerencia: La gerencia no cuenta
con procedimientos establecidos para las revi-
siones, se realizan revisiones de documentos y
se tienen en cuenta los temas medioambientales,
pero no hay evidencia de la ruta que siguen di-
chos documentos, por ello la valoración es 7,08%.
Valoración global del sector: La valoración global
promedio de las empresas del sector agroindustrial
es de 19,62%, lo que indica que se está empezando
a trabajar en las medidas para la implementación
de un sistema de gestión ambiental con el fin de
mejorar su responsabilidad ambiental.
4. Conclusiones
Los tipos de empresa que más se han preocupado
por el diseño e implementación de un sistema de
gestión ambiental en el sector alimentario son las
“plantas de beneficio y derivados cárnicos”, “deri-
vados lácteos” e “industria del café”. En el sector
no alimentario la “industria de las flores” es la
que más ha realizado sistemas de gestión ambien-
tal. Es importante la implementación del sistema
de gestión ambiental ya que cada vez existen ma-
yores niveles de competencia a nivel internacio-
nal, a los que deberán enfrentarse las empresas
agroindustriales producto de convenios o trata-
dos que exigen la protección del medio ambiente.
Los impactos ambientales negativos más signifi-
cativos para el sector agroindustrial son: “conta-
minación del aire por material particulado y ga-
ses”, “la generación de residuos sólidos ordinarios
y especiales”, “contaminación por ruido”, “conta-
minación del recurso hídrico” y “riesgo laboral y
deterioro de la salud”. Para su manejo y control,
se deben fijar lineamentos en la política ambien-
tal, objetivos y metas ambientales en el sistema de
gestión ambiental.
La valoración global promedio de la revisión am-
biental inicial mostró que las empresas del sector
agroindustrial no tienen un compromiso defini-
do respecto al manejo del medio ambiente, aun-
que adelantan algunas acciones puntuales para el
control de la contaminación. Esta valoración evi-
dencia la necesidad de un compromiso real de los
directivos para la implementación de los sistemas
de gestión formulados, que garantice un enfoque
ambiental por parte de las empresas. De igual
manera y como parte del mejoramiento continuo
se debe realizar periódicamente la verificación
de cumplimiento de cada requisito de la NTC
ISO 14001 para evaluar la eficacia de la puesta en
marcha de los sistemas de gestión ambiental.
5. Referencias bibliográficas
1. Alfaro, E. 2011. Estudio de impacto ambiental Ta-
bacalera Andina S.A. Documento empresarial de
Tanasa (Duran). Guayaquil
2. Álvarez, C., Acevedo, J., Hernández, C., Piedrahita,
S. 2007. Gestión y Certificación Agroambiental: ca-
mino a la sustentabilidad de la floricultura. Revista
Producción más Limpia., vol. 2, No. 1, 67-90p.
3. Araujo, E., Misle, P. 2008. Propuesta para la adop-
ción de un Sistema de Gestión Ambiental en em-
presas productoras de etanol. Revista Voces: Tec-
nología y pensamiento, vol. 2, No. 1-2, 23-47p.
4. Bermúdez, C. 2009. Sistema de Gestión Ambien-
tal ISO 14004 para una empresa de producción
lechera en la Sabana de Bogotá. Trabajo de grado
para optar al Título de Administrador de empresas
agropecuarias. Programa de administración agro-
pecuaria. Universidad de La Salle. Bogotá D.C.
5. Berrocal, L., Salazar, J. 2004. Diseño de un Sistema
de Gestión Ambiental basado en la Norma ISO
14001:96 para los residuos sólidos generados por
el proceso de producción del clavel miniatura en el
cultivo “Flores de Funza S.A.C.I”. Trabajo de grado
para optar al Título de Ingeniero Industrial. Facul-
tad de Ingeniería. Pontificia Universidad Javeriana.
Bogotá D.C.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
126
6. Bolaños, D., Camargo, M. 2011. Diseño del Sistema
de Gestión Ambiental para la avícola La Dominga.
Trabajo de grado para optar al Título de Especialis-
ta en Ingeniería Ambiental. Facultad de Ingeniería.
