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INFORMADOR
TÉCNICO
Tarifa postal reducida No. 2011-179. 4-72 La red postal de Colombia / Vence 31 de Diciembre de 2011
ISSN 0122-056X • Edición No. 75 • Enero - Diciembre de 2011
Desarrollo
Tecnológico
Industrial
y Calidad
1
Informador Técnico
Título Abreviado: Inf. Téc.
ISSN 0122-056X
Periodicidad: Anual
Enero - diciembre 2011
Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Regional Valle
Centro Nacional de Asistencia Técnica a la Industria – CDT ASTIN
Calle 52 2BIS-15
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Cali, Valle, Colombia
2
Padre Camilo Eduardo Bernal Hadad
Director General del SENA
Comité Editorial
Esperanza Adriana Ramos Rodríguez
Directora SENA Regional Valle
Álvaro Jesús Guarín Grisales, PhD. Diseño y
Fabricación en Ingeniería Mecánica. Director
Especialidad en Rediseño de Productos,
Universidad EAFIT, Medellín, Colombia
Aura Elvira Narváez Agudelo
Subdirectora Centro ASTIN-SENA
Álvaro José Gómez Ramírez
Servicio de Información y Documentación
Tecnológica –SIDT
Aura Elvira Narváez Agudelo
Editora Jefe
Álvaro José Gómez Ramírez
Editor Asociado
Aydee Castro Sánchez
Coordinadora
Julia Emma Zúñiga Rivera
Asesora
Aníbal Arturo Paternina Domínguez,
Especialista Gerencia de Producción Gráfica,
Coordinador Centro de Automatización de
Procesos –CAP, Universidad Javeriana Cali,
Colombia
Clara Eugenia Goyes López, Dra. Ing. con
énfasis en Ingeniería de Materiales. Jefe
Departamento de Energética y Mecánica,
Facultad de Ingeniería, Universidad
Autónoma de Occidente, Cali, Colombia
María Elena Gómez de Prieto, PhD. en
Ciencias Físicas. Directora Grupo Películas
Delgadas, Departamento de Física,
Universidad del Valle, Cali, Colombia
Nelly Cecilia Alba de Sánchez, PhD.
en Ciencias Físicas, Directora Grupo de
Investigación Ciencia e Ingeniería de
Materiales-GCIM, Universidad Autónoma
de Occidente Cali, Colombia
Oscar Rubiano Ovalle, PhD. en Ingeniería
Industrial, Profesor Titular, Universidad del
Valle, Cali, Colombia
Pedro José Arango Arango, PhD. en
Ingeniería y Tecnología de Materiales.
Director Laboratorio de Física de Plasma,
Universidad Nacional de Colombia, Sede
Manizales, Colombia
Yesid Aguilar Castro, PhD. en nuevos
materiales y sus tecnologías. Director
Grupo EIMAT, Universidad del Valle, Cali,
Colombia
Comité Científico
Gilberto Bejarano Gaitán, PhD. con énfasis en Materiales.
Docente e Investigador Departamento de Ingeniería Metalúrgica
y de Materiales, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia
Héctor Sánchez Sthepa, PhD. en Ciencias Físicas. Profesor
Universidad del Valle, Cali, Colombia
Dairo Hernán Mesa Grajales, PhD. en ingeniería Metalúrgica
y de Materiales, Profesor Asociado Universidad Tecnológica de
Pereira, Pereira, Colombia
Juan Muñoz Saldaña, PhD. Technische Universitaet HamburgHarburg. Profesor, Investigador Nacional Centro de Investigación
y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico NacionalCinvestav, Unidad Querétaro, México
Ruby Mejía de Gutiérrez, PhD. en Ciencias Químicas, Profesora
Titular. Directora Grupo de Investigación Materiales Compuestos,
Coordinadora de Postgrados Área Ingeniería de Materiales,
Universidad del Valle, Cali, Colombia
Roberto Briones Gallardo, Ph.D. en Ciencias Fisicoquímica del
Medio Ambiente. Profesor Investigador, Instituto de Metalurgia,
Facultad de Ingeniería, Laboratorio de Remediación Ambiental,
Universidad Autónoma, San Luis Potosí, S.L.P. México.
Héctor Fabio Zuluaga Corrales, PhD. en Química Universidad
del Valle. Jefe Departamento de Química, Universidad del Valle,
Cali, Colombia
1
Comité transitorio de arbitraje
edición No. 75
Orlando Castañeda Álvarez, Msc.
Centro de la Construcción, SENA, Cali, Colombia
Marisol Santos Acevedo, Msc.
Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras “José Benito
Vives De Andréis”, INVEMAR, Santa Marta, Colombia
Félix Echeverría Echeverría, PhD.
Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia
Luis Carlos Angulo Argote, Msc. PhD. (c)
Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia
Manuel Fernando Valero Valdivieso, PhD.
Universidad de la Sabana, Bogotá D.E., Colombia
John Jairo Coronado Marín, PhD.
Universidad del Valle, Cali, Colombia
Rodolfo Moreno Fuquen, PhD.
Universidad del Valle,
Cali, Colombia
Jairo A. Escobar G. PhD.
Universidad de los Andes, Bogotá D.E, Colombia
Luis Alberto Mora Gutiérrez, PhD.
Universidad Eafit, Medellín, Colombia
José Ricardo Bermúdez Santaella, Msc.
Universidad Francisco de Paula Santander, Cúcuta, Colombia
Darío Yesid Peña Ballesteros, Msc.
Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga, Colombia
Pedro Ricardo Dueñas Ramírez, Msc.
Universidad Jorge Tadeo Lozano, Sede Santa Marta, Colombia
Ana Elisa Casas Botero, PhD.
Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia
Rodrigo Antonio Salguero Coronado, Msc.
Universidad Santiago de Cali, Colombia
Lucila Perilla Ruiz, Msc.
Universidad Santo Tomás, Villavicencio, Colombia
Arbitraje internacional
Hernán G. Svoboda, PhD.
Universidad de Buenos Aires, Argentina
Adriana Silvestri, PhD.
Universidad de Buenos Aires, Argentina
César Hernando Valencia Niño, PhD.
Pontificia Universidad Católica do Rio de Janeiro, Brasil
Roberto Briones Gallardo, PhD.
Universidad Autónoma de San Luis Potosí, S.L. P. México
Hugo Alfredo Torres Muro, Msc.
Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann - Tacna - Perú
Luis Alfredo Vesga, Lic.
Director Editorial de la Revista de Metrología Yotta, Estado de
Carabobo, Venezuela
2
Revista Informador Técnico
Misión. La revista Informador Técnico es una publicación
anual del Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Regional
Valle, Centro Nacional de Asistencia Técnica a la Industria
CDT-ASTIN, para socializar los resultados de investigaciones, actividades de formación profesional y servicios
tecnológicos que presta la entidad; recibe artículos sobre
desarrollo tecnológico industrial y de calidad cuyos temas
con énfasis son los relacionados con: Ciencia de los materiales, diseño industrial, manufactura, metrología, gestión
tecnológica, gestión de la calidad, gestión medioambiental,
gestión del conocimiento y gestión de la innovación.
En el marco del sistema de gestión de calidad del CDTASTIN, se tienen establecidos procedimientos normalizados
para asegurar la calidad en la elaboración de la publicación.
Todos los desarrollos y experiencias alrededor de la revista
pueden ser compartidos desde el SENA, con otras entidades para enriquecer esta importante estrategia del sistema
nacional de ciencia, tecnología e innovación.
Evaluación de los Artículos. Para garantizar la visibilidad
de la revista y la igualdad de oportunidad en los manuscritos, se cuenta con un sistema de evaluación a ciegas por
parte de académicos y/o investigadores de trayectoria en
el campo de estudio de la investigación, adscritos a instituciones diferentes a los autores.
Redacción de Manuscritos. El Informador Técnico sigue las
pautas de Colciencias para la indexación de las publicaciones
seriadas, dando preferencia a los artículos de investigación,
reflexión y revisión. Al final de la revista se presentan las directrices para la publicación de artículos en español e inglés.
Registrada en: Organización de los Estados Americanos
OEI, DIALNET, Informe Académico, Sistema de Bibliotecas
del SENA, Red Colombiana de Revistas de Ingeniería - RCRI.
Bibliotecas depósito legal.
ISSN 0122-056X
Diseño e Impresión Feriva S.A.
1.200 Ejemplares
Diciembre 2011
INFORMADOR TÉCNICO
Edición 75 • Enero - Diciembre 2011• ISSN 0122-056X
Tabla de Contenido
Editorial.................................................................................................................................................................................................................................4
INVESTIGACIÓN
Análisis de corrosión y tribológico de capas delgadas metálicas de Ti y aleación titanio
– circonio depositadas por DC magnetrón sputtering no reactivo sobre acero inoxidable de aplicación médica...................5
Corrosion and tribological analyses of titanium and titanium-zirconium alloy metallic thin films deposited via non-reactive
DC magnetron sputtering on medical-grade stainless steel
Alexander Ruden, Juan Manuel González, Wilmar Calderón, Neusa Alonso Falleiros, Federico Sequeda
Control Difuso para un sistema de nivel implementado en un autómata programable...............................................................11
Fuzzy Control for a Level System Implemented in a Programmable Logic Controller
William Gutiérrez Marroquín, Jesús Alfonso López Sotelo.
Evaluación de la resistencia a la tensión de las juntas soldadas de la aleación de aluminio 6261-T5
por el proceso de soldadura por fricción-agitación...............................................................................................................................17
Evaluation of tensile strength on welds of 6261-T5 aluminum alloy via friction-stir welding process
Lucas Urbano Bedoya, Julián Arnaldo Ávila.
Flotación diferencial de sulfuros en celda Hallimond mediada por Acidithiobacillus ferrooxidans. ...........................................23
Differential flotation of sulfides in Hallimond cells mediated by Acidithiobacillus ferrooxidans
Erica Mejía Restrepo, Laura Osorno Bedoya , Juan David Ospina Correa, Marco Antonio Márquez Godoy
Leña como combustible doméstico en zonas rurales de Usme, Bogotá...........................................................................................30
Firewood as domestic fuel in rural zones of Usme, Bogota
Fabio Emiro Sierra Vargas, Fabiola Mejía B., Carlos A. Guerrero F.
REFLEXIÓN
La argumentación paradigmática en los procesos de enseñanza y aprendizaje de los artefactos tecnológicos.....................40
Paradigmatic argumentation in teaching and learning processes of technological artifacts
Enrique Diógenes Cárdenas Salgado
Introducción a la Gestión Metrológica ....................................................................................................................................................47
introduction to metrology management
Orlando Cedeño Tamayo
REVISIÓN
Aplicaciones Biotecnológicas en minería aurífera. Estado del arte sobre la oxidación bacteriana de Arsenopirita (FeAsS)...53
Biotechnological Advances in Gold mining. Art State of Bacterial oxidation of arsenopyrite (FeAsS)
Juan David Ospina Correa, Laura Osorno Bedoya, Jim Giraldo Builes, Erica Mejía Restrepo, Marco Antonio Márquez Godoy
Biotecnología aplicada en la reproducción de peces............................................................................................................................66
Biotechnology applied in the fish reproduction
Mario Esteban Muñoz Gutiérrez
Pequeñas y microcentrales hidroeléctricas: alternativa real de generación eléctrica....................................................................73
Small and micro hydroelectric power plants: a real alternative for electricity generation
Fabio Emiro Sierra Vargas, Adriana Fernanda Sierra Alarcón, Carlos Alberto Guerrero Fajardo.
3
Editorial
La innovación como herramienta de competitividad para los países, requiere de plataformas que soporten la interacción entre los diferentes actores del
sistema de ciencia y tecnología, es así como en el Plan Nacional de Desarrollo
de Colombia al 2014, se establece como eje transversal que apalanca la competitividad y productividad del país.
Para el Servicio Nacional de Aprendizaje- SENA y su Centro Nacional de
Asistencia Técnica a la Industria- ASTIN es relevante fortalecer sus capacidades para promover el desarrollo tecnológico en las empresas, mejorar las
capacidades creativas de los aprendices y de su personal, de cara a potenciar
la respuesta de los servicios institucionales con Calidad y Pertinencia; por
esta razón, la gestión de la información de los resultados de investigación a
través de la revista Informador Técnico, permite hacer visible a la comunidad
el conocimiento aplicable a diferentes procesos.
Con gran satisfacción en la edición 75 del Informador Técnico, que poco
a poco ha evolucionado incorporando estándares que la proyectan como una
revista científica, presentamos una serie de resultados de investigación que van
desde la aplicación de la biotecnología en la separación de materiales, el desarrollo de materiales por la técnica de deposición física de vapor para estructurar
soluciones en el diseño de prototipos de aplicación médica, las oportunidades
de desarrollar fuentes de energía a través de pequeñas centrales hidroeléctricas,
entre otros temas, de aplicación en el sector educativo e industrial.
Con esta edición, la revista Informador Técnico está lista para ser presentada
en la Base Bibliográfica Nacional (BBN-Publindex), además de estar registrada
en texto completo en Dialnet, Informe Académico, OEI y en la Red Colombiana de Revista de Ingeniería-RCRI, e igualmente a la Red Latinoamericana de
Revista Científicas Redalyc.
Con la edición 74 y 75 se inició la digitalización del Informador Técnico en el
Open Journal System (OJS), programa que permite a nuestros lectores consultar
a través de la web de la revista en texto completo.
Para los autores, árbitros, comité editorial y científico y equipo de trabajo de
la revista mis agradecimientos por la edición que estamos entregando.
Aura Elvira Narváez Agudelo
Editora
Subdirectora CDT ASTIN
SENA REGIONAL VALLE
4
Análisis de corrosión y tribológico de capas
delgadas metálicas de Ti y aleación titaniocirconio, depositadas por DC magnetrón
sputtering no reactivo sobre acero
inoxidable de aplicación médica
Corrosion and tribological analyses of titanium and titanium-zirconium alloy
metallic thin films deposited via non-reactive DC Magnetron Sputtering on
medical-grade stainless steel
Recibido:19-12 - 2010 Aceptado: 11-07-2011
Alexander Ruden1*,
Juan Manuel González2,
Wilmar Calderón3,
Neusa Alonso Falleiros4,
Federico Sequeda5
Resumen
Recubrimientos en capa delgada de titanio (Ti) y aleación titanio – circonio
(TiZr) se depositaron sobre sustratos de acero inoxidable AISI 304 por la técnica
PVD-DC Magnetron Sputtering No Reactivo en ambiente de argón, con blancos
precursores de Ti con 99,99% de pureza y aleación Ti-Zr (70/30); se realizaron
medidas de corrosión y tribología para los mencionados recubrimientos; se
observaron curvas potenciodinámicas, se determinó el potencial de corrosión y
de picadura para el acero y las capas delgadas con uso de solución electrolítica
de NaCl 3,5% p/p utilizando un electrodo de Hg/KCl saturado a temperatura de 37°C (temperatura corporal humana), los resultados mostraron que los
recubrimientos incrementaron el potencial por picadura y aumentaron la vida
útil del sustrato. A través del sistema Ball on Disc se determinó el coeficiente
de fricción (COF) y la tasa de desgaste para los sistemas AISI 304, Ti y Ti-30Zr
observando un comportamiento tribológico metálico. El análisis morfológico
de la pista de desgaste y la forma de picadura de la corrosión se llevó a cabo
mediante microscopía óptica.
Palabras clave: Biomaterial, potencial de picado, propiedades tribológicas
Abstract
Ph.D. Colombiano. Universidad del Valle,
Laboratorio de Recubrimientos Duros y
Aplicaciones Industriales – RDAI.
[email protected]
2
Ph.D. Colombiano. Universidad del Valle,
Laboratorio de Recubrimientos Duros y
Aplicaciones Industriales – RDAI
3
MS.c. Colombiano. Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo – Brasil.
4
Ph.D. Brasilera, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Brasil. Directora
Laboratório de Processos Eletroquímicos
– LPE.
5
Ph.D. Colombiano. Universidad del Valle,
Cali – Colombia. Director Laboratorio
de Recubrimientos Duros y Aplicaciones
Industriales – RDAI.
1
Thin-film coatings of titanium (Ti) and titanium-zirconium alloy (TiZr) were
deposited on AISI 304 stainless steel substrates via Pulsed Vapor Deposition –
Non-reactive DC Magnetron Sputtering technique in argon environment, with
Ti precursor targets with 99.99% purity and Ti-Zr alloy (70/30).Corrosion and
tribology measurements were conducted for the coatings mentioned; observing
potentiodynamic curves, the pitting and corrosion potential was determined
for the steel and the thin films by using an electrolyte solution of NaCl 3.5%
p/p using an Hg/KCl electrode saturated at 37 °C (human body temperature).
Results revealed that the coatings increased the pitting potential augmenting
the useful life of the substrate. Through the Ball-on-Disc system the friction
coefficient (FC) was determined, as well as the rate of wear for the AISI 304, Ti,
and Ti-30Zr systems, observing metallic tribological behavior. Morphological
5
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 5 - 10
analyses of the wear track, along with the shape of the corrosion pitting were conducted through optical microscopy.
Keywords: Biomaterial, pitting potential, tribological
properties
Introducción
Para la modificación superficial (ingeniería de superficies) de un sustrato de aplicación biomédica, se deben
tener en cuenta las propiedades físicas del material base,
para que el proceso PVD – Sputtering sea altamente
reproducible, de tal forma que las propiedades superficiales del recubrimiento protector sean las deseables
para la aplicación biológica requerida (Paul K.; Chu,
2007). Propiedades como: fricción, desgaste, resistencia,
corrosión y biocompatibilidad, son esenciales a la hora
de generar capas delgadas, como sistemas protectores
de sustratos biocompatibles (Huang, N. et al. 2004).
Teniendo en cuenta estos hechos, existe una gran gama
de materiales que cumplen esta función, ya sea por sus
propiedades tribológicas o mecánicas, de tal forma que
integralmente, se muestre respuesta positiva entre el material a implantar y el tejido que lo aloja; dentro de estas
capas protectoras, podemos encontrar las de naturaleza
metálica de transición y aleaciones, como Ti y Ti-Zr. El Ti,
es un metal de altas prestaciones, debido a su resistencia
mecánica y propiedades anticorrosivas, por la formación
de óxidos (Ti – O) en la superficie, resguardándolo de
daños ambientales, químicos y biológicos (Devia, D.M.
et al. 2009). El Ti tiene estrecha afinidad con el nitrógeno,
ya que forma compuestos intersticiales, y crea cerámicos
de denominación avanzada, que poseen mejores propiedades mecánicas como alta dureza (Devia, D.M.et al,
2009). Otras de las formas de sistemas a base de Ti, son las
múltiples aleaciones que se pueden obtener con metales
de su mismo grupo; el circonio (Zr) es candidato óptimo.
Se ha estudiado el sinergismo existente entre el Ti y el
Zr, en aplicaciones estructurales en el sector nuclear y de
ingeniería química durante muchos años. Las propiedades
químicas, mecánicas y electrónicas de ambos elementos
son similares, ya que se encuentran ubicados en el mismo
grupo (IV), además de poseer radio atómico comparable
(Ti (1,47 Å), Zr (1,62 Å)). La aplicación de materiales en
base al Ti ha tenido gran aceptación en los últimos años,
debido a la relación existente entre las propiedades: resistencia mecánica / densidad, pero su alto costo, hace que
la ciencia e ingeniería de materiales proponga estrategias
para la creación y estudio de nuevas aleaciones, tratamientos superficiales, entre otros, para abarcar nuevas
competencias de diseño y funcionalidad en materiales
de uso médico (biomaterial). Muchos han sido los tipos
6
de aleaciones con base en Ti, que se aplican actualmente
como biomaterial de segundo género, como Ti-6Al-4V,
que comercialmente se usa para implantes ortopédicos
(placas, tornillos, clavos), pero existen especulaciones
sobre los posibles problemas a largo plazo para la salud,
cuando se posibilita la liberación de vanadio (V), el cual
es tóxico (Hsueh-Chuan, Hsua et al. 2009); esta aleación,
aun sigue siendo una opción para aplicación como material médico, junto con las aleaciones de Ti-6Al-7Nb, ya
que poseen resistencia a la corrosión y biocompatibilidad
a mediano plazo (Daisuke, Kuroda et al, 2005). Cuando
el comportamiento de los elementos de una aleación es
biológicamente aceptable, se puede discernir su estatusbiocompatible; materiales del tipo Ti-13Nb-13Zr, Ti-15Mo5Zr-3Al y Ti-Nb-Ta-Zr, están integrados por elementos no
citotóxicos, porque no existe liberación de iones inducido
por fenómenos de corrosión en el cuerpo humano, lo que
mejora el módulo de elasticidad (Daisuke, Kuroda et al.
2005). Se presenta el estudio de corrosión (potencial de
corrosión y picadura) y tribológico, de superficies de acero
AISI 304 tratadas con capas finas de Ti y aleación de Ti-Zr
sintetizadas por Magnetron Sputtering No Reactivo, los
cuales son usados como materiales de uso médico, ya que
tanto el Ti como el Zr y sus aleaciones son biomateriales
metálicos bioactivos y forman una capa de apatita en
la superficie del hueso que genera vínculo con el tejido
(Rao, S et al. 1997).
Detalles experimentales
Se utilizó una barra de media pulgada de diámetro de
acero biocompatible AISI 304 comercial, fraccionada en
cilindros de 4 mm de espesor, cuya superficie fue pulida,
se utilizó papel abrasivo de carburo de silicio con granulometría entre 700 – 2500, para generar terminado superficial
tipo espejo; antes de ser inmersos en el reactor evaporador
PVD – Sputtering, fueron sometidas a lavado ultrasónico
por quince minutos en fluido de acetona, eliminando agentes extraños como grasas y polvos, contaminación debida
a manipulación. La producción de recubrimientos de Ti y
Ti-Zr, se llevó a cabo con la técnica de PVD – Magnetrón
Sputtering DC no Reactivo (Sistema multifuente Magnetron Sputtering PVD (AJA ATC1500) International); la
síntesis de las distintas capas protectoras sobre el sustrato
de acero biocompatible AISI 304, se utilizaron blancos
precursores de Ti 99,99% de pureza y una aleación Ti - Zr
(70/30). Para todos los recubrimientos depositados, hubo
variables fijas en el proceso: Temperatura ambiente, voltaje
de polarización: -100 V, Presión base: 5.1x10-6 mtorr, distancia interelectródica: 10 cm. Los parámetros de proceso
para la preparación de los recubrimientos se encuentran
en la Tabla 1.
Ruden A, et al. Análisis de corrosión y tribológico de capas delgadas
Tabla 1. Condiciones de síntesis de los materiales en capa delgada
de Ti y Ti-30Zr
Material
Ti
Ti-Zr
Blanco
precursor
Presión de
trabajo (Pa)
Flujo
Ar
(sccm)
Densidad
de
Potencia
del
blanco
(W/cm2)
0,4
10
5
0,4
10
4
Ti
(99.99%)
TiZr
(70/30)
Para el estudio del coeficiente de fricción y desgaste de
los recubrimientos se contó con un sistema tipo Ball on Disk
(BOD) marca CSEM–Tribometer; las condiciones experimentales para medir las propiedades tribológicas fueron
constantes para el conjunto de capas delgadas estudiadas
y se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2. Condiciones experimentales para el análisis de propiedades
tribológicas
Contrapar esférico
Diámetro del contrapar
Carga normal aplicada
Distancia de recorrido
Velocidad de la prueba
Radio de la prueba
Frecuencia de toma de datos
Alúmina (Al2O3)
6 mm
1N
15 m
10 m/s
3mm
2 Hz
Para cálculos de desgaste se contó con un Perfilómetro
XP–2 AMBIOS, con utilización del área transversal de la
pista de desgaste después de la prueba de BOD y el modelo
de Archard (Archard, J. F. et al. 1958), que propone que el
coeficiente de desgaste es directamente proporcional al
volumen desgastado e inversamente proporcional a la carga
normal aplicada y el recorrido de deslizamiento (ecuación
1) (Cano, M.F.et al. 2009):
picaduras por corrosión se utilizó un equipo de microscopía con magnificaciones de X50 y X100, respectivamente.
Resultados y análisis
Análisis de COF, se muestra en la Figura 1, para los
recubrimientos capa delgada de Ti y Ti-30Zr, junto con el
sustrato biocompatible AISI 304, donde los valores de coeficiente de fricción mínimo, máximo, medio y desviación
estándar se calculan y exponen en la Tabla 3.
Tabla 3. Valores de coeficiente de fricción mínimo, máximo, medio
y desviación estándar
Material
μmin μmax
μ
σμ
AISI 304
0,2135
1,087
0,9053
0,1599
Ti
0,5031
1,0386
0,8039
0,1307
Ti-30Zr
0,3766
0,6204
0,5078
0,0653
Los resultados Ball on Disc, para el sustrato biocompatible AISI 304 y los recubrimientos en capa delgada de
Ti y Ti-30Zr; exponen COF típicos para recubrimientos de
características metálicas entre 0,45 y 0,7. El COF para el
acero es superior, comparado con los recubrimientos, con
comportamiento inestable debido a los mecanismos de
desgaste que este sufre, efecto de limpieza de la superficie
y remoción de asperezas iniciales, incrementando la fuerza
de fricción, donde el área de contacto aumenta y forma
partículas de desgaste, lo que produce una superficie
pulida con debris en los bordes de la pista, además existe
formación de partículas angulares causando arado (Cano,
M.F. et al. 2009).
Ecuación 1
Se analizaron curvas de polarización potenciodinámicas,
usando el sistema Potenciostato -Galvanostato para los recubrimientos en capa delgada de Ti y Ti-30Zr, depositados
sobre sustrato biocompatible AISI 304. El equipo utilizado,
Potenciostat/Galvavanostat Model 273 A EG&E Princeton
Applied Research, con celda modelo k47 Corrosion Cell
System EG&E Instrument - Princeton Applied Research.
Se usó electrodo de referencia Hg/KCl y platino como
contraelectrodo, con barrido potenciodinámico de 1mV/s.
Se observó el comportamiento de los recubrimientos con
uso de solución electrolítica, de 3,5%p/p de NaCl; dichos
experimentos se realizaron a temperatura corporal humana
(~37°C), usando baño María durante el proceso. Para la
descripción morfológica superficial, del desgaste y de las
Figura 1. Análisis de COF para las capas delgadas de Ti, Ti-30Zr depositadas sobre acero biocompatible AISI 304
7
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 5 - 10
En la Figura 2a; el acero AISI 304 mostró COF inestables
en evolución temporal, las estereoscopias realizadas para
el Ti y Ti-30Zr (Figuras 2b y 2c, respectivamente), exponen
arado por partículas pertenecientes a la fractura de asperezas (fricción por sistema de tres cuerpos). Triboquímicamente, las capas delgadas metálicas (Ti y TiZr) tienden a
formar productos de oxidación como TiyOx, ZryOx y Nx-TiOy de naturaleza cerámica, por la elevada temperatura y
entropía de contacto, lo que produce mayor desgaste (Zhou,
Y. M, 2000), y disminuye el COF respecto al sustrato, ya que
las capas de carácter metálico, poseen estructura hcp, que
compacta la estructura e impide la delaminación rápida y
daño superficial (Mahfujur Rahman et al. 2007).
Figura 3. Áreas de desgaste para los materiales, medida por perfilometría: a) AISI 304, b) Ti y c) Ti-30Zr.
Con el uso de curvas potencio dinámicas se determinó el
potencial de corrosión y picado para el sustrato biomaterial
AISI 304 (Figura 4); se usó la solución electrolítica de NaCl
3,5%p/p, los resultados obtenidos han sido discutidos por
diferentes autores (Chung- WenWu, 1993, Yee-Chin Tang
et al. 2006).
Figura 2. Micrografías ópticas (X50) Pistas de desgaste para: a) sustrato, b) recubrimiento de Ti y c) recubrimiento de Ti-30Zr.
La medida de desgaste se realizó por el método
tribológico de Ball on Disc y a través de perfilometría,
calculando el área de sección transversal promedio
de desgaste. La Tabla 4 muestra los valores de tasa
de desgaste (uso de la ecuación 1) para los materiales
estudiados; la sección medida por profilometría se
observa en la Figura 3 con lo cual se obtiene que el
tipo de desgaste para todos los recubrimientos sea de
carácter abrasivo.
Tabla 4. Valores de coeficiente de desgaste para el sustrato AISI 304
y los revestimientos metálicos de Ti y Ti-30Z
Material
8
Tasa de desgaste
(x10-18 mm3/Nm)
AISI 304
-411,6710044
Ti
-273,3924826
Ti-30Zr
-215,8348862
Figura 4. Curvas potenciodinámicas de recubrimientos duros de Ti
y Ti-30Zr sintetizados por Magnetron Sputtering sobre sustratos de
acero AISI 304 en solución electrolítica de NaCl 3,5% p/p.
En la Figura 4 se observa la zona de pasivación, caracterizada por una corriente cuasi constante, independientemente del aumento del potencial electrostático aplicado,
hasta alcanzar la zona de picadura. Para el caso de las
capas delgadas de Ti y Ti-30Zr, se observó una disminución
significativa de las densidades de corriente de corrosión,
respecto al acero, hecho explicado por una superficie más
Ruden A, et al. Análisis de corrosión y tribológico de capas delgadas
fina, densa y con menos imperfecciones, debida al proceso
de síntesis PVD (González J.M. et al. 2008), lo que indica
homogeneidad en la acción real de la solución electrolítica y la superficie del material; además de la presencia de
una capa pasivante de óxido, generada por el ambiente,
relacionada con cada uno de los recubrimientos, donde se
producen capas cerámicas de óxidos tipo Ti-O, Zr-O y TiZr-O, que tienen la capacidad de aumentar los potenciales
de picadura respecto al sustrato. Los valores de potencial
de corrosión y picado para el acero y las capas depositadas, con uso de la solución electrolítica se presentan en la
Tabla 5.
Tabla 5. Valores de potencial de corrosión y de picado para el acero
y recubrimientos
AISI304
Ti
Ti-30Zr
Ecorr (mV,ECS)
-265
-354
-577
Ep
(mV, ECS)
156
255
299
La Figura 5 muestra un mecanismo de degradación por
picadura, producidas por el ataque electroquímico promovido por la solución de NaCl 3,5%p/p, fenómeno que se
presenta por la ruptura de la capa cerámica pasivante de
óxido y la difusión de iones cloruro que se propagan con
facilidad hacia el acero y generan zonas galvánicas, que
desencadenan el fenómeno de picado; la formación de estos
galvanismos disminuye la adherencia del recubrimiento y
produce desprendimiento localizado (Stack, M.M. 2004);
usando microscopia óptica con magnificación de X10, se
puede observar claramente la disminución de las picaduras
cuando sobre el sustrato se aplican capas delgadas (Payán,
H. et al. 2009).
Conclusiones
Se depositaron capas finas de Ti y aleación de Ti-30Zr
sobre sustratos de acero biocompatible AISI 304 por la
técnica DC- Magnetron Sputtering no Reactivo, mostrando
que tratamientos superficiales del acero por este método,
elevan las propiedades tribológicas y de corrosión. En el
caso del COF de las capas delgadas, tiene comportamiento
estable comparado con el acero, lo que permite aplicaciones
donde el contacto entre cuerpos sufra el mínimo desgaste.
El daño superficial a contacto Ball on Disk disminuye alrededor de 50% cuando se depositaron estas capas metálicas
sobre el AISI 304, hecho también dilucidado cuando la
superficie entra en contacto con electrolitos ricos en cloruros, donde los daños por picadura son superiores al no
existir revestimiento.
Agradecimientos
Alexander Ruden agradece a Colciencias por la financiación de la pasantía doctoral en la Universidad de São Paulo
– Brasil, en el Laboratorio de Procesos Electroquímicos.
Figura 5. Micrografías estereoscópicas de las superficies del acero AISI 304 y de los recubrimientos
en capa delgada de Ti y Ti-30Zr para la solución de NaCl 3,5%p/p
9
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 5 - 10
Referencias
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Control difuso para un sistema de
nivel implementado en un autómata
programable
Fuzzy control for a level system implemented
in a programmable logic controller
Recibido: 12-12-2010 Aceptado: 01-10-2011
William Gutiérrez Marroquín1
Jesús Alfonso López Sotelo2
Resumen
La versatilidad mostrada por los autómatas programables los ha llevado a
situarse entre los principales equipos de control de procesos industriales en el
mundo. La potencialidad de los lenguajes de programación permite estructurar
en ellos estrategias de control inteligente. Se presenta la implementación de
un control difuso en un autómata programable, definiendo rutinas específicas
para la realización de la máquina de inferencia, lo cual representa economía
de recursos y abre las puertas para implementar estrategias de inteligencia
computacional en autómatas programables.
Palabras clave: Control difuso, funciones de pertenencia, encapsulación de
funciones, sistema de nivel.
Abstract
The versatility displayed by Programmable Logic Controllers has led them
to be among the main industrial process control equipment worldwide. The
potential of programming languages permit structuring intelligent control
strategies in them. This article presents the implementation of a fuzzy control in
a PLC by defining specific routines to run the inference machine, which represents economy of resources and paves the way for implementing computational
intelligence strategies in programmable controllers.
Keywords: Fuzzy control, pertinence functions, function encapsulation,
level system.
Introducción
Colombiano, MSc Ingeniería con énfasis
en Automática. Centro de Electricidad y
Automatización Industrial C.E.A.I. SENA
Regional Valle del Cauca, Cali, Colombia
[email protected]
2
Colombiano Doctor en Ingeniería, Universidad Autónoma de Occidente, Cali,
Colombia [email protected]
1
Los controladores PID gracias a su estructura sencilla son ampliamente usados
en el control de procesos industriales, además permiten una relativa facilidad
en el ajuste de sus parámetros; tienen como deficiencia su dinámica lineal, por
lo cual presentan bajos desempeños en control de procesos con características
no lineales. (Gutiérrez y Sanjuán 2006; Compio).
La lógica difusa es una técnica contenida en la inteligencia computacional,
que usa los principios y lenguaje semejante a como lo hacen los seres humanos,
en la solución de problemas. En el campo del control de procesos la lógica difusa
se aplica desde hace varias décadas con excelentes resultados en el control de
procesos no lineales. (Gutiérrez, 2009)
11
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 11 - 16
La versatilidad presentada en su electrónica ha permitido que los autómatas programables hayan incursionado
fuertemente en el control de procesos industriales, el
disponer de módulos o tarjetas electrónicas de entradas
y salidas, tanto análogas como digitales hace viable el
control de procesos, además la capacidad de implementar
comunicaciones entre los autómatas ha dado origen a lo
que se conoce como sistemas de control distribuido. Las
aplicaciones informáticas utilizadas para programar los
autómatas industriales permiten a los usuarios desarrollar
sus estrategias de control con el uso de lenguajes gráficos
hasta lenguajes de alto nivel, para desarrollar estrategias
a la medida y reutilizables.
Desarrollo
En la implementación del controlador difuso en el autómata programable se desarrollan actividades que van
desde el diseño del sistema de control hasta su puesta
en funcionamiento. Para su presentación se definen las
siguientes secciones:
• Características generales de un sistema de control difuso,
• Plataforma de experimentación,
• Características principales del controlador difuso implementado,
• Implementación en el autómata programable
• Resultados alcanzados
El módulo de fusificación recibe las señales provenientes del proceso a través de los sensores y las convierte
en valores difusos, el motor de inferencia difusa hace
uso de la base de reglas y genera un conjunto de señales
difusas de salida, las cuales son entregadas al módulo
de defusicación, este a su vez entrega señales concretas
a los actuadores dispuestos en el proceso (Del Brío y
Molina, 2001).
Plataforma de experimentación
La plataforma consta de una planta didáctica compuesta de transmisores inteligentes configurables bajo
protocolo Hart, con los cuales se miden las variables del
proceso, válvulas de control comandadas mediante señales eléctricas de 4 a 20 mA, las que reciben las señales
del controlador para modificar el estado del proceso. Se
dispone de un autómata programable de última generación en el cual se implementan las estrategias de control.
Una característica principal que posee esta plataforma
es la capacidad de acceso remoto a través de internet. En
la Figura 2 se muestra la planta de experimentación en
la cual se puede observar sus elementos constitutivos.
(Victoria et. al., 2005).
Características y componentes de un sistema de
control difuso.
Un sistema de control difuso es un dispositivo capaz
de interpretar señales de campo, recibidas a través de los
sensores dispuestos en el proceso y tomar una acción de
control conforme a la base de reglas definidas en su motor
de inferencia, estas acciones son enviadas a los actuadores,
los cuales permiten modificar el estado del proceso. En la
Figura 1 se muestra el diagrama esquemático de un sistema
de control difuso.
Figura 2. Planta didáctica para la formación remota en control de
procesos.
Descripción del sistema de control difuso
implementado
Figura 1. Diagrama esquemático de un sistema de control difuso
12
En la implementación del sistema de control se define un
controlador PD difuso, tipo Mandani (Raul y Carlos 1995),
(Lee, 2005), para controlar el nivel en el tanque TK102 de
la planta didáctica regulando el flujo de entrada al mismo
mediante la válvula LCV100, en la Figura 3 se muestra el
diagrama P&ID del proceso controlado.
Gutiérrez W, López J. Control difuso para un sistema de nivel implementado en un autómata programable
a
Figura 3. Diagrama P&ID del proceso a controlar
En el sistema difuso se establecieron tres variables lingüísticas, dos de entrada, el error y la derivada del error,
y una de salida la cual se denominó la válvula; tanto para
las variables de entrada como para la de salida se definieron cinco valores lingüísticos, a saber, Negativo Grande,
NG, Negativo Pequeño, NP, Cero, Z, Positivo Pequeño,
PP, y positivo Grande, PG, para las variables de entrada
y para la variable de salida, Cerrado, CE, Poco cerrado,
PC, Poco abierto, PA Abierto, AB y Abierto Grande, AG.
El universo para cada una de las variables lingüísticas se
normalizó, en la Figura 4 se muestra la distribución de los
valores lingüísticos.
b
En la Tabla 1 se muestran las reglas definidas en el motor
de inferencia difusa.
