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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 Teléfonos: 057 ( 2) 4315855 - 4315800 ext. 22694 Email: [email protected] http://informadortecnico.senaastin.com 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 ARCHARD, J. F. and HIRST, W. The Wear of Materials under unlubricated Conditions. Proc, Royal Soc. A-236 (1958) p. 71–73. CANO, M.F.; RESTREPO, J.S.; RUDEN, A.; GONZÁLEZ, J.M. and SEQUEDA, F.. The Effect of Substrate Temperatures on Tribological Behavior of Ti-Al-N Coating Deposited by Magnetron Sputtering Rev. Society of Vacuum Coatings (2009) p.37 - 43 ISSN: 0737-5921. CHUNG- Wen Wu. “corrosion-wear study of 304 stainless steel in various NaCl solutions”. Wear, 162-164 (1993) p. 950-953. DEVIA, D.M.; RESTREPO,J.; RUDEN, A. GONZÁLEZ, J.M. SEQUEDA, F. and ARANGO, P.J. The Tribological Characteristics of TiN, TiC, TiC/TiN Films Prepared by Reactive Pulsed Arc Evaporation Tedchnique. Rev. Society of Vacuum Coaters. Strand (2009) p.32-36 ISSN 0737-5921. DAISUKE Kuroda, KAWASAKI, Hironori; YAMAMOTO, Akiko; Hiromoto, Sachiko; Hanawa, Takao. Mechanical properties and microstructures of new Ti–Fe–Ta and Ti–Fe–Ta–Zr system alloys. Materials Science and Engineering C. 25 (2005) p.312 – 320. GONZÁLEZ, J.M.; NEIRA, A.; RUDEN, F.; SEQUEDA, A. and DEVIA, A. Influence of Substrate Temperature on Structure and Tribological Properties of TiAlNV Rev. Society of Vacuum Coaters (2008) p. 666 – 672 ISSN: 0737-5921. HSUEH-Chuan Hsua, Shih-Ching Wua, Yu-Chih Sung, WenFu Ho. The structure and mechanical properties of as-cast Zr–Ti alloys. Journal of Alloys and Compounds 488 (2009) p. 279–283. HUANG, N.; YANG, P.; LENG, Y.X.; WANG, J.; SUN, H.; CHEN, J.Y. and WAN, G.J. Surface modification of biomaterials by plasma immersion ion implantation. Surface and Coatings Technology 186 (2004) p. 218– 226 10 MAHFUJUR RAHMAN, I.; REID, P.; DUGGAN, D.P.; DOWLING, G. HUGHES, M.S.J. Hashmi. Structural and tribological properties of the plasma nitrided Ti-alloy biomaterials: Influence of the treatment temperature. Surface and Coatings Technology 201 (2007) p. 4865–4872. PAYAN, H; APERADOR, W.; VARGAS, A.; CORREA, F. y VÉLEZ, L. Estudio de la Sinergia Corrosión-Erosión de Recubrimientos Duros de TiN Y CrN obtenidos sobre Acero AISI 1045. Revista Colombiana de Física, vol. 41, No. 1,(Enero 2009) p. 57-59 PAUL K. CHU. Enhancement of surface properties of biomaterials using plasma-based technologies. Surface and Coatings Technology 201 (2007) p.8076–8082 RAO,V; OKAZAKI, V.; TATEISHI, T.; USHIDA, T. and ITO, Y. Cytocomgatibility of new Ti alloy without Al and V by evaluating the relative growth ratios of fibroblasts L929 and osteoblasts MC3T3-El cells. Materials Science and Engineering C. 4 (1997) p. 311-314. STACK, M.M.; PURANDARE, Y. and HOVSEPIAN, P. Impact angle effects on the erosion–corrosion of superlattice CrN/ NbN PVD coatings. Surface and Coatings Technology 188–189 (2004) p. 556– 565. YEE-Chin Tang; KATSUMA, Fujimoto, Shoji Shinji and HIROMOTO, Sachiko. Electrochemical study of Type 304 and 316L stainless steels in simulated body fluids and cell cultures. Acta Biomaterialia 2 (2006) p. 709–715. ZHOU, Y. M. Sliding wear behavior of polycrystalline TiN/CrN multilayers against an alumina ball. Surface and Coatings Technology. Vol. 130 (2000), p. 9-14. 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. Referencias GUTIÉRREZ, A. A.; SANJUÁN, M. E. Ecuaciones de sintonización para controladores difusos basadas en modelos de primer orden más tiempo muerto. Ingeniería & desarrollo, Enero-Junio 2006. GUTIÉRREZ, W. G. Estudio de diferentes técnicas de inteligencia computacional para sintonía de acciones de control PID,. Maestría Proyecto de grado, Grupo PSI., Universidad del Valle, 2009. 16 DEL BRÍO, B. M.; MOLINA, A.S.. “Redes neuronales y sistemas difusos”, segunda edición, Alfaomega.2001. VICTORIA, C.; MANTILLA, W.; GUTIÉRREZ, W. G. “Diseño e implementación de una planta didáctica para la Formación Remota en Control de Procesos” SENA, Regional Valle del Cauca. C.E.A.I. 2005. Capability profile RSLogix 5000 Ad-On Instructions. Publicación 9324 PP04A-EN-P, Noviembre 2006. Disponible en www. ab.com. SIVANANDAM, S. N.; SUMATHI, S; DEEPA, S. N. Introducction to Fuzzy Logic using Matlab” Springer – Verlag Berlin, Heidelberg 2007. KASOBOV, N. K. “Foundation of Neural Networks, Fuzzy Systems, and Knowledge Engineering” A Bradfor Book The MIT Press Cambridge, Massachusetts London, England. 