Universidad Surcolombiana. Neiva
7. Borbón, R.A., Moya, L. 1997. Propuesta de un siste-
ma de gestión ambiental para la industria Molinera
de arroz en el departamento del Huila. Trabajo de
grado para optar al Título de Especialista en Inge-
niería Ambiental. Facultad de Ingeniería. Universi-
dad Surcolombiana. Neiva.
8. Buyucué, C., Tovar, M. 2004. Sistema de gestión
ambiental para la fabrica Quesos Reima del muni-
cipio de Tarqui-Huila. Trabajo de grado para optar
al Título de Especialista en Ingeniería Ambiental.
Facultad de Ingeniería. Universidad Surcolombia-
na. Neiva.
9. Cabrera, C., Camacho, O. 2008. Sistema de Gestión
Ambiental para la Agroindustria de arroz Inversio-
nes PTC S.A. Trabajo de grado para optar al Título
de Especialista en Ingeniería Ambiental. Facultad
de Ingeniería. Universidad Surcolombiana. Neiva.
10. Calpa, J., López, D. A. 2008. Formulación del plan
de manejo ambiental para la Planta de Acopio de
Alimentos del Valle “ALIVAL S.A.”. Trabajo de gra-
do para optar al Título de Especialista en Ingenie-
ría Ambiental Local. Facultad de Ciencias Ambien-
tales. Universidad Tecnológica de Pereira Sede San
Juan de Pasto. San Juan de Pasto.
11. Cardona, N., Gómez, O. 2012. Propuesta de mode-
lo de integración entre los eslabones que participan
en la cadena productiva y comercial del sector cafe-
tero risaraldense para aumentar su competitividad
en el mercado internacional. Trabajo de grado para
optar al Título de Administrador de empresas. Fa-
cultad de Ciencias económicas y administrativas.
Universidad Católica de Pereira. Pereira.
12. Comisión Nacional del Medio Ambiente. 1998. Fa-
bricación de grasas y aceites vegetales y subproduc-
tos. Guía para el control y prevención de la conta-
minación industrial. Santiago, Pp 59.
13. Díaz, N., Trujillo, F. 2012. Sistema de Gestión Am-
biental para la Piscícola Castalia Ltda. Garzón, Hui-
la Colombia. Trabajo de grado para optar al Título
de Especialista en Ingeniería Ambiental. Facultad
de Ingeniería. Universidad Surcolombiana. Neiva.
14. Echeverri, J. 2009. Gestión Ambiental en la empre-
sa Cárnicos y Alimentos S.A. Trabajo de grado para
optar al Título de Ingeniera ambiental. Facultad de
Ingeniería ambiental. Corporación Universitaria Lasallista. Caldas, Antioquia
15. Enríquez, L.M. 2009. Estrategias para la implemen-tación de la Norma ISO 14001 en empresas pro-ductoras de palma de aceite de la Zona Oriental Colombiana. Trabajo de grado para optar al Título de Magíster en Gestión Ambiental. Facultad de es-tudios ambientales y rurales. Pontificia Universi-dad Javeriana. Bogotá D.C.
16. González, E. 2009. Propuesta para la creación del departamento de gestión ambiental para la com-pañía Occidental de Chocolates S.A. municipio de Palermo-Huila. Trabajo de grado para optar al Título de Especialista en Ingeniería Ambiental. Fa-cultad de Ingeniería. Universidad Surcolombiana. Neiva.
17. Gutiérrez, S., Gil, J., Álvarez, C. 2009. Implementa-ción de un plan integral de residuos sólidos gene-rados en el proceso de producción en una industria alimenticia de salsas y conservas de piña. Revista Producción más Limpia., vol. 4, No. 2, 30-43p.