Tabla 1. Reglas de inferencia
DERIVADA ERROR
ERROR
NGE
NPE
ZE
PPE
PGE
NGDE
CE
PC
PC
PA
AG
NPDE
CE
PC
PA
PA
AG
ZDE
CE
PC
PA
AB
AG
PPDE
CE
PC
PA
AB
AG
PGDE
CE
PC
PA
AB
AG
c
Figura 4. Variables y valores lingüísticos, a. y b entradas y c, salida
Implementación del sistema difuso en el autómata
programable
Los autómatas programables de gama alta han introducido el concepto de código reutilizable, llamado Add-On
Instructions, AOI, instrucciones definidas por el usuario,
lo cual permite encapsular la lógica de control usada con
más frecuencia y poderla utilizar en diferentes proyectos,
disponible en www.ab.com.
13
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 11 - 16
Para la implementación del sistema de control difuso
se definen rutinas encapsuladas para las funciones de
pertenencia de las entradas y las salidas, para la base de
reglas y para el sistema de defusificación. Esto permite
desarrollar en forma estructurada la programación del
sistema difuso.
En el proceso de fusificación se establece una relación
entre las entradas al conjunto fuzzy y un conjunto de funciones de pertenencia, para lo cual hay que tener en cuenta
el número de entradas, tamaño del universo de discurso,
forma y número de los conjuntos fuzzy. En este proyecto
se implementa un controlador fuzzy tipo PD para el cual
se requiere minimizar el error y la velocidad de cambio
del error.
Como se observa en la Figura 4, se implementaron 5
funciones de pertenencia tanto para la variable lingüística
error, como para la derivada del error, la ecuación (1)
representa la expresión matemática para la función de
pertenencia gaussiana.
gaussiana_mf = e
-1
2
(σ)
x–c
2
(1)
Donde el parámetro c representa el centro de la campana de Gauss y σ su desviación estándar. El rango de
estas variables está dado por el rango de medida de los
instrumentos en la planta a controlar, para este caso el
rango de las variables está representado en porcentaje.
(Sivanandam , 2007)
En el autómata programable utilizado es posible
implementar las funciones definidas por el usuario en
diferentes lenguajes entre ellos el Ladder o escalera.
En la Figura. 5 se muestra el código utilizado en la implementación de la función de pertenencia gaussiana,
la cual se instancia o reutiliza cada vez con diferentes
parámetros.
Figura 5. Código para la función de pertenencia gaussiana.
14
En la Figura 6 se muestra la función de pertenencia
gaussiana encapsulada.
Figura 6. Función gaussiana encapsulada.
La base de reglas está conformada por el conjunto de
reglas lingüísticas, en (2) se presenta la forma de implementar las reglas lingüísticas.
Si error es NG y Derror es NG entonces la válvula es
cerrada. (2)
La base de reglas es construida teniendo en cuenta alguna de las siguientes fuentes de conocimiento:
— Datos de controladores existentes implementados con
anterioridad.
— Conocimiento obtenido de expertos que trabajan en la
planta a controlar.
— Leyes físicas que modelan la dinámica de la planta.
Para este caso se utilizó el conocimiento acerca de la
planta de un experto. En la Tabla 1 se muestra la estructura
de la base de reglas implementadas en este proyecto.
El proceso de defusificación establece una relación entre
el conjunto de señales de control inferidas en el sistema
fuzzy a una señal de control de tipo real. Se han definido
varios métodos de defusificación, entre los cuales está el
promedio del máximo, con el cual se determina el valor y’
para la variable de salida y la cual tiene un máximo en su
función de pertenencia B’, si hay más de un valor máximo
en la función de pertenencia se toma el promedio de ellos.
En la Figura 7 se representa el método de defusificación
del promedio del máximo. (Kasobov. 1990).
Figura 7. Método
de defusificación
promedio del
máximo
Gutiérrez W, López J. Control difuso para un sistema de nivel implementado en un autómata programable
En la Figura 8 se muestra la función encapsulada de
defusificación implementada en este proyecto, la cual se
desarrolló con base en el método expuesto anteriormente.
Resultados
El sistema de control difuso se transfiere al autómata
programable, se ajusta un valor deseado de nivel de 30%
y se ajusta la estrategia de control a ensayo y error hasta
alcanzar el comportamiento mostrado en la Figura 9.
Figura 9. Respuesta del proceso al controlador difuso
En la Figura 9 se obtuvo un tiempo de establecimiento
de aproximadamente 150 segundos, un máximo pico del 0%
y un error de estado estacionario de cero; ante un cambio
del valor de referencia, el sistema de control sigue la variable de proceso; presenta un máximo pico de cero, un tiempo
de establecimiento de aproximadamente 90 segundos y un
error de estado estacionario de cero.
Para efectos de realizar una comparación se implementa
un control PD al proceso, obteniéndose el comportamiento
mostrado en la Figura 10.
Figura 10. Comportamiento del proceso ante un controlador PD.
En la Figura 10 se observa un máximo pico aproximado
del 7%, un tiempo de establecimiento de 300 segundos
y un error de estado estacionario del 0%. Al efectuar un
cambio en el punto de referencia el sistema de control
sigue la variable de proceso, presenta un máximo pico de
aproximadamente 2%, un tiempo de establecimiento de
ciento cincuenta segundos y un error de estado estacionario de 0%.
Conclusiones
Figura 8. Bloque de defusificación.
El controlador difuso presentó mejor desempeño en
cuanto al error obtenido, sobreimpulso y esfuerzo de control, comparado con el controlador PD.
15
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 11 - 16
Es importante determinar un método de sintonía para
el control difuso a fin de alcanzar óptimos desempeños.
El uso de funciones definidas por el usuario en un
autómata programable potencializa el desarrollo de estrategias de control inteligente en la medida que es posible
reutilizarlas.
El fabricante del autómata programable vende la aplicación para implementar estrategias de control fuzzy, al
implementar el sistema difuso en el autómata programable
utilizando sus instrucciones base es posible hacer un ahorro económico en el desarrollo de un proyecto de control
industrial.
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Evaluación de la resistencia a la tensión
de las juntas soldadas de la aleación
de aluminio 6261-T5 por el proceso de
soldadura por fricción-agitación
Evaluation of tensile strength on welds of 6261-T5 aluminum alloy via frictionstir welding process
Recibido: 14-08-2011 Aceptado: 07-11-2011
Lucas Urbano Bedoya1,
Julián Arnaldo Ávila2,
Resumen
Se reportan los resultados de la evaluación de la resistencia a la tensión de
las juntas soldadas de la aleación de aluminio 6261-T5. El procedimiento de
soldadura seleccionado fue el de fricción-agitación. Para las uniones soldadas se
utilizó una máquina fresadora convencional DECKEL, con capacidad de 3 HP.
Las uniones soldadas se realizaron variando la geometría del pin, la velocidad
de rotación y la velocidad de avance de la herramienta, con el fin de analizar el
efecto de estos parámetros sobre la resistencia de las juntas.
Palabras clave: Aleación de aluminio, soldadura por fricción-agitación, resistencia a la tensión, velocidad de rotación, velocidad de soldadura
Abstract
This paper reports the results of the evaluation of tensile strength on welds
of 6261-T5 aluminum alloy. The friction-stir welding (FSW) procedure was
selected. The welded joints were carried out by using a conventional DECKEL
milling machine, with 3-HP capacity. Welding of the joints was carried out by
varying the pin geometry, rotation velocity, and tool advancement velocity to
analyze the effect of these parameters on joint tensile strength.
Keywords: Aluminum alloy, friction stir welding, tensile strength, rotational
velocity, linear velocity.
Introducción
: Colombiano. Ingeniero de Materiales, Escuela de Materiales, Universidad del Valle,
Cali, Colombia.
[email protected]
2
: Colombiano. Msc en Ingeniería de Materiales, Grupo de Materiales Compuestos,
Universidad del Valle. Cali, Colombia
[email protected]
1
El aluminio es una de las materias primas utilizadas en la industria por sus
propiedades físicas, mecánicas y metalúrgicas que lo convierten en un material
atractivo (Cabibbo et al. 2007). Específicamente, la aleación de aluminio de alta
resistencia AA 6261-T5, es utilizada intensivamente en la fabricación de paneles
armados con perfiles extruidos mediante el proceso de soldadura GMAW para
ser usados en la industria de la construcción (Amu y Franco, 2009).
La soldabilidad es uno de los principales problemas de las aleaciones de
aluminio, y por eso es de vital importancia encontrar métodos de soldadura
sustitutos a los ya conocidos métodos de arco eléctrico, pues estos pueden
llegar a ser costosos, perjudiciales para la salud y el medio ambiente, además
pueden generar un gran número de defectos en la estructura del material si no
se aplica correctamente.
17
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 17 - 22
El proceso Fricción Stir Welding (FSW) o soldadura
por fricción-agitación (SFA), en español, desarrollado por
el Technological Welding Institute de Inglaterra (TWI)
desde 1991 (Mishraa et al. 2005) es un nuevo concepto
de soldadura en fase sólida, especialmente apto para
la soldadura del aluminio y sus aleaciones, por su baja
temperatura de fusión y gran capacidad para deformarse.
Este proceso ofrece aspectos interesantes ya que en muchos casos puede reemplazar con ventaja, los procesos
usuales de arco eléctrico.
SFA es un proceso que involucra la unión de metales
sin fusión o materiales de relleno. En la Figura 1 se
muestran las características básicas del proceso, en el
cual una herramienta con un hombro y un pin al final,
gira y se mueve hacia delante entre dos placas fijas a una
placa de respaldo, el calor generado por la fricción entre
el hombro, la pieza de trabajo y en menor proporción
por el pin, ablanda las placas y el giro de la herramienta
provoca deformaciones plásticas severas (Franco et al.
2009). El flujo de este material plastificado, trasladándose
la herramienta a lo largo de la dirección de soldadura,
transporta material del frente de la herramienta hacia
atrás donde es forjado dentro de junta (Nandan et al.
2008). En la Figura 2 se muestra un esquema de las zonas microestructurales generadas en el proceso, donde
se distinguen cuatro zonas: el nugget o zona agitada
(ZA) que es donde se presenta la mayor cantidad de
deformación plástica a altas temperaturas y se generan
granos finos y equiaxiales producto de la recristalización
dinámica, en la zona termomecánicamente afectada
(ZTMA) se conservan los granos del material base pero
en estado deformado y la zona afectada por el calor
(ZAC) también conserva los granos del metal base pero
se encuentran afectados por el ciclo térmico ocurrido
durante el proceso.
Figura 1. Representación esquemática del proceso SFA.
18
Figura 2. Zonas microestructurales generadas por el proceso.
El efecto de la velocidad de soldadura sobre la resistencia mecánica de las juntas SFA se debe principalmente
a la cantidad de calor generado por unidad de longitud,
dado que cuanto mayor sea la velocidad de soldadura
menor será la cantidad de calor que se genere en los
alrededores de la herramienta. S.R. Ren, 2007, reveló las
macroestructuras de la sección transversal de la junta de
Al6061-T651 y encontró que la inclinación de la ZAC con
respecto a la superficie aumenta con el incremento en
la velocidad de soldadura, de tal manera que se reduce
el tamaño de la ZAC cuando es mayor la velocidad de
soldadura. Generalmente las juntas soldadas a velocidades de soldadura por encima de 400mm/min exhiben
altos valores de dureza, comparada con aquellas que se
realizan a velocidades por debajo de 100mm/min. Por
otro lado, la velocidad de rotación de la herramienta está
estrechamente ligada con las temperaturas del proceso
debido al calentamiento generado por la fricción entre
el hombro de la herramienta y el material de trabajo, así
que el incremento en la velocidad de rotación produce
mayores temperaturas en el material de la junta durante
la soldadura y facilita el flujo plástico bajo el hombro y
en los alrededores del pin, mejorando la capacidad de
forja que se lleva a cabo durante el proceso. Nadan, 2008,
observó un incremento en las temperaturas pico del proceso a mayores velocidades de rotación de la herramienta
sobre las uniones soldadas de la aleación de aluminio AA
6063 mediante SFA.
Elangovan, 2008, estudió diferentes perfiles del pin
y observó que las mejores propiedades a tensión se
obtienen cuando se utilizan pines con geometrías de
cara plana. Esto se debe a una excentricidad asociada
a este tipo de perfiles; esta excentricidad se debe a la
órbita dinámica que hace parte del proceso SFA y es
la relación entre el volumen dinámico y el volumen
estático del pin durante la rotación de la herramienta.
Además, estas geometrías producen una pulsación
Urbano L, Avila J: Evaluación de la resistencia a la tensión de las juntas soldadas
durante el proceso de agitación en el flujo del material,
debido a sus caras planas lo que no ocurre en el caso de
los perfiles circulares.
Se presentan los resultados de tensión obtenidos al probar las juntas soldadas por el proceso SFA, sobre la aleación
AA6261-T5, para analizar el efecto sobre las propiedades
mecánicas de la geometría del pin y las velocidades de
avance y rotación de la herramienta.
Tabla 1. Parámetros de soldadura e identificación de las condiciones
experimentales
Materiales y Métodos
Tabla 2. Composición química de la aleación AA6261-T5 (%)
El procedimiento experimental se realizó teniendo en
cuenta los parámetros de velocidad de rotación y velocidad de soldadura de la herramienta presentada en la Tabla
1, donde también se nombran los parámetros para cada
junta. Las juntas se realizaron a una profundidad del pin
de 2,7 mm, utilizando una herramienta de pin cuadrado
y una de pin cilíndrico roscado con una inclinación de
1,5º con respecto al eje axial de la herramienta. En ambos
casos el diseño de la herramienta incluyó un hombro
liso y recto, sus dimensiones se presentan en la Figura 3.
La herramienta se fabricó en acero rápido AISI H13 y se
le realizó un tratamiento térmico de temple y revenido
para proporcionarle una dureza de 50 HRC. La unidad
experimental se obtuvo a partir de 2 láminas de aluminio AA 6261-T5 con dimensiones 127 X 102 X 3 mm en
sentido transversal a la dirección de extrusión utilizando
una máquina fresadora convencional DECKEL FP4M con
capacidad de 3 HP. La composición química del material,
se presenta en la Tabla 2 (Alúmina, 1999), en la Figura 5
se presenta un esquema de la junta. El montaje sobre la
máquina fresadora para realizar las juntas se muestra en
la Figura 4, el montaje conserva las características básicas
del proceso SFA presentado en la Figura 1. No se realizaron mediciones de temperatura en las proximidades de la
herramienta. Una vez obtenidas las juntas se seccionaron,
como se muestra en la Figura 5, y se fabricaron muestras
de tipo hueso, siguiendo el procedimiento de la Figura
6. Una vez obtenido el modelo en la herramienta CAD,
Figura 6(a), se generaron los planos y la trayectoria de la
herramienta, Figuras 6(b) y 6(c) respectivamente, para
maquinar las preformas y obtener las piezas definitivas
en una maquina CNC (emcoConcept MILL 155, Figura
6(d)), Figuras 6(e) y 6(f) respectivamente. Las preformas
se obtuvieron al seccionar la unidad experimental, como
se observa en la Figura 5, la composición química del
metal base se presenta en la Tabla 2. A pesar de que no se
normalizaron las muestras, se conservaron sus características necesarias para obtener la resistencia de la unión
soldada, como se había reportado en otras investigaciones
(Ren, 2007), (Amu, 2009), (Cabibbo, 2007).
υ (mm/min)
ω (rpm)
125
250
315
A1
A2
A3
B1
B2
B3
C1
C2
C3
1000
1250
1600
Al
Si
97,7 0,69
Cu
Mg
Fe
Mn
0,27
0,83 0,17 0,25
Cr
Zn
Ti
Otros
0,018
0,003
0,018
0,05
Tomado de Alúmina, 1999
Una vez obtenidas las muestras de tensión, Figura
5(f), se llevaron a la máquina universal INSTRON 3368,
con una celda de carga de 50 kN, donde se sometieron al
ensayo de tensión.
Para efectuar observaciones macroscópicas de los posibles defectos a las juntas:
• Se les realizó un corte transversal a la cara de la soldadura.
• Las muestras se encapsularon en resina fenólica
• Se sometieron a un pulido mecánico utilizando lijas de
grano 180, 250, 360, 400, 600, 1000 y 1200 inicialmente
• Para el pulido final se utilizó paños metalográficos con
alúmina de 1 μm y 0,3 μm de diámetro promedio de
grano
• Las muestras se sometieron a un ataque ácido con uso
del reactivo keller (1ml HF, 1.5ml HCl, 2.5ml HNO3,
95ml H2O) durante 3 min.
Figura 3. Diseño de la herramienta. (a) Herramienta cuadrada; (b) herramienta cilíndrica; (c) plano de la herramienta (dimensiones en mm).
19
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 17 - 22
base. La resistencia a la tensión de las juntas con el
pin cilíndrico roscado fue mayor que el de las juntas
realizadas con el pin cuadrado comparadas con la
misma condición, en sentido opuesto a lo publicado
por Elangovan y Balasubramanian, 2008. Por otro lado,
se observó un aumento de la resistencia promedio a la
tensión desde la condición A1 hasta la condición C3 en
ambas geometrías de pin.
Tabla 3. Resultados del ensayo de tensión. LA= lado de avance; C=
cordón; LR= lado de retroceso.
Lado de
Esfuerzo
Geometría del
Rotura
Condición
Máximo
pin
(MPa)
LA C LR
Figura 4. Montaje sobre la fresadora. (a) Pinza de la fresadora; (b)
herramienta de SFA; (c) bridas de sujeción; (d) elemento de sujeción;
(e) platina de respaldo; (f ) unidad experimental.
Cuadrado
A1
x
115,36
A2
x
128,39
A3
x
138,47
B1
x
123,56
B2
x
130,28
B3
x
147,3
C1
x
143,2
C2
x
158,65
C3
A1
x
A2
A3
Cilíndrico
roscado
Resultados y discusión
En la Tabla 3 se presentan los resultados del ensayo
de tensión obtenidos para cada condición y el material
20
x
170,06
184,34
x
169,63
B2
x
174,56
B3
x
183,47
C3
Figura 6. Fabricación de las muestras de tensión. (a) Modelo de la
muestra desarrollado en software CAD CATIA; (b) Dimensiones de la
muestra (unidades en mm); (c) Ruta de la herramienta desarrollado
en master CAM; (d) Sujeción de las preformas en la máquina CNC; (e)
Preforma; (f ) Muestra terminada.
x
x
C2
Material Base
162
B1
C1
Figura 5. Unión de ranura sin preparación de borde.
171,96
x
174,19
x
x
182,54
191,63
254,43
Las juntas fabricadas con el pin cuadrado presentaron
defectos de gran tamaño en la raíz de la soldadura cuando se realizaron a 125 mm/min y 250 mm/min, Figura
7, mientras que las juntas que se realizaron con el pin
cilíndrico roscado no presentaron defectos, excepto para
la condición A2 donde se apreció un pequeño agujero
en la ZA hacia el lado de avance, Figura 8, estos defectos
actúan como promotores de la falla en la prueba de tensión y debilitan la junta. Los defectos producidos durante
SFA se deben principalmente al flujo inapropiado y la
insuficiente consolidación del metal bajo la herramienta,
Balasubramanian, 2008, indicó que las juntas realizadas
con pines de caras planas exhiben resistencias superiores
a la tensión comparados con las juntas realizadas con
perfiles circulares, sin importar el diámetro del hombro,
Urbano L, Avila J: Evaluación de la resistencia a la tensión de las juntas soldadas
porque estos producen pulsaciones durante la agitación
del material en el flujo plástico, cuando se realicen bajo
la relación adecuada de Vr/Va:
• Si la velocidad de avance es demasiado rápida, el material debajo de la herramienta no se expone el suficiente
tiempo a la agitación producida por la geometría del
pin, se interrumpe el flujo de material y
• Si la velocidad de soldadura es demasiado lenta, el flujo
se ve interrumpido por las caras planas del pin.
Figura 7. Macroestructuras de las juntas realizadas con el pin cuadrado.
las juntas fabricadas con el pin cilíndrico roscado no es tan
repentino, esto se debe a la presencia de los defectos que
se presentaron en las juntas realizadas a bajas velocidades
de rotación y avance, lo cual revela el uso de relaciones de
Va/Vr no indicadas. Elangovan y Balasubramanian, 2008,
sostienen que el comportamiento de proporcionalidad
directa de la resistencia mecánica de las juntas con las velocidades de rotación y avance de la herramienta es típico
de las soldaduras realizadas por el proceso SFA, cuando
se hacen a bajas velocidades de avance y rotación, hasta
un valor crítico donde es máxima la resistencia mecánica
de la junta, y se reduce a partir de este punto debido a la
aparición de defectos de vacío en la junta que inician o promueven la fractura; estos defectos se deben principalmente
a altas velocidades de flujo del material que está debajo
de la herramienta y no favorecen el proceso de forja que
se lleva a cabo en la junta. Por otro lado, la resistencia a
la tensión siempre fue más alta que el mínimo requerido
por el código AWS D 1,2 como criterio de aceptación para
las juntas soldadas de la aleación AA6061 (11,55 kg/mm2
- 113,19 MPa), tomada como referencia.
Figura 8. Macroestructuras de las juntas realizadas con el pin cilíndrico.
Varios investigadores coinciden (Liu et al. 2003; Balasubramanian, 2008; Cabibbo et al. 2007; Franco et al. 2009;
Elangovan and Balasubramanian, 2009) en que a mayores
velocidades de rotación, es mayor la cantidad de calor localizado alrededor de la herramienta lo cual facilita el flujo
del material plástico, además el aumento en la velocidad
de soldadura reduce el ingreso de calor por unidad de
longitud y afectan en menor medida el material alrededor
de la junta. Esta condición se traduce en mejores propiedades mecánicas de la junta debido a una mejor mezcla o
agitación del material bajo el hombro de la herramienta y
una reducción del tamaño de la zona afectada por el calor
–ZAC y la zona termomecánicamente afectada – ZTMA.
Este comportamiento se observa en las Figuras 9 y 10,
donde se relacionan el esfuerzo máximo que soporta la
muestra antes de romperse con la velocidad de rotación y
la velocidad de avance .
Las muestras fabricadas con el pin cuadrado presentan
un aumento abrupto en la resistencia a la tensión, cuando la
velocidad de avance es superior a 250 mm/min y se mantiene constante la velocidad de rotación de la herramienta,
mientras que el incremento en la resistencia a tensión de
Figura 9. Relación entre el esfuerzo máximo y la velocidad de rotación. ci = cilíndrico roscado; cu = cuadrado.
Figura 10. Relación entre el esfuerzo máximo y la velocidad de
avance. ci = cilíndrico roscado; cu = cuadrado
21
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 17 - 22
En la Tabla 3 se aprecia el lado de la falla durante la
prueba de tensión, y en la Figura 1 se observa esquemáticamente los lados de avance (LA) y de retroceso (LR) en
el proceso SFA, en el caso de las juntas realizadas con el
pin cuadrado la falla ocurrió generalmente en el centro
del cordón de soldadura, debido a los defectos presentes.
Las juntas realizadas con el pin cilíndrico roscado fallaron
fuera del cordón de soldadura, específicamente en la ZAC,
algunas en el lado de avance y otra en el lado de retorno,
sin una tendencia aparente. Esta es la zona típica de falla
para las uniones soldadas de aleaciones de aluminio
envejecibles debido al ciclo térmico que sufre durante el
proceso y la subsecuente generación de precipitados no
coherentes.
Conclusiones
La velocidad de rotación, la velocidad de avance de la
herramienta y la geometría del pin juegan un papel importante en la resistencia mecánica de la junta, se encontró
una mayor resistencia a la tensión cuando se utilizó el pin
cilíndrico roscado.
La velocidad de rotación y la velocidad de avance tienen
una relación directamente proporcional con la resistencia
a la tensión de las juntas. A un menor ingreso de calor por
unidad de longitud mejor capacidad de flujo del material
debajo del hombro durante el proceso de soldadura, a favor
de una menor longitud de la zona afectada por el calor.
La soldadura por fricción-agitación aparece como una
solución factible a los problemas asociados con la soldabilidad de las aleaciones de aluminio de alta resistencia o
aleaciones envejecibles dado que es posible obtener juntas
sanas libres de defectos, si se aplican adecuadamente las
variables del proceso.
La SFA se ha utilizado con éxito en la industria naval en
la construcción de paneles para cubiertas, tanques, suelos,
cascos y superestructuras y en la industria aeroespacial
en reemplazo del remachado manual en la estructura del
avión y el fuselaje.
Agradecimientos
Los autores agradecen a la Escuela de Ingeniería de
Materiales de la Universidad del Valle y al Servicio Na-
22
cional de Aprendizaje - SENA, en especial a sus Centros
de Formación ASTIN y CDTI por su apoyo al proyecto.
Al ingeniero José Dámaso Ortiz B. por su aporte en la
traducción del resumen.
Referencias
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Flotación diferencial de sulfuros en celda
Hallimond, mediada por Acidithiobacillus
ferrooxidans
Differential flotation of sulfides in Hallimond cells mediated
by Acidithiobacillus ferrooxidans
Recibido: 15-04-2011
Erica Mejía Restrepo,1
Laura Osorno Bedoya,2
Juan David Ospina Correa,3
Marco Antonio Márquez Godoy4
Aceptado: 09-08-2011
Resumen
Se investigó el efecto del pre-acondicionamiento oxidante con Acidithiobacillus ferroxidans, precedido de un proceso de flotación diferencial en celda
Hallimond, para mezclas pirita-galena, pirita-calcopirita y pirita-esfalerita, con
tamaños de partícula -200 según la serie Tyler de tamices y diferentes períodos.
Dicho tratamiento redujo la flotabilidad de la galena y calcopirita e incrementó
la flotabilidad de la pirita en las mezclas respectivas. Para el caso de la mezcla
pirita-esfalerita se generó flotabilidad de la esfalerita y se disminuyó la flotabilidad de la pirita. Los resultados indican que la interacción mineral-bacteria
generó cambios en la superficie de los minerales, las cuales tienen características
fisicoquímicas diferentes al sulfuro original, lo cual permite la separación de
los sulfuros por flotación.
Palabras clave: Biomodulación, flotación, sulfuros.
Abstract
1 MSc Ingeniería, materiales-procesos, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Centro
de la Manufactura Avanzada, Cadena Tic
Electrónica. AA 1188. Medellín, Colombia. [email protected]
2
Colombiana Ing. Biológica, Producción
Industrial, Tecnológico Pascual Bravo - I.U.
AA 6564. Medellín, Colombia. [email protected]
3
MSc Ing. Materiales-Procesos, Coordinación de Investigación, Área de mecánica.
Tecnológico Pascual Bravo I.U.
[email protected]
4
PhD. en Geología Grupo de Mineralogía
Aplicada y Bioprocesos (GMAB), Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín
AA 1027. Medellín, Colombia.
[email protected]
This work studied the effect of oxidant preconditioning with Acidithiobacillus
ferrooxidans preceded by a differential flotation process in Hallimond cell for
pyrite-galena, pyrite-chalcopyrite, and pyrite-sphalerite mixtures with particle
sizes at -200, according to the Tyler sieve series and different time periods. Said
treatment reduced the buoyancy of galena and chalcopyrite and increased
buoyancy of pyrite in the respective mixtures. For the pyrite-sphalerite mixture,
sphalerite buoyancy was generated and pyrite buoyancy was decreased. The
results indicate that the mineral-bacteria interaction generated changes on the
surface of minerals, which have different physical and chemical characteristics
from the original sulfide, permitting sulfide separation via flotation.
Keywords: Biomodulation, flotation, sulfides
Introducción
La flotación espumante es un proceso fisicoquímico ampliamente usado en
el mundo, se estima que dos billones de toneladas de roca son tratadas por
flotación espumante, anualmente, en el mundo (Pearse, 2005). La flotación espumante presenta grandes ventajas sobre otros procesos de separación, debido
23
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 23 - 29
a su flexibilidad y eficacia, además, requiere poco espacio
físico para su desarrollo (Casas, 2007). En estos procesos
es muy importante conocer la mineralogía del depósito,
ya que dependiendo de esta se pueden establecer los parámetros de flotación que serán empleados y, en principio,
permitiría prever y solucionar posibles inconvenientes
(Castro y García, 2003; Márquez et al. 2009). Por otro lado,
las condiciones físicas y químicas de la muestra antes de
la flotación tales como tamaño de partícula, oxidación superficial e hidrofobicidad, tienen un efecto en la separación
ya que modifican las propiedades superficiales del mineral
(Castro y García, 2003).
Los cambios relativos a la superficie son muy importantes en la flotabilidad de cada sulfuro. Estos cambios
son generados por la susceptibilidad de cada mineral a la
oxidación y a las características fisicoquímicas de las últimas capas atómicas (Márquez et al. 2009). Se han reportado
diferencias en la flotabilidad de especies con composición
química similar, como es el caso de la esfalerita con alto y
bajo contenido de hierro. También, la presencia de hierro
en la estructura cristalina de la esfalerita reduce su flotabilidad debido a que el sulfato de cobre (CuSO4), agente a
cargo de la activación eléctrica superficial del mineral, no
presenta buena afinidad por la esfalerita, lo que reduce la
adsorción del colector (Rehwald, 1996; Boulton et al. 2005).
Así mismo, se ha encontrado que especies con composición química similar y estructura cristalina distinta
(polimorfos) presentan diferencias marcadas en su flotabilidad, como lo observado por Bhatti et al. (1993) con el uso
de pirrotita hexagonal y monoclínica. Jones et al. (1992),
investigaron la alteración de la superficie de la pirrotita, y
hallaron que al inicio de la reacción de disolución ácida se
empieza a generar una película hidrofílica de hidróxido de
hierro, conforme la reacción progresa, esta película recubre
todo el mineral. No obstante, aunque las características
de la superficie son específicas para cada mineral y varían
de acuerdo con su composición química y su estructura
cristalina (Márquez et al. 2009) las diferencias en muchos
casos pueden ser no suficientes para lograr un proceso de
flotación eficiente (Chandraprabha et al. 2005).
Los sulfuros presentan características fisicoquímicas
similares y su separación, en muchos casos, no es viable
ni eficiente. La separación de pirita (FeS2) de minerales
asociados comúnmente a ella, es indispensable para la extracción económica de metales valiosos (Chandraprabha
et al. 2005). La calcopirita (CuFeS2), la arsenopirita (FeAsS),
la esfalerita (ZnS) y la galena (PbS), frecuentemente se
encuentran asociados con la pirita, donde la depresión
selectiva de pirita permitiría la extracción y el posterior
beneficio de los minerales asociados (Chandraprabha et
al. 2005).
24
Debido a esto, se han iniciado estudios en biomodulación superficial, donde algunos microorganismos se han
estudiado con el fin de cambiar las propiedades superficiales de minerales de interés, bien sea por su adhesión
selectiva a los sulfuros, o modificando químicamente su
superficie. Los microorganismos más comúnmente empleados son: Acidithiobacillus ferrooxidans (Kolahdoozan et
al. 2004; Hosseini et al. 2005; Amini et al. 2009), Lepstospirillum ferrooxidans (Vilinska & Hanumantha, 2008) y, algunas
especies como Staphylococcus carnosus, Bacillus firmus y
Bacillus subtilis (Langwaldt & Kalapudas, 2007) y Bacillus
polymyxa (Subramanian et al. 2003).
En relación con esto, la interacción mineral bacterial puede generar cambios en la superficie de los minerales, como
la formación de películas, con características fisicoquímicas
diferentes a las del mineral original, las reacciones de oxidación y reducción catalizadas biológicamente generan cambios
fisicoquímicos a escalas nanométricas, para cambiar de este
modo la superficie del mineral. La quimisorción de productos metabólicos, puede resultar, también, en la modificación
superficial, debido a la disolución de constituyentes del
mineral. Todos estos aspectos, en principio, podrían subsanar el problema de la semejanza en comportamiento de los
sulfuros, y permitir procesos de separabilidad por flotación
más eficientes, sobre la hipótesis de superficies específicas
más disímiles (Márquez et al. 2009). Es importante anotar
que actualmente existen muchas restricciones ambientales
y se hace necesario buscar nuevas opciones que reemplacen
los compuestos químicos, de reconocida capacidad contaminante, empleados comúnmente en los procesos de flotación
(Santhiya et al. 2000; Chandraprabha et al. 2004; Hosseini et
al. 2005). El objetivo de este trabajo fue investigar el efecto
del pre-acondicionamiento oxidante con Acidithiobacillus ferroxidans, precedido de un proceso de flotación diferencial en
celda Hallimond, para mezclas pirita-galena, pirita-calcopirita
y pirita-esfalerita, con tamaños de partícula -200 según la serie
Tyler de tamices en diferentes períodos.
Metodología
Preparación de muestras para los ensayos de bioflotación
Las muestras minerales fueron obtenidas de la siguiente
forma: esfalerita, tomada en la mina El Centeno (BuriticáAntioquia). Galena, tomada en la mina El Silencio, propiedad
de la empresa minera Frontino Gold Mines LTD (SegoviaAntioquia). Calcopirita, obtenida de la mina La Chorrera
(Cisneros-Antioquia). Pirita, tomada en la mina San Antonio
(Marmato-Caldas). Los minerales fueron sometidos, individualmente, a un proceso de conminución y concentración
gravimétrica en mesa Wilfley y posteriormente a un proceso
de molienda en mortero de ágata, con el fin de garantizar
Mejía E, et al. Flotación diferencial de sulfuros en celda Hallimond, mediada por Acidithiobacillus ferrooxidans
una distribución de tamaño de partícula, pasante malla
-200, retenido -270 de acuerdo con la serie Tyler de tamices.
Los concentrados de esfalerita, calcopirita y galena fueron
mezclados con concentrado de pirita, en proporción 1:1.
Caracterización mineralógica
De los concentrados de mineral obtenidos, se tomaron
muestras para montajes de granos en resina epóxica, los
cuales fueron desbastados utilizando lijas de carburo de
silicio 200, 400, 600, 1000, 1200 y 1500 para finalmente ser
pulidos con uso de alúmina de granulometría 3, 1 y 0.05µm.
Se elaboraron probetas antes y después del proceso de
flotación selectiva. Las secciones pulidas fueron analizadas mediante microscopía óptica de luz plana polarizada,
modo luz reflejada, se empleó un microscopio óptico Leitz
Laborolux 11POL, con objetivos de aumento de 10X y 20X,
con el fin de determinar las fases minerales presentes. El
método usado para esto fue conteo de puntos, según la
norma ASTM D2799 de 2009. Luego del proceso de flotación
se empleó difracción de rayos-X con el fin de confirmar las
fases minerales cristalinas luego del proceso de flotación
y su variación en proporciones relativas. Los análisis se
realizaron con un difractómetro Bruker D8ADVANCE con
barrido de 2θ de 1 a 70° con pasos de 0.03°, un tiempo de
conteo por paso de 2 segundos y radiación Cu λ= 1.5406 Å,
radiación generada 35 KV y 30 mA. Los espectros se analizaron por medio del software Diffrac Plus Eva, haciendo
uso de la base de datos PDF 2.0.
Ensayos de bioflotación
Se preparó un inóculo de Acidithiobacillus ferrooxidans
ATCC 23270, previamente adaptados y aclimatados a los
minerales. El inóculo inicial presentó una población de
108 células/mL, estimada a partir de conteo en cámara de
Newbauer. Los ensayos de flotación en laboratorio fueron
hechos en celdas de flotación tipo Hallimond. Se empleó
mezclas artificiales de pirita-galena, pirita-calcopirita y
pirita-esfalerita. Se flotó antes y después del proceso de
biomodulación con el fin de definir diferencias en el comportamiento de las mezclas. El pretratamiento oxidante
se realizó con Acidithiobacillus ferrooxidans, en medio T&K
(0.5% de (NH4)SO4; 0,5% de MgSO4.7H2O; 0,5% de K2HPO4 y
33,33 g/L de sulfato ferroso con 10 %(v/v), sulfato ferroso),
10 % (v/v) de inóculo bacteriano y un porcentaje de pulpa
del 10 % (p/v). Los cultivos fueron sometidos a agitación
constante a 180 rpm y temperatura de 30 °C. Las muestras de
mineral fueron tomadas a las 2, 4, 12, 24 y 48 horas después
de iniciado el proceso. Los ensayos de flotación se hicieron
suspendiendo un gramo de mineral de cada muestra, en 100
mL de agua destilada, se adiciona ditiofosfato como colector,
metil isobutili carbonil (MIC) como espumante, sin adición
de activador y regulador de pH. Se introdujo burbujas de
aire en la celda con un caudal de 120 cm3/min. La fracción
de mineral flotado se analizó por conteo de puntos, con el
fin de calcular el porcentaje de recuperación.
Resultados
Caracterización inicial de las mezclas
En la Figura 1 se puede apreciar los difractogramas
de rayos-X que caracterizan la mezcla artificial de piritaesfalerita, pirita-galena, pirita-calcopirita para ser sometida
a acción bacteriana. En el espectro se observan las reflexiones características de las mezclas, además, la presencia de
cuarzo y silicatos como minerales acompañantes del proceso. Los concentrados de minerales no fueron 50-50% de
cada mezcla de mineral, ya que cada uno de estos sulfuros
tenía asociados a ellos diferentes minerales. En la Tabla 1
se observa la composición de los diferentes concentrados
de minerales.
Figura 1. Difracción de rayos X para las mezclas: (A) pirita-galena, Donde: Py: Pirita, Gn: Galena, Qz: cuarzo, y W: wollastonita. (B) pirita-calcopirita,
Donde: Py: Pirita, Cl: clorita, Qz: cuarzo, Cu: covelita, CPy: calcopirita y Mo: molibdenita y (C) pirita-esfalerita, Donde: Py: Pirita, Gn: Galena, CPy:
calcopirita, Qz: cuarzo, y SPy: esfalerita.
25
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 23 - 29
Tabla 1. Composición mineralógica de las mezclas.
FeS2 (%)
PbS (%)
CuFeS2
(%)
ZnS (%)
Ganga
(%)
FeS2
–PbS
53,2
39,19
0.82
3,61
3,19
FeS2
–ZnS
49,68
1,69
3,59
42,91
2,11
FeS2
–CuFeS2
44,92
5,51
37,61
7,06
4,92
Resultados de flotación en celda Hallimond
La respuesta de la mezcla pirita-galena a la flotación,
después de la interacción con Acidithiobacillus ferrooxidans
con una población bacteriana de 108 células/mL, se puede
observar en la Figura 2. Desde el inicio del proceso se notó
una disminución gradual en la concentración de galena y
un aumento en la concentración de pirita, la cual tiende
a estabilizarse hacia el final del proceso. Sin embargo,
presentó un pico máximo a las 48 horas de proceso. Estos
resultados fueron corroborados mediante difracción de
rayos X, donde se apreció además, la formación de nuevas
fases como anglesita y en menor proporción jarosita (Figura
3), estas fases son producto de la oxidación bacteriana de
la galena y la pirita, respectivamente. El gráfico de proporciones relativas de pirita y galena confirma la tendencia de
la pirita a aumentar gradualmente en el tiempo en tanto la
galena tiende a disminuir (Figura 4). En presencia de 10-5 M
de isopropil-xantato, se logró una recuperación de pirita de
69,07% y la galena fue depresada en 76,29%, después de 48
horas de pre-tratamiento oxidante (Figura 2). Cuando no se
empleó un pre-tratamiento oxidante con microorganismos,
la recuperación de pirita fue de 44,0% y la galena solo se
Figura 2. Porcentaje de sulfuros para la mezcla pirita-galena. Donde 0:
es la mezcla original, 1: mezcla flotada sin tratamiento de bacterias, 2:
mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 2 horas, 4: mezcla
flotada luego del tratamiento con bacterias 4 horas, 12: mezcla flotada
luego del tratamiento con bacterias 12 horas, 24: mezcla flotada luego
del tratamiento con bacterias 24 horas, 48: mezcla flotada luego del
tratamiento con bacterias 48 horas. Py: Pirita, Gn: Galena, G: ganga,
SPy: esfalerita y CPy: Calcopirita.
26
logró depresar en 54,7%, ambos ante la presencia de colector (Fig. 2). Comparando estos resultados, vemos que con
la adición de colector se logró depresar aproximadamente
21% más de galena y recuperar aproximadamente el 25%
de pirita, con presencia de colector.
Para el caso de la mezcla pirita-calcopirita (Figura 5) se
encontró que a mayor tiempo de tratamiento con bacterias
la concentración en el flotado de calcopirita es menor, mientras que la proporción de pirita aumenta. Sin embargo, el
comportamiento a las dos horas de proceso es muy similar
al obtenido en la muestra sin tratamiento con bacterias, lo
cual puede dar indicios de la resistencia de estos sulfuros a la oxidación. Estos resultados fueron corroborados
mediante difracción de rayos X, donde se observó además
la disminución de fases como clorita y molibdenita no
vista en el microscopio óptico (Fig. 6). Esta disminución
puede deberse a la facilidad de los aluminosilicatos como
la clorita, a disolverse en ambientes ácidos y la diferencia
de potencial el disulfuro de molibdeno, molibdenita, con
los sulfuros acompañantes, lo cual hace que los sulfuros de
mayor potencial de reposo se pasiven, pirita y calcopirita
y los de menor potencial se oxiden, molbdenita. Además,
en el gráfico de proporciones relativas se corroboró la
tendencia de la pirita a aumentar y de la calcopirita a disminuir, desde las cuatro horas del proceso (Figura 7). En
la presencia de 10-5 M de isopropil-xantato, se logró una
recuperación de pirita de 66,9% y la calcopirita fue depresada en 76,7%, después de 48 horas de pre-tratamiento
oxidante (Figura 5). La mezcla sin pre-tratamiento oxidante
con microorganismo mostró una recuperación de pirita de
Figura 3. Difracción de rayos X para la mezcla pirita-galena, flotada sin
tratamiento con bacterias (0hF) y con tratamiento a las 48 horas (48hF).
Donde: Py: Pirita, Gn: Galena, Qz: cuarzo, J: jarosita, y Ang: Anglesita.
Mejía E, et al. Flotación diferencial de sulfuros en celda Hallimond, mediada por Acidithiobacillus ferrooxidans
Figura 4. Imagen de abundancia relativa para la mezcla pirita y galena obtenidos por DRX, para las muestras sometidas al proceso de
flotación luego de la interacción bacteriana. Donde 0: es la mezcla
original, 1: mezcla flotada sin tratamiento de bacterias, 2: mezcla
flotada luego del tratamiento con bacterias 2 horas, 4: mezcla flotada
luego del tratamiento con bacterias 4 horas, 12: mezcla flotada luego
del tratamiento con bacterias 12 horas, 24: mezcla flotada luego del
tratamiento con bacterias 24 horas, 48: mezcla flotada luego del
tratamiento con bacterias 48 horas. Py: Pirita y Gn: Galena.
Figura 6. Difracción de rayos X para la mezcla pirita-calcopirita, flotada
sin tratamiento con bacterias (0hF) y con tratamiento a las 48 horas
(48hF). Donde: Py: Pirita, Cl:cloirta, Mo: molibdenita, Qz: cuarzo, y
CPy: calcopirita.
41,59% y la calcopirita fue depresada en 60,68%, ambos
ante la presencia de colector, como se puede observar en
la Figura 5. Los resultados sugieren que el pretratamiento
oxidante generó un aumento en la recuperación de pirita de
aproximadamente 22%. Además, se permitió un aumento
de calcopirita depresada en aproximadamente 17%.
Figura 7. Porcentaje del sulfuros, fracción flotada, para la mezcla
pirita-calcopirita. Donde 0 es la mezcla original, 1: mezcla flotada sin
tratamiento de bacterias, 2: mezcla flotada luego del tratamiento con
bacterias 2 horas, 4: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 4 horas, 12: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias
12 horas, 24: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 24
horas, 48: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 48 horas. Py: Pirita, Gn: Galena, G: ganga, SPy: esfalerita y CPy: Calcopirita.
Figura 5. Porcentaje del sulfuro, fracción flotada, para la mezcla
pirita-calcopirita. Donde 0: es la mezcla original, 1: mezcla flotada sin
tratamiento de bacterias, 2: mezcla flotada luego del tratamiento con
bacterias 2 horas, 4: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 4 horas, 12: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias
12 horas, 24: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 24
horas, 48: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 48 horas. Py: Pirita, Gn: Galena, G: ganga, SPy: esfalerita y CPy: Calcopirita.
En la mezcla pirita-esfalerita, se observó que a mayor
tiempo de tratamiento con bacterias, el proceso de flotación generó un concentrado más rico en esfalerita y pobre
en pirita. Al igual que en los ensayos anteriores a las dos
horas del proceso, no se observan cambios con la muestra
sin tratamiento previo con bacterias. Mediante difracción
de rayos X fue difícil corroborar las diferencias, ya que las
líneas principales de esfalerita siempre coinciden con las
líneas asociadas a la pirita, siendo solo la línea asociada al
plano (331) la que no presenta interferencias, por lo que los
27
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 23 - 29
cambios en ambos picos pueden ser enmascarados (Figura
9). Sin embargo, el pico correspondiente a la reflexión (331)
presentó una ligera disminución, al evidenciar una disminución de este mineral en el sustrato, lo cual fue confirmado
en el gráfico de abundancia relativa donde se observó que
la tendencia de la pirita es disminuir, mientras que la esfalerita aumenta desde el cuarto día del proceso (Figura 10).
Figura 10. Imagen de abundancia relativa para los picos de pirita y
esfalerita obtenidos por DRX, para las muestras sometidas al proceso
de flotación luego de la interacción bacteriana. Donde 0: es la mezcla
original, 1: mezcla flotada sin tratamiento de bacterias, 2: mezcla
flotada luego del tratamiento con bacterias 2 horas, 4: mezcla flotada
luego del tratamiento con bacterias 4 horas, 12: mezcla flotada luego
del tratamiento con bacterias 12 horas, 24: mezcla flotada luego del
tratamiento con bacterias 24 horas, 48: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 48 horas. Py: Pirita y SPy: calcopirita.
Figura 8. Porcentaje de sulfuros para la mezcla pirita-esfalerita.
Donde 0: es la mezcla original, 1: mezcla flotada sin tratamiento de
bacterias, 2: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 2
horas, 4: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 4 horas,
12: mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 12 horas, 24:
mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 24 horas, 48:
mezcla flotada luego del tratamiento con bacterias 48 horas. Py: Pirita,
Gn: Galena, G: ganga, SPy: esfalerita y CPy: Calcopirita.
En la presencia de 10-5 M de isopropil-xantato, se logró
una recuperación de esfalerita de 59,9% y la pirita fue
depresada en 62,26%, después de 48 horas de pre-tratamiento oxidante (Figura 8). Cuando no se empleó un
pre-tratamiento oxidante con microorganismo la recuperación de esfalerita fue de 48,59% y la pirita fue depresada
en 53,0%, ambos ante la presencia de colector (Figura 8).
Los resultados indican que el pre-tratamiento oxidante
permitió un aumento en la recuperación de esfalerita de
aproximadamente el 11% y la esfalerita fue depresada en
9% aproximadamente.
Figura 9. Difracción de rayos X
para la mezcla
pirita-esfalerita,
flotada sin tratamiento con
bacterias (0hF) y
con tratamiento
48 Horas (4hF).
Donde: Py: Pirita, Gn: Galena,
Qz: cuarzo, CPy:
calcopirita y
SPy: esfalerita.
28
Discusión y conclusiones
El pre-acondicionamiento oxidante con Acidithiobacillus
ferrooxidans ATCC 23270 antes de la adición del colector y
el espumante, reduce la flotabilidad de la galena en ~21%,
calcopirita ~27%, e incrementa la flotabilidad de la pirita
en ~25% y ~22% respectivamente, en el concentrado de
flotación. Sin embargo, para el caso de la mezcla piritaesfalerita se generó la flotabilidad de la esfalerita en ~11%
y se disminuye la flotabilidad de la pirita en ~9%. Esta
diferencia generada es debida al reactivo de flotación
empleado, el cual es selectivo para esfalerita, lo cual generó
que los demás sulfuros se depresaran y la pirita conservara
su flotabilidad natural. Es importante anotar que se alcanzaron buenos porcentajes de separación de las mezclas de
los sulfuros durante tiempos cortos (48 horas) en el preacondicionamiento oxidante con los microorganismos. Sin
embargo, se deben ensayar tiempos mayores que permitan
más eficiencia en la separación de los sulfuros.
Se pudo observar que la interacción mineral bacteria
generó cambios en la superficie de los minerales, como
formación de películas con características fisicoquímicas
diferentes a las del sulfuro original (Sanhiya et al. 2000,
Kolahddoozan et al. 2004, Hosseini et al. 2005, Márquez et
al. 2009). Esto se pudo constatar para el caso de la mezcla
pirita-galena donde los análisis de difracción de rayos X
(Figura 3), muestran la formación de nuevas fases como
anglesita y jarosita. Estos resultados son similares a los
obtenidos por Santihiya et al. (2000), donde al someter
la galena a la acción de los microorganismos, se logró la
hidrofobicidad casi completa del mineral. Sin embargo,
para las mezclas pirita-calcopirita y pirita-esfalerita no se
Mejía E, et al. Flotación diferencial de sulfuros en celda Hallimond, mediada por Acidithiobacillus ferrooxidans
observaron formaciones de nuevas fases cristalinas en los
difractogramas, lo cual puede indicar que los cambios fisicoquímicos se dieron a escalas nanométricas. Este hecho es
importante en los procesos de concentración de minerales
donde el objetivo es la recuperación y no la transformación de los mismos. Es importante anotar que las mezclas
pirita-calcopirita y pirita-esfalerita no presentaron cambios
aparentes en la flotabilidad luego de las dos primeras horas
del proceso, mientras que la mezcla pirita-galena muestra
diferencias desde el inicio, lo que indica que este mineral es
más susceptible a la oxidación bacteriana, generada por el
menor potencial de reposo que tiene la esfalerita respecto
a la galena, lo que está de acuerdo con lo observado por
Da Silva (2004).
Se puede decir entonces que este ensayo arrojó resultados muy alentadores que podrían subsanar el problema de
semejanza en el comportamiento entre estos sulfuros, ya
que se logró aumentar la eficiencia en el proceso al generar
superficies disímiles. Cabe anotar que este es un ensayo
preliminar y se hace necesaria una investigación más
detallada sobre la concentración adecuada de colector, del
espumante, influencia del pH, así como realizar medidas
de ángulo de contacto y potencial Z, las cuales permitirían
aclarar el panorama.
Agradecimiento
Los autores agradecen al programa de Biotecnología de
Colciencias, a los laboratorios de biomineralogía, Cimex,
preparación de rocas y carbones de la Universidad Nacional
de Colombia, sede Medellín, y al laboratorio de Ingeominas, Medellín.
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29
Leña como combustible doméstico en
zonas rurales de Usme, Bogotá1
Firewood as domestic fuel in rural zones from Usme, Bogota
Recibido:28-07-2011 Aceptado:08-11-2011
Fabio Emiro Sierra Vargas2
Fabiola Mejía B.,3
Carlos A. Guerrero F.4
Resumen
Se analizan las implicaciones ambientales del uso de la leña como combustible doméstico, tomando como caso de estudio la zona rural de Usme, Bogotá,
Colombia, desde tres aspectos: socio-cultural, ecosistémico y tecnológico. Se
identificaron los impactos que el uso de la leña para cocción genera sobre la
salud, la economía y aspectos culturales que definen su uso en esta zona. También se identificaron y caracterizaron las especies leñosas más usadas para la
cocción de alimentos.
Se concluye que la leña es un servicio del ecosistema y así es visto por los
campesinos, esta es apreciada por el sabor de la comida pero se reconoce que
genera problemas para la salud, principalmente por el uso de desechos de fórmica con MDF, junto con especies de la región, lo que plantea la necesidad de
estudiar más a fondo los impactos que tiene su combustión.
Palabras clave: Usme, leña, cocinas rurales, eficiencia de estufas, impacto
ambiental.
Abstract
Resultado del proyecto concluido Implicaciones ambientales del uso de leña como
combustible doméstico en la zona rural de Usme.
2
Colombiano. PhD en Ingeniería Universidad Kassel - Alemania. Profesor Asociado
Universidad Nacional de Colombia. Sede
Bogotá.
[email protected]
3
Colombiano. Msc. en Medio Ambiente
y Desarrollo, Instituto de Estudios Ambientales IDEA-Universidad Nacional de
Colombia.
[email protected]
4
Colombiano. PhD en Ingeniería Química,
Msc. Ingeniería ambiental, Ingeniero
Químico, Ingeniero Mecánico, Profesor
asociado del Departamento de Ciencias
Universidad Nacional de Colombia. Sede
Bogotá
[email protected]
1
30
This paper analyzes environmental implications of using wood as domestic
fuel, using as study case the rural area of Usme, Bogotá, Colombia, from three
aspects: socio-cultural, ecosystem issue and technological.
Through field work, conducted surveys and information collected by direct
experimentation in some kitchens in the area, were identified the impacts that
the use of firewoodfor cooking has on the health, the economy and the cultural
issues that define their use in this area. Also were identified and characterized
the woody species most used for cooking.
The paper concludes that wood is an ecosystem service and thus is seen by the
peasants, who prized it by the taste of food but they recognized that it generates
health problems, especially among women and children. Was identified that
many families are buying wood, either because they have no time to collect it
or because of the distances they must travel along their region. The most used
woods are Eucalyptus, Pine and remnant of carpentry including Formic with
MDF, a material that has not been reported in Colombia, it raises the need to
study the impacts of its combustion.
Keywords: Usme, wood, rural stoves, stoves efficiency, environmental
impact.
Sierra F, Mejía F, Guerrero C. Leña como combustible doméstico en zonas rurales de Usme, Bogotá
Introducción
La leña es utilizada como combustible en las actividades
domésticas de la zona rural de Usme, Bogotá – Colombia;
obedece tanto a la forma tradicional de vida de sus pobladores, como a factores económicos y a falta de acceso a otras
fuentes de energía. Esto la convierte en la fuente energética
más accesible; adicionalmente genera implicaciones de tipo
ambiental que es necesario estudiar.
La zona en consideración pertenece a los ecosistemas
de bosque de niebla, estratégicos por su capacidad para
almacenar el agua que capturan de la neblina y las nubes.
En esta zona, según los estudios de Mulligan y Burke (2005),
se calcula la deforestación acumulada entre el 73% y el 90%,
siendo el crecimiento poblacional la mayor amenaza, por
el incremento en la demanda de los servicios provistos por
los ecosistemas (Dolors et. al., 2007). Las especies leñosas en
esta región pertenecen a vegetación de bosques de niebla y
matorrales, como arboloco (Polymnia ppyramidalis), encenillo
(Weinmannia tomentosa), acacia (Acacia decurrens), duraznillo
(Abatia parviflora) que han sido desplazadas por eucalipto
(Eucalypthus gloobulus), pino (Pinus resinosa), o se consideran
en peligro de extinción, entre otras causas porque las técnicas
utilizadas generan procesos de combustión ineficientes.
Un aspecto que tiene alta incidencia en la evaluación de
impactos que genera este uso de la leña, es la falta de estudios de la leña como factor económico y de bienestar, más
aún si se tiene en cuenta que la dependencia de los pobres
de zonas rurales respecto a los servicios de los ecosistemas
raras veces se mide, por lo tanto, generalmente es omitido
en las estadísticas nacionales y en las evaluaciones de la
pobreza, lo cual da lugar a estrategias inapropiadas que
no considera el papel del medio ambiente en la reducción
de la pobreza (De La Torre, 2007).
Zona de estudio: localidad de Usme
La historia de Usme se remonta a la época prehispánica
en que la zona era considerada lugar sagrado y de culto,
por sus fuentes de agua y sus lagunas. Los registros de los
cronistas hacen suponer que los indígenas Sutagaos, que
hacían parte de la cultura Muisca, habitaban esta región.
“Use-me” es una expresión chibcha que significa “tu nido”
(Sánchez, 1995 y Alcaldía Mayor de Bogotá, 2009).
En la actualidad, Usme se configura como la quinta localidad de Bogotá (Unohabitat et. al. 2010) ubicada al sur de la
ciudad, con una población estimada de 294.580 habitantes, de
los cuales 6.500 aproximadamente están situados en la zona
rural. Los estratos socioeconómicos predominantes son el 1
(41,75%) y el 2 (35,5%). La extensión territorial de Usme es de
21556 ha (13,2% área total del D.C.), de las cuales 9.492 corresponden a la zona rural. En la Tabla 1 se aprecian el área y la
población por vereda, según los datos del estudio de Agrored.
Tabla 1. Características de las veredas que conforman Usme.
Vereda
Agualinda Chiguaza
Arrayanes
Chisaca
Corinto Cerro Redondo
Curubital
El Destino
El Hato
El Uval
La Unión
Las Margaritas
Los Andes
Los Soches
Olarte
Requilina
Área
Ha.
154,7
2.026,9
2.846,9
760,3
3.162,4
1.873,8
622,4
466,5
2.433,4
1.372,7
1.076,4
688,7
619,2
202,6
%
0,8
11,1
15,6
4,2
17,3
10,2
3,4
2,5
13,3
7,5
5,9
3,8
3,4
1,1
Población
Hab.
%
540
9,7
250
4,5
175
3,1
240
4,3
235
4,2
763 13,7
185
3,3
615 11,0
225
4,0
450
8,1
215
3,8
500
8,9
520
9,3
550
9,8
Fuente: Adaptado Fondo de Desarrollo Local de Usme, 2010.
Generalidades del uso de la leña
La leña se considera una fuente de energía primaria, es
decir, se obtiene directamente de la naturaleza, específicamente de los recursos forestales. Incluye los troncos y ramas
de los árboles, pero excluye los desechos de la actividad
maderera (Olade, 2008) De acuerdo con Singer “…La leña
es la fuente más antigua de calor utilizada por el hombre, lo que
quizás se debe al hecho de que es mucho más accesible que otros
combustibles y a que prende fácilmente. A esa accesibilidad se
debe el que aún hoy día se siga quemando en hogares primitivos de
acuerdo con métodos tradicionales. El resultado no puede ser otro
que un intenso consumo equivalente a un verdadero despilfarro”.
El consumo de leña está determinado por variables
técnicas, económicas, ecosistémicas, sociales y culturales,
tal como se presenta en la Figura 1, donde se aprecia que la
leña es considerada un servicio de suministro con implicaciones a nivel de bienes de materiales para una buena vida
y para la salud, por ser un recurso que sirve para cocción
y calefacción. También tiene incidencia en las relaciones
sociales, evidente en las casas campesinas, donde la visita se realiza muchas veces en la cocina, lo que depende
de la confianza que logra, por ser el sitio más acogedor
(González-Martínez, 2007).
En 2007, el consumo mundial de energía superó los
8.286 millones de toneladas equivalentes de petróleo
(MTEP), donde la leña aportó el 12,4%. El consumo, sin
embargo, es desigual, pues los países de la Organización
para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE),
con el 15% de la población mundial, consumen el 60% de
la energía, factor este último a tener en cuenta a la hora de
repartir responsabilidades de la crisis ambiental (Millenium
Ecosystem Assessment, 2007)
31
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 30 - 39
Figura 1. Servicios de los ecosistemas y su relación con la calidad de vida (Millenium Ecosystem Assessment, 2008).
Malyshev (2009), en su artículo Looking ahead: energy,
climate change and pro-poor responses, advierte cómo en la actualidad hay aproximadamente 2.600 millones de personas
que usan leña, carbón o residuos agrícolas para suplir sus
necesidades energéticas, y se espera para 2030 que la cifra
ascienda a 2.700 millones de habitantes. Además, informa
que hay más de 1600 millones de personas sin acceso a
la energía eléctrica, (un cuarto de la población mundial)
(Santamaría Flórez, 2004).
Consumo de leña en Latinoamérica
La leña constituye un recurso energético importante en
algunos países de la Confederación Andina de Naciones
(CAN), el Caribe y del Mercado Común del Sur (Mercosur).
De acuerdo con las estadísticas, en la región se produjeron
en 2007, 435 miles de barriles equivalentes de petróleo
(KBEP),para satisfacer las necesidades de la población, con
un incremento del 2.36% comparado con la producción de
2006 (OLADE, 2008). La Tabla 2 presenta la producción de
leña en los países de América Latina y el Caribe (ALAC)
para 2007 y la variación entre 1998 y 2007. Se observa que
32
el consumo ha aumentado en términos generales, aun
cuando el reporte informa que Colombia lo ha disminuido.
Consumo de leña en Colombia
Los estudios más completos referentes al uso de leña son
el Estudio Nacional de Energía “ENE” y el Análisis de la
Energía en el sector rural, realizados en 1982, que evidenciaron cómo, en relación con la participación de la leña en
la producción de energía primaria, entre 1970 y 1979, ésta
había crecido del 16% en 1970 al 17,6% en 1979, siendo “…
el principal y casi único combustible de la población rural y el de
mayor peso en el sector residencial” (Mejia, B, 2011), proyectándose para el año 2000 una disminución en el consumo de
la misma del 61,4% al 41,1%, sustituyéndola por la energía
eléctrica y/o el gas natural. El ENE muestra que el promedio de kilogramos de leña para cocción diaria de alimentos
variaba de 19,35kg/día para estufas abiertas, 25,87kg/día
para estufas de plancha sin chimenea y 29,48kg/día para
estufas con plancha chimenea. El promedio ponderado
fue de 21,47kg/día de consumo, y el total de hogares que
utilizaban leña exclusivamente era de 992.658. El consumo
Sierra F, Mejía F, Guerrero C. Leña como combustible doméstico en zonas rurales de Usme, Bogotá
Tabla 2. Producción de leña en ALAC y tasa de crecimiento.
Producción de leña en ALAC (kbep)
País
Argentina
Bolivia
1998
7.105,30
Tasa de crecimiento (%)
2006
8.331,40
2007
1998-2007
8.331,40
1,78
2006-2007
0
2.938,22
2.672,88
2.672,88
-1,05
0
Brasil
154.816,09
204.821,75
205.820,75
3,21
0,49
Chile
29.125,43
35.056,80
36.939,34
-1,7
-0,03
Colombia
18.093,91
15.508,70
15.503,48
-1,7
-0,03
Costa Rica
361,14
3.082,48
3.413,74
28,35
10,75
Cuba
2.169,10
1.602,57
3.666,33
6,01
128,78
Ecuador
4.280,10
3.465,58
3.369,61
-2,62
-2,77
El Salvador
8.064,69
8.809,79
8.809,79
0,99
0
Guatemala
20.220,23
25.405,40
26.218,51
2,93
3,20
Haití
12.054,32
13.524,80
13.524,80
1,29
0
Honduras
11.434,35
10.461,76
10.984,84
-0,44
5
Jamaica
2.237,58
1.278,85
1.278,85
-6,03
0
México
42.710,63
42.570,72
42.493,55
-0,06
-0,18
Nicaragua
8.065,34
9.984,92
10.083,58
2,51
0,99
Panamá
2.835,24
3.561,90
3.349,64
1,87
-5,96
Paraguay
13.563,95
12.633,92
13.963,31
0,32
10,52
Perú
13.166,10
13.800,37
14.860,91
1,36
7,68
8.228,17
3.946,72
3.946,72
-7,84
0
2.961,5
3.107,78
3.181,27
0,8
2,36
República Dominicana
Uruguay
Venezuela
206,89
175,78
206,8
-15
17,65
Total LA&C
366.618,4
425.973,92
434.789,18
1,91
2,07
per cápita calculado fue de 100 kg/persona-mes y en el caso
más ineficiente 150kg/persona-mes( Ministerio de Minas,
1988) (FAO, 2008)
Para 1996, se reportaba una participación de la leña en
la canasta energética del país del 91,62% (30,260Tcal) para
el sector rural y del 21,3% (2.831Tcal) para el sector urbano
(FAO, 2008). En este mismo año, el documento CONPES
2834 referente a Política de Bosques, referenciaba el uso
de la leña como una de las causas de deforestacion en el
país. Se proyectaba para el año 1996 un consumo de 11
millones de toneladas, mientras para 1985 se habían estimado 9,3 millones de toneladas, las cuales se consumirían
principalmente en las zonas andina y atlántica del país
específicamente en el sector residencial. Esto indicaba un
aumento del 18% en 10 años. El documento planteaba que
el Ministerio de Minas y Energía debía diseñar una estrategia para disminuir el uso de leña con fines energéticos y
solicitar al IDEAM identificar los frentes de deforestación
causados por la demanda de leña (Torres, 1982).
El consumo doméstico de leña en el sector rural colombiano, con una población cercana a los 10 millones de
habitantes, para 1994, representaba el 15,9% del consumo
final total del país (35200Tcal.), en actividades de calentamiento de agua y cocción de alimentos. De los combustibles
usados, el 87,6% lo constituía la leña.
En el estudio realizado por Pinto (2004), en la vereda
Carrizal del municipio de Sutamarchán, departamento de
Boyacá, se identificó que el 73% de las familias utilizaban
leña como combustible para la cocción de alimentos. Sin
embargo, esto no incidía de manera notable en la deforestación de la zona, pues se detectó que el consumo era
equilibrado (FAO. 2008)
Un estudio más reciente de Valderrama y Linares (2008),
demostró que los campesinos tenían buen conocimiento
de la dinámica de regeneración de la vegetación, conocían
bien las diversas taxonomías, identificaban cada especie y
valoraban la calidad de su leña (Minambiente-DPN, 1996)
La Tabla 3, presenta la producción y consumo de leña
para Colombia entre 1998 y 2009, de acuerdo con los datos
de la FAO. El consumo calculado para 2007 fue de 124kg/
mes/hogar y el uso principal fue para cocción y calefacción, lo que coincide con las tendencias mundiales. Las
zonas en las que más se usa son las rurales, “…el 22% de
los ingresos familiares de las comunidades rurales en regiones
33
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 30 - 39
forestales proviene de fuentes que generalmente no se incluyen
en las estadísticas nacionales, como la recolección de comida silvestre, leña, plantas medicinales y madera” (Hernández,2003) .
Tabla 3. Producción y consumo de leña en Colombia- 1998-2009.
AÑO
1998
2005
2007
2009
Producción (Miles M3)
16.712
9.598
8.469
10.350
Consumo (Miles M3)
16.712
9.598
8.469
10.350
una enorme fuente de energía para los humanos ya que se
regenera continuamente (FAO, 2009).
Hasta el siglo XVII, en los inicios de la revolución industrial, la madera fue el combustible más utilizado, obteniendo
su energía mediante la combustión directa, tal y como se
hace hoy en día en los países en desarrollo. Su reemplazo
por carbón permitió la revolución tecnológica, mediante el
empleo de la máquina de vapor (Boyle, 2004). La Tabla 4
presenta la clasificación general de la biomasa.
Fuente: Adaptado FAO, 2009
La Figura 2 muestra el consumo de energía en el sector
residencial rural, para los principales energéticos utilizados: leña, carbón de leña, carbón mineral y energía eléctrica.
En estos se aprecia que si bien el consumo de leña disminuyó entre 1975 y 2006, el consumo de carbón de leña ha
venido creciendo para este mismo periodo (Pinto, 2004).
Con respecto al impacto por deforestación, se determinó
en el estudio de Torres (1982) que la leña se recolectaba
principalmente de ramas o árboles secos (67,8%) y solo
el 18,45% reportó la tala como fuente de abastecimiento
(Torres, 1982)
Figura 3. Clasificación de las fuentes energéticas. Adaptado Dama,
1998
Tabla 4. Clasificación de la biomasa según su producción y su consumo.
Relativo a la
producción(oferta)
Grupos comunes
Sólidos: leña (madera en
bruto, astillas, aserrín, pellets), carbón vegetal.
Combustibles de
madera directos
Figura 2. Participación de los principales combustibles usados en el
sector residencial en zonas rurales. Adaptado Pinto, 2004 p.65)
La leña como combustible
Como fuente de energía, los combustibles se pueden
dividir en fósiles y renovables, según sus características.
Entre los fósiles se encuentran el carbón, el petróleo y sus
derivados. Entre las energías alternativas están las que se
conocen como no renovables, nuclear, gas de carbón y gasolinas sintéticas, y todas aquellas derivadas de la energía
proveniente del sol, entre ellas la biomasa a la que pertenece
la leña. La Figura 3 presenta una forma de clasificarlos.
La biomasa: La biomasa puede definirse en términos
generales como“toda la materia viviente en la tierra”; la biomasa existe entre la capa llamada biósfera; representa solo
una pequeña fracción de la masa total del planeta pero es
34
Combustibles
de maderas indirectos
Combustibles
de madera
Combustibles
derivados de la
madera
Cultivos usados
como combustibles
Subproductos
agrícolas
Subproductos de
origen animal
Agrocombustibles
Subproductos
agroindustriales
Subproductos de
origen municipal
Fuente: DAMA, 1998
Relacionados con los usuarios
(demanda)
Subproductos
de origen
municipal
Líquidos: licor negro, metanol
y aceite pirolítico.
Gases: Productos procedentes
de la gasificación y gases de la
pirolisis de los combustibles
mencionados.
Sólidos: paja, tallos, cáscaras,
bagazo y carbón vegetal de los
combustibles.
Líquidos: Etanol, aceite vegetal en bruto, aceite “diester”,
metanol y aceite pirolítico
procedente de agro combustibles sólidos.
Gases: Biogás, gases procedentes de la producción de pirolisis
de agro combustibles sólidos.
Sólidos: Residuos sólidos de
origen municipal.
Líquidos: fango de aguas residuales, aceite pirolítico o
residuos de origen municipal.
Gas: procedente de vertedero y
de fangos de aguas residuales.
Sierra F, Mejía F, Guerrero C. Leña como combustible doméstico en zonas rurales de Usme, Bogotá
Metodología
La metodología utilizada en la investigación abarcó la
revisión de fuentes de información primaria y secundaria,
y la realización de pruebas para caracterizar las maderas
utilizadas en la cocción.
Diagnóstico del uso de leña en la zona rural de Usme:
Se diseñó una encuesta para establecer tres variables,
fundamentalmente: 1. Condiciones socioeconómicas de la
población. 2. Uso de combustibles para la cocción de alimentos, específicamente de la leña. 3. Aspectos culturales
de percepción de la leña.Para determinar los combustibles
usados y sus características, se aplicaron los siguientes
indicadores: tipo y cantidad de combustible que usa para
cocción de alimentos, promedio mensual de dinero que se
gasta en combustible, lugar donde lo adquiere y ubicación
de la cocina, hace cuánto tiempo usa la leña como combustible, razones para utilizarla, gusto por cambiar la leña
por otro combustible, creencias sobre la escasez de la leña
y acciones que propone para prevenirla. Estos indicadores
se determinaron con base en la literatura revisada sobre
el tema. Adicionalmente, durante las visitas de aplicación
de las encuestas se conversó con las señoras y se hicieron
preguntas abiertas como la frecuencia de recolección, los
encargados de recoger la leña y el tipo de leña recogida.
Para determinar la muestra de la población a la cual se
aplicaron las encuestas, se inició con la revisión de los censos
comunitarios y los estudios realizados por la ULATA (2010)
y Universidad Distrital Francisco José de Caldas (2006),
para establecer el número de habitantes por cada vereda.
Posteriormente se utilizó el método de “Muestreo Aleatorio
Simple”, que se caracteriza porque otorga la misma probabilidad de ser elegidos a todos los elementos de la población.
Conocido el universo de población de 1.358 familias, un
nivel de confianza del 96% y un margen de error del 4%
se obtuvo una muestra de 130 familias, distribuidas en las
14 veredas de la zona. El factor utilizado para cada vereda
fue de 0,095, para determinar la cantidad de encuestas a
aplicar. La recolección de la información se realizó en todas
las veredas de la localidad de Usme, a través de visitas a las
fincas, con el apoyo de la ULATA de USME. Para la selección
de las zonas de visita en cada vereda, se tuvieron en cuenta
tanto la densidad de pobladores como las vías de acceso. La
Figura 4 presenta las zonas seleccionadas en cada vereda.
Identificación de las características combustibles
de las especies leñosas usadas para cocción en la
zona
Se realizaron pruebas de humedad, material volátil,
análisis elemental y determinación del poder calorífico,
según las especificaciones de las normas ASTM D5373 y
ASTM D5865 a los materiales recolectados.
Figura 4. Áreas de aplicación de las encuestas en cada vereda. Adaptado Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2006,
Los pasos fueron:
1. Se recolectaron aleatoriamente durante la aplicación de
las encuestas, muestras de la leña que actualmente se
utiliza para cocción. Las veredas seleccionadas fueron:
Olarte, Andes, el Hato y el Destino.
2. De acuerdo con las normas, las muestras se molieron en
un tamaño de grano inferior a 1mm, se hizo el análisis
elemental y la determinación del poder calorífico en
Ingeominas; en el laboratorio de Energías Renovables
y Plantas Térmicas del Departamento de Ingeniería
Mecánica de la Universidad Nacional, se realizaron los
ensayos de humedad y contenido de materia volátil,
según las normas ASTM.
Para las pruebas de humedad y volátiles se utilizaron
los siguientes equipos: balanza análoga marca Syrus, peso
entre 0 a 2 kg con precisión de 0,001 g; un horno eléctrico
marca Amerteck, y temperatura máxima de 1100°C; control
combinado PID-ON/OFF.
Las muestras de leña obtenidas durante el trabajo de
campo fueron en su mayoría de duraznillo, eucalipto,
pino, encenillo, residuos de carpintería (aglomerado con
fórmica), Acacio, Arboloco, y Sauco. La Figura 5 muestra
algunas de las maderas recolectadas.
35
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 30 - 39
Figura 5. Maderas utilizadas para cocción. (a) encenillo, (b) eucalipto, (c) acacio, (d) pino,(e) duraznillo, (f ) residuos de carpintería (aglomerado
+ fórmica), (g) muestras de leña empacadas para caracterizar.
Resultados
Tipo de combustible usado: El 58% de las familias de
la zona rural de Usme utilizan leña y gas propano o gas
natural, 11% solamente gas propano, especialmente aquellas que habitan cerca a las carreteras, 17% utiliza solo la
leña, el 6% usa leña y gas natural, 1% carbón y el 7% gas
natural, y no se encontró población que emplee kerosene o
petróleo. Se concluye que el 81% de las familias de la zona
rural de Usme, usan la leña para la cocción de alimentos.
La cantidad promedio de combustibles consumidos para
cocción por las familias encuestadas es de 61 pipetas de
gas propano de 40 l y 20.354 kilos de leña; si se divide la
cantidad entre las 130 familias encuestadas se tendrá un
consumo promedio de 18,81 de gas y 0,47 pipetas y 156,6
kg de leña por familia y por mes. La Tabla 5 presenta el
consumo de combustible por vereda y el tipo de combustible utilizado respectivamente.
Tabla 5. Consumo de combustible
Vereda
Andes
Arrayanes
Chiguaza
Corinto
Curubital
Destino
Hato
Margaritas
Olarte
Soches
Unión
Uval
Total
Gas propano (pipeta 40 l)
4
6
8
0
4
8
2
5
5
11
4
4
61
Leña(kg)
3.710
1.740
860
560
1.060
6.200
2.000
764
100
1.460
1.600
300
20.354
Gastos mensuales por combustibles: Los combustibles
más representativos son las pipetas de gas y la leña. Para el
60% de los encuestados, el consumo oscila entre los $11.000
y $ 50.000 que corresponden a la compra de una pipeta de
40 libras de gas, el 19% gasta hasta $10.000, el 10% entre
36
$51.000 y $100.000, el 9% entre $101.000 y $200.000 y el 2%
más de $200.000 (Figura 6).
Figura 6. Gastos mensuales por combustible
Lugar de adquisición de la leña: El 74% de la población
la adquiere en la zona, 6% en otras regiones y el 20% dentro y fuera de la zona, sin tener predominio una sobre la
otra. En la vereda Corinto, la leña se obtiene solo dentro
de la región; esto es debido a que el uso de leña ya no es
tradicional empleándose solo para ocasiones especiales
como asados, pues la totalidad de los habitantes ya tiene
instalado el servicio de gas natural (Figura 7).
Figura 7. Lugar donde se adquiere la leña
Identificación de las especies leñosas utilizadas para
la cocción en el caso de estudio: Se buscó caracterizar y
verificar el grado de deforestación generado por el uso de
Sierra F, Mejía F, Guerrero C. Leña como combustible doméstico en zonas rurales de Usme, Bogotá
la leña. La Tabla 6 presenta los resultados de los tipos de
leña utilizados por vereda, y cuáles fueron recolectadas
para su posterior caracterización.