18. Herrera, B., Valencia, D. 2005. Desarrollo de las actividades del plan de manejo ambiental- parte aire- de la trilladora San Mateo del municipio de Chinchiná. Trabajo de grado para optar al Título de Especialista en Ingeniería Ambiental con énfasis en Sanitaria. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Universidad Nacional de Colombia Sede Maniza-les. Manizales
19. Instituto Colombiano de Normas y Técnicas y Cer-tificación. 2004. Sistemas de Gestión Ambiental: Requisitos con orientación para su uso. NTC ISO 14001:2004. Santafé de Bogotá
20. Jaramillo, A. 2013. Formulación del Sistema de Gestión Ambiental en la empresa J.A.M. Maderas en el municipio de Dosquebradas. Trabajo de gra-do optar al Título de Administrador Ambiental. Facultad de Ciencias Ambientales. Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira.
21. Joaquí, S. 2011. Gestión Ambiental para sistemas productivos piscícolas, en ecosistemas altoandinos en el contexto de la producción más limpia. Revista ambiente y sostenibilidad., vol. 1, 18-24p.
22. Lara, M. 2006. Sistemas de Gestión Ambiental en Mataderos Municipales Caso: Matadero de lagu-nillas-FRISUCRE. Trabajo de grado para optar al Título de Magíster en Gestión de Recursos natu-rales y medio ambiente. Centro de Interamericano de Investigación en Ambiente y Territorio. Univer-sidad de los Andes. Mérida.
127
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
23. León, K. V. 2009. Implementación de un Sistema
de Gestión Ambiental para la Empresa ITALCOL
S.C.A. Informe final de Práctica empresarial para
optar al Título de Ingeniera Ambiental. Facultad de
Ingeniería y Administración. Universidad Pontifi-
cia Bolivariana. Piedecuesta.
24. Londoño, C. X. 2003. Revisión Ambiental Inicial
y planeación de un Sistema de Gestión Ambiental
para el cultivo de rosas Comercializadora Interna-
cional San Luis Ltda. Trabajo de grado para optar
al Título de Especialista en Ingeniería Ambiental.
Facultad de Ingeniería. Universidad de la Sabana.
Chía.
25. Machado, E., Robayo, Y., Ayala, H., Chávez, A.
2010. Plan de manejo ambiental para un proyecto
Porcícola. Estudio de caso: Proyecto La Zambera,
Otanche, Boyacá. Revista gestión integral en inge-
niería neogranadina., vol. 2, No. 2, Pp 14.
26. Mas, M. I. 2013. Propuesta de implantación de un
Sistema de Gestión Ambiental, en un matadero de
ganado ovino y vacuno en Gaibiel, según la Norma
UNE-EN-ISO 14001:2004. Trabajo final de carrera.
Universidad Politécnica de Valencia. Programa de
Licenciatura en Ciencias Ambientales. España.
27. Mateus, A. 2012. Mejoramiento de la productivi-
dad de la hilatura del algodón y su proyección tex-
til, desde el enfoque de la producción más limpia
y el LCA. Trabajo para optar al Título de Magíster
en Ingeniería con énfasis en Ingeniería Industrial.
Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional de
Colombia. Bogotá D.C.
28. Medellín, F. 2007. Diseño de una guía para la im-
plementación de un sistema de gestión ambiental
según la Norma Técnica Colombiana NTC-ISO
14001:2004 para el sector de lácteos caso Planta
Funza Colanta. Trabajo de grado para optar al Tí-
tulo de Ingeniera ambiental y sanitarias. Facultad
de Ingeniería ambiental y sanitaria. Universidad de
La Salle. Bogotá D.C.
29. Mejía, A. M. 2007. Propuesta para la implementa-
ción del Sistema de Gestión Ambiental en el Trapi-
che Panelero- HVC. Documento final de Práctica
empresarial para optar al Título de Administrador
del Medio Ambiente. Facultad de Ciencias Am-
bientales. Universidad Tecnológica de Pereira. Pe-
reira.