La Tabla 7 presenta el resumen de la caracterización de
algunas de las maderas recolectadas empleadas en la zona
rural de Usme para cocción de alimentos.
Tabla 6. Tipos de leña utilizados por vereda.
Vereda
Tipos de leña usada
Maderas recolectas para caracterización
Olarte
Arboloco, duraznillo, encenillo, sauco
Andes
Eucalipto, duraznillo, pino ciprés, acacio
Pino, eucalipto, retal de carpintería (agloEl Hato
merado + fórmica)
Pino ciprés, retal de carpintería (aglomeEl Destino
rado + fórmica)
Otras maderas utilizadas en las veredas
Chiguaza
Eucalipto, retal de carpintería
Retal de carpintería, pino ciprés, eucaCurubital
lipto, sauco.
Las Margaritas
Arboloco, eucalipto, encenillo, tamo, pino.
Olarte
Acacio, pino ciprés, eucalipto.
Soches
Retal de carpintería.
Unión
Retal de carpintería, eucalipto, pino.
Varas secas de sembrados, retal de carpinEl Uval
tería, eucalipto, sauco.
Eucalipto, sauco, retal de carpintería,
La Requilina
salvio.
De la Tabla 7 se concluye que las maderas con mayor
poder calorífico superior (PCS), son el pino, el acacio y el
eucalipto; maderas de uso frecuente en las veredas, especialmente las ubicadas hacia el sur de la localidad. El retal
de madera (aglomerado + fórmica) presenta un PCS de
17929kJ/kg, que no es el más bajo y puede ser una alternativa como combustible, lo que explicaría su uso extendido
en casi todas las veredas de la localidad. El encenillo no
presenta un elevado PCS, como podría esperarse por la
preferencia de la población a usarlo.
Las especies leñosas utilizadas para cocción en la zona
rural de Usme son principalmente: encenillo, eucalipto,
pino ciprés, acacio y arboloco.
Identificación de impactos generados por el uso de
la leña como combustible
El uso de la leña como combustible, presenta diversos
impactos con su entorno, por diversas causas; uno de los
impactos directos es la deforestación que se observa, generada por el uso exhaustivo de la vegetación de la región
como fuente de energía para cocción y calefacción de los
hogares, producto del acelerado crecimiento poblacional,
como lo ilustra Sánchez (1995) en su estudio. Sin embargo,
durante este estudio se encontró que en la vereda El Uval
se da un proceso de reforestación y en la vereda Olarte se
está impulsando el uso de cercas vivas con árboles nativos.
Pero en El Destino, Las Margaritas, y Andes, al comparar el
estudio de Agrorred (2006), con el estudio de Sánchez (1995),
se observa una disminución de la vegetación alto-andina
en longitud pero un aumento en el área. Adicionalmente,
los relictos de vegetación alto-andina que quedaban en las
veredas Curubital y Arrayanes ya desaparecieron, al igual
que en la Cuchilla los Arbolocos, entre las veredas Olarte
y Chiguaza.
Por otro lado, los impactos más notorios a corto plazo
de este uso de la leña son los generados por los ineficientes
procesos de combustión, en las cocinas observadas durante
el estudio de su eficiencia del 20% (Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, 2006). Los efectos de los procesos de combustión de leña ineficientes implican procesos
incompletos, que liberan compuestos tóxicos como las
dioxinas, el monóxido de carbono, el dióxido de nitrógeno y
el dióxido de azufre, estos compuestos generan graves afecciones a la salud de las personas expuestas, principalmente
a los niños, siendo las afecciones respiratorias las más
comunes, lo cual concuerda con los resultados observados
de un estudio estadístico del hospital de Usme (Figura 8).
Tabla 7. Caracterización de las maderas utilizadas para cocción en la zona rural de Usme.
Característica
Nombre
Humedad (%)
Volátiles (%)
Análisis elemental
%C
%H
%N
%O
PCS según Doulong (kJ/kg)
PCS según datos Ingeominas (kJ/kg)
1
Eucalipto
8,44
84
43,2
5,992
N.D.
50,808
142209
18605
Muestra
2
3
4
Duraznillo Encenillo Arboloco
9,47
9,35
8,72
88
91,4
86
42,7
5,65
N.D.
51,65
13407,55
18020
41,67
5,67
N.D.
52,66
12877,1
17953
41,87
5,73
N.D.
52,4
13083,6
17750
5
Pino
10,28
91
6
Acacio
11,08
87
7
Retal
9,77
90
43,35
6,4
N.D.
50,25
14939,7
18938
42,78
5,71
N.D.
51,51
13524,4
18621
41,62
6,35
3,93
48,1
14660,2
17929
37
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 30 - 39
apoyo económico para el desarrollo del trabajo de campo
del proyecto, a la Unidad Local de Apoyo Técnico Agropecuario ULATA de Usme, por facilitar los contactos para
la realización del trabajo de campo y a los laboratorios del
Instituto Colombiano de Geología y Minas Ingeominas y
de Plantas Térmicas y Energías Renovables de la Universidad Nacional.
Referencias
Figura 8. Reporte de atención a usuarios por afecciones respiratorias,
Hospital de Usme.
Conclusiones y recomendaciones
La leña en el caso analizado, continúa siendo de uso
tradicional por los campesinos, no solo por sus condiciones
económicas, sino por sus condiciones culturales. Las especies más utilizadas son eucalipto, pino, duraznillo, acacio,
sauco, arboloco, encenillo y últimamente retal de carpinterías, por la dificultad de adquirir la totalidad requerida
o la falta de tiempo para la recolección. Esto implica que
este servicio ambiental termine siendo parte de los gastos
que debe cubrir la canasta familiar.
Aun cuando los habitantes expresaron su gusto por
la cocción con leña, también mostraron su disposición
al cambio de combustible, entre otras causas porque son
conscientes de los riesgos para la salud, tal como se ilustra
en la sección de impactos del uso de la leña.
En lo que respecta a la energía disponible, todas las
especies caracterizadas tienen similar poder calorífico,
destacándose las muestras de retal de madera (aglomerado
+ fórmica) con PCS del orden de hasta 24001kJ/kg; el encenillo presentó valores hasta 19113kJ/kg y el eucalipto y
el pino, con valores superiores 18000kJ/kg cada uno. Estos
resultados explican la preferencia de los campesinos por
estas especies y de alguna manera también aclaran la fuerte
presión que se hizo sobre los bosques de encenillo, de los
cuales hoy solo quedan algunos relictos y se considera una
especie en peligro de extinción.
Finalmente se observa la necesidad de profundizar en
temas como: la eficiencia de los diferentes tipos de cocinas,
con el objetivo de buscar una mejora tecnológica, y verificación del impacto del uso de aglomerados.
Agradecimientos
Los autores agradecen a la Facultad de Ciencias Económicas de la Universidad Nacional sede Bogotá, por su
38
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La argumentación paradigmática en los
procesos de enseñanza y aprendizaje de los
artefactos tecnológicos
Paradigmatic argumentation in teaching and learning processes of
technological artifacts
Recibido: 16-05-2011 Aceptado: 20-10-2011
Enrique Diógenes Cárdenas Salgado1
El sentido de una palabra, dice Paulhan,
es un complejo y móvil fenómeno poético;
cambia en las diferentes mentes y situaciones y es casi ilimitado. Una palabra
toma su sentido de la frase, la que a su vez
lo toma del párrafo, el párrafo del libro, y
este de todas las obras del autor. Citado por Vytgotski. Pensamiento y
Lenguaje. P.158.
1 Estudiante del Doctorado Interinstitucional,
Universidad del Valle, Universidad Pedagógica y Universidad Distrital Francisco de
Paula Santander. Licenciado en Mecánica y
Dibujo Técnico, UPN Bogotá, Especialista
en Computación para la Docencia, UAN,
Bogotá, MS.c., Educación, Universidad
Javeriana Cali-Valle, Ph.D(c) Interinstitucional – UPN-UV-U. Distrital, Instructor
Centro de Diseño Tecnológico IndustrialCDTI- SENA, Cali, Colombia.
[email protected] sena.edu.co
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Resumen
El objetivo fundamental de este artículo es revisar el aporte que puede hacer
la argumentación paradigmática en la educación en tecnología, en el contexto
de la educación colombiana; así mismo, analizar algunas implicaciones de la
enseñanza de la tecnología alejada de una práctica tecnológica y de un pensamiento tecnológico para la formación de los estudiantes; además se plantean
algunos elementos metodológicos, didácticos y pedagógicos que servirán de
apoyo a los docentes para potenciar el desarrollo de pensamiento tecnológico
en sus estudiantes. Se destacan los aportes que una concepción de este tipo de
pensamiento podría hacer para este propósito.
De acuerdo con lo anterior, se busca analizar y comprender cómo la argumentación paradigmática es en esencia el género discursivo que mejor se adapta,
como estrategia didáctica, para realizar el análisis de un artefacto tecnológico
en el aprendizaje de la tecnología, no obstante las demás modalidades no son
escindibles en el proceso. En un primer momento hay que acercar a los estudiantes hacia un pensamiento concreto a partir del contacto con el objeto y avanzar
en un continuo hacia el desarrollo del pensamiento abstracto.
El papel de los diversos géneros discursivos y tipos textuales en los procesos
cognitivos no involucra solo el contenido de los enunciados, a la información
que estos comunican y con la cual operan los procesos de conocimiento, sino
también a la forma de las operaciones requeridas para realizar una tarea mental
o de pensamiento.
Palabras clave: Argumentación paradigmática, artefacto tecnológico
Abstract
The objective of this paper is fundamentally to review the contribution
paradigmatic argumentation can make in technology in education within
the context of Colombian education, as well as to discuss some implications of teaching of technology practice and technological thought
for the education of students. Also, it raises some methodological and
didactic issues are raised, which will serve as support for teachers to
enhance the development of technological thought in their students,
Cárdenas E: La argumentación paradigmática en los procesos de enseñanza y aprendizaje de los artefactos tecnológicos
highlighting the contributions that a conception of
this kind of thought could make for this purpose.
According to the aforementioned, this seeks to
analyze and understand how paradigmatic argumentation is essentially the discourse genre best suited as
a didactic strategy to analyze a technological artifact
in learning technology, although other modalities are
not incised in the process. Initially, students must
approach a particular concrete thought from contact
with the object and advance on a continuum towards
the development of abstract thought.
The role of different discourse genres and textual
types in cognitive processes does not merely involve
the content of the statements, the information these
communicate and with which knowledge processes
operate, but also the form of the operations required
to perform a mental or thought task.
Keywords: Paradigmatic argumentation, technological artifact.
Introducción
Se aborda la problemática relacionada con la enseñanzaaprendizaje de los artefactos tecnológicos para analizar y
comprender los principios de la ciencia y la tecnología que
les dieron origen y también identificar las múltiples relaciones de éste con su entorno; de otra parte, busca despertar
en el estudiante, el espíritu investigativo e innovador, a
partir de la utilización de un género discursivo como es la
argumentación paradigmática que se utilizará como estrategia didáctica en el contexto de la educación en tecnología.
Con este género discursivo se busca el fortalecimiento de
competencias generales y el desarrollo del pensamiento
tecnológico. El artículo finaliza planteando algunos elementos metodológicos que servirán como ayuda para los
docentes en el desarrollar del pensamiento tecnológico y
sus atributos en sus estudiantes. Como preguntas orientadoras se plantean las siguientes: ¿Es posible desarrollar
pensamiento tecnológico a partir de un género discursivo
como la argumentación paradigmática?, y ¿cuál es el aporte
del la argumentación paradigmática en los procesos de
enseñanza-aprendizaje de los artefactos en la educación
en tecnología?
El papel de los diversos géneros discursivos en la
educación tecnológica
Así, diversas formas del pensamiento verbal se llevan
a cabo y se comunican mediante formas específicas del discurso, (Bruner,1998) distingue básicamente dos modalidades
del pensamiento que requieren distintos tipos de operaciones:
la paradigmática y la narrativa. La modalidad paradig-
mática, característica de los dominios que son objeto de
conocimiento de las ciencias físico-matemáticas y naturales,
constituye un sistema formal de descripción y explicación.
Sus enunciados son verificables y la secuencia de razonamiento se encuentra regulada por requisitos de coherencia y
no contradicción. Esta modalidad de pensamiento se aplica
a entidades observables o mundos posibles que pueden
generarse lógicamente por las reglas del mismo sistema.
La modalidad narrativa es el género literario que
engloba la novela y todo tipo de relatos que describen una
serie de hechos. Cuando se habla de narrativa, es importante
destacar que dicho término abarca otros campos, además del
literario, como el audiovisual, los cómics, juegos de mesa,
videojuegos, televisión, cine. (Fischer,1994) plantea que el
paradigma narrativo es comunicación con sentido, que refuerza la experiencia viviendo esta comunicación en forma
de una historia y se desarrolla discursivamente, por medio
de géneros (Bajtin,1952), por eso, en el instante en que se
inicia un diálogo entre el docente y el estudiante, en el aula
de tecnología, sobre un artefacto tecnológico, una práctica
tecnológica (Pacey, 1983) o un hecho tecnológico, se elaboran uno o varios enunciados que dan cuenta de un género
discursivo y se integra a una práctica social humana, entre
dos interlocutores que asumen posturas definidas en el acto
discursivo y en este punto particular un género pedagógico,
como es el caso del docente y sus posibles estudiantes; en el
acto educativo, se evidencian en las actividades programadas y desarrolladas como por ejemplo, en la demostración
y la explicación lógica en el pensamiento paradigmático. La
argumentación razonada en la educación en tecnología,
donde se parte de la enseñanza de un pensamiento concreto,
o sea de un artefacto real como es un motor eléctrico, el
cual con su eficiencia y funcionamiento a partir de unos
ciclos proporciona un proceso y unos principios mediante
los cuales se convierte la potencia eléctrica en potencia mecánica para la transmisión de movimiento; aquí se conjugan
dos tecnologías aparentemente, pero éstas, inmersas en el
motor, tienen un nivel mayor de complejidad. Desde la
educación en tecnología es importante orientar al alumno
a comprender y argumentar por medio de actividades intencionadas para que él reconozca lo que el artefacto oculta
en su complejidad, y no que entienda la tecnología como
los artefactos. En este proceso hay que guiar al alumno al
desarrollo de un pensamiento abstracto, que lo represente
en ideas escritas y con fundamento lógico que describan el
funcionamiento, la conformación, y la complejidad de relaciones que el artefacto esconde, ese hecho hace necesario
el análisis tecnológico la aplicación de la argumentación
paradigmática.
Así se logrará, a partir de una buena enseñanza, que los
estudiantes comprendan la tecnología, no como los arte41
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factos (Hughes,1983); (González, et al. 1996). Sin embargo,
provisionalmente, y con el fin de discutir las nociones de
técnica y tecnología, se puede admitir inicialmente que
la técnica se refiere al hacer eficaz, es decir, a reglas que
permiten alcanzar de modo correcto, preciso y satisfactorio
ciertos objetivos prácticos (Agazzi, 1996), y la tecnología,
con una mirada intelectualista, es un conocimiento práctico que se deriva directamente de la ciencia, entendida
como conocimiento científico teórico. Autores como (Mockus,1983), plantean que el propósito de la tecnología es la
búsqueda sistemática de lo óptimo dentro de un campo
de posibilidades. Así, la tecnología no se compromete
solo con los artefactos ni tampoco se asume como ciencia
aplicada. Niiniluoto, (1997), plantea que la tecnología es
un conjunto de reglas tecnológicas deducibles de las leyes
científicas. Para Bunge (1972), la tecnología encuentra su
fundamento científico, es ciencia aplicada. Esta situación
a la postre dificulta la discusión, comprensión y reflexión
sobre el concepto de tecnología. Al estudiar los artefactos
en el aula se pueden develar del objeto tecnológico los
principios de la ciencia, el conocimiento incorporado de
la ciencia que lo produce, la complejidad de esta y sus
múltiples relaciones en los diversos campos del saber, los
principios tecnológicos, las herramientas y máquinas con
las cuales se construyen esos artefactos y los procesos industriales. Esto permite acercar al estudiante de un mundo
académico a un mundo productivo. Y por otra parte, en
sus informes narrar lo que ha encontrado o sea a partir del
lenguaje expresar la comprensión del estudio. Y no mirar
la tecnología como instrumentos; a lo que se puede añadir
que son resultado del conocimiento técnico, bien sea que se
trate de técnicas empíricas, se logran sin el apoyo del conocimiento científico en el caso de los artefactos artesanales,
como de tecnologías que usan la ciencia, en el caso de los
artefactos industriales (Quintanilla, 1997).La técnica es un
traslado a formas técnicas (Mumford, 1971); (Ellul,1960).
También en el aula estudiar los beneficios, los aportes, aspectos positivos o negativos y el impacto ambiental y las
relaciones que subyacen en el artefacto. Este planteamiento
del estudio de los artefactos debe contribuir a mejorar la
enseñanza, pasando de un enfoque superficial que nace de
liberar al estudiante de la tarea con el mínimo esfuerzo, con
una lista de datos o el aprendizaje al pie de la letra. Por otra
parte está el enfoque profundo (Biggs,2005) que busca que
el estudiante asuma la tarea significativa, para que logre
poner en juego sus capacidades cognitivas más apropiadas
para desarrollar su aprendizaje, para aprender, muestra
interés y se centra en ideas principales y no sencillas para
llegar al fondo del asunto y comprenderlo. Esta concepción
de enfoque profundo es la que debe ser asumida para el
trabajo en el área de educación en tecnología en la escuela.
Como se puede observar, para el proceso de enseñanza
de la tecnología lo que hay detrás es un pensamiento tecnológico2 que el docente debe desarrollar en los estudiantes, y
que estos continuamente deben argumentar en sus trabajos
escritos, para comprender los procesos tecnológicos; que
evidencia las relaciones complejas que por el ocultamiento de
las relaciones en el artefacto es importante la argumentación.
Con esta mirada de complejidad se busca superar como
simple artefacto, como un elemento que ha estado presente
en el desarrollo de la vida del hombre y que parte de la idea o
diseño, no como algo propio de un esquema o dibujo, sino entendido como la producción de conocimiento,(Perkins,1995).
Un argumento paradigmático es un fragmento
discursivo compuesto de una serie de afirmaciones
expresadas en oraciones del lenguaje científico o
natural, las cuales juegan: unas el papel de premisas
y otras el de conclusión. El argumentó nos convence
racionalmente de aceptar la conclusión, es decir, de
tomarla como verdadera, con base en las razones
expresadas en la conclusión, las cuales han de ser
aceptables de manera previa (Barceló, 2003).
La argumentación razonada comparte operaciones de
pensamiento lógico, concreto, entre otros, con ambas modalidades y tiene características propias que la constituyen como
una tercera. Se aproxima al pensamiento paradigmático en
tanto exige un desarrollo discursivo asentado sobre una
secuencia lógica, que en la argumentación no se asienta
2 El conocimiento tecnológico, involucra aspectos relevantes que se pueden estudiar desde los cavernícolas, quienes a su manera plantearon y desarrollaron avances tecnológicos en su época y acorde al desarrollo del pensamiento de cada ser humano, entonces viéndolo así debe haber un pensamiento tecnológico antes del conocimiento tecnológico; el pensamiento son acciones mentales orientadas a esquemas o imágenes sobre la realidad,
sobre lo que percibimos de esta, (aquí se distinguen el pensamiento intuitivo, el formal y el concreto); estudiar el pensamiento es algo complejo
por su esencia abstracta, pero el conocimiento si es factible estudiarlo a través de la demostración de este como tal, si hablamos del pensamiento
tecnológico, debe apuntar a ciertos tipos de acciones mentales, las cuales ayudan a analizar situaciones para poder así plantear posibles soluciones
de acuerdo al nivel de desarrollo de pensamiento, no todos tenemos el mismo desarrollo de pensamiento, cada cual lo orienta hacia sus fortalezas,
es así como para unas personas es más fácil plantear soluciones sobre algunas situaciones, que para otras, por el desarrollo de pensamiento que
apunta a concretar ideas en pos de una necesidad; personalmente puedo tener habilidad mental para unas cosas, pero en otras situaciones, debo
exigirme aún más, cada quien desarrolla un pensamiento tecnológico diferente, lo cual va a influir directamente en cómo asimila el conocimiento
tecnológico. El pensamiento tecnológico recoge varios tipos de pensamiento, por ejemplo, el proyectivo, el interactivo, el estratégico, el sistémico,
el innovador. Todos estos pensamientos deben permitir al estudiante el desarrollo de capacidades para ser competente en el mundo del trabajo y
en el mundo de la vida.
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Cárdenas E: La argumentación paradigmática en los procesos de enseñanza y aprendizaje de los artefactos tecnológicos
sobre principios de coherencia y no contradicción sino en
criterios de pertinencia y compatibilidad. (Perelman y Olbrechts -Tyteca, 1989). La demostración, la explicación lógica y
la argumentación pueden considerarse como puntos de un
continuum, en la elaboración y expresión de los argumentos
en la educación en tecnología.
Dado que la enseñanza y el aprendizaje de la tecnología
están mediados por el discurso argumentativo en sus diversas
modalidades (paradigmática, narrativa, argumentativa y fáctica), el aporte que hacen estas modalidades es destacable,
en cuanto que ofrecen la oportunidad de hacer uso de ellas
como recursos didácticos. Debido a que son de diferentes
niveles de complejidad en el acto comunicativo de los estudiantes, se hará aquí una comparación de los modelos para
organizarlos didácticamente, con el fin de aportar a la tesis
propuesta, a partir de la estrategia metodológica.
Si se parte de que la forma narrativa es el estilo más
natural en la costumbre de las personas con el uso del lenguaje, puede ser utilizada para la narración histórica de
los hechos tecnológicos, y más aún, por el carácter particular
sobre hechos que comporta este tipo de argumentación. Este
principio se evidencia muy bien cuando el niño argumenta
desde la narración en cuanto que no se da cuenta de que está
argumentando; en este orden, la argumentación fáctica sobre
hechos observables es la que facilita que el estudiante pueda
desde una observación de artefactos tecnológicos derivar
una conclusión. Por ejemplo, presentándole varios objetos
como: celular, teléfono, lapicero, entre otros, puede derivar
que todos son medios para comunicarse, por el habla, el
texto, y deducir una premisa a manera de conclusión.
Ahora bien, como la argumentación formal es más de
orden aristotélico y si se quiere de lógica simbólica, estaría para un nuevo orden de complejidad, utilizada en las
ciencias exactas para la demostración; tal es el caso de la
proposición: Todos los seres vivos son mortales.
Si se asumen los anteriores niveles discursivos, en la tesis se podría pensar que la argumentación paradigmática
vendría a ser la del cuarto nivel estratégico, pues se trata
de pasar de los hechos concretos: pensamiento empírico, al
movimiento de este sobre los marcos conceptuales y teóricos
de la ciencia como constructor abstracto del movimiento de
los cuerpos concretos al movimiento geométrico, o bien al
contrario, como en el caso de la física clásica.
Del estudio que se hizo del discurso con las modalidades que presenta, se capta que un tipo de clasificación
por los niveles de complejidad didáctica es un gran aporte
debido a que no se puede orientar una formación hacia los
artefactos tecnológicos sin tener claro que las modalidades
ofrecen diversos niveles de complejidad para el aprendizaje.
A través de la experiencia se ha encontrado que inclusive los
bachilleres tienen limitaciones para el uso de la argumentación
paradigmática. En los establecimientos educativos es habitual
el desarrollo del discurso literario y la argumentación mediante la narración, la poesía, la novela, el cuento, entre otros, de
la ficción y aquellos más estrechamente relacionados con la
lógica, y el pensamiento formal y la argumentación abstracta
es muy limitada; es decir, no se desarrollan actividades que
fortalezcan el progreso de la argumentación en las diferentes
disciplinas que se trabajan en el aula. Tal nivel de abstracción
no se alcanza porque las secuencias didácticas no trascienden, ni aportan, como tampoco construyen un pensamiento
crítico o reflexivo. No se trasciende del hecho natural como
la luz al artefacto, la lámpara incandescente y la tecnología en
rayos luminosos. La escuela se queda en la enseñanza, en el
experimento del bombillo como tal enseñanza instrumental
y no lleva al estudiante a indagar, explorar y comprender la
complejidad de la tecnología y a desarrollar la argumentación
para la explicación de lo aprendido en el ejercicio de la actividad en el aula con el artefacto tecnológico.
Para el estudio de los artefactos tecnológicos es clave
partir de un pensamiento concreto, por ejemplo, el motor,
se descompone en sus partes y el estudiante puede, con
cierta facilidad, desarrollar elementos descriptivos, hacer
relaciones explicativas de conexión de elementos, de los
ciclos y aspectos de la eficiencia del artefacto; pero cuando
lo trasladamos a problemas disfuncionales del motor se ve
instado a la argumentación, a los por qué de los hechos,
o a las causas que implican los defectos, se ve en la necesidad de justificarlas y, por lo tanto, de argumentar. Todo
esto hace pensar que las operaciones de la argumentación
razonada comparten operaciones de pensamiento con
otras modalidades y, desde luego, con las diversas formas
discursivas que no necesariamente son argumentativas,
como la descripción y la narración.
En la enseñanza y el aprendizaje de la tecnología a
través del estudio de los artefactos, se busca desde un
momento inicial de la docencia hacer jugar un papel
decisivo a todas las formas de la argumentación para
el aprendizaje de la tecnología en los diferentes niveles
educativos. Además de las modalidades discursivas ya
mencionadas, habría que hacer alusión al discurso tecnológico que, desde la perspectiva de Habermas (1997),
es necesario distinguir entre el discurso racionalista de
la ciencia, frente a la racionalidad que toma un giro lingüístico hacia la comprensión humana (Gadamer, 2005);
mientras que la razón comunicativa de Habermas pretende reconquistar el mundo de la vida, disminuido por la
racionalidad científico-técnica, busca el proceder democrático y la cohesión social, entonces, la argumentación
resulta mediadora para los mejores acuerdos y el común
entendimiento de los sujetos. El discurso tecnológico planteado con este sentido también podría justificar un hecho
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Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 40 - 46
tecnológico por venir, el cual despierta temor, como es el
caso de las transformaciones genéticas (problemas éticos)
o desentrañar de un artefacto tecnológico los impactos que
tendría sobre la vida de los seres humanos.
Modelo didáctico y pedagógico para la enseñanza
y el aprendizaje de la tecnología en el aula
La propuesta de un modelo pedagógico y didáctico
para la educación en tecnología implica retomar algunos
autores como Pacey (1983) quien, en su libro La cultura de la
tecnología, muestra un modelo de práctica tecnológica que
se basa en la relación de tres elementos claves:
1) Un aspecto específicamente técnico que abarca las
técnicas, los artefactos, los conocimientos y las habilidades desplegados por los docentes y estudiantes en
el quehacer tecnológico;
2) Un aspecto organizacional, que involucra el contexto
económico y social en el que se desenvuelven los profesionales y trabajadores relacionados con la tecnología,
así como también los usuarios y consumidores de los
productos y procesos tecnológicos y
3) Un aspecto cultural, que involucra los valores que influyen en la creatividad de los diseñadores e inventores
y, las creencias y hábitos que caracterizan la actividad
tecnológica.
Al tener en cuenta los tres elementos del modelo de Pacey (1983), se puede estructurar una aproximación didáctica
para el desarrollo del pensamiento tecnológico en el aula,
desde una práctica tecnológica que tenga en cuenta los
atributos definidos para el pensamiento tecnológico con
los estudiantes (Cárdenas 2008).
Lo primero que se persigue es colocar a los estudiantes a
dialogar con el artefacto tecnológico en situaciones reales,
para que expresen espontáneamente lo que en pedagogía
se llama preconceptos u opiniones de sentido común. En
este primer momento, el artefacto para el alumno es una
caja negra de la que solo puede dar cuenta de su existencia
y hablar de aquello que va descubriendo según su experiencia y conocimiento del artefacto, lo cual puede hacer
desde un discurso de la argumentación paradigmática; así,
el alumno realiza un primer proceso de análisis y síntesis;
este proceso lo debe llevar a decir qué es lo que compone
el artefacto, cómo funciona y para qué sirve, pero como
el pensamiento tecnológico no se queda solamente en el
análisis para comprenderlo y recomponerlo, retoma el
artefacto con la síntesis como un nuevo ente, valga decir,
como un ente transformado o un nuevo producto, el cual
estará acompañado de un discurso lógico argumentado que
soporte la innovación tecnológica desarrollada.
Lo segundo es proceder a la interacción y la intercomunicación subjetiva, sin el presupuesto de que el artefacto
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es un objeto fijo y prefigurado. En esta fase se busca, primero, que el estudiante indague analogías y similitudes y,
segundo, que procure diferencias con otros artefactos para
hacer visibles los principios científicos y tecnológicos que
encarna el objeto, desde cuando fue fabricado hasta llegar
a explicitar relaciones del mismo que permitan verlo con
sus diferencias y posibles contradicciones.
Lo tercero que se busca es hacer pasar al estudiante de
la relación sensorial y expresiva que traía con el artefacto
a la intersubjetividad y al diálogo; para esto busca entonces las causas que dieron origen al artefacto y los efectos
que produce en el medio, aproximándose al artefacto y su
relación con un contexto, que puede ser empresarial, social y/o ambiental, teniendo en cuenta su complejidad de
relaciones, y no como algo aislado de la cultura. Se busca
que el alumno aprenda a ver el artefacto en el sistema
donde se encuentra; para esta descripción es importante
la argumentación paradigmática en el discurso tecnológico
para expresar sus ideas su pensamiento.
En cuarto lugar, puesto que el artefacto tecnológico es
una síntesis de lo que se piensa, cree, diseña y se produce
en la sociedad en un momento determinado, es preciso
estudiar ahora la necesidad que suple, el problema que
resuelve; incluso, es necesario ir más a fondo para encontrar
aspectos intangibles que se descubren cuando se imagina
la producción del artefacto y su proceso de modelado, esto
sin el rigor de lo que se entiende por diseño. En esta fase
se examinan las posibilidades que se dieron en la cultura
para fabricarlo, las máquinas, herramientas e, incluso,
las tecnologías empleadas para producirlo, incluidas las
relaciones costo-beneficio. De otra parte, es importante
reconocer que en estos procesos pedagógicos y didácticos
se busca potenciar también el fortalecimiento de la investigación, de los procesos cognitivos, de argumentación paradigmática como estrategia didáctica, de la autoformación
y del autoaprendizaje por parte de quienes adelantan los
estudios tecnológicos.
En quinto lugar, con el lenguaje oral y con la lógica apropiada, el estudiante debe expresar el modelo del artefacto,
sistema o proceso. Se experimenta así la acción reconstructiva del hecho tecnológico, pero sobre todo se devela el
proceso de diseño y la interioridad del modelador. En este
punto es pertinente recordar que la mentalidad proyectual
se ubica en la finalidad de la idea que se quiere lograr,
discierne claramente sobre los materiales y la tecnología
que permite llevar a cabo la construcción del artefacto, es
decir, los medios de materialización del objeto tecnológico.
En sexto lugar, y siguiendo el mismo procedimiento
anterior, se aborda el concepto de diseño del artefacto,
se encaran los demás conceptos en las relaciones ciencia,
tecnología, sociedad y ambiente. Aquí se encumbraría a
Cárdenas E: La argumentación paradigmática en los procesos de enseñanza y aprendizaje de los artefactos tecnológicos
la comprensión del artefacto, es decir, a la racionalidad
tecnológica. Este diseño se expresa mediante el lenguaje
argumentado en favor de la idea tecnológica proyectada
en condiciones de la comprensión humana y en contra de
la racionalidad científico-técnica meramente instrumental.
En una práctica tecnológica como la descrita, donde
lo esencial es el desarrollo de pensamiento tecnológico,
se puede mirar, de otra parte, la interdisciplinariedad
del conocimiento característica del contexto tecnológico;
el estudiante en su proceso de construcción de un nuevo
artefacto, o hecho tecnológico, incorpora conocimiento
técnico, estético, ecológico, socio-histórico y ético. Además,
durante este proceso se deben tener en cuenta los aspectos
culturales, evaluativos y administrativos de la práctica
tecnológica; con la argumentación paradigmática como
estrategia didáctica del discurso tecnológico. El estudio de
un artefacto tecnológico permite justificar el pensamiento,
el comportamiento, defender ideas y razones que justifiquen su postura frente al objeto estudiado.
Finalmente, es necesario resaltar que en la práctica, este
es un recorrido en espiral que el estudiante logra desarrollar en un proceso tecnológico completo, a partir de una
práctica tecnológica centrada en los seis pasos descritos.
No se podría terminar este escrito sin hacer una observación final, sobre el aporte de los modelos discursivos
como la argumentación, porque permite derivar de ella
toda la riqueza que aporta a la enseñanza y al aprendizaje
y empezar a definir con el planteamiento sobre la argumentación paradigmática y al hecho evidente en la educación
en tecnología, sobre cómo se deben orientar las estrategias
de comprensión y apropiación de los artefactos, los principios y los constructos teóricos de las relaciones ciencia,
tecnología, sociedad y ambiente.
Otro aporte valioso en el campo pedagógico y didáctico
es que da una visión del contexto desde el campo disciplinar y la enseñanza, apoyada fundamentalmente en la
argumentación, ello permite o desarrolla una práctica pedagógica, pertinente y exitosa para la educación en tecnología.
La tecnología inmersa en la escuela es un conocimiento
relativamente nuevo y en el campo de la pedagogía y la
didáctica hay mucho por construir. La mirada que se tiene
en la literatura revisada se refiere a la tecnología como los
artefactos y no como un campo interdisciplinar, como es
el caso de los géneros discursivos, como la argumentación
paradigmática que fortalece en los estudiantes la comprensión de la tecnología.
Los planteamientos realizados a través de este documento dejan claro que la educación tecnológica, de la forma
como se está desarrollando actualmente, se orienta a la
formación de individuos para la ocupación de un puesto
de trabajo (Argüelles,1999); para la operación de paquetes,
(Morín, 2003), informáticos para la manipulación de equipos y artefactos tecnológicos con primacía de reproducir
lo existente; se deja de lado toda la riqueza innovadora ,
creativa y el desarrollo del pensamiento tecnológico. Desde
la práctica tecnológica descrita anteriormente se presenta
como una idea prometedora para orientar la educación
tecnológica, en el contexto nacional, pues desde allí se
aportan elementos conceptuales y prácticas que pueden
orientar la actividad de los docentes en el aula con miras
a su desarrollo y, en consecuencia, para llevar a cabo una
formación tecnológica menos empírica y más eficiente.
También es importante reconocer el aporte que hacen los
géneros discursivos, en especial la argumentación paradigmática, en los procesos tecnológicos.
Con todo lo descrito, el desarrollo del pensamiento
tecnológico y sus atributos no se puede entender como
un intangible, por el contrario, se manifiesta en prácticas
y discursos tecnológicos que se pueden hacer visibles con
el apoyo de la argumentación paradigmática, la cual se
puede forjar, desde los diferentes ciclos de formación con
niveles de complejidad diversos.
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Morín, E. et al. Educar en la era planetaria. Barcelona: Editorial
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Mockus, A. “Ciencia, técnica y tecnología”, Naturaleza, Educación y Ciencia, Nº 3, mayo - diciembre, Colombia. 1983.
MUMFORD, L., Técnica y Civilización, Madrid: Alianza Editorial
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Niiniluoto, I., “Ciencia Frente a Tecnología: ¿Diferencia o
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Vygostki, Lev. S. Pensamiento y Lenguaje. Argentina: Lautaro. 1964.
Introducción a la gestión metrológica
Introduction to metrology management
Recibido: 05-05-2011 Aprobado: 13-10-2011
Orlando Cedeño Tamayo1
Resumen
El nuevo milenio presentó retos y paradigmas para la metrología, escenarios como los de telecomunicaciones, informática y los computadores han
demostrado que la velocidad de desarrollo tecnológico del hardware superó
actualmente al software, las máquinas de cómputo modernas han ampliado sus
velocidades y capacidades de almacenamiento, es común hablar de unidades
de almacenamiento de Terabytes. El campo de la metrología científica está ad
portas del descubrimiento del patrón electrónico para la masa, utilizando el
número de Avogadro (6,025 ⋅10-24) o la balanza de watt, ampliará la exactitud
de las mediciones. Próximamente se verá un lunar en el rostro de una jovencita
y esto podrá ser un ipod, dado el alto desarrollo de la nanoelectrónica. El
reciente cambio o actualización del Vocabulario Internacional de Términos
básicos y generales en Metrología - VIM, hoy conocido como la Guía ISO/
IEC 99:2008 ha marcado una nueva tendencia de la metrología, que debe ser
comprendida por toda la comunidad científica, industrial y legal en el mundo,
cada vez más globalizado.
Palabras clave: Metrología, gestión, calidad, competencia metrológica.
Abstract
1
Colombiano, MSc. Docente de cátedra de
la Especialización en gestión integrada en
calidad, ambiente y prevención de riesgos,
Universidad Agraria de Colombia, Grupo
de investigación INSIG en Colciencias;
[email protected] .
The new millennium brought challenges and paradigms for metrology.
Scenarios like telecommunications, information technology, and computers
have demonstrated that the speed of technological development hardware
currently exceeded software. Modern computer machines have broadened
their velocity and storage capacity, it is now common to speak of storage in
terabytes. The field of scientific metrology is close to discovering the electronic mass standard based on Avogadro´s number (6,025⋅10-24) or watt balance,
which will broaden measurement accuracy. Soon, when we see a young woman
with a facial mole, it may be an ipod, given the high degree of nanoelectronic
development. Recent review of International Basic and General terms in metrology - VIM, now ISO Guide 99:2008, shows a new metrology tendency, which
must be understood by all the scientific, industrial, and legal community in
an ever-more globalized world.
Keywords: Metrology, management, quality, metrology competence.
47
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 47 - 52
Introducción
Marco histórico
Para entender por qué la metrología no es popular en
Latinoamérica debemos remontarnos a la época de los imperios que atesoraban lo que prometiera dominio tecnológico
y hacían hasta lo imposible para que no se dieran a conocer
los inventos y descubrimientos científicos; este fue el pilar
de la propiedad industrial tan impulsada por los Estados
Unidos. Como la metrología se encuentra en la base científica
y ningún país que logre avances en el campo de la ciencia
desea que sus competidores lo conozcan, se ha establecido en
el mundo el secreto industrial protegido por las leyes y que
en Colombia cubre cincuenta años y en otros países desean
aumentar a cien años para las patentes de las invenciones.
En la Figura 1 se presentan elementos que son adversos
a la metrología, como las matemáticas, la geometría, la
física y la estadística que contribuyen al coctel indeseable,
dada nuestra débil formación académica, sin vocación a
la investigación.
Figura 1. Elementos de la metrología
En la Figura 2 se demuestra que la metrología es un
sistema, ilustrado por la ISO 10012:2003, que se aborda
con el enfoque por procesos y mantiene la filosofía de la
mejora continua con el esquema PHVA: Planificar–Hacer–
Verificar y Actuar.
En la mayoría de organizaciones la gestión metrológica
se reduce a lo puramente operacional; es decir, a las calibraciones de los equipos y simplificado a los certificados
de calibración; esto se conoce como la “confirmación
metrológica” y se descuida el “proceso de medición”; es
decir la medición que realiza continuamente el personal
de la empresa.
Resultados
Se exponen los resultados de las reflexiones del autor,
con base en la experiencia práctica de más de veinte años
en sector público y privado en el ámbito de la metrología.
Expresiones de exactitud en catálogos
Si se desear entender la metrología, se debe responder a la pregunta: ¿Qué debemos medir? Esto se puede
atender con la metodología del AMEM (Cedeño, 2009),
análisis de Modo y Efecto de las Mediciones. En la práctica, cuando se identifican las variables críticas de medición se debe establecer la tolerancia de la medición (del
producto); por ejemplo si una nevera doméstica se quiere
utilizar técnica y eficientemente en forma óptima se evalúa
que la especificación de operación del fabricante es que
la nevera puede conservar los productos al asegurar en
condiciones normales una temperatura entre 2°C y 8°C; si
la temperatura se mantiene por debajo de los 2°C puede
ser que afecte al producto o el consumo de energía sea
Figura 2. ISO 10012:2003
48
Cedeño O. Introducción a la Gestión Metrológica
demasiado elevado para el beneficio obtenido. Por otro
lado, si la temperatura sube de los 8 °C es posible que la
inocuidad o la vida útil de los productos almacenados
se afecten drásticamente. Por lo tanto, esta variación
permitida de la temperatura para la nevera convencional se puede transformar en una tolerancia simétrica, es
decir, 5°C ± 3°C y en esta forma es más fácil descubrir la
exactitud que debe garantizar el termómetro con el cual
se va a medir la temperatura para controlar que no se
salga de lo especificado sin darnos cuenta. Si se enfatiza
que la tolerancia es ±3°C y es lo que le permite a toda
nevera cuando se abre y se cierra o cuando se mantiene
con baja cantidad de productos o media cantidad o alta
cantidad (carga termodinámica ) garantizar que por todas
las condiciones que hacen fluctuar la temperatura dentro
de la nevera el sistema pueda oscilar alrededor de 5 °C
hacia arriba o hacia abajo 3°C; hay quienes se atreven a
decir que la tolerancia es de 6°C; eso es un enfoque muy
deficiente del comportamiento físico de la temperatura
en una nevera o en cualquier medio isotérmico; los 6
°C se deben denominar intervalo de tolerancia pero no
tolerancia. Por otro lado sería una falta de honestidad
técnica utilizar el doble de lo que va a ser necesario para
garantizar la conformidad del producto almacenado en
la nevera.
Una vez que se establece la tolerancia de la medición
se puede estimar inmediatamente cual es la exactitud
que debe tener el sistema de medición, en este caso de la
temperatura dentro de la nevera. Si atendemos las recomendaciones de las normas (por ejemplo, de la ASTM),
publicaciones y expertos de metrología se debe garantizar
que la incertidumbre del equipo de medición sea menor
a ±0,6 °C; es decir, cinco (5) veces mejor que la tolerancia.
Esto corresponde al concepto del TUR – Test Uncertainty
Ratio – Prueba de la relación de incertidumbres; establecido en las normas ANSI ( ANSI Z540); TUR = Tolerancia de
la medición del producto (Máxima desviación permitida
en el producto / incertidumbre del equipo de medición ).
Guía ISO/IEC 99:2008. Vocabulario internacional
de términos básicos y generales en metrología
Durante muchos años se discutieron en la ISO los términos del Vocabulario Internacional de Metrología – VIM
y fueron actualizados en el 2008, ahora normalizados en
la Guía ISO/IEC 99. En el mundo se aprobaron cambios
en el léxico metrológico. Algunas palabras fundamentales
cambiaron y parece que en nuestro medio no se ha tomado
conciencia de su impacto. Si Colombia no está acorde con
los cambios internacionales de los conceptos se pueden
presentar dificultades en el reconocimiento mundial de
nuestros resultados de laboratorio.
Calibración
Una de las palabras esenciales en metrología es “Calibración”, cuya nueva definición, se presenta en la Figura 3.
VIM: GUIA ISO/IEC 99:2008
2.39 (6.11)
Calibración, f
Operación que bajo condiciones especificadas establece, en
una primera etapa, una relación entre los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los
patrones de medida, y las correspondientes indicaciones con
sus incertidumbres asociadas y, en una segunda etapa, utiliza
esta información para establecer una relación que permita
obtener un resultado de medida a partir de una indicación.
Figura 3 Calibración
Nota 1. Una calibración puede expresarse mediante
una declaración, una función de calibración, un diagrama
de calibración, una curva de calibración o una tabla de
calibración.
En algunos casos, puede consistir en una corrección aditiva o multiplicativa de la indicación con su incertidumbre
correspondiente.
Nota 2. Conviene no confundir la calibración con el
ajuste de un sistema de medida, a menudo llamado incorrectamente “autocalibración”, ni con una verificación
de la calibración.
Nota 3. Frecuentemente se interpreta que sólo la primera
etapa de esta definición corresponde a la calibración.
En la Figura 4 se presenta la nueva definición de calibración según el VIM. El cambio fundamental en esta
definición, conceptualmente hablando, es la exigencia del
reporte de la incertidumbre de la medición en el certificado de la calibración; sin este requisito el reporte no tiene
validez técnica.
Las notas de la definición aclaran confusiones habituales
en el lenguaje informal de los usuarios.
Trazabilidad (VIM)
Guía ISO/IEC 99:2008
2.41 (6.10)
Trazabilidad metrológica, f
Propiedad de un resultado de medida, por la cual el resultado puede relacionarse con una diferencia mediante una
cadena ininterrumpida y documentada de calibraciones,
cada una de las cuales contribuye a la incertidumbre de
medida.
Figura 4. Nueva definición de calibración según el VIM
49
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 47 - 52
Nota 1. En esta definición, la referencia puede ser la
definición de una unidad de medida, mediante una realización práctica, un procedimiento de medida que incluya
la unidad de medida cuando se trate de una magnitud no
ordinal, o un patrón.
Nota 2. La trazabilidad metrológica requiere una jerarquía de calibración establecida.
Nota 3. La especificación de la referencia debe incluir
la fecha en la cual se utilizó dicha referencia, junto con
cualquiera otra información metrológica relevante sobre
la referencia, tal como la fecha en que se haya realizado la
primera calibración en la jerarquía.
Nota 4. Para mediciones con más de una magnitud de
entrada en el modelo de medición, cada valor de entrada
debiera ser metrológicamente trazable y la jerarquía de
calibración puede tener forma de estructura ramificada o
de red. El esfuerzo realizado para establecer la trazabilidad
metrológica de cada valor de entrada debería ser en proporción a su contribución relativa al resultado de la medición.
Nota 5. La trazabilidad metrológica de un resultado
de medida no garantiza por sí misma la adecuación de la
incertidumbre de medida a un fin dado, o la ausencia de
errores humanos.
Nota 6. La comparación entre dos patrones de medida
puede considerarse como una calibración si ésta se utiliza
para comprobar, y si procede, corregir el valor y la incertidumbre atribuidos a uno de los patrones.
Nota 7. La ILAC considera que los elementos necesarios
para confirmar la trazabilidad metrológica son: una cadena
de trazabilidad metrológica ininterrumpida a un patrón
internacional o a un patrón nacional, una incertidumbre
de medida documentada, un procedimiento de medida
documentado, una competencia técnica reconocida, la
trazabilidad metrológica al SI y los intervalos entre calibraciones (véase ILAC P-10:2002).
Nota 8. Algunas veces el término abreviado “trazabilidad” se utiliza en lugar de “trazabilidad metrológica”
así como para otros conceptos, como trazabilidad de una
muestra, de un documento, de un instrumento, de un
material, etc., cuando interviene el historial (“traza”) del
elemento en cuestión. Por tanto, es preferible utilizar el
término completo “trazabilidad metrológica” para evitar
confusión.
En la Figura 5 se presenta la definición de trazabilidad
metrológica según la Guía ISO/IEC 99:2008. Todos los sistemas de gestión reclaman la trazabilidad de las mediciones
para garantizar la compatibilidad y la comparabilidad de
sus resultados; por ello se reconoce la importancia suprema
de la trazabilidad de la medición. Esta última se ha venido
creyendo que se puede garantizar solo con la exhibición de
los certificados de calibración de los patrones utilizados en
50
la calibración o verificación. En este punto tan esencial de la
calidad de la medición deseamos llamar la atención sobre la
nota 7 de la definición, en la Figura 4. ILAC – International
Laboratory Accreditation Cooperation, es la máxima autoridad en el mundo para los laboratorios y puntualiza que
la trazabilidad se demuestra con otros elementos, además
de los certificados de los patrones; en Colombia deberíamos seguir el ejemplo de los Estados Unidos, donde en
cada certificado de calibración se declara el TUR : Máximo
Error Permitido del Equipo objeto de medición / Incertidumbre del sistema de calibración patrón. La trazabilidad
metrológica se demuestra según la ISO/IEC 17025:2005,
también, cuando el proveedor es un laboratorio acreditado
o en su defecto entregando la siguiente información como
parte de la evaluación de proveedores : Procedimiento de
calibración a realizar, referencia si es documento público o
copia del documento si es procedimiento interno; control
de los patrones durante el periodo de re-calibración, para
corroborar esto puede llegar a ser necesario una auditoría
a las instalaciones del proveedor de calibración.
Incertidumbre de la medición
Incertidumbre (VIM)
Guía ISO/IEC 99:2008
2.27 (3.9) Incertidumbre, f.
Parámetro no negativo que caracteriza la dispersión de los
valores atribuidos a un mensurado, a partir de la información que se utiliza.
Figura 5. Nueva definición de incertidumbre de la medición en el VIM.
Otra de las definiciones del vocabulario metrológico
que fue revisada es la del concepto de la incertidumbre de
la medición, que ha causado tantas frustraciones entre los
usuarios de la metrología. En la definición fue necesario
resaltar la frase “no negativo” , no como sinónimo matemático sino para resaltar la importancia de la incertidumbre
como valor intrínseco de la medición, por esto la frase
graciosa del Gordo y el Flaco en la Figura 6.
Nada es más incierto que la incertidumbre de la
medición
Figura 6. Concepción negativa del
concepto de incertidumbre.
Cedeño O. Introducción a la Gestión Metrológica
Una de las publicaciones de ASQ para seis sigma cinturón negro (Black Belt), introduce el diagrama de causa
– efecto mostrado en la Figura 7, es para destacar el factor
humano, hasta ahora no considerado en un entorno laboral
sino solamente en su aporte individual, bajo el factor de
gestión se involucran aspectos como amenaza y miedo que
no se consideran habitualmente.
NTC ISO/IEC 17025: 2005
Cláusula 5.10 reportes de resultados
Obligatorio
Identificación del instrumento
Resultados de la calibración: errores e incertidumbres
(tablas, gráficas o ecuaciones).
Condiciones relevantes (CA; trazabilidad)
Observaciones (limitaciones)
Opcional
Evaluación de conformidad (diferente a opiniones e interpretaciones): normas, especificaciones, cliente.
Imposible: utilizar el logo de la certificación de ISO 9001
(equivaldría a certificación de producto).
Figura 7. Fuentes de incertidumbre que están presentes en la
medición
Figura 8. Requisitos para un Reporte de Resultados según la ISO/
IEC 17025:2005
Uso del nombre “certificado de calibración”
Metrologia legal
Es una excelente decisión la que tomó el Centro Nacional
de México – CENAM, al establecer que se permite utilizar
el título de “Certificado de Calibración” solo al CENAM y
los laboratorios acreditados. Esto en Colombia, ahora que se
está discutiendo la ley de metrología, le vendría muy bien al
sector productivo para evitar tanto engaño que se presenta
en las empresas por cuenta de proveedores de metrología
inescrupulosos que hacen cualquier cosa y utilizan el certificado de calibración como título para encubrir la falta
de competencia. Casos particulares que debería analizar
la Superintendencia de Industria y Comercio, son los procedimientos de calibración y estimación de incertidumbre
para las básculas y medidores domiciliarios de agua.
Certificados de calibración : Uso logo ISO 9001
Hace más de dos años que la ISO emitió su declaración
en este sentido al aclarar que la certificación bajo ISO 9001
es de sistema de gestión y que de ninguna manera equivale a certificación de producto. Esto significa que como el
producto de un laboratorio es su reporte de resultados, se
puede ver claramente que no es permitido colocar el logo
de ISO 9001 en un Reporte de resultados de un laboratorio,
esto puede inducir a error o engaño al consumidor. En la
Figura 8 se puede observar una pequeña síntesis de los
principales requisitos obligatorios, opcionales y prohibidos
en un certificado de calibración, si se atiende la Norma
internacional ISO/IEC 17025:2005.
En un caso particular de la metrología legal en Colombia se observa que se acreditan Centros de Diagnóstico
Automotor – CDA, para desempeñar funciones oficiales
de vigilancia sobre el desempeño de los automotores.
Para éste y otros similares, la metrología legal exige que
el gobierno establezca los periodos de calibración y verificación de los equipos de medición. Un buen ejemplo se
encuentra en España para los ITV, equivalentes a los CDA
de Colombia, y el gobierno español estableció los máximos
periodos de calibración y verificación de los equipos de
medición involucrados en la inspección vehicular. Esto
mismo ocurrió en los Estados Unidos para los laboratorios
de alimentos vigilados por la FDA.
En la Figura 9 se muestran las unidades aceptadas en el
sistema métrico conocido modernamente como el Sistema
Internacional de Unidades. A pesar que es la única legislación obligatoria en cuanto a metrología legal se refiere,
muchos sectores la desconocen y siguen proliferando los
malos ejemplos; para mencionar un solo caso, en todos
los medios hablados de comunicación se sigue hablando
de los “grados centígrados”, sin analizar que el sistema
métrico es decimal y que la partícula “centi” implica un
submúltiplo de una unidad, por ejemplo para el caso del
centímetro, indica la centésima del metro, y no es coherente
con el uso de la expresión centígrado, cuando deseamos
hablar de grados y no de centésimas de grado; la palabra
correcta es grados Celsius.
51
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 47 - 52
Conclusión
Estamos en la era de reflexionar sobre la Metrología:
Colombia se prepara para los tratados de libre comercio
con las potencias del comercio y es necesario reenfocar la
cultura metrológica a nivel científico, industrial y legal.
Para evaluar los beneficios de la metrología se recomienda
consultar los portales del Departamento Nacional de Planeación y del Ministerio de Comercio, Industria y Turismo.
Referencias
Figura 9. Sistema Internacional de Unidades SI.
52
BIPM – Bureau Internacional de Pesas y Medidas [Fecha de consulta: 2011-09-06]. Disponible en http://www.bipm.org/en/
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CEDEÑO, Orlando; Gestión Metrológica, un enfoque por procesos, 2009. www.cmcmetrologia.com
CEDEÑO TAMAYO, Orlando “Un enfoque de procesos para
la gestión metrológica” En: Colombia Espiral / Fundación
Universitaria Agraria de Colombia Uniagraria ISSN: 01236628 Editorial v.014 fasc. p.17 - 20 ,2007.
Guía ISO/IEC 99:2008 Vocabulario Internacional de Términos y
conceptos fundamentales en Metrología
ISO 10012:2003 Gestión Metrológica
ISO/IEC 17025:2005 Requisitos para evaluar la competencia de
los laboratorios de Calibración o Ensayo
Aplicaciones biotecnológicas en minería
aurífera: Estado del arte sobre la oxidación
bacteriana de arsenopirita (FeAsS)
Biotechnological applications in auriferous mining: State-of-the-art on
bacterial oxidation of arsenopyrite (FeAsS)
Recibido:14-03-2011 Aceptado: 04-08-2011
Juan David Ospina Correa,1
Laura Osorno Bedoya,2,
Jim Giraldo Builes,3,
Erica Mejía Restrepo,4,
Marco Antonio Márquez Godoy 5
1 Colombiano, MSc Ing., Materiales-Procesos,
Coordinación de Investigación, Área de
Mecánica, [email protected]
2 Colombiana, Ing. Biológica, Producción
Industrial, Tecnológico Pascual Bravo - I.U.
AA 6564. Medellín. Colombia.
[email protected]
3 Colombiano. Administrador en SaludGestión Sanitaria y Ambiental, Producción
Industrial, Tecnológico Pascual Bravo – I.U.
AA 6564. Medellín. Colombia.
[email protected]
4 Colombiana. MSc Ingeniería, materialesprocesos, Servicio Nacional de Aprendizaje
SENA, Centro de la Manufactura Avanzada.
Cadena TiC’s Electrónica. AA 1188. Medellín. Colombia.
[email protected]
5 Colombiano. PhD en Geologia Grupo
de Mineralogía Aplicada y Bioprocesos
(GMAB), Universidad Nacional de Colombia, Medellín AA 1027. Colombia.
[email protected]
Resumen
En el mundo, grandes cantidades de sulfuros provenientes de la explotación minera con características refractarias y/o con iones, en su estructura
cristalina, nocivos al medio ambiente y a la salud humana, han sido acumulados en el tiempo. Dichos sulfuros presentan contenidos de oro relevantes
en la mayoría de los casos, el tratamiento de estos materiales no es factible
por métodos convencionales, lo cual incrementa el costo de la recuperación
de los valores metálicos presentes. Es así como, en las últimas décadas, la
bio-hidrometalurgia, se ha convertido en una tecnología comercialmente
viable para la extracción de metales preciosos. Además, es bien conocida por
su utilización en la bio-remediación de drenajes ácidos, remoción de metales pesados presentes en áreas mineras, suelos y sedimentos contaminados,
residuos industriales como cenizas de incineración; degradación de cianuro,
adecuación de concentrados para separación por flotación espumante, biodesulfurización de carbones, entre otras. En este trabajo se presenta el principio
fundamental de la oxidación bacteriana de la arsenopirita, así como un esbozo
acerca de los mecanismos y diferentes susceptibilidades que muestra frente
a la oxidación biológica.
Palabras clave: Biominería, biooxidación, biolixiviación, arsénico, Acidithiobacillus ferrooxidans.
Abstract
Throughout the world, great quantities of sulfides from mining practices
have accumulated over time.These have refractory characteristics y/or ions, in
their crystalline structure, which are harmful to the environment y to human
health. Said sulfides present relevant gold contents in most instances; treatment
of these materials is not feasible through conventional methods, increasing the
cost of recovery of the metallic values present. This is how in recent decades
bio-hydrometallurgy has become a commercially viable technology for the
extraction of precious metals. Additionally, it is well known for its use in the
bio-remediation of acid drainage, removal of heavy metals present in mining
areas, contaminated soils y sediments, industrial residues like incineration
ash; cyanide degradation, adaptation of concentrates for foam separation,
coal biodesulfurization, among others. This work presents the fundamental
principle of bacterial oxidation of arsenopyrite, as well as an outline about the
53
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 53 - 65
mechanisms y different susceptibilities it presents against
biological oxidation.
Keywords: Bio-mining, bio-oxidation, bio-leaching,
arsenic, Acidithiobacillus ferrooxidans
Introducción.
En 1947, Colmer and Hinkle observaron que la oxidación
de hierro asociada a la formación de drenajes ácidos de
minería era un proceso que involucraba ciertos microorganismos, los cuales aumentaban la oxidación y solubilización
de los sulfuros presentes en los drenajes ácidos de una
mina de carbón en Estados Unidos. Grandes esfuerzos en
la caracterización de la flora microbiana de estos efluentes
dieron sus frutos cuando se logró aislar microorganismos
como Thiobacillus thiooxidans (Colmer and Hinkle, 1947;
Temple and Colmer, 1950) los cuales tienen la capacidad
de aumentar la velocidad de oxidación de las inclusiones
de pirita en el carbón, derivar la energía necesaria para
la producción de ATP (adenosín trifosfato) de la catálisis
oxidativa de compuestos inorgánicos y fijar el carbono
necesario para su metabolismo del CO2 atmosférico. Estos
microorganísmos fueron considerados responsables de la
oxidación del ion Fe2+ hasta el ion Fe3+, por lo tanto el grupo
de Colmer, propuso el nombre de Thiobacillus ferrooxidans
sp. (Colmer and Hinkle, 1947; Temple and Colmer, 1950).
En adelante, y debido al gran interés económico y a la
relevancia en diversas áreas de la actividad humana, muchas investigaciones han sido enfocadas sobre el papel que
tienen los microorganismos en la oxidación y lixiviación
de sulfuros (Vanselow, 1976; Bruynesteyn, 1989; Rossi,
1990; Acevedo and Gentina, 1993; Ahonen and Tuovinen,
1993-1994; McIntosh et al. 1997; Brierley and Brierley, 2001,
Rawlings, 2002; Rohwerder et al. 2003; Olson et al. 2003; Da
Silva, 2004; Francisco, 2006; Ehrlich and Newman, 2009).
De este modo, en las últimas décadas los procesos biotecnológicos en minería son comercialmente viables para
la extracción de metales base y preciosos, tratamiento de
drenajes ácidos o biorremediación, remoción de metales
pesados presentes en áreas mineras, suelos y sedimentos contaminados o residuos industriales como cenizas
de incineración (Bosecker, 2001), en la degradación de
cianuro (Akcil et al. 2007), adecuación de concentrados
para separación por flotación (Patra y Natarajan, 2003) y
biodesulfurización de carbones (Eligwe, 1988; Rossi, 1990).
En la industria minera las prácticas biotecnológicas para
el procesamiento de minerales son empleadas, principalmente, para la extracción de oro y cobre (Ehrlich and Newman, 2009). Por ejemplo, en Chile se procesan alrededor
de ochenta y cuatro mil toneladas al día de concentrados
de cobre (Brierley y Brierley, 2001). Además es importante
54
aclarar que actualmente, del 10% al 15% de la producción
mundial de cobre es obtenida mediante biolixiviación de
minerales de cobre de bajo tenor (Bevilaqua, 2003).
Los procesos alternativos como la biohidrometalurgia
presentan ventajas como bajos costos de operación y capital
de inversión, los cuales pueden llegar a ser hasta un 50% menos en insumos y bajos requerimientos de energía (Acevedo
y Gentina, 1993; García and Urenha, 2001), simplicidad en
la puesta en marcha de los sistemas de operación (Brierley
y Brierley, 2001), versatilidad en cuanto a la adaptación a
los diferentes tipos de proceso (Brierley y Luinstra, 1993) y,
desde el punto de vista ambiental, la no producción de gases
nocivos, en comparación con otros métodos usados rutinariamente en el beneficio de minerales, como la tostación (Çopur,
2001). Es relevante anotar que estos procesos contibuyen en
la generación de desechos biodegradables o químicamente
más estables (Rawlings, 2002, Devacia and Natarajan, 2004).
Por otra parte, en el mundo existe una alta cantidad
de sulfuros provenientes de la explotación minera con
características refractarias y/o con iones en su estructura
cristalina, nocivos al medioambiente y a la salud humana
(Marsden and House, 1992; Rodríguez et al. 2003).
Es en este punto donde la arsenopirita juega un papel
fundamental debido a que encapsulan en su matriz elementos valiosos como oro, sea en la forma de pequeñas
inclusiones (Márquez, 1999) o como oro invisible (Márquez
et al. 2006), lo cual hace que la mayoría de las veces la
cianuración de estos minerales requiera largos periodos
de exposición, obteniéndose de este modo un material de
mayor costo (Suzuki, 2001).
De otro lado, aunque las investigaciones en el área han
venido incrementándose (Olson et al. 2003; Rawlings, 2005),
en Colombia, existen pocos trabajos publicados en esta
área. Cabe resaltar los de Pérez y Velásquez, 1998; Duque
y Noguera, 2001; Muñoz, 2002; Ossa, 2004; Ossa et al. 2005;
Cardona y Márquez 2009; Mejía, 2010 y Ospina, 2010, y en
el área de caracterización mineralógica de procesos, los
cuales contribuyen al entendimiento de los mecanismos
de biooxidación, tal como está planteado en los trabajos de
Zapata et al. 2006; Márquez et al. 2006; Cardona y Márquez,
2009, Mejía, 2010 y Ospina, 2010. Es por esto que se hace
necesario aumentar los esfuerzos en este tipo de investigaciones que permitan la implementación a escala comercial
de estos procesos en Colombia.
Así mismo es importante y urgente la implementación
de alternativas biotecnológicas en nuestro país, que nos
permita recuperar valores metálicos sin generar un impacto
ambiental devastador, como el observado en la Figura 1. Es
así como el objetivo de este trabajo es presentar el principio
fundamental de la oxidación bacteriana de la arsenopirita
y hacer un esbozo acerca de sus mecanismos de oxidación.
Ospina J, et al. Aplicaciones biotecnológicas en minería aurífera
Figura 1. La destrucción ecológica del cauce del río Dagua, en jurisdicción de Buenaventura, Colombia. Informe revista semana, 2 de abril de
2010. http://www.semana.com/noticias-nacion/maldicion-del-oro/137125.aspx. (A) Los cambuches que ha surgido a lo largo de 22 kilómetros.
(B) Pozos que quedan después de explotación minera. (C) Represamiento de aguas en el rio para lavar oro. (D) Tala desmedida. (E) Panorama
donde se aprecia la destrucción del rio. (F) Cauce del río Dagua después del beneficio minero.(G) Enormes cráteres y decenas de brazos mecánicos que remueven la tierra y (H) Panorama general sobre la transformación física de la zona.
Pretratamiento oxidante
Existen dos categorías en este tipo de procesos: (i) los
hidrometalúrgicos y (ii) los pirometalúrgicos. Dentro de
estos últimos, el método más utilizado en el mundo es la
calcinación, debido a su versatilidad en el tratamiento de
casi cualquier tipo de mina. Sin embargo, los problemas
ocasionados debido a las emisiones de SO2 a la atmósfera
y las reglamentaciones ambientales actuales, han impedido su uso. No obstante, la adición de compuestos como
Ca(OH)2 es aprobada para la retención de gases sulfurosos
y de arsénico, pero los costos generados son altos (Hagni
and Hagni, 1994). De otro lado, según Demopoulos y Papangelakis (1989), los métodos hidrometalúrgicos pueden
ser divididos en tres categorías: (I) oxidación hidroquímica,
(II) oxidación bioquímica y (III) oxidación por presión.
La oxidación de los sulfuros es importante en muchos
procesos geoquímicos, como la formación de depósitos
minerales, formación de drenajes ácidos, producción de
minerales secundarios, los cuales pueden ocasionar problemas ambientales, yliberación del oro en procesos de
pretratamiento anteriores a la lixiviación. La mayoría de los
sulfuros se oxidan lentamente en condiciones atmosféricas,
en un amplio intervalo de pH, y en ausencia de alguna
sustancia oxidante. Para aumentar la razón de oxidación
de los sulfuros, es necesario aumentar el potencial de
oxidación, mediante el uso de sustancias oxidantes como
oxígeno, HCl, HNO3 y, cuando es necesario, aumentando
la temperatura y la presión del sistema. Según Marsden y
House (1992), partículas con diámetros entre 45 μm y 75 μm
y óptimas condiciones de Eh-pH, pueden ser oxidadas en
55
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 53 - 65
horas o minutos. Además, pueden emplearse catalizadores
como iones de cobre o microorganismos para aumentar la
velocidad de las reacciones oxidantes.
La oxidación con bacterias, Figura 2, es un método
que viene siendo utilizado en el pretratamiento de menas refractarias (Gilbert et al. 1988), algunas veces como
una alternativa a los procesos de calcinación y oxidación
por presión (Neale et al. 1991) o en la viabilización para
la explotación de menas de bajo tenor (Brierley and
Luinstra, 1993).
Este tipo de pretratamiento, muestra normalmente costos menores, si es comparado con métodos alternativos,
oxidación por presión y calcinación (McNulty y Thomson, 1990; Gilbert et al. 1988). Además, según Lawrence
y Bruynesteyn (1983), este proceso da como resultado
recuperaciones alrededor de 80%. El proceso consiste en
la oxidación de especies minerales a través de la acción
directa o indirecta de una bacteria y/o compuestos producidos por ella, Figura 2, lo cual permite la liberación
del oro, incluido o en forma de solución sólida, en la
estructura de algunos minerales, tornándolo disponible
para los procesos subsecuentes como la lixiviación con
cianuro (Gilbert et al. 1988; Neale et al. 1991; Brierley y
Luinstra, 1993).
Los microorganismos más importantes en los procesos
biohidrometalúrgicos se dividen en cuatro grupos: (a)
mesófilos del género Acidithiobacillus y Leptospirillum; (b)
moderadamente termófilos del género Sulfobacillus; (c) extremamente termófilos de los géneros Sulfolubus, Acidanus,
Metallosphaera y Sulfurococcus, y (d) microorganismos heterotróficos (Brewis, 1995). La bacteria más comúnmente
usada es el Acidithiobacillus ferrooxidans (A. ferrooxidans),
la cual es acidófila (pH ~2), mesófila (25-35ºC) y, autótrofa
(fuente de carbono del CO2 atmosférico) (Rossi, 1990; García,
1995; Nordstrom y Southam 1997). A. ferrooxidans es gramnegativa, presenta forma de bacilo, con diámetro entre 0,4
μm -0,8 μm y longitud entre 0,9 μm y 2,0 μm (Rossi, 1990).
La capacidad de las bacterias para oxidar minerales
que se componen de sulfuros metálicos, está dada por su
condición quimiolitotrofa, es decir, obtienen su fuente de
energía de compuestos inorgánicos, por lo tanto, crecen a
expensas de la liberación u obtención de electrones a partir
de minerales (Nordstrom y Southam 1997). La Tabla 1 hace
un resumen de lo expuesto.
Figura 2. Mecanismos de oxidación bacteriana propuestos por Silverman (1967). Modificado de Crundwell (2003). (A) Mecanismo indirecto. (B)
Mecanismo de contacto indirecto y (C) Mecanismo de contacto directo.
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Ospina J, et al. Aplicaciones biotecnológicas en minería aurífera
Tabla 1. Clasificación de los microorganismos usados en la biolixiviación de metales (Suzuki, 2001)
Grupo
Mesófilos
Nombre
Características Fisiológicas
Acithiobacillus ferrooxidans
Oxida el Fe2+ y So
Acithiobacillus thiooxidans
Oxida el So
Leptospirilum ferrooxidans
Oxida el Fe2+
Ferroplasma acidarmanus
Oxida el Fe2+
Ferroplasma acidiphilum
Oxida el Fe2+
Sulfolobus solfataricus
Oxida el So
Sulfobacillus termosulfidooxidans
Oxida el Fe2+ y So
Sulfobacillus acidophilus
Oxida el So
Acithiobacillus caldus
Oxida el So
Sulfolobus acidocaldarius
Oxida el So y Fe+2
Acidianus brierleyi
Oxida el So y Fe+2
Termófilos moderados
Termófilos extremos
Los sulfuros presentan susceptibilidades diferentes a la
oxidación biológica y, consecuentemente, la velocidad de
oxidación entre ellos varía considerablemente. Normalmente, minerales con estructuras cristalinas pobremente
ordenadas oxidan más velozmente (Marsden and House,
1992). Por ejemplo, las piritas que contienen As oxidan
más rápidamente que las puras, debido al hecho de que el
enlace As-S es más débil que el Fe-S. Por la misma razón,
la arsenopirita oxida más pronto que la pirita (Marsden
and House, 1992).
Principio fundamental de la biooxidación
La biooxidación se da como un proceso de oxidación de
sulfuros, por la acción catalítica de bacterias. En la Figura
3 se puede apreciar cómo la bacteria usa para su metabolismo la energía liberada de la transición de electrones
entre compuestos de mayor energía potencial, hacia otros
con menor energía potencial. Para que la fuerza motriz
del mecanismo sea generada, debe existir un compuesto
donador de electrones, en este caso el sustrato a ser oxidado
(Fe2+ o S0), y otro compuesto que actúa como el receptor de
electrones, para este caso el oxígeno.
Figura 3. Metabolismo bacteriano
el cual consta de
de compuestos
de mayor a menor
energía potencial.
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Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 53 - 65
El paso inicial donde el electrón pasa del mineral hacia
el oxígeno y genera agua, es denominado “mecanismo de
contacto directo” de la bacteria, mientras que, el proceso
de oxidación de Fe2+ para Fe3+ es denominado “mecanismo
de contacto indirecto” (Vargas, 1996; Sasaki, 1997). A pesar
de que existen evidencias claras de la existencia de estos
dos mecanismos, la contribución relativa de cada uno de
ellos en el proceso de oxidación de sulfuros todavía no ha
sido totalmente aclarada (Rawlings et al. 2005).
El principal mecanismo catalítico de la bacteria consiste
en la oxidación de Fe2+ a Fe3+, para mantener de este modo
una adecuada (alta) razón Fe3+/Fe2+, lo que acelera la oxidación de los sulfuros, ya que, como es bien conocido, el Fe3+
es uno de los principales agentes oxidantes de los sulfuros
a diferente pH (Steger and Desjardins, 1978; Goldhaber,
1983; Wiersma and Rimstidt, 1984; McKibben and Barnes,
1986 ; Luther III, 1987; Moses et al. 1987; Williamson and
Rimstidt, 1994; Sasaki et al. 1995; Luther II, 1997; Sasaki et
al. 1997). Sin embargo, esta reacción es algo lenta a pH muy
ácidos (< 2), en medios abióticos.
Vargas et al. (1993), en su trabajo sobre la pirita, define
la biooxidación como un proceso que envuelve una reacción de corrosión, en la cual el mineral, un semiconductor,
se disuelve anódicamente, liberando electrones para un
oxidante (O2 o Fe3+), caracterizando claramente un efecto
galvánico, donde la acción catalítica de la bacteria puede
ser entendida como las modificaciones del mecanismo
electroquímico de la oxidación del sulfuro, siendo que las
altas razones Fe3+/Fe2+ serían convenientes debido a que
aumentan la polarización galvánica del mineral.
Una de las grandes ventajas que tiene la oxidación bacteriana es el ataque selectivo de los sulfuros, sin destruir
completamente la matriz silicática y actuando a lo largo de
planos cristalográficos, límites entre granos y cualquier tipo
de irregularidad o imperfección en los cristales, exponiendo
así el oro para la cianuración (García, 1995; Brewis, 1995;
Vargas et al. 1993; Gilbert et al. 1988). Otro mecanismo a ser
considerado es la adherencia selectiva de los microorganismos en los minerales, la cual resulta de varios tipos de
interacción: (a) hidrofobicidad, (b) fuerzas electrostáticas,
(c) fuerzas de van der Waals (Vargas, 1996), además de la
formación de glycocalyx a partir de las bacterias (Rossi,
1990).
Mecanismos de oxidación bacteriana para la arsenopirita
La arsenopirita es la fuente mineral de arsénico más
común en la superficie terrestre. Se puede encontrar en una
variedad de sistemas tales como depósitos magmáticos,
hidrotermales y pórfidos. Es por esto que la arsenopirita
es comúnmente asociada con la aparición de oro, lo que
58
genera su amplia explotación y posterior descarga como
desechos sólidos en los procesos mineros (Corkhill and
Vaughan, 2009). Es un mineral estable en condiciones
reductoras, pero es oxidado durante condiciones de intemperismo, liberando durante este proceso H2SO4, H3AsO3 y
H3AsO4 (Nesbitt et al. 1995).
El estudio y comprensión de la salida de arsénico y la
recuperación de oro, debido a la oxidación de la arsenopirita, es de gran importancia para entender los impactos
generados por la explotación minera a la salud humana
y al medio ambiente (Craw et al. 2003; Yunmei et al. 2004;
Walker et al. 2006; Ehrlich and Newman, 2009).
En los trabajos desarrollados por Buckley y Walker
(1988) sobre superficies de arsenopiritas oxidadas en aire,
clivadas en condiciones controladas de presión, en atmósferas de N2, sugieren un mecanismo de reacción para la
oxidación del mineral, Ecuación 1, donde las velocidades
de oxidación para las fracciones molares de Fe, As y S son
iguales.
En la expresión y>x; b≤1,5:
FeAsS + (3/4x + 1/2by)O2 → 1/2xFe2O3 + yAsOb + Fe1-xAs1-yS (1)
Los productos de este proceso de oxidación incluyen:
As(I), As(II) y As(III) enlazados al oxígeno, Fe(II) en solución sólida con sulfoarseniuros, Fe(III) enlazados con
oxígenos y disulfuros. En este trabajo no se observó la
presencia de productos de la oxidación del compuesto S–O.
Richardson y Vaughan (1989) sugirieron que la oxidación de la arsenopirita, expuesta en aire, a 150°C, produce
las siguientes especies químicas: As(III), S, Fe(III) y Fe(II).
Ellos sugirieron, debido a las altas concentraciones de Fe(II)
en comparación con Fe(III), la presencia de wustita (Fe1-xO)
y magnetita (Fe2O3).
Nesbitt et al. (1995) caracterizaron la superficie de una
arsenopirita luego de oxidada durante 25 horas en aire.
Las especies químicas observadas incluyen la presencia de
O2, grupos hidroxilos y agua superficial. Se identificaron
oxihidróxidos de hierro con energías similares a las de la
goetita (FeOOH), también especies químicas como As(I),
As(III) y As(V).