30. Mejía, J. 2011. Optimización del Sistema de Ges-
tión Ambiental en la planta de derivados cárnico
Colanta. Trabajo de grado para optar al Título de
Ingeniera ambiental. Facultad de Ingeniería am-
biental. Corporación Universitaria Lasallista. Cal-das, Antioquia
31. Ministerio de Ambiente y desarrollo sostenible. Con sultado el 01 de mayo de 2014. http://www.mi-nambiente.gov.co/documentos/Sector_Bananero.pdf
32. Muñoz, A. C. 2012. Actualización del Sistema de Gestión Ambiental Alimentos FIKO S.A.S. Trabajo de grado para optar al Título de Ingeniera ambien-tal. Facultad de Ingeniería ambiental. Corporación Universitaria Lasallista. Caldas, Antioquia
33. Murcia, E. R. 2013. Estrategias para la mejora de los Sistemas de Gestión Ambiental en las indus-trias de las curtiembres en el municipio Villa Pin-zón Cundinamarca. Trabajo de grado para optar al Título de Contador Público. Facultad de Ciencias Económicas. Universidad Militar Nueva Granada. Bogotá D.C.
34. Palom, O. 1997. ISO 14001: La Nueva Auditoria Medio Ambiental paso a paso, software. Barcelona: Gestión y Planificación Integral. s.f. 78p.
35. Parada, J.A. 2010. Implementación del Sistema de Gestión Ambiental de Bavaria S.A. Cervece-ría de Bucaramanga con base en la Norma ISO 14001:2004. Trabajo de grado para optar al Títu-lo de Ingeniera ambiental. Facultad de Ingeniería. Universidad Pontificia Bolivariana. Bucaramanga
36. Pérez, M., Upegui, G. 2008. Diseño de un Sistema de gestión ambiental para la empresa forestal Putu-mayo S.A. ubicado en el municipio de Villagarzón, departamento del Putumayo. Trabajo de grado para optar al Título de Especialista en Ingeniería Ambiental. Facultad de Ingeniería. Universidad Surcolombiana. Neiva.
37. Proexport. Oportunidades de negocio en el sector flores y plantas vivas. Consultado el 30 de abril de 2014. http://www.proexport.com.co/node/1242
38. Ramírez, A. 2013. Mejoramiento contínuo en el Sistema de Gestión de ALEXCAFE S.A.S. Trabajo de grado para optar al Título de Administrador de empresas. Facultad de Ciencias económicas y administrativas. Universidad Católica de Pereira. Pereira.
39. Ruíz, S., Sandino, M. 2013. Propuesta metodológica para la gestión de residuos en la industria azucare-ro usando lean manifacturing. Magazín empresa-rial Economía y Empresa., vol. 9, No. 21, 45-57p.
40. Sánchez, R., Najul, M., Brito, E., Ferrara, G. 2009. El
Manejo de los Residuos Sólidos en la Industria de
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
128
Agroalimentos en Venezuela. Revista Interciencia,
vol. 34, No. 2.
41. Zuluaga, A., Olarte, J. 2014. Sistema de gestión am-
biental para agroindustrias colombianas. Consul-
tado el 30 de abril de 2014. http://es.scribd.com/
doc/55696207/Sistema-de-Gestion-Ambiental-pa-
ra-Agroindustrias-Colombianas
129
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
NORMAS GENERALES PARA PUBLICACIÓN DE ARTICULOS
REVISTA INGENIERÍA Y REGIÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA - UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA
El Comité Editorial de la Revista Ingeniería y Región invita a profesionales, investigadores,
docentes, estudiantes, administrativos y directivos de ingeniería para que presenten sus con-
tribuciones o trabajos inéditos orientados hacia el tema general: Ingeniería y Biotecnología y
afines, se aceptan artículos en español e ingles. Los documentos sometidos deben ser producto
de una investigación, una experiencia práctica de la profesión o una revisión de un tema espe-
cífico (ver Tipología) y deben encontrarse enmarcados dentro de la temática de la Ingeniería.
1. TIPOLOGÍA DE LOS DOCUMENTOS
Además de la clasificación dentro de una disciplina, especialidad y subespecialidad, según la
clasificación hecha por Colciencias basada en los Códigos UNESCO, todos los artículos deben
cumplir con una de las siguientes tipologías (Colciencias, 2006):
Artículo de investigación científica y tecnológica:Documento que presenta, de manera de-
tallada, los resultados originales de proyectos terminados de investigación. La estructura del
documento debe contener como mínimo: Resumen (Abstract), introducción, metodología,
resultados y conclusiones.