Schaufuss et al. (2000), identificaron principalmente
Fe(II) y pequeñas cantidades de Fe(III), en las muestras
de arsenopirita oxidada en presencia de O2 en condiciones
controladas de presión, en forma de oxihidróxidos de hierro
y algunos compuestos químicos como Fe–As. No obstante,
Williamson y Rimstidt, 1994; Rimstidt y Vaughan, 2003 y
Walker et al. (2006) observaron la oxidación de la arsenopirita en diferentes condiciones de oxígeno disuelto y a pH
neutro. Las velocidades de disolución del mineral fueron
determinadas a partir de medidas, en estado estacionario,
Ospina J, et al. Aplicaciones biotecnológicas en minería aurífera
de la salida de As, S y Fe. Ellos encontraron que a altas
concentraciones de oxígeno disuelto, la concentración en
solución de As(V) se incrementaba. Sorprendentemente,
los autores sugieren que la oxidación de la arsenopirita
no depende de la concentración de oxígeno disuelto. Ellos
explican esto en términos de un modelo de oxidación en tres
pasos consecutivos de los cuales cualquiera podría ser el
paso limitante. El primer paso es la donación de electrones
desde el sitio catódico hacia el agente oxidante. Luego de
esto se da la transferencia electrónica desde el sitio anódico.
Esto es controlado por la resistividad del mineral. Luego
la adhesión del oxígeno disuelto, proveniente del agua, a
las especies de arsénico y hierro.
De estos pasos Walker et al. (2006) sugieren que el primer
paso no es probable, ya que la oxidación es independiente
de la concentración del oxígeno disuelto, el segundo es
poco probable ya que la resistividad de la arsenopirita es
similar a la de la pirita y este paso no es el limitante para
ese mineral. Por lo tanto, es el tercer paso el determinante
en el proceso de oxidación de la arsenopirita. Los autores
también proponen una serie de reacciones para la oxidación
de la arsenopirita a pH cercano a 7.
4FeAsS + 11O2 + 6H2O → 4Fe2+ + 4H3AsO3 + 4H2SO42-
(2)
2+
4Fe + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+(3)
2H3AsO3 + O2 → 2HAsO42- + 4H+ (4)
2H3AsO3 + O2 → 2H2AsO42- + 2H+ (5)
A través de esta serie de reacciones, Walker et al. (2006)
sugieren que la oxidación del hierro y del arsénico no es
completa y da una constante de velocidad de 10-10 (mol)
(m-2)(s-1) en un intervalo de pH de 6,3–6,7. Esto es significativamente más lento que lo propuesto por McKibben et
al. (2008) quienes en su estudio sobre el efecto del oxígeno
disuelto sobre la velocidad de disolución de la arsenopirita
obtienen una velocidad de 10-6 (mol)(m-2)(s-1) en un intervalo de pH de 2–4,5.
Yunmei et al. (2007) investigaron el mecanismo y la
velocidad de disolución de la arsenopirita por el oxígeno
disuelto en un amplio rango de pH, temperatura y oxígeno
disuelto. La velocidad de oxidación fue medida usando la
velocidad de conversión de As(III) a As(V). La velocidad
de salida de arsénico se aumentó con el incremento de la
concentración de oxígeno disuelto y la temperatura y fue
similar a pH inferiores a 7 y superiores a 10. También observaron que la velocidad de oxidación pasa por un mínimo
en valores de pH cercanos a 7,5. Esto se puede explicar
como un cambio en la concentración de las principales
especies oxidantes.
Buckley and Walter (1988) analizaron la superficie de
la arsenopirita después de varias horas de reaccionar en
ácido acético a un pH de 2,9. Los resultados mostraron que
la superficie de la arsenopirita es empobrecida en hierro
y arsénico, lo que genera una reconfiguración estructural
manifestada en la formación de una pirrotita. Luego de
un calentamiento, la superficie del mineral se enriqueció
en azufre. Mikhlin et al. (2006), también observaron en la
superficie del mineral una disminución en la concentración
de hierro y arsénico después de someter a un tratamiento
ácido a la arsenopirita.
Costa et al. (2002) observaron que cuando la arsenopirita
reaccionaba en medios ácidos, en la composición química
superficial predominaba la presencia de As(III) y As(V), en
la forma de arsenatos y arsenitos férricos, también azufre
elemental. Richardson and Vaughan (1989) encontraron que
la superficie del mineral estaba enriquecida en hierro y arsénico después de reaccionar con H2SO4. Nesbitt y Muir (1998),
trabajando con drenajes ácidos de minería sobre la superficie
de la arsenopirita, no observaron la presencia de azufre.
Corkhill et al. (2008) reportaron la presencia de Fe(III)–OH,
en 69% atómico en relación con el hierro, As(III)–O y As(V)–
O, que combinados están en 78% atómico en relación con el
arsénico, también hallaron tiosulfatos y sulfatos, en 68,6%
atómico, para una arsenopirita que se oxidó en H2SO4. Iguales
resultados se observaron en la oxidación del mineral en agua
(Nesbitt and Muir 1998) lo que está en desacuerdo con varios
autores (Buckley and Walker, 1988; Costa et al. 2002; Mikhlin
et al. 2006). Corkhill et al. (2008) sugirieron que el arsénico es
un elemento que oxida rápidamente en condiciones ácidas
y que el hierro y el azufre oxidan a la misma velocidad. Los
resultados de éste estudio mostraron que luego de 32 días
de reacción en condiciones ácidas se liberaron al medio 1340
ppm de hierro y 886 ppm de arsénico.
Hacquard et al. (1999) trabajando sobre la adsorción de
Ni(II) sobre la superficie de la arsenopirita, demostraron
que la superficie del mineral era fuertemente oxidada,
debido a la catálisis del Ni(II), y que casi todo el Fe(II)
fue oxidado, el As(-I) pasó a As(V). El azufre fue descrito
para varios estados de oxidación entre los que se encontraron disulfuros, polisulfuros y sulfatos. También hubo
presencia de una película, producto del proceso oxidativo,
compuesta principalmente de arsenato y arsenito férrico,
sulfato férrico y agua molecular con un grosor de aproximadamente 2,5nm.
Mikhlin and Tomashevich (2005) confirmaron la presencia de películas delgadas ricas en arsénico, azufre y
hierro crecidas sobre la superficie de la arsenopirita. Ellos
hallaron que el hierro conservaba en gran medida una
configuración de bajo spin (t2g)6 y el contenido de Fe2+ de
alto spin se incrementaba. El alto spin del Fe2+ se atribuyó
a la formación, aumento en el grosor de la película, de las
capas de arsenito y arsenato férrico.
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Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 53 - 65
Como uno de los desarrollos más notables en el estudio
de los procesos de disolución de minerales, durante los últimos años, se encuentran los fundamentos bioquímicos de
las reacciones de lixiviación, que en este contexto explican
los mecanismos químicos detrás del comportamiento del
azufre en estos procesos (Schippers y Sand 1999; Schippers
et al. 1996 y 1999)
Hoy por hoy, la comunidad científica internacional tiene
consenso sobre qué microorganismos como Acidithiobacillus
ferrooxidans no son capaces de oxidar directamente un mineral a través de la adherencia a la superficie de éste (Sand
et al. 1995; Jonson et al. 2007), pero estos microorganismos
son capaces de transformar los iones Fe(II) a Fe(III) y el rol
de las bacterias es regenerar el ion Fe(III), nombrando esta
ruta del proceso como mecanismo indirecto de oxidación
y discriminándolo en dos submecanismos: de contacto
indirecto y de no contacto, como se muestra en la Figura
4. (Rawlings 2001; Sand et al. 2001; Rawlings 2002; Foucher
et al. 2003; Vardanyan y Akopyan, 2003; Mignone y Donati,
2004; Rawlings, 2005)
Figura 4. Mecanismos indirectos en la biolixiviación de sulfuros según
Schippers y Sand (1999). De izquierda a derecha. Izquierda: mecanismo vía tiosulfato. Derecha: mecanismo via polisulfuro. En la imagen
se tiene que: Af = Acidithiobacillus ferrooxidans; Lf = Leptospirillum
ferrooxidans; At = Acidithiobacillus thiooxidans.
En el mecanismo indirecto, o de no contacto, la función
de las bacterias presentes en la solución es la de oxidar los
iones Fe(II) a Fe(III), este ion resultante entra en contacto
con la superficie del mineral donde es reducido a expensas
de la salida de un nuevo ion Fe(II) y regenerar el ciclo de
una forma exponencial (Sand et al. 1995).
En el mecanismo de contacto directo, la mayoría de
los microorganismos están adheridos a la superficie del
mineral, lo que implica que los procesos bioquímicos de
transferencia electrónica, responsables de la disolución
60
del mineral, toman lugar en la interface entre el mineral
y la pared celular de la bacteria, en ambos mecanismos,
contacto indirecto y directo, la contribución de la bacteria
a la disolución del mineral es la regeneración del agente
oxidante, el ion Fe(III) y la subsecuente oxidación de los
compuestos resultantes de la disolución (Rohwerder and
Sand. 2003).
Varios autores han observado que la disolución de
algunos minerales puede ser controlada por la estructura
cristalográfica del mineral y ésta determinar la adherencia
de los microorganismos a la superficie de la arsenopirita.
Sampson et al. (2000) observaron que las células de A.
ferrooxidans se adhieren a la superficie de arsenopiritas y
loellingitas a lo largo de defectos cristalinos. Edwards et al.
(2000) investigaron la adherencia de Acidithiobacillus caldus
en agregados masivos de arsenopirita y encontraron que la
disolución ocurría en forma preferencial. Ellos sugirieron
que esto podría deberse a que las células se adhieren a lo
largo de pits y defectos en la estructura del material o en
zonas ricas en azufre. Estos resultados están de acuerdo con
McGuire et al. (2001b) quienes sugirieron que la adherencia
celular debería ser controlada por las zonas de acumulación
de azufre sobre la superficie del mineral.
Edwards et al. (2001) observaron pits de disolución del
tamaño de células bacterianas sobre la superficie oxidada
de la arsenopirita en la presencia de Ferroplasma acidarmanus
a 37°C. El tamaño de los pits fue asociado con el incremento
en la velocidad de disolución del mineral.
Harneit et al. (2006) observaron la ubicación preferencial de A. ferrooxidans sobre una superficie mineral con
defectos visibles y atribuyeron este comportamiento a una
mayor viabilidad de azufre y de Fe(II).
Se han realizado algunas investigaciones sobre la influencia de las interacciones electrostáticas e hidrofóbicas
en la adherencia de A. ferrooxidans sobre la superficie de
la arsenopirita. Cruz et al. (2005), observaron que la adherencia de los microorganismos no ocurre inmediatamente,
esto se puede deber a un proceso de disolución ácida que
modifica la estructura superficial del mineral y promueve
la lixiviación preferencial del Fe(II), una fuente energética más viable que la arsenopirita misma. Sampson and
Blake (1999) investigaron la adherencia de A. ferrooxidans
a concentrados de arsenopirita y loellingitas, encontraron
que la adherencia de las células se debía, probablemente,
a una unión proteica. Fernández et al. (1996ab) sugirieron
un mecanismo de tres pasos para la biooxidación de la
arsenopirita por A. ferrooxidans. Ellos propusieron que el
mecanismo de oxidación es iniciado por el crecimiento de
las bacterias sobre la superficie del mineral, lo que genera
pits de corrosión y disolución preferencial de Fe(II), As(III),
S(IV) y S(0), según las ecuaciones 6 y 7:
Ospina J, et al. Aplicaciones biotecnológicas en minería aurífera
4FeAsS + 3O2 + 2H2O → 4Fe2+ + 4HAsO2 + 4S0(superficie)
(6)
2S0(superficie) + 3O2 + 2H2O → 2SO42- + 4H+ (7)
Las altas concentraciones de Fe(II) en la solución aumenta la velocidad de crecimiento de los microorganismos.
Luego la generación de Fe(III), promovida por bacterias,
producido en la superficie del mineral. Éste proceso produce arsenatos férricos de baja cristalinidad, ecuación 8.
FeAsS + 8Fe3+ + (4 + n)H2O
→ FeAsO4(nH2O) + 8Fe2+ + 2S0(superficie) + 8H+ (8)
Fernández et al. (1996ab) concluyeron que, a pesar de la
evidencia de la biooxidación directa, un mecanismo de oxidación indirecta ocurre durante la disolución del mineral.
Sampson et al. (2000) argumentaron que pese a la evidencia
de la adherencia de los microorganismos a la superficie de
la arsenopirita, el mecanismo de disolución del mineral es
una mezcla de mecanismos indirectos y directos, y sugieren
que el mecanismo de oxidación directa está presente en las
etapas iniciales de la oxidación del mineral hasta el punto
donde la concentración de Fe(II) es lo suficientemente alta.
Lo que está de acuerdo con Corkhill et al. (2008) quienes
sugieren que la oxidación directa es poco probable.
Carlson et al. (1992) observaron la formación de jarositas
(KFe3(SO4)2(OH)6) y escoroditas (FeAsO4-2H2O) después de
un proceso de biooxidación de arsenopirita con A. ferrooxidans.
Fernández et al. (1996ab) reportaron la presencia de arsenatos
férricos y azufre elemental sobre la superficie de la arsenopirita biooxidada por A. ferrooxidans. Tuovinen et al. (1994),
observaron que la disolución de la arsenopirita producía jarositas, azufre elemental y arsenatos férricos cuando el mineral
reaccionaba con Acidithiobacillus caldus a 45°C. Ellos sugirieron
que la cantidad de precipitados formados es controlada por la
cantidad de superficie oxidada del mineral, el pH y la composición iónica de la solución lixiviante. McGuire et al. (2001b)
también observaron azufre elemental como producto de la
oxidación del mineral. Sugirieron que, aunque se formó una
película delgada sobre la superficie del mineral, la lixiviación
del mineral por A. caldus no fue inhibida.
Varios estudios de la toxicidad del arsénico sobre bacterias y arqueas se han desarrollado (Stolz et al. 2006). Los
iones arsenitos (AsO33-) inhibe compuestos importantes,
deshidrogenasas tales como pirubica y α-ketoglutarato,
en procesos bioquímicos y los iones arsenatos inhiben la
formación de ATP por quimiosmosis (Stolz et al. 2006).
Sin embargo, también hay estudios que demuestran que
cierto tipo de microorganismos son capaces de tolerar
grandes cantidades de arsénico a través de un mecanismo
de eliminación de éste. Collinet y Morin (1990) observaron que la concentración de As(III) tiene un fuerte efecto
sobre el crecimiento de A. ferrooxidans y A. thiooxidans en
concentrados de pirita y arsenopirita. La disminución en la
velocidad de crecimiento ocurre a concentración de As(III)
de 10 gL-1 y estas bacterias fueron capaces de crecer hasta
concentraciones de As(V) de 40gL-1. Edwards et al. (2000)
trabajando con A. caldus sobre concentrados de arsenopirita observaron que las curvas de crecimiento bacteriano
eran erráticas y atribuyeron esto a la toxicidad del As(III)
y As(V). Hallberg et al. (1996) también observaron que el
As(III) reduce la viabilidad de A. caldus. Ellos observaron
partículas de azufre extracelular indicando que la habilidad
de A. caldus fue inhibida ante la presencia de los iones de arsénico. Estudios posteriores por Dopson et al. (2001) y Groot
et al. (2003) identificaron un gen de resistencia al arsénico
en A. caldus. Esto permite un mecanismo de eliminación
de arsénico que se produce cuando la arsenato–reductasa
(arsC) reduce el arsénico en el interior de la célula y una
bomba específica de salida de arsénico (arsB) saca éste ion,
fuera de la célula, a través de la membrana citoplasmática.
Un mecanismo similar fue identificado para A. ferrooxidans
(Butcher et al. 2000), para L. ferriphilum (Tuffin et al. 2006) y
para L. ferrooxidans (Corkhill et al. 2008) quienes observaron, también, que L. ferrooxidans es capaz de soportar una
concentración mucho mayor de arsénico, en comparación
con los demás microorganismos.
Conclusiones
Los procesos biotecnológicos presentan ventajas, comparados con los procesos convencionales, debido a: amplia
versatilidad a la hora de decidir el método indicado, el
cual puede ir desde una operación in-situ, hasta reactores
controlados con capacidad de tratamiento de alrededor de
1000 toneladas por día para oro, no produce contaminantes
gaseosos, fácil y económica neutralización y disposición
de desechos sólidos y líquidos (ambientalmente aceptados y fácilmente controlables), simplicidad y versatilidad
del diseño que permite su uso en locaciones remotas,
sin requerimientos de mano de obra muy calificada y su
puesta en marcha corta y costos de capital y operación
bajos. Además, poseen la habilidad de poder ser usados
en montajes complejos como complemento de procesos
físicos y químicos ya existentes.
Los procesos biotecnológicos aplicados a la minería son
considerados internacionalmente como una alternativa
“más limpia”, mostrando ventajas tanto desde el punto
de vista ambiental como económico. Es por esto que las
aplicaciones biotecnológicas se imponen como alternativas
con gran potencial para la solución a múltiples problemas
generados por la industria minero-metalúrgica, utilizándose mundialmente en diversos procesos como lo son
pretratamiento oxidante de materiales refractarios a la
recuperación de metales como el oro y la plata, lixiviación
61
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 53 - 65
para posterior recuperación de metales base como son el
Zn, Cu, Pb, Co, Ni y Ti, biotratamiento de diversos materiales utilizados en la industria como la desulfurización de
carbones, bioblanqueo de caolines, entre otros.
Diseño de un modelo mineralógico para la biooxidación de la arsenopirita
Dentro de un modelo cualitativo de oxidación diseñado
por los autores, Figura 5, en ambientes ricos en O2 y Fe3+,
se puede concluir que la biooxidación del sistema es un
proceso electroquímico que inicialmente consume ácido,
concurrente con una disminución inicial del potencial redox. El consumo de H+, por la protonación superficial del
mineral, es un mecanismo combinado entre las reacciones
de oxidación del Fe2+, reacción acelerada en la presencia
de A. ferrooxidans, y la disolución del sustrato en presencia
de H+, según las siguientes expresiones:
4FeAsS + 11O2 + 6H2O → 4Fe2+ + 4H3AsO3 + 4H2SO42- 2FeAsS + 7O2 + H2SO4 +2H2O → 2Fe3+ + 3SO42- + 2H3AsO4 FeAsS + 11Fe3+ + 7H2O → 12Fe2+ + H3AsO3 + 11H+ + SO42- 4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ + 2H2O (9)
(10)
(11)
(12)
Estas reacciones indican que el Fe(II) no es oxidado,
mientras que el arsénico y el azufre sí, lo cual genera sitios
activos sobre la superficie del mineral. Lo que sugiere que
la velocidad de oxidación de la arsenopirita depende de
la concentración de oxígeno disuelto y de la concentración
de Fe3+; por lo tanto, el paso determinante del proceso es
la transferencia electrónica desde la superficie del mineral
hasta el agente oxidante. El decline gradual del pH inicia
tanto por la hidrólisis del Fe3+ como por la oxidación del
S0, mediada por las bacterias, convirtiéndolo a sulfato.
Fe3+ + 2H2O → Fe(OH)2+(aq) + 2H+ (13)
Fe3+ + 2H2O → Fe(OH)2+(aq) + 2H+ (14)
3+
+
+
Fe + 3H2O→ Fe(OH)3 (aq) + 2H (15)
2S0 + 3O2 + 2H2O → 2SO42- + 4H+ (16)
Adicionalmente hay otras reacciones en competencia
con la reacción de hidrólisis del hierro, en las cuales se
forman sulfatos básicos de hierro (precursores de la
jarosita) como Fe2(OH)4SO4 ó Fe(OH)SO4, los cuales, en
presencia de cationes afines como K+, NH4+, H3O+ reaccionan para formar jarosita, de acuerdo a las siguientes
reacciones:
Fe(OH)3+(aq) + 2H+ → Fe(OH)2+ + 2H2O (17)
2+
+
22Fe(OH) + SO4 + 2H2O → Fe2(OH)4SO4 + 2H (18)
Fe(OH)2+ + SO42- → Fe(OH)SO4(19)
3Fe2(OH)4SO4 + 2(K+, NH4+, H3O+) + SO42→ 2(K+, NH4+, H3O+) Fe3(SO4)2(OH)6 (20)
+
+
3+
+
4Fe(OH)SO4 + 2(K , NH4 , H3O ) +2Fe + 8H2O
→ 2(K+, NH4+, H3O+)Fe3(SO4)2(OH)6 + 8H+ (21)
Finalmente, se propone un modelo de oxidación por
capas durante la realización de este trabajo. El modelo de oxidación muestra la formación de cinco capas
denominadas de la siguiente manera: una película de
azufre elemental, una película de óxidos de arsénico,
una película de óxidos de hierro férrico, una película de
sulfoarsenatos de hierro férrico y en la superficie más
externa amonio jarosita. Con estas cinéticas de oxidación
definidas se puede diseñar una flotación diferencial
en celda tipo Hallimond, donde se pueda definir una
separación diferencial de sulfuros como pretratamiento
biooxidante.
Figura 5. Modelo de oxidación por capas donde
se muestra la formación de
cinco capas denominadas
de la siguiente manera: una
película de azufre elemental, una película de óxidos
de arsénico, una película de
óxidos de hierro férrico, una
película de sulfo–arsenatos
de hierro férrico y en la superficie más externa amoniojarosita. Fuente propia.
62
Ospina J, et al. Aplicaciones biotecnológicas en minería aurífera
Agradecimientos
Los autores agradecen al programa de biotecnología
de Colciencias, a los laboratorios de Biomineralogía, CIMEX, preparación de rocas y carbones de la Universidad
Nacional de Colombia, sede Medellín, al laboratorio de
Ingeominas, Medellín.
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65
Biotecnología aplicada en la reproducción
de peces
Biotechnology applied in fish reproduction
Recibido: 25-05- 2011. Aceptado 11-07-2011
Mario Esteban Muñoz Gutiérrez*
Resumen
La reproducción en cautiverio es el pilar fundamental para el desarrollo de
la piscicultura como una bioindustria para la implementación de programas
de recuperación de ambientes degradados y para la manutención y preservación de las especies, lo que garantiza un seguimiento de las mismas. El
desarrollo de programas biotecnológicos relacionados con el mejoramiento de
los mecanismos para la reproducción en cautiverio de peces ha demostrado
éxito en programas acuícolas. Varias de estas biotecnologías, que tienen plena
aplicación industrial, han sido inicialmente desarrolladas en especies no tropicales, siendo indispensable que en el futuro cercano estas estrategias puedan
ser utilizadas también en peces endémicos de nuestras regiones. Teniendo
en cuenta que Colombia presenta un gran potencial de producción de peces
en cautiverio, resulta indispensable fomentar la realización de proyectos de
investigación y desarrollo, relacionados con la reproducción de las especies
piscícolas con interés comercial. De esta forma, la siguiente revisión tiene
como objetivo principal presentar algunas técnicas biotecnológicas aplicadas
a la reproducción de peces en cautiverio.
Palabras clave: Piscicultura, reproducción en cautiverio, biotecnología
Abstract
* Colombiano. Biólogo, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. M.Sc., Acuicultura, Universidade Estadual Paulista “Julio
de Mesquita Filho” (UNESP), Campus de
Jaboticabal, São Paulo, Brasil. *Grupo de
investigación sobre Morfología de Organismos Acuáticos de la Facultad de Ciencias de
la Universidade Estadual Paulista “Júlio de
Mesquita Filho” (UNESP) .E-mail: [email protected], [email protected]
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Captive breeding is the fundamental pillar for the development of pisciculture as a bio-industry for the implementation of recovery programs of degraded
environments and for the maintenance and preservation of species, ensuring
their monitoring. The development of biotechnological programs related to
improving mechanisms for captive breeding of fish, have proven successful in
aquaculture programs. Several of these biotechnologies, with a full industrial
application, have been initially developed in non-tropical species, becoming
indispensable that in the near future these strategies can also be applied in
fish endemic in our region. Colombia has a great potential to produce fish in
captivity; hence, it is essential to promote research and development projects
related to the reproduction of fish species with commercial value. Thus, the
following review seeks to present some biotechnological techniques applied
to the production of fish in captivity.
Keywords: Pisciculture, reproduction in captivity, biotechnology.
Muñoz M. Biotecnología aplicada en la reproducción de peces
Introducción
Los peces representan aproximadamente el 50 % de los
vertebrados, existen cerca de 28.400 especies que ocupan
diferentes cuerpos de agua (Nelson, 2006). El dominio
biogeográfico Neotropical, que incluye a América del Sur,
América Central y el Caribe, posee la ictiofauna dulceacuícola más diversa y rica del mundo. De acuerdo con Reis
et al. (2003), de las casi 12.000 especies de peces de agua
dulce estimadas para el planeta, aproximadamente 6.000
son encontradas en esta ecozona Neotropical, de ellas 4.475
son consideradas válidas y cerca de 1.550 son conocidas
pero todavía no descritas formalmente.
En Colombia actualmente se registran 1.357 especies de
peces dulceacuícolas,agrupadas en 16 órdenes y 51 familias
(Maldonado-Ocampo, 2006). Esta gran diversidad de vida
acuática presente en ríos, cuencas, tributarios, quebradas,
caños y lagos, ha despertado un gran interés tanto nacional
como internacional, no sólo de la comunidad científica,
sino también de empresas ligadas a la piscicultura, lo que
estimula las investigaciones relacionadas con la manutención y desarrollo, en cautiverio, de paquetes tecnológicos
de las especies con valor comercial.
En los días actuales, y en un sentido más amplio, se
usa el término acuicultura para designar la producción
de organismos con hábitat predominantemente acuático,
en cautiverio y en cualquier estado de desarrollo (Valenti,
2002). Según Garutti (2003), la piscicultura se presenta como
una modalidad de acuicultura que se puede transformar
en una excelente actividad económica rentable. Colombia
posee uno de los mayores potenciales del mundo para el
desarrollo de esta actividad, debido particularmente al
clima, diversidad de especies, cantidad de agua, tipo de
suelo y facilidad de acceso a los locales de producción.
Por otra parte, la biotecnología, según la Convención
sobre la Diversidad Biológica de las Naciones Unidas
(1992), incluye cualquier aplicación tecnológica que utilice
los sistemas biológicos, organismos vivos o derivados,
para producir o modificar productos o procesos para usos
específicos del hombre. Esto hace que, en sí misma, la
biotecnología no sea una ciencia sino un enfoque interdisciplinario que involucra varias disciplinas y ciencias:
biología, bioquímica, genética, agronomía, ingeniería,
química, medicina y veterinaria, entre otras.
La biotecnología ha sido utilizada por el hombre desde
hace miles de años para la mejora de los cultivos, tanto
vegetales como animales. Estas aplicaciones constituyen la
biotecnología tradicional, que ha sido superada en muchas
ocasiones, por la llegada de la biotecnología moderna. Esa
modernidad en la biotecnología está compuesta por una
variedad de técnicas, derivadas de la investigación en biología celular y molecular, llamadas en su conjunto ingeniería
genética, que son utilizadas para modificar y transferir
genes de un organismo a otro, con el fin, de mejorar el uso
y la producción a gran escala, de especies con algún tipo
de valor comercial (Aulinas et al. 2011).
La biotecnología y la acuicultura han tenido grandes
avances en las últimas décadas; la primera a partir de la
tecnología del ADN recombinante que permite interactuar
más íntimamente y con mayor conocimiento en la genética
de las especies. En el caso de la acuicultura, se ha incrementado cuantitativamente en las últimas cinco décadas,
gracias a una serie de aportes, entre los cuales se destaca
el de la biotecnología en diversos ámbitos como reproducción, nutrición, patología y mejoramiento genético de las
especies cultivadas (Díaz y Neira, 2005).
La biotecnología reproductiva ha sido considerada una
herramienta capaz de contribuir a la conservación de las
especies. En este contexto, el establecimiento de Bancos de
Recursos Genéticos y el uso de técnicas de reproducción
asistida, han sido sugeridas como estrategias para la conservación de especies salvajes en riesgo de extinción y de
aquellas de interés zootécnico o agrícola, con el propósito
de mantener la biodiversidad y mejorar la producción de
las especies cultivadas (Watson y Holt, 2001).
Delante de lo expuesto, el principal objetivo de este
artículo es revisar la aplicación de algunas técnicas biotecnológicas utilizadas en la producción de peces, con énfasis
en aspectos reproductivos.
Biología reproductiva de peces
En general, el ciclo reproductivo en vertebrados está
regulado por el eje hipotálamo – hipófisis – gónada (HHG),
también llamado eje reproductivo. En este eje, las gonadotropinas hipofisarias, hormona luteinizante (LH) y folículo
estimulante (FSH), son los principales agentes en el control
endocrino de la reproducción (Schally, 1978; Rolland et al.
2008; Cabrita et al. 2009).
En el eje reproductivo, los factores ambientales estimulan el hipotálamo por medio de los órganos sensoriales
ligados al sistema nervioso. Si la intensidad de los estímulos
es suficiente para eliminar el efecto inhibitorio de la dopamina, las neuronas específicas del hipotálamo sintetizan
el decapéptido GnRH (hormona liberadora de gonadotropinas), el cual induce la producción de las hormonas
LH y FSH por la hipófisis anterior. Al ser transportadas
estas dos hormonas por la corriente sanguínea, actúan en
la gónada donde estimulan la síntesis de hormonas esteroides (andrógenos, estrógenos y progesteronas), que son
los últimos efectores en el desarrollo gonadal (Swanson et
al. 2003; Cabrita et al. 2009).
En el testículo, la hormona luteinizante (LH) induce la
síntesis de 11 keto testosterona (11-KT) por las células de
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Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 66 - 72
Leydig que se encuentran en la periferia de los túbulos o
lóbulos testiculares (epitelio intersticial). Este andrógeno
(11-KT), inicia la maduración testicular y está relacionado
con las características sexuales secundarias en los machos.
Por su parte, la hormona folículo estimulante (FSH) ejerce
funciones más complejas, también estimula la producción
de andrógenos en las células de Leydig y regula la actividad
de las células de Sertoli durante la espermatogénesis. Las
concentraciones de la FSH y LH, varían durante todo el
ciclo reproductivo, así, la FSH desempeña un importante
papel regulador en los estadios iniciales de la espermatogénesis, durante el inicio de la proliferación espermatogonial,
mientras la LH está principalmente envuelta en las fases
más avanzadas de la maduración y la espermiación (Schulz
et al. 2010; Mylonas et al. 2010).
Por su parte en los ovarios, la LH y FSH estimulan la
producción de 17 β-estradiol (E2) ovárico, que a su vez
actúa sobre el hígado para iniciar y mantener la síntesis de
vitelogenina en el oocito. Anteriormente, la única función
descrita para la FSH en hembras, fue la incorporación de
vitelogenina en el oocito, aunque esta gonadotropina,
también puede estar involucrada con el reclutamiento de
oocitos en la vitelogénesis. Antes de la ovulación, la potencia de la LH en estimular la producción de 17α, 20β-P y la
ruptura de la vesícula germinativa supera en mucho a FSH.
Así, la LH parece regular la maduración final de los oocitos,
mientras que el papel de la FSH y la LH en la regulación
de la esteroidogénesis durante el crecimiento secundario
del ovócito varía entre especies (Urbinati-Criscuolo, 2005).
A partir del conocimiento del funcionamiento endocrino,
se generan biotecnologías relacionadas con los procesos
de maduración reproductiva, que adelantan o atrasan la
ovulación y la espermiación, y en consecuencia, controlan la
disponibilidad de oocitos y espermios (Díaz y Neira, 2005).
Inducción hormonal
La mayoría de las especies de peces no maduran normalmente en condiciones de cautiverio, especialmente
cuando las variables ambientales que determinan el desarrollo de gónadas y la maduración de gametos están
alteradas. En ciertas circunstancias es necesario acelerar o
retrasar la maduración, a fin de sincronizar la producción
de gametos de machos y hembras, de adelantar o desfasar
el desarrollo embrionario y la producción de juveniles, o
facilitar el cruzamiento de especies distintas que difieren
en sus periodos de maduración (Urbinati-Criscuolo, 2005).
El uso de hormonas para el control de la reproducción
en peces, se ha centrado en la inducción de la maduración
final de los oocitos (FOM), de la ovulación, la espermiación
y la desova en peces que no son capaces de completar su
ciclo reproductivo; o bien como una forma de optimizar
68
el manejo (rendimiento) productivo de una piscicultura,
adelantando el proceso de maduración, ovulación y desova
en algunas semanas. Por ejemplo, las especies migradoras
son peces que pueden ovular en cautiverio, pero no desovar. Por lo tanto, este último proceso debe ser realizado
manualmente durante los meses que se prolonga el periodo
de puesta. En estos peces, la ovulación y espermiación es
inducida artificialmente con el fin de reducir el manejo, el
estrés de los peces y las altas mortalidades producidas en
este periodo de gran manipulación (Valdebenito, 2008).
Las hormonas fueron usadas por primera vez en la
acuicultura en 1930, cuando Von Ihering inyectó hipófisis
de pez homogenizada para inducir a la maduración final y
desova de peces migradores (Donaldson, 2000). Esa técnica
continúa siendo una de las alternativas más utilizadas para
inducir la reproducción de peces reofílicos en el mundo,
siendo conocida como “hipofisación” (Streit et al. 2003;
Zaniboni Filho y Weingartner, 2007).
Debido a la poca cantidad de LH liberado por la hipófisis, los peces en cautiverio no consiguen una espermiación
completa y maduración de los oocitos. Así, las manipulaciones de las funciones reproductivas han sido realizadas
con el uso de preparaciones exógenas de LH que actúan
directamente a nivel gonadal. Las preparaciones de la
hormona luteinizante (LH) para su uso en la hipofisación
incluyen extractos homogeneizados y purificados de hipófisis de peces maduros, durante su época reproductiva
(comúnmente carpa y algunos salmonideos), que contienen
altos niveles de LH (Pillay y Kutty, 2005; Zaniboni Filho y
Weingartner, 2007).
Las glándulas colectadas deben ser almacenadas en
alcohol o deshidratadas en acetona. Al momento de ser
inyectadas, deben ser disueltas en solución fisiológica y
aplicadas mediante una inyección intramuscular o intraperitoneal (Donaldson, 2000).Las dosis utilizadas en principio
fueron de una glándula por pez macho y 1.5 glándulas
por pez hembra. Sin embargo, estas dosis no siempre han
sido efectivas debido a las variaciones en el tamaño de los
peces receptores y la concentración de GtH existentes en
las glándulas a inyectar (Patiño, 1997).Regularmente, las
cantidades a suministrar se aplican en dos o cuatro dosis
inyectadas entre algunas horas o días.
En la actualidad, las dosis suministradas han sido estandarizadas a dos inyecciones: primero, una inyección
pequeña de un 10 a 20% y segundo, una mayor, aplicada
12 a 24 horas después. Las dosis más efectivas utilizadas
se encuentran entre 2 a 10 mg de pituitaria por cada kg de
pez receptor (Zohar y Mylonas, 2001).
Durante la década del setenta, comenzó la utilización de
gonadotropina coriónica animal, especialmente de yegua
y humana (hCG), para controlar la maduración de peces
Muñoz M. Biotecnología aplicada en la reproducción de peces
(Zohar y Mylonas, 2001). Consecuentemente, la hCG ha
sido utilizada en la inducción de la desova de algunas especies cultivadas hoy en día y su éxito por lo general se ha
atribuido a una actividad semejante a la LH (Valdebenito,
2008). La ventaja de esta hormona es que obra directamente
sobre la gónada y no requiere la activación de la glándula
hipófisis; actúa así mucho más rápido e induce la maduración final del oocito, la espermiación y la puesta. Sin
embargo, la hCG puede causar inmunorreacciones en el
pez receptor, al reducir o eliminar el efecto de la hormona
en inyecciones posteriores (Patiño, 1997).
Actualmente, los métodos más modernos de inducción
a la ovulación y espermiación se han centrado en la aplicación de hormonas liberadoras de gonadotropinas (GnRH),
que inicialmente fueron de mamíferos y luego de peces.
Éstas, son moléculas pequeñas que realizan el control de
la glándula hipófisis en su producción de gonadotropinas
(LH y FSH o GtH-I y GtH-II). Con la creación de análogos de GnRH (GnRHa), que son más económicos y más
eficientes en la inducción de la maduración, fue posible
su masificación (Phelps, 2010). La inyección de GnRH o
GnRHa, que puede ser administrada mediante implantes
de liberación lenta, induce un incremento inmediato en los
niveles plasmáticos de GtH (gonadotropinas) en muchos
peces por un corto periodo, durante el cual se debe activar
la maduración final de los oocitos, la espermiación o la
desova (Valdebenito, 2008).
Conservación de gametos
La práctica en la conservación de gametos se basa en la
criopreservación de semen, conservación a corto plazo de
semen y oocitos y resfriamiento de embriones (Carolsfeld
et al. 2003; El-Battawy y Linhart, 2009). La criopreservación
consiste en el congelamiento del semen en nitrógeno limpio
para mantener su calidad por un periodo indeterminado.
Presenta ventajas en la conservación a largo plazo, sin
embargo, es un método caro, con costos de manutención
elevados (Billard, 1990).
La conservación de gametos a corto plazo consiste en la
exposición de semen y/o oocitos a temperaturas próximas
a cero durante horas o días. Puede ser realizada en condiciones de asincronismo de los reproductores durante el
proceso de ovulación, cuando se realiza la desova inducida.
Una ventaja, por tratarse de un procedimiento económico,
es que no necesita de soluciones crioprotectoras, lo cual
posibilita el resfriamiento en temperaturas de refrigeración
(1-15°C), que a su vez facilita el manejo reproductivo y
aumenta la eficiencia de la reproducción artificial (Marques
y Godinho, 2004).
Varios protocolos de resfriamiento de embriones a
temperaturas bajo cero han sido creados. Sin embargo, de
acuerdo con Rana (1995), el éxito de estocar gametos depende de factores intrínsecos, relacionados con la técnica de
colecta, procedimiento de almacenamiento, temperatura,
composición y dilución del medio diluyente y la contaminación pos colecta (Streit Jr. et al. 2007).
Oocitos
La conservación de los oocitos es realizada solamente a
corto plazo, debido a que presenta dificultades en la preparación de soluciones semejantes a la composición del fluido
ovariano y de la solución crioprotectora no tóxica para la
criopreservación (Rana, 1995; Billard, 1990).
La utilización de fluidos especiales, semejantes al fluido
ovariano, fue probada por Goetz y Coffman (2000) en oocitos de trucha arco-iris (Oncorhynchus mykiss). En ese estudio, después de dos días de almacenamiento, a 12-13°C en
solución “Cortland”, los oocitos no presentaron pérdida de
fertilidad. Por otra parte, Holcomb et al. (2005), observaron
que los oocitos de O. mykiss mantenidos a temperaturas de
0°C durante diez días en una solución con antibióticos, se
conservaron viables con una alta tasa de fertilidad.
A pesar de que los estudios están más relacionados con
la preservación de gametos a corto plazo en especies de
regiones templadas, las informaciones relacionadas con la
temperatura ideal, utilización o no del medio diluyente (natural o artificial), de antibióticos e inhibidores de proteínas,
son contradictorios. Así, son necesarios más estudios, para
que sea posible padronizar las metodologías eficientes para
el uso en las especies nativas de nuestra región neotropical.
Semen
El almacenamiento de semen se basa en la criopreservación y en la preservación a corto plazo. En la primera,
la criopreservación debe ser previamente diluida en soluciones que garanticen la protección intra y extracelular de
las células espermáticas (Rana, 1995).
Investigaciones de criopreservación con especies neotropicales presentan altas tasas de motilidad espermática
pos descongelamiento. Generalmente, el método aplicado
inicia con la exposición de paletas que contienen semen
diluido, en nitrógeno a vapor, por un período de 12-24
horas. Luego, las paletas son transferidas nuevamente
al nitrógeno líquido a temperaturas próximas a -200°C,
donde pueden permanecer por periodos indeterminados.
Para el descongelamiento, se realiza un baño-maría con
agua a diferentes temperaturas (30-65°C), durante algunos
segundos (5-15s) (Carolsfeld et al. 2003).
La conservación de semen a corto plazo puede hacerse en refrigeradores domésticos sin necesidad de un
diluyente especial (Carneiro, 2007; Marques y Godinho,
2004). Carneiro et al. (2006), al exponer semen de Rhamdia
69
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 66 - 72
quelen en refrigerador doméstico (T = 5.7 °C), observaron
que la motilidad espermática permaneció por doce días,
aunque huboreducción luego del octavo día de exposición.
Los autores verificaron también una reducción del índice
de sobrevivencia espermática a partir del quinto día de
exposición, reduciendo de 74.5% (inicial) para 15.5%.
Además, revelaron la aplicabilidad de conservación de
semen de R. quelen a corto plazo, al constatar que el semen
luego del doceavo día de exposición puede ser aplicado en
la fertilización de los oocitos, con tasas de fertilidad por
encima del 50%.
La utilización de diluyentes específicos también garantiza el éxito en el resfriamiento del semen a corto plazo.
Murgas et al. (2004), ensayaron tres diferentes diluyentes
que contienen BTS. Los autores resaltan que luego de 144
horas de resfriamiento a 4°C, el semen de Brycon orbignyanus presentó 62% de motilidad espermática.
Los resultados oriundos de investigaciones, revelan la
posibilidad de la conservación de semen de peces nativos
a corto plazo, como una alternativa simple, barata y técnicamente de fácil aplicación en sistemas comerciales de
cultivo. Sin embargo, la utilización de diluyentes específicos puede aumentar la durabilidad de los espermatozoides
(Billard y Cosson, 1992). Adicionalmente, es importante
mencionar que la temperatura debe recibir atención especial, ya que es uno de los factores responsables por la
viabilidad de los espermatozoides (Billard, 1990).
Criopreservación y trasplante de gónadas
sexualmente inmaduras
Los depósitos de germoplasma han sido establecidos
para preservar la diversidad genética de poblaciones de
peces amenazadas y en peligro de extinción (Harvey, 2000).
Debido a que la criopreservación de oocitos y embriones no
ha sido exitosa, los depósitos de germoplasma actualmente
están compuestos de stocks de semen en nitrógeno líquido.
Aunque una población extinta puede ser restablecida desde
un banco de esperma a través de la androgénesis, el genoma
citoplasmático o mitocondrial, que es enteramente de la
madre, se perdería (Thorgaard y Cloud, 1993). Una de las
estrategias de esta presente limitación es el congelar oogonias u oocitos antes de la vitelogénesis y trasplantar estas
células germinativas, sexualmente inmaduras, después de
la congelación, a un receptor apropiado para completar los
procesos de maduración gonadal (Cloud, 2003).
Testículos y ovarios, sexualmente inmaduros, de trucha arco-iris, fueron satisfactoriamente trasplantados a
receptores isogénicos (Nagler et al. 2001).En ambos casos,
las gónadas trasplantadas restablecieron el suministro de
sangre, incrementaron en tamaño y soportaron la gametogénesis. Los espermatozoides provenientes de los testícu70
los trasplantados fueron capaces de fertilizar oocitos; de
hecho, la fertilidad del esperma derivado de los testículos
trasplantados no tuvo diferencia estadística con la esperma
intacta, de los testículos control. Los oocitos de los ovarios
que fueron injertados se desarrollaron normalmente, como
fue determinado por la comparación histológica entre los
ovarios intactos y los trasplantados (Cloud, 2003b).
Trasplante de células germinativas
El trasplante de células germinativas es el único enfoque
funcional disponible para la investigación de células madre
espermatogoniales. En esta técnica, desarrollada por Brinster
et al. (Brinster y Zimmermann, 1994; Brisnter y Avarbock,
1994), espermatogonias de ratones trasplantadas fueron
capaces de colonizar y desarrollarse en testículos de ratones
receptores y formar esperma fértil con las características
genotípicas del donador. Recientemente, una investigación
similar fue desarrollada en peces, se utilizó para ello el
trasplante de células primordiales germinativas dentro de
la cavidad celómica de larvas de trucha arco-iris, Oncorhynchus mykiss (Takeuchi et al. 2003). Luego del trasplante,
estas células fueron capaces de migrar y colonizar las gónadas indiferenciadas, dando lugar a células germinativas
masculinas o femeninas, que diferenciaron las gónadas
receptoras en ovario o testículo lo que depende del sexo
de cada individuo. Adicionalmente, los machos derivados
de este trasplante fueron capaces de producir esperma con
características genéticas del donador(Takeuchi et al. 2003).
Con la misma metodología, el trasplante xenogénico
entre O. mykiss y Onchorhynchus masou fue también desarrollado exitosamente (Takeuchi et al. 2004). Okutsu et al.
(2006), han mostrado la producción de oocitos desde espermatogonias trasplantadas dentro de la cavidad celómica
de las larvas de O. mykiss, con estos resultados se ilustra la
plasticidad y la capacidad bipotencial de las células espermatogoniales (células germinativas tempranas) en peces.
Otros hallazgos que usan esta metodología, han sido
recientemente publicados. Por ejemplo, la producción de
trucha arco-iris viable, derivada del trasplante de células
primordiales germinales criopreservadas, producto de la
descendencia de trucha después del trasplante de células
germinales a salmones triploides, y trasplantes xenogénicos
usando goldfish y pez cebra (Kobayashi et al. 2006; Okutsu
et al. 2006, 2007; Saito et al. 2008).
Basado en estudios de mamíferos se han conducido
investigaciones para el trasplante viable de células germinativas directamente dentro del testículo, vía papila
genital y ducto espermático común. En estos estudios,
con uso de la tilapia del Nilo (Oreochromis niloticus) como
receptor, la espermatogénesis endógena fue agotada antes
del trasplante, para ello se emplearon sustancias de quimio-
Muñoz M. Biotecnología aplicada en la reproducción de peces
terapia, asociadas a altas temperaturas del agua (~35°C)
(Lacerda et al. 2006).
Por lo tanto, similar a los mamíferos fue desarrollada
una gran variedad de experimentos en peces para evaluar
la biología de las células madre espermatogoniales. Esto
ofrece, por su parte, una oportunidad única para el estudio
de la biotecnología en la acuicultura, y proporciona de
este modo posibilidades interesantes para transgénesis, y
preservación de especies endógenas y el stock genético de
animales con valor zootécnico (Nóbrega et al. 2009).
Conclusiones
En la actualidad hay una variada gama de biotecnologías disponibles para piscicultores, cuya aplicación puede
producir efectos favorables para incrementar la capacidad
productiva de especies económicamente importantes. Varias de estas biotecnologías tienen aplicación industrial, y
su factibilidad ha sido demostrada en una amplia gama de
especies. Sin embargo, existe la necesidad de fomentar la
realización de trabajos conjuntos y proyectos de investigación y desarrollo, para desenvolver y transferir las nuevas
tecnologías, utilizando como especies objetivo los peces
endémicos de Colombia.
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Pequeñas y microcentrales hidroeléctricas:
alternativa real de generación eléctrica.
Small and micro hydroelectric power plants: a real alternative for electricity
generation
Recibido: 25-07-2011 Aceptado : 08-11-2011
Fabio Emiro Sierra Vargas1,
Adriana Fernanda Sierra Alarcón2
Carlos Alberto Guerrero Fajardo3
Resumen
En este papel se pretende exponer la revisión realizada a la información existente de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (PCH), concentrando la descripción
en tres aspectos: las turbinas más usadas, las características de los generadores
y una breve descripción de la legislación colombiana respecto a la pequeña generación. Esta revisión también abarca una corta descripción de los elementos
constitutivos y del desarrollo de las PCH en Colombia.
Palabras clave: PCH, microturbinas, energías renovables
Abstract
This paper exposes revisions made of existing information on Small Hydroelectric Plants (SHPs), focusing the description on three aspects: turbines
most commonly used, characteristics of generators, y a brief description of Colombian legislation regarding small generation. This review also includes a brief
description of the constituent elements y the development of SHPs in Colombia.
Keywords: PCH, microturbines, renewable energies
Profesor Asociado Departamento de
Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia Director
del grupo de Investigación “Mecanismos
de desarrollo limpio y gestión energética”
GRIN
[email protected]
2
Estudiante Maestría en Ingeniería Mecánica
Departamento de Ingeniería Mecánica y
Mecatrónica, Universidad Nacional de Colombia Miembro del grupo de Investigación
“Mecanismos de desarrollo limpio y gestión
energética” GRIN
[email protected]
3
PhD en Ingeniería Mecánica, Ingeniero
Ambiental, Ingeniero Químico, Profesor
Asociado del Departamento de Ciencias.
Universidad Nacional. Sede Bogotá.
[email protected]
1
Introducción
Debido a los pronósticos del fin de las reservas petroleras en el mundo, la
contaminación producida por la generación de las energías más utilizadas y,
en consecuencia, la necesidad de cuidado, reparación y conservación del medio ambiente, en la última década se ha venido impulsando la investigación,
estudio y desarrollo de propuestas tecnológicas para la obtención de nuevas y
mejores formas de generación energética. Estas propuestas, a menudo denominadas energías alternativas, buscan complementar los sistemas tradicionales y
dar paso a la llamada generación distribuida (Singh, 2004) y sustituir fuentes
contaminantes o poco eficientes. Dichas propuesta deben garantizar, que en un
futuro cercano, se cuente con soluciones energéticas sencillas, que perduren
en el tiempo, con un mínimo impacto ambiental, bajos costos y en cantidades
que satisfagan la creciente demanda energética que se genera con el desarrollo
económico e industrial.
73
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 73 - 85
Estas iniciativas han sido respaldadas por universidades
y empresas, y en este sentido la Universidad Nacional de
Colombia cuenta con diversos grupos de investigación
como el Grupo de Mecanismos de Desarrollo Limpio y
Gestión Energética GRIN que ha orientado su labor a dar
respuesta a las siguientes preguntas:¿cómo reemplazar los
recursos energéticos que no son renovables y que a la vez no
sean contaminantes?, ¿cómo fabricar productos energéticamente eficientes?, ¿cómo reutilizarlos o multiplicar su uso?,
¿cómo ahorrar y recuperar la energía?, ¿cómo suministrar
energía a zonas apartadas energéticamente? Para responder a estos interrogantes se han estudiado alternativas de
generación a partir de energía solar, energía eólica, biomasa
y sistemas de energía hidráulica implementados a pequeña
escala y conocidos como PCH.
Las PCH o pequeñas centrales hidroeléctricas son sistemas de generación con capacidad hasta de 10 MW que a
partir de la energía del flujo de agua, sin necesidad de grandes represamientos, abastecen pequeños asentamientos
humanos y tiene implementaciones en casi todo el mundo.
En Colombia, gracias a sus características hidrográficas, el
sistema interconectado de generación eléctrica tiene cerca
de 10.000 MW de capacidad instalada de generación, con
una composición de 80% en plantas hidroeléctricas y 20%
en plantas termoeléctricas (Smith, 1997) y en las diferentes
regiones del país se encuentran montajes de PCH en los
cuales se han instalado turbinas hidráulicas en pequeñas
derivaciones (Figura 1), sobre los cauces de los ríos, e incluso se han implementado en las redes de distribución (PCH
Santa Ana del Acueducto de Bogotá (Figura 1).
Con la generación de energía a partir de pequeñas
centrales hidroeléctricas PCH, se busca dar suministro a
zonas aisladas en las que llevar una línea de interconexión
del sistema eléctrico principal puede ser muy costoso
(Demetriades, 2000) aunque también estas PCH pueden
ser conectadas directamente a la red eléctrica principal si
se sigue la regulación correspondiente.
Figura 1 PCH en Colombia
74
Dentro de la labor cumplida por el grupo en el área de las
PCH, se han desarrollado pequeños bancos experimentales
con el objeto de realizar diferentes ensayos y pruebas de
laboratorio para:
– Caracterizar los sistemas de generación hidroeléctrica:
determinar potencia hidráulica, mecánica, eléctrica,
pérdidas y eficiencias.
– Simular el funcionamiento real de las turbinas con utilización del principio de semejanza al escalar el tamaño
de estas.
– Observar el comportamiento real de microturbinas y
picoturbinas en aplicaciones de generación hidroeléctrica.
– Analizar el comportamiento de cada uno de los elementos del sistema de generación.
Marco de referencia
La energía hidroeléctrica fue una de las primeras formas usada para producir electricidad y en la actualidad
es la segunda fuente y la forma más generalizada para la
obtención de energía eléctrica. Con esta fuente energética
se aprovecha la transformación de la energía potencial del
agua almacenada en un nivel superior, en energía cinética
al fluir a un nivel inferior, para generar trabajo sin causar
mayores efectos contaminantes, con un recurso renovable
como es el agua. Dentro de sus principales desventajas está
la dependencia de niveles de agua dados por condiciones
meteorológicas de lluvia y sequía, el alto impacto ecológico en algunos casos y los altos costos por la necesidad de
construcciones de obras civiles como represas y embalses y
los estudios previos de factibilidad usualmente efectuados
para las grandes centrales.
Las centrales hidroeléctricas se pueden clasificar de
acuerdo con el tipo de embalse así: de agua fluyente, de
embalse, de bombeo y mareomotrices. Según la altura
de la fuente o cabeza hidráulica: en pequeñas cuando
el salto es menor a 15 metros, medianas cuando el salto
Sierra, F.; Sierra, A.; Guerrero, C. : Pequeñas y micro centrales hidroeléctricas: Alternativa real de generación eléctrica.
Las pequeñas centrales –PCH a su vez se subdividen
en pico, micro, mini y pequeña generación, y aunque los
rangos pueden variar según el país y la organización ya que
no se ha establecido un criterio único para la subdivisión,
en Colombia los intervalos establecidos por la Comisión
de Regulación de Energía y Gas-CREG son los siguientes
(Tabla 2):
hidroeléctricas, en conjunto con los pequeños generadores
eólicos y fotovoltaicos pueden ser sistemas económicamente atractivos, en comparación con la extensión de redes
para facilitar el acceso a la electricidad en pequeñas aldeas
remotas. (Nouni, 2009).
Los costos específicos de las pequeñas centrales hidroeléctricas varían desde 400 hasta 800 USD por 1 KW
de capacidad instalada, las cargas en el transporte y las
instalaciones pueden incrementar el valor entre 600-1200
USD por KW. Generalmente estos gastos se determinan por
las condiciones del emplazamiento, la tecnología utilizada,
las facilidades de transporte, etc. En estos gastos, de un
30% a un 50% corresponde a obras civiles, el equipo electromecánico de 20% a 35%, el sistema de transmisión 10%
a 25% y la parte de ingeniería y administración de un 5%
a un 15%. Internacionalmente, los gastos de las pequeñas
centrales hidroeléctricas instaladas se espera que estén
entre USD 2.000 y USD 3.000 por kW, lo cual depende del
terreno. (Sariev, y otros, 2006)
Tabla 2. Clasificación de las PCH, según la CREG.
Panorama mundial
está entre 15 y 50 metros y grandes cuando es de más de
50 metros. Y según la cantidad de energía hidroeléctrica
han sido clasificadas en grandes, medianas y pequeñas
centrales (Tabla 1).
Tabla 1. Clasificación de las centrales hidroeléctricas
Potencia
Tipo
0,1 – 0,999 MW
Pequeñas centrales PCH
1 – 9,99 MW
Medianas
> 10 MW
Pequeña central
Potencia
Tipo
0 – 100 kW
Microcentral
100 – 1000 kW
Minicentral
1000 – 10000 kW
Pequeña Central
En la Tabla 3 se presentan los rangos utilizados por la
Organización Latinoamericana de Energía OLADE.
Tabla 3. Clasificación de PCH según la OLADE
Potencia
Tipo
Bajo
Salto
Medio
Alto
0.5 – 5 KW
Picocentral
N.A.
5 – 50 KW
Microcentral
< 15
15-50
>50
50 – 500 KW
Minicentral
< 20
20-100
>100
500 – 5000 KW
Peq. Central
< 25
25-130
>130
Las pequeñas centrales hidroeléctricas-PCH empezaron
su expansión a principios del siglo XX, caracterizándose por
ser tecnologías sencillas, de fácil adaptación e instalación,
reducido costo de operación y mantenimiento (Ortiz Flórez,
2001), moderado o nulo impacto ambiental y larga vida
útil, haciéndolas soluciones viables para pequeñas poblaciones no interconectadas con condiciones de topografía,
pluviometría e hidrológica convenientes, que pueden reemplazar los generadores de diésel o incluso suministrar,
por primera vez, electricidad a comunidades aisladas, para
reducir la necesidad de abastecimiento de combustibles
fósiles e impulsar el desarrollo socioeconómico en el medio
rural (hidroeléctricas, 1994) Adicional a que estas micro-
Para el 2001, Canadá, China, Brasil, Estados Unidos y
Rusia fueron los responsables de casi el 50% de toda la
producción mundial de energía hidroeléctrica (AIE, 2003),
y China el país con la mayor producción por PCH con un
11% (13.25 GW) del total de su producción, seguido muy
por debajo por Estados Unidos con un 4% (3,42GW).
En Suramérica, se destaca Brasil con un 0,2% (0.483GW),
en Centro América, Costa Rica con 4,2% (21.3MW) y en la
Unión Europea, Italia (Figura 2). Dentro de las proyecciones
encontradas Brasil tiene un crecimiento planeado en pequeñas centrales de 40 MW, Costa Rica 24MW y Perú 10 MW.
Figura 2 . Potencia instalada con PCH en el mundo (EurObserv’ER, 2010)
75
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 73 - 85
Panorama colombiano
Para el Banco Mundial, Colombia es el cuarto país con
más recursos hídricos con un caudal promedio de 66.440
m3/seg, equivalente en términos generales a un volumen
anual de 2.113 km3 en un área total de 1.141.748 km2, teniendo en la región nororiental los menores volúmenes hídricos
y la región Pacífico occidental los volúmenes más altos.
(Ochoa Rubio, 2002). Entre las cuencas más destacadas está
la del Río San Juan y Patía, de la vertiente del Pacífico con
10% del caudal promedio nacional; ríos Magdalena, Cauca,
Atrato y Bogotá de la vertiente del Caribe con 24%; ríos
Orinoco, Arauca, Meta, Vichada y Guaviare, de la vertiente
de la Orinoquia con 32%; ríos Amazonas, Caquetá, Vaupés, Putumayo de la vertiente de la Amazonia, con 34%.
(Martínez, 2005) (Figura 3).
el 7% correspondía a producción por pequeña generación
PCH (UPME, 2009).
En Colombia, las primeras pequeñas centrales hidroeléctricas datan de 1889, con plantas en Bogotá, Bucaramanga
y Cúcuta y algunas implementaciones para abastecimiento
de energía en fincas. Para 1930 se tenían plantas a filo de
agua que suministraban 45 MW, desarrollo que continuó
hasta 1960. Sólo hasta después de la crisis energética de
la década del setenta del siglo pasado, se retomaron los
estudios e investigaciones y las implementaciones de
hidroeléctricas a pequeña escala. En la Tabla 4 se presenta
la capacidad instalada de PCH en Colombia (Instituto de
Ciencias Nucleares y Energías Alternativas, 1997) 217 PCH
concentradas principalmente en Antioquia y Santander:
(Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativa,
1997) (Figura 4)
Figura 4. Potencial hidroeléctrico instalado con PCH por departamentos
Tabla 4. Capacidad instalada de PCH en Colombia (Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas, 1997)
Figura 3. Porcentaje del caudal promedio nacional por vertiente
(Martínez, 2005)
En el potencial hidráulico para 1991, Colombia se ubicaba en una sexta posición mundial, con 118 GW para 351
ríos inventariados (Ochoa Rubio, 2002) del cual, el 79% es
aprovechable para proyectos de más de 100 MW, el 17%
para centrales medianas (10 MW) y un 5% para PCH, es
decir, 5,9GW. Y respecto al potencial total instalado en
Colombia, el 64% de la energía eléctrica, 13,4 GW, proviene
de centrales hidroeléctricas, de los cuales para el año 2005,
76
Departamento
Antioquia
Boyacá
Caldas
Caquetá
Cauca
Chocó
Cundinamarca
Huila
Meta
Nariño
Putumayo
Quindío
Risaralda
Santander
Tolima
Valle
Total
PCH
38
8
23
1
12
1
13
9
3
98
3
7
3
24
8
17
193
Capacidad Instalada KW
17.191
5.005
17.192
45
11.140
2.000
14.765
9.865
628
9.836
714
11.915
6.570
30.852
11.211
16.810
168.517
Sierra, F.; Sierra, A.; Guerrero, C. : Pequeñas y micro centrales hidroeléctricas: Alternativa real de generación eléctrica.
De acuerdo con el plan de expansión de referencia 20092023, publicado por la UPME, se tiene planeado instalar
85.3 MW generados a partir de PCH que entrarían a operar
antes del 2013. (Tabla 5) (UPME, 2009)
Tabla 5. Proyecciones de expansión de PCH (UPME, 2009)
Nombre
Amaime
Coello 1,2,3
Caruquia
Guanaquitas
Trasvase Guarinó
Barroso
Trasvase Manso
Neusa
El Popal
Capacidad (MW)
Turbina
19.9
3.7
9.5
9.5
-19.9
-2.9
19.9
Francis
Kaplan
Francis
Francis
-Pelton
--Francis
Según la legislación de las PCH, el uso de energías
renovables en Colombia fue estimulado por medio de la
Ley 697-2001 (Ley de Energías Renovables), “mediante la
cual se fomenta el uso racional y eficiente de la energía,
se promueve la utilización de energías alternativas”, por
medio de estímulos para la investigación a través de
Colciencias y préstamos para educación por medio del
Icetex. En esta Ley, además, se crea Proure: Programa de
Uso Racional y Eficiente de la energía y demás formas
de energía no convencionales, cuyo objeto es aplicar gradualmente programas para que toda la cadena energética
cumpla permanentemente con los niveles mínimos de
eficiencia energética, sin perjuicio de lo dispuesto en la
normatividad vigente sobre medio ambiente y recursos
naturales renovables.
En este contexto, el gobierno colombiano a través del
Ministerio de Minas y Energía es el responsable del cumplimiento de esta ley a través de sus entidades adscritas
como la Unidad de Planeación Minero Energética UPME,
el Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones
Energéticas para las Zonas No Interconectadas IPSE y la
CREG, la cual en lo que respecto a la operación de las PCH
ha regulado que:
A. Para la operación de las plantas menores a 10 MW en
el sistema de transmisión nacional STN si son interconectadas debe estar bajo la siguiente reglamentación:
Estas plantas no tendrán acceso al despacho central y
por lo tanto no participarán en el mercado mayorista
de electricidad. La energía generada por dichas plantas puede ser comercializada, teniendo en cuenta los
siguientes lineamientos:
La energía generada por una planta menor puede ser
vendida a una comercializadora que atiende mercado
regulado, directamente, sin convocatoria pública, siempre y cuando no exista vinculación económica entre el
comprador y el vendedor. En este caso, el precio de
venta será única y exclusivamente el precio en la Bolsa
de Energía en cada una de las horas correspondientes,
menos un peso moneda legal ($ 1.oo) por kWh indexado
conforme a lo establecido en la Resolución CREG-005
de 2001. La energía generada por una planta menor
puede ser ofrecida a una comercializadora que atiende
mercado regulado, participando en las convocatorias
públicas que abran estas empresas. En este caso y como
está previsto en la Resolución CREG-020 de 1996, la
adjudicación se efectúa por mérito de precio. La energía
generada por una planta menor puede ser vendida, a
precios pactados libremente, a los siguientes agentes:
usuarios no regulados, generadores, o comercializadores que destinen dicha energía a la atención exclusiva
de usuarios no regulados.
B. Para la operación de las plantas menores de 10 MW en
zonas no interconectadas ZNI no interconectadas al
STN, deben cumplir los siguientes requisitos:
a) Calidad de la potencia: supone contar con equipos
para el monitoreo de los valores de frecuencia y
magnitud del voltaje, mantener la frecuencia dentro de un rango de más o menos el 1% del valor
nominal de la frecuencia en los bornes de generación, mantener la tensión del voltaje dentro de un
rango de más o menos el 10% del valor nominal
del voltaje. Contar con los medios necesarios para
obtener registros que permitan observar de manera horaria los valores de frecuencia y magnitud del
voltaje, con una antigüedad de por lo menos tres
meses, de manera que sea posible su vigilancia por
parte de la Superintendencia de Servicios Públicos.
b) Calidad del servicio técnico: Hasta que no se regule
lo contrario, para aquellas localidades con servicio
las 24 horas, el índice de desconexiones del servicio
(DES) no podrá superar los índices vigentes para
el grupo 4 de calidad del SIN.
Elementos constitutivos principales de una PCH
Las pequeñas centrales hidroeléctricas PCH están constituidas básicamente por una pequeña fuente energética
con sus respectivas obras civiles para su adecuación y
manipulación, un sistema de transformación de la energía
hidráulica en energía mecánica que casi siempre es una
turbina, el sistema para transformar la energía mecánica
en energía eléctrica y un conjunto de equipos auxiliares
(Figura 5)
77
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 73 - 85
Figura 5. Elementos constitutivos de una PCH (Aprotec)
Fuente energética y obras civiles
En las PCH la fuente de energía está constituida por un
flujo del agua que por medio de obras civiles es conducida
a los centros de generación o casa de máquinas, lo cual
puede ser realizado mediante una canal de derivación, con
un pequeño embalse, como una combinación de ambos o
directamente sobre el cauce del río, como se observa en
la Figura 6 .
En las PCH el sistema más utilizado es por derivación:
parte del caudal del río se desvía a través de un sistema de
obras civiles (Figura 5) compuesto por una bocatoma, un
desarenador, una cámara de carga y por último una tubería
de presión. La construcción de estas obras civiles implica
considerar aspectos topográficos y geológicos, condiciones
hidrográficas, condiciones sociales, vías de acceso y facilidades de comunicación, existencia de estudios previos de la
zona de precipitaciones y caudales de por lo menos un año
para evaluar la vida útil del proyecto y los costos asociados.
De esta fuente energética, compuesta por los cauces de
ríos y las caídas de agua es posible tomar la energía para
Figura 6. Ejemplos de implementaciones de PCH (2008)
78
transferirla a la turbina, la cual se denomina el potencial
hidroeléctrico o potencial hidráulico y depende del caudal
y de la altura desde la cual cae el fluido. Se calcula como:
Donde r es la densidad y depende del fluido utilizado,
g es la aceleración debido a la fuerza de gravedad (9,81 m/
s2), h la altura desde la que se toma el agua y la boca de la
turbina y Q es el caudal o la relación de flujo volumétrico
del fluido por unidad de tiempo.
Elemento generador de energía mecánica
En un sistema de microgeneración de energía hidroeléctrica, el elemento que trasforma la energía potencial del
fluido en energía mecánica por lo general es una turbina
hidráulica que de manera sintetizada se puede describir
como un conjunto compuesto por: el rodete con una serie
de alabes o paletas y que gira ante el impacto del chorro
de agua; el estator, que es un elemento fijo el cual en cada
tipo de turbina puede regular el caudal, direccionar el flujo,
Sierra, F.; Sierra, A.; Guerrero, C. : Pequeñas y micro centrales hidroeléctricas: Alternativa real de generación eléctrica.
transforman la energía de presión en energía cinética y una
carcasa que cubre y soporta los elementos que la componen.
Las turbinas se clasifican en dos grandes grupos: de
acción o presión constante como la Pelton, Turgo y Michell
Banki y las de reacción o presión variable, como la Axial
(bulbo, tubular, y de flujo), la Francis y la Kaplan. También
pueden ser clasificadas de acuerdo con la dirección del
flujo: radial, semiaxial, axial, tangencial y transversal, lo
cual determina la forma del rotor. En microgeneración es
común encontrar turbinas Pelton, Michell-Banki y Axiales,
que son las más sencillas de fabricar y abarcarían toda la
gama posible de combinación de saltos y caudales.
Los parámetros energéticos y constructivos fundamentales de cualquier turbina son (Mataix Plana, 1982):
• HN: caída neta [m]
• N: velocidad de rotación [rpm]
• Q: caudal de diseño [m3/s]
• D: diámetro nominal rodete [m]
• Pm: potencia mecánica [KW]
• Ns: velocidad específica
• hT: eficiencia turbina
La potencia mecánica mide la energía disponible en el eje
de la turbina, producto de la transformación de la energía
hidráulica, y depende de la velocidad angular y del torque
alcanzado por el impacto del agua. Se calcula como:
Donde w es la velocidad angular y t es el torque.
La eficiencia en la turbina se calcula como la relación entre la potencia disponible en el fluido y la potencia mecánica
a la salida de la turbina o potencia en el eje:
La selección de la turbina adecuada depende de la altura
y el caudal disponible combinados con la potencia eléctrica
demandada. Existen diversos gráficos que sirven como guía
para la selección de la turbina, de acuerdo con las condiciones de la zona, como el que se muestra en la Figura 7:
Figura 7. Selección de turbinas hidráulicas (Instituto de Ciencias de la Naturaleza, 2010)
79
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 73 - 85
En Colombia las turbinas más utilizadas en las implementaciones de PCH son Francis y Pelton, como se lee en
la Tabla 6:
Tabla 6. Turbinas Instaladas en PCH en Colombia [8]
Tipo de turbina
PCH
Potencia Instalada KW
Francis
61
69.008
Pelton
54
58.435
Combinados (P y F)
9
13.506
Michell Banki
7
245
Otros
3
1.383
Sin información
Total
59
25.940
193
16.8517
Turbina Michell Banki
También conocida como de flujo cruzado fue patentada
en 1903 (Figura 9), es una turbina de acción, de flujo radial
centrípeto-centrífugo, de flujo transversal, de doble paso
y de admisión parcial. Son utilizadas en pequeñas caídas
(3 m) y su potencial eléctrico puede llegar a los 10.000 KW.
Respecto a la tecnología de las turbinas, estas datan de
1800 y sus avances en técnicas de equipos y construcción
son modestos, por lo tanto no han variado significativamente y han operado con eficiencias entre el 85% y 95%;
la investigación se ha enfocado a aumentar esta eficiencia
y tener mayores velocidades de rotación. (Guayacundo W.
Pachón O.L., 1999) En conjunto, los mayores avances de las
pequeñas centrales están en la automatización y el control.
Turbina Pelton
Patentada en 1880, es una turbina de acción, de flujo
tangencial y de admisión parcial. Opera de forma eficiente
en condiciones de grandes saltos y bajos caudales, se emplea en grandes y pequeñas hidrocentrales (Guayacundo
W. Pachón O.L., 1999).
Está constituida básicamente por el rodete (Figura 8) que
es un disco con unas cucharas montadas en su periferia y
un inyector en forma de tobera de sección circular, que en
algunos casos cuenta con una aguja en su interior y con una
placa deflector para desviar el chorro. Se caracteriza por ser
de configuración sencilla, compacta y de fácil accesibilidad
para la inspección y el mantenimiento (Ortiz Flórez, 2001)
Figura 9. Disposición general de una turbina de flujo cruzado
Aunque presente rendimientos inferiores a los tradicionales, la turbina de flujo cruzado es de las más sencillas y al igual
que la Pelton es de fácil construcción, instalación, operación y
mantenimiento, además de su bajo costo, ya que no depende
de piezas fundidas, y puede ser fabricada en talleres que
dispongan de máquinas herramientas simples y máquinas de
soldadura, sin necesidad de supervisión meticulosa (Gonçalves de Mello, et. al, 2007) Los valores de eficiencia alcanzados
por esta turbina son de los más bajos y se compensan con el
amplio rango de caudales que puede manejar con solo variar
la longitud de sus álabes (Ortiz Flórez, 2001)
Turbina axial
Figura 8 Sistema de alimentación y rodete de turbina Pelton (Ivanrick, 2009)
80
En este tipo de turbinas (Figura 10), se encuentra una
amplia variedad de diseños: turbina de hélice, la turbina
Kaplan, la tubular y la bulbo. Se caracterizan porque la
dirección de la proyección de los chorros de agua sobre los
álabes del rodete es paralela al eje de rotación y alcanzan
altas eficiencias en manejo de grandes caudales (600 m3/s).
Fue desarrollado por Hune en 1921, con ajustes posteriores
de Hugelin y Harza. (Instituto de Ciencias Nucleares y
Energías Alternativa, 1997)
Sierra, F.; Sierra, A.; Guerrero, C. : Pequeñas y micro centrales hidroeléctricas: Alternativa real de generación eléctrica.
Figura 10. Disposición general de una turbina axial (Sánchez y otros,
2003)
El bajo costo de fabricación, le permite ser una opción
competitiva frente a otras tecnologías y por tanto de fácil
acceso por parte de las poblaciones rurales. Aunque no tan
sencilla como la Michell es posible fabricarla en pequeños
talleres con las herramientas y equipos básicos. Es de fácil
operación y de bajo costo de mantenimiento. (Sánchez et. al)
Elemento generador de energía eléctrica
La energía mecánica es transformada en energía eléctrica
por medio de un dispositivo que toma la energía rotacional
del eje de la turbina y genera un campo magnético rotatorio
en su interior, lo que induce un voltaje en sus terminales
y por lo tanto energía eléctrica. Esta energía, denominada
potencial eléctrico, se calcula de acuerdo con el voltaje
inducido V y la corriente I que circula por el devanado:
Los generadores pueden ser clasificados como síncronos
y asíncronos y se diferencian, entre otras características,
por la velocidad a la cual trabajan. La gran mayoría de
sistemas tradicionales de generación eléctrica, funcionan
con generadores sincrónicos, sin embargo, el uso de generadores de inducción se está incrementando principalmente
en sistemas alternativos como la microhidrogeneración, en
especial, debido su sistema sin escobillas, a su construcción
robusta, bajo costo, simplicidad en mantenimiento y en
operación, autoprotección contra fallas, buena respuesta
dinámica y la capacidad de generar potencia a partir de una
velocidad variable (Singh, 2004) que determina la corriente
y el voltaje del sistema.
Debido a que las pequeñas centrales hidroeléctricas
buscan ante todo, suministrar energía eléctrica a zonas
aisladas, estos generadores de inducción deben ser de tipo
auto-excitado (GIAE), ya que de esta forma no se requiere
una alimentación DC externa para el sistema y ante la caída
de voltaje cuando existe una corriente de corto-circuito
se reduce automáticamente la corriente de excitación, e
igualmente la corriente de corto circuito. (Singh, 2004) Sin
embargo, se debe considerar que estos generadores de
inducción no tienen una buena regulación de frecuencia y
de voltaje, que se puede mejorar si se utiliza un banco de
capacitores a la salida (Figura 11) (Murthy et al., 1998) y
de este modo alimentar la potencia reactiva que requiere
para su funcionamiento. Aquí se aprecia la forma en la
que el voltaje se controla ajustando el valor del capacitor
de excitación. (Singh, 2004)
La eficiencia del generador se calcula como la relación
entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica entregada
por el generador:
La relación entre la potencia eléctrica y el potencial
hidráulico es la eficiencia total del sistema, refleja el total
de las pérdidas en el sistema y muestra la imposibilidad
real de transformar toda la energía hidráulica en energía
eléctrica. Esta eficiencia, en condiciones óptimas, puede
estar entre un 75% y un 85%.
Figura 11. Diagrama de microgeneración eléctrica con generador
autoexcitado. (Murthy, et. al, 1998)
Es claro que la energía de entrada de este tipo de generación se obtiene de una pequeña caída de agua. Este aspecto
hace que se pueda aprovechar toda la energía, puesto que
no puede ser fácilmente almacenada y puede ser convertida
en su totalidad en energía eléctrica, con lo que se evitaría
la necesidad de implementar un sistema de control para
la turbina (Murthy, et al., 1998). La cantidad de potencia
que es demandada por los consumidores, se compensa al
81
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 73 - 85
tener un control de carga en paralelo. Dado que la potencia
entregada por el generador es, en principio, constante, se
puede controlar la falta/exceso de potencia a través de este
mecanismo (Murthy, et al., 1998). Existen otros diagramas
de conexión similares, para pequeñas centrales hidroeléctricas PCH que debe ser seleccionado de acuerdo con la
situación específica y a juicio de los ingenieros el analizar
cuál es el sistema óptimo.
Equipos auxiliares
Dentro de los equipos podemos nombrar la subestación, las líneas de transmisión, el sistema de válvulas, el
regulador de velocidad (servomecanismo que mantiene
constante la velocidad de giro de la turbina y por lo tanto
la frecuencia de la energía eléctrica), la trasmisión mecánica
y el equipo de control y mando.