Artículo de reflexión:presenta resultados de investigación terminada desde una perspectiva
analítica, interpretativa o crítica del autor sobre un tema específico, recurriendo a fuentes
originales.
Artículo de revisión:Documento producto de una investigación terminada donde se ana-
lizan, sistematizan e integran los resultados de investigaciones publicadas o no publicadas,
sobre un campo en ciencia o tecnología, con el fin de dar cuenta de los avances y tendencias
de desarrollo. Presenta una cuidadosa revisión bibliográfica de por lo menos 50 referencias.
Articulo corto:Presenta en forma breve resultados originales preliminares o parciales de una
investigación científica o tecnológica, que por lo general requiere de una pronta difusión.
Reporte de caso:Documento que presenta los resultados de un estudio sobre una situación
particular con el fin de dar a conocer las experiencias técnicas y metodológicas consideradas
en un caso específico. Incluye una revisión sistemática comentada de la literatura sobre casos
análogos.
Cartas al editor:Posiciones críticas, analíticas o interpretativas sobre los documentos publi-
cados en la revista, que a juicio del comité editorial constituyen un aporte importante a la
discusión del tema por parte de la comunidad científica de referencia.
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
130
2. ARBITRAJE
Las contribuciones para la Revista Ingeniería y Región serán sometidas a consideración del
Comité Editorial, el cual examinará que los artículos cumplan con las normas editoriales esta-
blecidas, solicitando a los autores, las modificaciones en cada caso. Los artículos que cumplan
las normas editoriales, serán remitidos como mínimo a dos evaluadores (Árbitros) quienes
emiten su concepto escrito sobre la calidad y relevancia de cada contribución, recomendan-
do: publicación sin correcciones, publicación con correcciones y No apto para publicación.
3. TEMÁTICAS
La revista Ingeniería y Región aborda aspectos relacionados con la investigación y los desarro-
llos experimentales realizados en cualquiera de las disciplinas de la ingeniera, por lo que es
requisito fundamental que las contribuciones se enmarquen en este tipo de temáticas.
4. PERIODICIDAD
La revista Ingeniería y Región fue publicada por primera vez en el año 2001 y a partir del 2014
cuenta con una periodicidad SEMESTRAL.
5. CONTENIDO
Cualquier artículo para ser considerado por el Comité para su posible publicación en la Revis-
ta Ingeniería e Investigación debe contar con los siguientes componentes:
Titulo (En español y en inglés)
Información de los autores. (Nombre, formación académica, instituciones a la que está vin-
culado y correo electrónico)
Resumen en español e inglés.
Palabras clave en español e inglés
Introducción.
Cuerpo del artículo (en el que se incluirá algunos de los siguientes apartes: Formulaciones
matemáticas, materiales y métodos, procedimientos, ejemplos de aplicación y resultados y
discusión)
Conclusiones.
Referencias bibliográficas. (Ver normas más adelante).
Agradecimientos.(Si los hubiere, deberán ser preferiblemente breves e incluir los aportes
esenciales para
Apéndices.(Cuando sea estrictamente necesario)
6. PRESENTACION DE LOS ARTICULOS
6.1 Papel y Márgenes: Tamaño de papel: carta (21.6x27.9 cm); Márgenes: Arriba y abajo
=2.54cm., izquierda y derecha: 1.78cm.
6.2 Formato: Letra Times New Roman. Todo párrafo debe ir con interlineado sencillo. Las
unidades deben ir de acuerdo al sistema internacional. Las siglas: en el primer momento que
se menciona deben decir su significado, a partir de la segunda citación ya va solo la sigla. Las
tablas y figuras se colocan dentro del texto en forma oportuna a medida que se haga mención
a estas. Las Tablas se titulan en su parte superior, justificada a la izquierda con su correspon-
diente titulo y se enumeran en orden de aparición. Las figuras se titulan en la parte inferior
131
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
seguido del correspondiente número. Las palabras Tabla y Figura con su correspondiente nu-
meración seguida de punto van en negrilla.
6.3 Extensión:Los trabajos NO deben exceder doce (12) páginas en espacio sencillo incluyen-
do resumen, tablas, diagramas, figuras, referencias y bibliografía.