Implementaciones realizadas
Como anteriormente se enunció, el comportamiento
de un conjunto turbina generador de un sistema de generación se puede probar en bancos experimentales, por lo
cual dentro del trabajo del grupo de investigación GRIN
se fabricó un primer equipo (Figura 12) para realizar diferentes ensayos de laboratorio y reconocer las condiciones
de funcionamiento de un sistema de microgeneración
hidroeléctrica por medio de la construcción de las curvas
características como parámetro de comparación.
Este primer banco (Figura 12), fue equipado con un
rodete tipo pelton (1) como turbina, un alternador (5)
de automóvil como generador, un juego de bombas para
suministrar el potencial hidráulico (1) y un sistema de
trasmisión por correa (4).
Las dos bombas de idénticas características hidráulicas,
son capaces de suministrar diferentes combinaciones de
caudal y presión: desde 10 litro/min hasta 90 litros/min
y desde 22 m hasta 34 m. Las diferentes condiciones son
posibles de obtener gracias a la configuración de la red de
tuberías implementadas en el banco, que permiten colocar
a funcionar las bombas en serie y en paralelo y por lo cual
también es posible hacer pruebas didácticas para la caracterización y determinación de las curvas características de
las bombas. Adicionalmente, se cuenta con una variador
de frecuencia para modificar el caudal que se entrega en
una de ellas.
El rodete tipo Pelton (Figura 13) , está constituido por
un disco de acero inoxidable de 270 mm diámetro, sobre
el cual se soldaron en su borde exterior doce cucharas para
un diámetro exterior de 320 mm de diámetro, la carcasa es
de lámina doblada y soldada, con tapa lateral de acrílico
transparente. El sistema de alimentación de agua se realizó
por medio de una tobera con un diámetro menor de 7mm
sin aguja en su interior. El eje de 25,4 mm de diámetro y
en acero inoxidable dispuesto en voladizo, está soportado
por dos rodamientos unidos al tanque de agua que a la vez
es la base del banco.
La transmisión mecánica (Figura 13) que une el generador con el eje de la turbina es una trasmisión de correa
polea, en la cual la polea conductora tiene un diámetro de
240mm, la polea conducida un diámetro 80mm para una
relación de transmisión de 1/3, la distancia entre ejes es de
265mm y se utilizó una correa convencional en V.
Figura 13. Grupo turbogenerador
Figura 12. Banco de pruebas de microgeneración hidroeléctrica.
Laboratorio Plantas Térmicas y energías renovables. Universidad
Nacional de Colombia. Sede Bogotá
82
En este montaje se utilizó como generador un alternador de carro (Figura 13) el cual proporciona una salida
máxima de 12V DC que depende de la velocidad angular
que le trasmite la turbina. El tipo de generador utilizado
necesita de una fuente externa de alimentación para su
correcto funcionamiento, por lo cual se utilizó una batería
de 12 V.
Sierra, F.; Sierra, A.; Guerrero, C. : Pequeñas y micro centrales hidroeléctricas: Alternativa real de generación eléctrica.
Para la medición de las variables de entrada, se implementaron manómetros convencionales a la salida de las
bombas y a la entrada de la turbina antes de la tobera, para
la medición de la presión. El caudal se midió con recipientes
calibrados mediante aforos del flujo de agua turbinado. La
velocidad de rotación de la turbina se midió con un tacómetro digital portátil de contacto y el torque con un freno
prony constituido por una mordaza de Empack y un brazo
de aluminio que transmite la fuerza a una balanza eléctrica.
Para la determinación de la potencia eléctrica, se midió el
voltaje y la corriente con un multímetro digital. (Figura 14)
Figura 15. Banco de pruebas de microgeneración hidroeléctrica.
Laboratorio Plantas Térmicas y energías renovables. Universidad
Nacional de Colombia. Sede Bogotá
Figura 14. Medición de variables: voltaje, torque y rpm
En este banco se llevaron a cabo pruebas para determinar
la eficiencia total del sistema para diversas condiciones de
caudal y presión, la eficiencia mecánica de distintas cargas
para la construcción de las respectivas curvas características siguiendo los procedimientos estándar.
Con la experiencia recogida del primer banco, se construyó un segundo banco (Figura 15) equipado con tres
bombas, un sistema de tubería para pequeños y grandes
caudales, y una base para el montaje de diferentes tipos de
generadores y microturbinas. En la Figura 15 se muestra
montada una turbina de flujo cruzado o Michell Banki, que
es muy utilizada en las pequeñas centrales hidroeléctricas
ya que maneja pequeñas cabezas y una amplia variedad
de caudales.
De igual manera que en el primer banco, este segundo
equipo tiene dos bombas idénticas (características de potencia -1HP) capaces de suministrar diferentes combinaciones
de caudal y cabeza hidráulica, gracias a la configuración
de tuberías y válvulas que permiten colocar a funcionar
las bombas en serie y en paralelo.
Adicionalmente, con la conexión de una de las bombas a
un variador de frecuencia, se logra modificar los caudales
suministrados. Esta configuración permite y está instrumentada para hacer pruebas didácticas para la caracterización y determinación de las curvas propias de las bombas.
El banco tiene una tercera bomba, con una potencia de
1.5HP, que se caracteriza por manejar grandes caudales y
pequeñas cabezas hidráulicas, lo cual posibilita ensayar y
probar cualquier tipo de turbina en diversas condiciones
de caudal.
La turbina Michell Banki de 200 mm de diámetro está
constituida por dos discos laterales entre los cuales se
soldaron 16 álabes de 140mm de largo (Figura 16). La
carcasa es de lámina doblada y platinas de acero. El sistema de alimentación en forma de tobera fue conformado
en lámina de acero. Esta turbina no tiene álabe regulador
en la tobera de alimentación. El rodete de la turbina está
soportado por dos tramos de ejes laterales apoyados en
rodamientos y estos sobre la misma carcasa de la turbina.
La utilización de dos ejes laterales y no de un solo eje
pasante, se realizó con el fin de evitar la interferencia que
se presenta en el segundo paso del agua. Gonçalves de
Mello et al., 2007
Fig. 16 Grupo turbogenerador
En la Figura 17 se observa una primera aproximación
al diseño y fabricación de una segunda turbina a utilizar
y montar en este banco. Esta es una turbina Pelton de 17
cucharas y diámetro de 100mm con material de policarbonato y la técnica de prototipado rápido FDM, lo que
facilitó la reproducción exacta del diseño y la prontitud
en su fabricación.
83
Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 73 - 85
Conclusiones
Figura 17. Turbina Pelton, fabricada por FDM
La transmisión mecánica (Figura 16) que une el generador con el eje de la turbina Michell Banki es una trasmisión
de correa polea, con una relación de transmisión de 1/6
utilizando una correa convencional en V. Para esta turbina
se acopló un generador DC con una capacidad de 300W.
Para este banco se implementó la medición por medio
de sensores eléctricos (Figura 18) de algunas de las variables como la presión, el caudal, la velocidad de rotación,
corriente y voltaje, valores registrados por una tarjeta de
adquisición de datos directamente en un computador.
Adicional a los manómetros convencionales, a la salida de
las bombas y a la entrada de la turbina antes de la tobera
para la medición de la presión y un rotámetro análogo
para la medición del caudal. Para la medición del torque
se implementó un freno, compuesto por dos dinamómetros
y una polea unida al eje de la turbina.
Figura 18. Medición de caudal, presión y torque
En esto banco se llevan a cabo pruebas para determinar
la eficiencia total del sistema para diversas condiciones
de caudal y presión, la eficiencia mecánica para diversas
cargas para la construcción de las respectivas curvas características del montaje de generación.
84
Aunque en los últimos años no se han realizado modificaciones importantes en la tecnología de las PCH, y sigue
siendo de fácil adquisición, sencilla, eficiente, segura y de
bajo costo, su implementación está sujeta a que se disponga
de los recursos hídricos suficientes, que se pueda combinar
su uso y se disponga de una buena base socioeconómica,
política y gubernamental.
El desarrollo de investigaciones en microgeneración
puede determinar un nuevo panorama en la generación de energía eléctrica, si se logra la apropiación y la
transferencia de estas tecnologías en Colombia, para
aprovechar las condiciones topográficas y la riqueza
hídrica del país.
Dentro del proceso experimental se pudo evidenciar
la viabilidad de la pequeña generación a partir de microturbinas hidráulicas, para dar una solución a pequeñas
demandas de energía eléctrica como por ejemplo la carga
de baterías o el uso en hogares de zonas aisladas.
Las PCH tienen la ventaja de utilizar un recurso relativamente renovable, es decir, que en la medida que exista
y se dé el ciclo normal del agua se tendrán ríos y por lo
tanto potencial hídrico, por lo cual se pueden implementar sistemas combinados para garantizar el suministro
todo el año.
El aporte más importante de las PCH adicionales a que
no genera residuos contaminantes ni en el aire ni en el
agua ya que no requiere combustibles fósiles ni otro tipo
de combustible, lo que la hace una tecnología limpia, es
que su impacto ambiental en la fauna y flora presente en el
río no existe o es mucho menor que las grandes centrales
y el grado de erosión en la desembocadura del agua de la
turbina es manejable.
Adicional puede combinarse con otros usos, como el
riego, como protección contra inundaciones y suministro
de agua, o su diseño puede estar desarrollado para que
no se vean afectados por las temporadas de verano, y
por el contrario aproveche esta condición por ejemplo las
crecientes por los deshielos de los nevados. (Magureanu,
R. et al.)
Por lo general las PCH se desarrollan en zonas aisladas
sin conexión a la red principal lo que puede mejorar la
eficiencia del sistema de interconexión por no tener que
transportar tanta carga pero en sistemas complejos donde
sí están interconectadas se proyectan para producción
energía reactiva y así mejorar la regulación y suministro
en horas pico.
El desarrollo de los bancos de pruebas implica el avance
en el conocimiento del funcionamiento de sistemas de generación eléctrica, lo que permite propuestas de mejoramiento
en su eficiencia y sus costos.
Sierra, F.; Sierra, A.; Guerrero, C. : Pequeñas y micro centrales hidroeléctricas: Alternativa real de generación eléctrica.
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2003. - pp. 5-8. - ISSN 0935-0578.
SARIEV IMANGAZI AND NEVENCHANNY YURI Micro-hydro power
station in the mountain village of jorf [Report] : A Pre-Feasibility
Study Report1 / Tajikistan ; Promotion of renewable energy, energy
efficiency y greenhouse gas abatement (prega). - 2006.
SINGH G. K. Self-excited induction generator research—a survey [Journal] // Electric Power Systems Research. - May 2004. - Issues 2-3 :
Vol. 69. - pp. 107-114. - 0378-7796.
SMITH Ricardo A A comparative analysis of various optimization models
for electricity capacity expansion [Journal] // International Transactions in Operational Research. - Colombia : Elsevier, Jan 1997. - Issues
1 : Vol. Volumen 4. - pp. 35-44.
UPME Subdirección de Planeación Energética - Plan de expansión de
referencia. Generacion - Transmision 2009-2023 [Report] / Bogotá ;
UPME. - Bogotá : [s.n.], 2009. - ISBN:978-958-8363-06-6.
MURTHY S.S., JOSE RINI y SINGH BHIM A practical load controller for
stand alone small hydro systems using self excited induction generator [Journal] = International Conference // Power Electronic Drives
y Energy Systems for Industrial Growth. - [s.l.] : IEEE Conferences,
1998. - Vol. 1. - pp. 359 - 364.
85
Directrices para publicar artículos
en la Revista Informador Técnico
1. Los artículos remitidos deben ser originales, escritos en español o en inglés
y no publicados con anterioridad o simultáneamente en otra revista o en
línea.
2. Es indispensable que los autores indiquen si su artículo es producto o desarrollo de una investigación en curso o concluida. Se debe incluir en una
nota a pie de página el nombre del proyecto, las fechas en que se inició y
terminó, la entidad que lo financia y la entidad que lo ejecuta.
3. Los artículos pueden contener 20 páginas numeradas, sin incluir fotografías,
gráficos o tablas, en papel tamaño carta. Deben presentarse a doble espacio
y en fuente Arial y tamaño de letra 11 puntos.
4. En la primera página se debe incluir: títulos del artículo en español e inglés,
nombre completo de los autores, nacionalidad, afiliación institucional, grupo
de investigación, resumen no superior a 250 caracteres y palabras clave –entre cinco y diez– estos dos últimos en español e ingles.
5. El autor debe anexar la siguiente información: correo electrónico, número
telefónico/fax, número de celular y dirección de correspondencia, a fin de
facilitar el contacto y seguimiento.
6. El documento se debe entregar en un archivo de software Word (Versión
2000 en adelante), acompañado del formato 9230-SI-F-324: FORMATO DE
CESIÓN DE LOS DERECHOS PATRIMONIALES DE AUTOR A LA REVISTA
INFORMADOR TÉCNICO-TIPO 1.
7. Instrucciones especiales para la digitación:
a) Los párrafos se justifican sin dejar espacio entre los consecutivos y sin
partir las palabras.
b) No dejar más de un espacio entre palabras después de coma, punto y
coma, dos puntos, paréntesis y punto seguido.
c) No incluir saltos de página o finales de sección.
d) Los guiones tipográficos deben ser largos y tocar la palabra adjunta:
(-) pero el que se usa entre palabras y números es el del teclado, y sin
dejar espacio ejemplo: petro-químico, 2000 - 2007.
e) Las ecuaciones se levantan en el procesador incluido en Word, en la
fuente Arial 9 puntos.
f) Los símbolos de las constantes, variables y funciones, en letras latinas
básicas o griegas, incluidos en las ecuaciones deben ir en cursiva; los
símbolos matemáticos y los números no van en cursiva. Se deben identificar los símbolos inmediatamente después de la ecuación.
g) Si se desea resaltar palabras o frases del texto, debe usar negrilla cursiva.
Ejemplo: negrilla cursiva.
86
h) Las figuras deben ir nombradas, numeradas y
referenciadas en el artículo, en estricto orden en
la parte inferior.
i) El título de las figuras se digita como un párrafo
normal fuera de la figura.
j) El texto de las figuras se debe realizar en la fuente
Arial 9 puntos.
k) El texto de la figura debe escribirse tipo oración.
Ejemplo: Fig. 2. Micrografía SEM en la sección
transversal de la muestra.
l) Cuando realice cuadros, figuras y tablas deben ser
presentados como elementos predeterminados en
Word.
m) Los números decimales se deben señalar con coma
(,) y los millares y millones con un punto (.).
n) Los gráficos, figuras y fotografías deben ser utilizados en colores y mayor a 250 pixeles en resolución.
8. Las referencias bibliográficas y hemerografías se circunscriben al final del artículo ordenadas alfabéticamente y señalándolas dentro del documento. Realice
las referencias bibliográficas, teniendo en cuenta las
Normas ICONTEC NTC 1160, NTC 1308 y NTC 4490.
Ejemplo: (Den, 1982)
Den, H., Mecánica de las Vibraciones., Cesca (ed.), 1982.
9. Evite las notas de pie de página; en caso de ser necesarias deben contener solamente aclaraciones o complementos del trabajo que, sin afectar la continuidad
del texto, aporten información adicional que el autor
considere necesario incluir.
10.Cuando se empleen siglas o abreviaturas, se debe anotar
primero la equivalencia completa, seguida de la sigla
o abreviatura correspondiente entre paréntesis, y en
lo subsiguiente se escribe sólo la sigla o abreviatura
respectiva.
11. La Revista recibe el documento, revisa y envía los trabajos al Comité Editorial. Si este lo avala, posteriormente
será enviado a valoración por árbitros seleccionados de
la base de datos de Colciencias, quienes podrán solicitar
los ajustes necesarios o descartarlos para la publicación.
Luego de la evaluación, se informará a los autores mediante carta si el artículo fue aceptado o no. En caso de
ser aceptado, el autor deberá atender las respectivas
correcciones de los evaluadores en un término no mayor
a las dos semanas siguientes a su recibo.
12.A la versión final del artículo, revisada por los autores
después del proceso de evaluación, se le debe anexar
una carta en la cual exprese que todos los autores del
artículo están de acuerdo con la publicación y divulgación electrónica del mismo, y se responsabilizan por
su contenido. De no ser así, se asume de hecho la aprobación por parte de los autores de estas condiciones.
13. Los originales recibidos se conservan como parte del
archivo de la revista.
14.Como derechos de autor se reconoce un ejemplar de la
revista en la cual se publica la colaboración, enviando
un ejemplar a cada autor.
Clasificación de Artículos
Los siguientes conceptos, son tomados de COLCIENCIAS INDICE BIBLIOGRAFICO. Sólo los documentos
recibidos de tipo 1, 2 y 3 serán publicados en la revista
Informador Técnico, en proyecto de indexación ante Colciencias, Base Bibliográfica Nacional Publindex.
1. Artículo de investigación científica y tecnológica
Es un artículo que presenta de manera detallada los
resultados originales de proyectos terminados de investigación. Relata la manera de delimitar la pregunta de la
investigación, el camino para someterla a prueba (análisis
estadístico del experimento, protocolos disciplinarios) y
la confrontación de los datos generados con la literatura
actual.
La estructura de articulo será: titulo, resumen, palabras
claves, abstract, keyword, introducción, que debe plantear
un problema y tener comparaciones con otras teorías para
brindar una posible solución, detalles experimentales,
resultados de forma que facilite a los lectores su comprensión, conclusiones, agradecimientos y referencias
bibliográficas.
Estructura de artículo científico
a) Título: Es una frase con el nombre o asunto de un tema
específico. El título debe ser concreto, con alto ingenio
y un máximo de diez (10) palabras.
b) Resumen: Es la presentación abreviada y precisa del
contenido del documento, sin interpretación crítica y
análisis; es decir, una síntesis donde se redacta la idea
principal del artículo, máximo 15 renglones.
c) Palabras clave: Son términos específicos del contenido
del documento que identifican información o propósito
especifico del escrito.
d) Abstract: Es la versión en inglés del resumen.
e) Keyword: Es la versión en inglés de las palabras clave.
f) Introducción: Presenta brevemente el problema, el
estado de la investigación del tema planteado; es la
hipótesis del trabajo, una descripción y referencias
debidamente relacionadas. La solución propuesta debe
describirse concisamente. El último párrafo debe ser un
resumen de lo que se describirá en la sección siguiente
del artículo.
87
g) Metodología o materiales y métodos: describe la metodología de la investigación de manera que otros investigadores la puedan replicar o que los lectores puedan
conocer los límites de interpretación de los datos. Si
trabajan con pacientes o animales vivos deben obtener
permiso de un comité ético. Responde básicamente al
¿Cómo se hizo el estudio?, ¿Qué materiales se usaron?
h) Resultados: Deben responder a los interrogantes ¿Qué
encontraste? Los datos se resumen en tablas y figuras,
que deben de tener una descripción acompañante en
el texto ¿Cómo se presentan los datos? ¿Qué se puede
incluir? Siempre se tendrán más datos de los que se
pueden publicar, se pueden usar apéndices.
i) Conclusión: Sección final del artículo, donde se destaca
el punto principal, explicando cómo la hipótesis fue
probada exitosamente con los resultados específicos, y
evalúa sus posibles repercusiones para el estado de la
investigación en el tema.
j) Referencias bibliográficas: Son tomadas por el autor
como fuentes para la redacción del documento y deben ir al final del artículo ordenadas alfabéticamente,
solamente se debe nombrar aquellas referencias bibliográficas señaladas dentro del documento.
La bibliografía citada en el artículo no ha sido utilizada
para la redacción del mismo, sino que se trata del aporte
de otro escritor con el objeto de enriquecer el contenido
del artículo, ampliando su información.
El autor debe tener en cuenta en el momento de realizar
las referencias bibliográficas las normas básicas ICONTEC, específicamente en la norma NTC 1160, NTC 1308,
NTC 4490.
a. Libros y folletos: Autor. Titulo: subtitulo. Edición.
Ciudad: Editor, año de publicación. Paginación.
Serie; número ISBN
Ejemplo: COHEN, David. El desarrollo de la
imaginación: los mundos privados de la infancia.
Barcelona: Ediciones Paidós, 1993. 120 p. (Biblioteca cognición y desarrollo humano; no. 26) ISBN
847-50-9854-1
b) Partes de un libro o escrito de un autor en una obra
colectiva: Autor del capítulo o parte. Título del capítulo o parte. En: Autor que compila. Título de la
obra completa. Ciudad: Editor, año de publicación.
Páginas del capítulo o parte.
Ejemplo: ARANGO ESCOBAR, Gilberto. Una
mirada estética de la arquitectura popular. En:
GONZÁLEZ, Luis Fernando et al. Expresión
formal de la vivienda espontánea. Bogotá: Barrio
Taller, 2004. p. 59 – 73.
c) Trabajos de grado y tesis: Autor. Titulo: subtitulo.
Edición. Ciudad, año de presentación. Paginación
88
o número de volúmenes. Designación de trabajo
de grado (título académico). Institución. Facultad.
Departamento o Área.
Ejemplo: MOANACK RIPLEY, Georges. Trazo:
sistema modular de ayuda para las estaciones del
sistema Transmilenio. Bogotá, 2003, 43 h. Trabajo
de grado (Diseñador industrial). Universidad de
los Andes. Facultad de Arquitectura. Departamento de Diseño.
d) Publicaciones seriadas (revistas, periódicos,
anuarios, boletines): Autor del artículo. Título
del artículo: subtitulo del artículo. En: Titulo de la
publicación: subtitulo de la publicación. Numero
del volumen, numero de la entrega (mes, año);
Paginación. ISSN
Ejemplo: GUTIÉRREZ POVEDA, Roberto. En busca del diálogo y la transformación: consecuencias
de los supuestos detrás de la investigación social.
En: Revista de Estudios Sociales. No. 17 (Feb.,
2004); p.7-10 ISSN 11-180123-885X
e) Normas técnicas: Autor corporativo. Titulo: subtitulo. Ciudad: Editor, año de publicación. Paginación: il (serie y número de orden de la norma)
Ejemplo: INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Dibujo
técnico: escalas. Bogotá: ICONTEC, 1993. 3 h.: il
(NTC 1580)
Fuentes de información electrónicas
f) Página Web: Responsabilidad principal (autor).
Titulo (de la información o del documento). Tipo
de medio o soporte físico. Localización. Fecha de
la cita.
Ejemplo: UNIVERSIDAD DE LA SALLE. Marco
doctrinal [en línea] <http://www.lasalle.edu.co/
general/marco/index.htm> [citado en 4 de agosto
de 2005]
g) Artículo de una publicación seriada electrónica
(revista, boletines, periódicos): Autor. Titulo:
subtitulo. En: Titulo de la publicación : subtitulo
de la publicación. Tipo de medio o soporte físico.
Numero del volumen, numero de entrega (mes,
año). Localización. Fecha de cita.
Ejemplo: BYRNE, Alex. La alfabetización informacional desde una perspectiva global: el desastre
agudiza nuestras mentes. En: Anales de Documentación [en línea]. No. 8 (2005) http://www.um.es/
fccd/anales/ad08/ad0801.pdf > [citado en 10 de
septiembre de 2005]
h) Citas que se encuentran en bases de datos: Autor
principal. Título del artículo: subtitulo. En: Titulo
de la publicación original. Tipo de medio o soporte
físico. Volumen, número (mes, año); páginas. Fecha
de cita. Disponibilidad y acceso
Ejemplo: CORNELLA, Alfonso. Nueva ola de
servicios de información. En: El profesional de la
información [base de datos en línea]. Vol. 9, no.
1 (ene. – feb. 2000); p. 3 [citado en 25 de agosto
de 2005] Disponible en EBSCO HOST Research
Databases
i) Notas pie de página. Evite las notas de pie de página; en caso de ser muy necesarias deben contener
solamente aclaraciones o complementos del trabajo
que, sin afectar la continuidad del texto, aportan
información adicional que el autor considere necesario incluir.
j) Siglas abreviaturas. Se debe anotar primero la
equivalencia completa, seguida de la sigla o abreviatura correspondiente entre paréntesis, y en lo
subsiguiente se escribe sólo la sigla o abreviatura
respectiva.
2. Artículo de reflexión.
Artículo que presenta resultados de investigación terminada desde una perspectiva analítica interpretativa o critica
del autor. Tema especifico, recurriendo a fuentes originales.
Su estructura es: titulo, resumen, palabras claves, abstract,
keyword, introducción, resultados, conclusión, y referencias bibliográficas.
• Estos deben tomarse preferiblemente de los sistemas numéricos reales.
• Todos los resultados deben ser interpretados.
• Debe explicar por qué las curvas tienen la forma
que presentan.
En la mayoría de los casos, se exige un modelo de
simulación para validar el modelo del sistema con las
asunciones.
d) Conclusión, figuras, referencia: Esta estructura se mantiene igual al formato del artículo científico. El autor
debe tener en cuenta en el momento de realizar las
referencias bibliográficas las normas básicas ICONTEC,
basarse específicamente en la norma NTC 1160 NTC
1308 NTC 4490.
3. Artículo de revisión
Artículo resultado de una investigación terminada
donde se analizan, 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 las tendencias de desarrollo. Se caracteriza
por presentar una cuidadosa revisión bibliográfica de por
lo menos 50 referencias.
Su estructura es: titulo, resumen, palabras claves, key
word, introducción, metodología, resultados, conclusión
y referencias bibliográficas; su estructura se mantiene
igual al formato del artículo científico.
Estructura del artículo de reflexión:
a) Título, resumen, palabras clave, abstract, keyword: Su
estructura se mantiene igual al formato del artículo
científico.
b) Introducción: Debe plantear un problema y tener comparaciones con otras teorías para brindar una posible
solución. Todo trabajo relacionado que exista debe
describirse y estar referenciado debidamente. La solución a la propuesta debe describirse brevemente, con
explicaciones de cómo es diferente de, y superior a, las
soluciones existentes.
c) Resultados numéricos:
• Forma que facilite a los lectores su comprensión.
• Son presentados por figuras o tablas.
• Los valores de los parámetros escogidos deben
tener sentido.
Favor enviar los artículos en archivo digital a:
Aura Elvira Narváez Agudelo, Editora
Servicio Nacional de Aprendizaje- SENA
Centro Nacional de Asistencia Técnica
a la Industria (ASTIN)
Calle 52 No. 2 Bis -15 • Complejo Salomia
Cali – Colombia
Tel.: (572) 431 5855/ 431 5847/ 4 31 5800 ext. 22694
[email protected]
[email protected]
http://biblioteca.sena.edu.co/revistas/revistas
http://informadortecnico.senaastin.com
89
Guidelines to publish articles in
“Informador Tecnico” Magazine
1. The sent articles must be original in both languages Spanish and English,
and they must not have previously published in other on line magazine.
2. It is indispensable that authors indicate if their articles are the product or
development of an ongoing or completed research. A footnote must be
included with the name of the project, the dates in which it was started and
finished, the entity that finances it and the one implementing it.
3. Articles may contain 20 listed pages, with no pictures, graphics or charts, in
letter size paper. It must be presented with double space and Arial 11.
4. The first page must include: titles of the article in Spanish and English, full
name of the authors, nationality, institutional membership, researching
group, abstract not exceeding 250 characters and key words between 5 and
15, these last two in English and Spanish.
5. Author must include the following information: e mail, telephone/fax
number, cell phone number and address in order to facilitate contact and
monitoring. 6. The document must be presented in a word software file (version 2000 onwards) together with the 9230-SI-F-324 format: FORM OF ASSIGNMENT
OF ECONOMIC COPYRIGHT TO THE “INFORMADOR TECNICO MAGAZINE” TYPE ONE.
7. Special instructions for typing:
a) Paragraphs must be justified, with no space among consecutives and
words must not be partitioned.
b) Do not leave more than one space between words. After comma, period,
colon, semicolon, parenthesis and single space.
c) Do not include page breaks or section ends.
d) Typographical dashes must be long wide and touch the attached word
or term :(-) However, the one used between words or numbers is the
one on keyboard, without space, example:
Petro-químico, 2000-2007.
e) Equations are set with the processor included in Word, using Arial 9 font.
f) Symbols of constants, variables and functions, in Latin or Greek calligraphy, included in equations must be in Italic; mathematical symbols
and numbers must not. Symbols must be identified just after equations.
g) if some words or phrases from the text should be highlighted, bold
italic must be used.
For example: bold italic.
h) Figures must be named, numbered and referenced in the body of the
article in strict order in the upper part.
90
i) The title of figures must be typed as a regular
paragraph out of the figure.
j) The text of figures must be typed in Arial 9 font.
k The text of figures must be type sentence. For
example: Fig. 2. Micrograph SEM in cross section
of the sample.
l) When drawing charts, figures and tables, they
must be presented as elements already set in Word.
m) Decimals must be stated with comma (,) not with
semicolon (;) , thousands and millions with a
period (.).
n) When supporting articles with graphs, figures and
photographs, colors must be used and over 250
pixels in resolution.
8. Citations, bibliographical and hemerographical references are circumscribed at the end of the article in
alphabetical order and are marked inside the article.
Only bibliography mentioned inside the article must be
referred. Taking into account the ICONTEC standars.
NTC 1160, NTC 1308 Y NTC 4490 standards. Example:
(Galvez, 2 000) GALVEZ ALONSO, Victoriano. “Patología social”, en Lunes en la Ciencia. Suplemento de
diario La Jornada. 2 de julio del 2000
9. Try to avoid using foot notes. They must be included
when necessary. Only explanations or complements,
which add information that the author considers necessary to include must be added.
10. When using acronyms or abbreviations, the completed
equivalence must be written firstly, followed by the
corresponding acronym or abbreviation into brackets,
thereafter only the acronym or abbreviation must be
written.
11 The magazine receives the file, it is sent to the editorial
committee, if it’s certified by them, it will be sent for
evaluation by qualified anonymous reviewers outside
the Editorial Board, which may ask for the necessary
adjustments or even discard it for publication. After
the evaluation, it will be informed to the authors if the
article is or is not accepted. In case of being accepted,
the author will have to take into account the respective
corrections of the same in a term of no longer than 2
weeks after received.
12. A letter must accompany the final version of the article
after being revised by the authors following the evaluation process. This must clearly state that all authors
involved in writing the article agree to the publication
and electronically circulation and that they are responsible for its content. If such letter is not submitted, it will
be assumed that the authors do agree to such conditions.
13. Original manuscripts received, will be kept as part of
journal file.
14. as copyright is acknowledged a copy of the journal in
which is published the collaboration by sending a copy
to every author.
Classification of articles:
The following concepts were taken from COLCIENCIAS
INDICE BIBLIOGRAFICO NACIONAL PUBLINDEX.
Only articles received type 1, 2 and 3 will be published in the “revista Informador Técnico”, in indexation
project to Colciencias, bibliography database “Nacional
Publindex”
1. Scientific and technological research Article: it’s a
detailed article which shows the original results of accomplished research projects. It tells how to delimit the
question of investigation, they way to test it (statistical
analysis of the experiment, disciplinary protocols) and
the confrontation of the generated data with the current
literature. Its structure is: title, abstract, keywords,
introduction which must present a problem and has
the comparisons with other theories to give a possible
solution. Methodology, numeric results that allow the
readers to understand, to conclude and bibliography
references.
Structure of a Scientific Article:
a) Title: It is a word or phrase with the name or
reference of a given topic. It must be concrete,
remarkably clever and with a maximum of ten
(10) words.
b) Abstract: It is the shortened and accurate presentation of the content of the article. It does not
include critical interpretation or analysis; it means,
it is a synthesis of the main idea of the article with
a maximum of 15 lines.
c) Key Words: Those are the specific terms of the
content of the article, which identify information
or the specific purpose of the article.
d) Abstract: It is a summary of the article, written in
English
e) Keywords: Descriptive words associated to the
article in English.
f) Introduction: It must briefly present the problem,
the state of the research of proposed topic, the
hypothesis, a description and related references.
The proposed solution must be described concisely. Last paragraph must summarize the information to be described in the coming section of the
article.
g) Methodology or materials and methods:It describes the methodology of the research in order that
others researchers can replicate it or the readers
can know the limits of interpretation of the data.
91
If they work with patients or alive animals they
must get the permission from an ethical committee. It answers basically to how is the research
developed? What materials were used?
h) Results: They must answer to the questions what
did you find? The data must be summarized in
charts and figures, with a description together
with the text. How is the data presented? What
can be included? There always may be more data
than the one expected to be published, appendixes
may be used.
i) Conclusion: It is the final section of the article,
where the main point is highlighted, explaining
how the hypothesis was successfully proven with
specific results. It assesses its possible repercussions for the state of the research in the topic.
j) Bibliographical References: These ones are taken
by the author as sources for the redaction of the
document and must be placed at the end of the article alphabetically organized. Only bibliographic
references identified in the article must be named.
The bibliography cited in the article has not been
used for the redaction of itself, but it is about the
contribution of other writer with the purpose of
enriching the content of the article, and widening
its information.
The author must take into account in the moment of
creating the bibliographic references the basic standards
ICONTEC, specifically NTC 1160, NTC 1308, and NTC
4490.
a) Books and brochures: Author. Title: sub title. Edition.
City: editor, year of publication. Pagination. Series;
number ISBN
Example: COHEN, David. El desarrollo de la imaginación: los mundos privados de la infancia. Barcelona:
Ediciones Paidós, 1993. 120 p. (Biblioteca cognición y
desarrollo humano; no. 26) ISBN 847-50-9854-1
b) Parts of a book or text written by an author of a
collective work: author of the chapter. Title of the
chapter or part. IN: Author that compiles. Full title of
the completed work . city: editor, year of publication.
Pages of the chapter of part.
Example: ARANGO ESCOBAR, Gilberto. Una mirada
estética de la arquitectura popular. IN: GONZÁLEZ,
Luis Fernando et al. Expresión formal de la vivienda
espontánea. Bogotá: Barrio Taller, 2004. p. 59 – 73.
c. Degree work and thesis: Author. Title: sub title. Edition.
City, year of presentation. Pagination or number of
volumes. Designation of degree work (academic title). Institution. Faculty. Area or deparment. Example:
MOANACK RIPLEY, Georges. Trazo: sistema modular
92
de ayuda para las estaciones del sistema Transmilenio. Bogotá, 2003, 43 h. Trabajo de grado (Diseñador
industrial). Universidad de los Andes. Facultad de
Arquitectura. Departamento de Diseño.
d. Serials (journals, newpapers, yearbooks, newsletters)
author of the article. Title of the article. Subtitle of the
article. IN: title of the publication: subtitle of the publication. Number of volume, number of delivery (month,
year); pagination. ISSN
Example: GUTIÉRREZ POVEDA, Roberto. En busca
del diálogo y la transformación: consecuencias de los
supuestos detrás de la investigación social. IN: Revista
de Estudios Sociales. No. 17 (Feb., 2004); p.7-10 ISSN
11-180123-885X
e. Technical standards: corporative author. Title: subtitle.
City: editor, year of publication. Pagination: il (series
and number of the standard)
example: INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS
TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Dibujo técnico: escalas. Bogotá: ICONTEC, 1993. 3 h.: il (NTC 1580)
Electronic information sources:
f. Web sites: principal responsibility (author). Title (of
the information or the document). Type of media or
hardware. Localization. Date of the citation. Example:
UNIVERSIDAD DE LA SALLE. Marco doctrinal [en
línea] <http://www.lasalle.edu.co/general/marco/
index.htm> [citado en 4 de agosto de 2005]
g. Articles of a electronic serial (journals, brochures,
newspapers): Author. Title: subtitle. IN : title of the
publication: subtitle of the publication. Type of media
or hardware. Number of volume, number of delivery
(month,year). Localization. Date of citation.
Example: BYRNE, Alex. La alfabetización informacional
desde una perspectiva global: el desastre agudiza nuestras mentes. IN: Anales de Documentación [en línea]. No.
8 (2005) http://www.um.es/fccd/anales/ad08/ad0801.
pdf > [citado en 10 de septiembre de 2005].
h. Citation found in database: principal author. Title of
the article: subtitle. IN: title of the original publication.
Type of media or hardware. Volume, number (month,
year); pages. Date of citation. Availability and access.
Example: CORNELLA, Alfonso. Nueva ola de servicios
de información. IN: El profesional de la información
[base de datos en línea]. Vol. 9, no. 1 (ene. – feb. 2000);
p. 3 [citado en 25 de agosto de 2005] Disponible en
EBSCO HOST Research Databases
i)Footnotes. Try to avoid footnotes; just in case they are
necessary they must include clarifications or complements of the work that provide additional information
which can be found necessary by the author, without
affecting the continuity of the text.
j. Abbreviations acronyms. The full equivalence must be
written firstly, followed by the abbreviation or acronym
appropriate in brackets. And then the respective acronym or abbreviation must be written.
2. Reflexion Article.
- It is an article showing results of an accomplished research from an analytical, interpretative or critical author’s
point of view. Specific topic, appealing to original sources.
Its structure is: title, abstract, keywords, abstract in English,
keywords in English, introduction, results, conclusions and
bibliographic references.
Structure of Reflexion Articles:
a) Title, abstract, keywords, abstract in English, keywords
in English: It keeps the same format of a scientific
article.
b) Introduction: It must state a problem. It must also
present comparisons with other theories to bring out a
possible solution. Every existing related research must
be described and accordingly referenced. The proposed
solution must be shortly described, with explanations
on how different and superior it is from existing ones.
c) Numerical Results:
- Form which facilitates readers’ understanding.
- Are presented by figures or charts.
- The values of parameters chosen must make sense.
- These must be preferably taken from real numeric
systems.
- All of the results must be interpreted.
- Authors must explain why curves depict the shape
shown.
- In most cases, a simulation pattern is required to
validate the system pattern with assumptions.
d) Conclusion, figures, reference: It keeps the same format
of a scientific article.When including bibliographical references; the author must have in mind basic ICONTEC
standards, specifically NTC 1160 and NTC 1308 NTC
4490.
3. Review Article.
- They are the result of a research accomplished, in which
results, whether published or unpublished, on science or
technology, are issued, analyzed and systematized with the
purpose of informing about advances and trends. Its main
feature is that it presents a careful bibliographical review
of at least 50 references.
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