6.4 Tipo de archivo: Microsoft Office Word.
6.5 El titulo. Tipo y tamaño de letra= Times New Roman, 18.5 puntos. Escribirlo en ingles y
español en el mismo tamaño, el primero en color negro y el segundo en gris, sin mayúscula
sostenida. El titulo ha de ser informativo y preciso.
6.6 Autores. Tipo y tamaño de letra = Times New Roman, 14 puntos (Los nombres completos
y el primer apellido del autor se escriben completamente y se separan con coma (,), antes del
último autor se coloca la letra “y”. En todos los autores primero se colocan los nombres y luego
el apellido. Cada autor tiene un número en superíndice para indicar su filiación.)
6.7 Filiación. Tipo y tamaño de letra = Times New Roman, 8.5 puntos, itálicas (Se deja un
espacio y se coloca un superíndice en letra normal -no itálica- y se coloca la afiliación-com-
pañía o empleo- del autor con su dirección física y su dirección electrónica. Cada afiliación va
centrada en un renglón. Para cada autor se debe dar el mayor grado de escolaridad.)
6.8 Datos de aceptación. Tipo y tamaño de letra = Times New Román, 8.5 puntos (Se debe
colocar la fecha de recepción, de revisión y de aceptación. Obviamente, los dos últimos datos
son desconocidos al efectuar solicitud de publicación.)
6.9 Resumen (Debe ir en Ingles y en español).El resumen se inicia con el título Resumen,
justificado a la izquierda y en negrilla. El resumen debe contener máximo 300 palabras. El tipo
de letra es Times New Roman y el tamaño de la letra del cuerpo del resumen y del título del
resumen es de 11 puntos. Incluir el objetivo, materiales y métodos, resultados y conclusiones
de manera concisa.
6.10 Palabras Claves (Deben ir en Ingles y en español).Tanto el título como las palabras
clave van en Times New Roman de 10 puntos. La expresión “Palabras Claves” van en itálicas
seguida por dos puntos (:). Posteriormente se citan las palabras claves separadas por punto y
coma (;). No va la letra “y”. Las palabras claves van separadas del resumen en un espacio. Hace
referencia a términos cortos que facilitan la clasificación del artículo. Emplear máximo 6.
6.11 Introducción, cuerpo del artículo y conclusiones. El tipo de letra es Times New Roman
y el tamaño de la letra de 11 puntos. Desde aquí se numeran los títulos. Debe indicar clara-
mente el propósito de la investigación, relacionando igualmente en forma selectiva la literatu-
ra pertinente, la introducción contiene un breve estado del arte y/o una reseña histórica que
permite abordar el problema a tratar (6 citas como mínimo). No incluir datos ni conclusiones
del trabajo que está dando a conocer.
6.12 Materiales y métodos:Describir con claridad los procedimientos empleados en la inves-
tigación, incluyendo diseño estadístico y análisis de datos. Estructurar esta sección indicando
tipo de estudio, sitio, condiciones geo-climáticas, coordenadas del sitio de estudio, tratamien-
tos, métodos de laboratorio, etc.
6.13Resultados y Discusión:Incluir los resultados obtenidos en la investigación, presentarlos
en forma de texto, tablas (cuadros) o figuras.No duplicar la información presentada. Además
Revista Ingeniería y Región No. 11 año 2014
132
presentar resultados que puedan ser fácilmente calculables. En la Discusión se resaltarán los
principios más importantes y relaciones causa-efecto derivadas del análisis de los resultados.
Además se deberá explicar en función de las observaciones realizadas, el porqué de lo obser-
vado, sin especular. Los resultados obtenidos se compararán con los de otros investigadores y
se señalarán las divergencias y las semejanzas.
6.14 Conclusiones:Las primeras conclusiones que se presenten deben ser aquellas correspon-
dientes a los objetivos planteados y se pueden dar recomendaciones para próximas investiga-
ciones.
6.12 Referencias Bibliográficas: Un mínimo de 10 en orden alfabético y numeradas. Prime-
ro va el apellido del primer autor seguido por coma y las iniciales del mismo. Al finalizar el
último autor se coloca la coma y el año de publicación, luego va el título de la fuente citada.
Seguidamente va el nombre del libro, revista o conferencia, citando el volumen y las paginas.
Las referencias bibliográficas consultadas en Internet se redactarán de acuerdo con lo enuncia-
do previamente además de incluir la dirección electrónica y la fecha en que se hizo la consulta.
Ejemplos:
Libros:
Earlougher Jr., R.C., 1977. Advances in Well Test Analysis. Monograph Series, vol. 5. SPE,
Dallas, TX. 284 pp.
Artículos en revistas y publicaciones periódicas:
Engler, T., Tiab, D., Lee, J., 1996. Analysis of Pressure and Pressure Derivative without Type
Curve Matching, 4. Naturally Fractured Reservoirs. J. Pet. Sci. Eng. 15, 127–138.
Gringarten, A.C., 2006. From Straight Lines to Deconvolution: the Evolution of the State of the
Art in Well Test Analysis. Paper SPE 102079 presented at the 2006 Annual Technical Confe-
rence and Exhibition of the SPE held in San Antonio, TX, 24–27.
Contribuciones en libros:
Carrera-Bolaños J., 1994. Racionalidad, tecnología y desarrollo: Los grandes problemas de la
ciencia y la tecnología. Varela R. y Mayer L Ed., México, 39-47.
Conferencias
Gutiérrez, G., Serra, J.A., Clemente, G., 2008. Identificación de factores críticos para implantar
buenas practicas agrícolas. Conferencia Internacional sobre ciencia y tecnología de los ali-
mentos – CICTA 11, julio, 284 pp.
Fuentes electrónicas:
University of Hong Kong, 1997. Final report: Ad Hoc Group for Learning Technologies. Con-
sultado el 21 de mayo de 2002. http://www.hku.hk/caut/Homepage/itt/5_Reports/5_1AdHoc.
htm.
6.12.1 Citas en el texto se harán de acuerdo con la forma en que éstas participen en la oración.
Siguiendo las siguientes reglas:
133
Facultad de Ingeniería - Universidad Surcolombiana
a) Cuando se trate de uno o dos autores se citará el apellido principal del(los) autor(es) y el
año, y año cuando se trate de tres o más autores, se citará el apellido principal del primer
autor seguido de et al.
b) Cuando hay más de una, se colocarán en orden cronológico;
c) Cuando el nombre del(los) autor(es) participe en la oración, se colocará el apellido prin-
cipal, seguido del año entre paréntesis. Ejemplo: Martínez (2006) observó que…, Valdés
(2007) y Bouza (2008) ratificaron …;
d) Cuando la cita se agrega al final de la oración, los nombres de los autores y el año se colo-
carán entre paréntesis, separados por una coma. Ejemplo: al final de la cosecha (Paneque,
2006) o De las Cuevas, 2007; García, 2008) o (Hernández, et al., 2007);
e) Cuando el autor tiene más de una publicación en un año se le adiciona a, b, o c. Ejemplo:
(Iglesias, 2007a), (Iglesias, 2007b) o (Iglesias, 2007c).
7. PROCESO DE PUBLICACION DE UN ARTÍCULO.
1. Las contribuciones deben enviarse a: Universidad Surcolombiana Avenida Pastrana Carrera
1 Neiva Colombia - Revista Ingeniería y Región, Edificio facultad de Ingeniería Segundo piso,
con una carta dirigida al editor de la revista, Ing. CLAUDIA MILENA AMOROCHO CRUZ.,
en la que todos los autores manifiestan el interés de someter el artículo a consideraciónde la
Revista Ingeniería y Región.
2. El artículo debe llevar la información de clasificación de la tipología del artículo según lo
establecido por la Revista y la clasificacióndentro de una disciplina, especialidad y subespecia-
lidad, según la clasificación hecha por Colciencias basada en los Códigos UNESCO.
3. El artículo debe enviarse al correoelectrónico de la revista [email protected]
4. Una vez que el artículo llegue al correo de la revista, se notificará por correo electrónico el
recibido y se iniciará el proceso deevaluación por pares; luego de esta evaluación, se informará
a los autores si el artículo se acepta o no.