1990 RAÚL, R.; CARLOS, N.. “Sistemas de control basados en lógica borrosa: Fuzzy control”. Omron Electronics S.A, Centro de Investigaciones Tecnológicas IKERLAN. 1995 CORRIPIO, A.B.. “Tuning of industrial controls systems”. ISAThe Instrumentation, Systems and automation society. 1990 LEE, K. “First Course on Fuzzy Theory and Applications”. Springer . 2005 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 ALUMINA Productos Extruidos – Perfiles Estandar; Aluminio Nacional – ALUMINA; 1999 AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding CodeAluminium. Miami, florida. LeJeune Road. 2003. Pag 21(AWS D1.2). AMU B, Maribel; FRANCO A, Fernando. Microestructura y propiedades mecánicas en la zona afectada por el calor de la unión soldada de la aleación 6261-T5. En: Suplemento de la Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. S1 (2) (2009); p. 767-772. BALASUBRAMANIAN, V. Relationship between base metal properties and friction stir welding process parameters. En: Materials Science and Engineering A. No. 480 (2008); p. 397-403. CABIBBO, M; McQUEEN, H.J.; EVANGELISTA, E.; SPIGARELLI, S. DI PAOLA, M; FALCHERO, A. Microstructure and mechanical property studies of AA6056 friction stir welded plate. En: Materials Science and Engineering A. No. 460–461 (2007); p. 86-94. ELANGOVAN, K; BALASUBRAMANIAN, V. Influences of tool pin profile and tool shoulder diameter on the formation of friction stir processing zone in AA6061 aluminium alloy. En: Materials and Design. No. 29 (2008); p. 362-373. ELANGOVAN, K.; BALASUBRAMANIAN, V.; BABU, S. Predicting tensile strength of friction stir welded AA6061 aluminium alloy joints by a mathematical model. En: Materials and Design. No. 30 (2009); p. 188-193. FRANCO A. Fernando; SÁNCHEZ, Hugo; BETANCOURT, Diana; MURILLO, Orlanis. Soldadura por Friccion-Agitacion de Aleaciones Ligeras – una Alternativa a Nuestro Alcance. En: Suplemento de la Revista latinoamericana de Metalurgia y Materiales. S1 (3) (2009); p. 1369-1375. LIU, H.J.; FUJI, H.; MAEDA, M.; NOGI, K. Tensile properties and fracture locations of friction-stir-welded joints of 2017T351 aluminum alloy. En: Journal of Materials Processing Technology. No. 142 (2003); p. 692-696. MISHRAA, J.; MAB ZY, RS. Mater; Sci. Eng. 2005, R 50: 1-78. NANDAN, R; DEBROY, T; BHADESHIA, H.K.D.H. Recent advances in friction-stir welding – Process, weldment structure and properties. En: Progress in Materials Science. No. 53 (2008); p. 980-1023. S.R. Ren, Z.Y. Ma, L.Q. Chen. Effect of welding parameters on tensile properties and fracture behavior of friction stir welded Al–Mg–Si alloy. En: Scripta Materialia 56 (2007) 69–72. 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. Referencias AMINI, E., OLIAZADEH, M., KOLAHDOOZAN M. Kinetic comparison of biological and conventional flotation of coal. Minerals Engineering, V. 22. N. 4. (March, 2009); p. 344-347. BHATTI, T.M., BIGHAM, J.M., VUORINEN, A., TUOVINEN, O.H. Biological leaching of sulfides with emphasis on pyrrhotite and pyrite. In: Proceedings of International Symposium on Biotechnology for Sustainable Development, Kauser A, Malik, Anwar Nasim & Ahmad M. Khalid, NIBGE, Faisalabad, Pakistan. (1993); p. 299-308. BOULTON, A., FORNASIERO, D., RALSTON, J. Effect of iron content in sphalerite on flotation. Minerals Engineering V. 18. N. 11. (September, 2005); p.1120–1122. CASAS, A.E. Mineralogia dos processos de oxidacao sobre pressao e bacteriana do minerio de ouro da mina Sao Bento, MG. 2007. Tese de doutorado. Universidad de Brasilia. Tese de doutorado. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. CASTRO, S., GARCÍA, J.A. Flotación Fundamentos y aplicaciones. 2003. Universidad de Concepción. Departamento de ingeniería Metalurgia. DIMET. CHANDRAPRABHA, M.N., NATARAJAN, K.A., MODAK, J.M. Selective separation of pyrite andchalcopyrite by biomodulation. Colloids nad Surfaces B: Biointerfaces. V. 37. (2004); p.93-100. CHANDRAPRABHA, M.N., NATARAJAN, K.A., SOMASUNDARAN, P. Selective separation of pyrite from chalcopyrite and arsenopyrite by biomodulation using Acidithiobacillus ferrooxidans. Int. J. Miner. Process. V. 75. (2005); p.113-122. DA SILVA, G. Kinetics and mechanism of the bacterial and ferric sulphate oxidation of galena. Hydrometallurgy. V. 75. N. 1-4. (November, 2004); p. 99-110. HOSSEINI, T.R., KOLAHDOOZAN, M., TABATABAEI, Y.S.M., OLIAZADEH, M., NOAPARAST, M., ESLAMI, A., MANAFI, Z., ALFANTAZI, A. Bioflotation of sarcheshmeh copper ore using Thiobacillus ferrooxidans bacteria. Minerals engineering. V. 18. (March, 2005); p.371-374. JONES, F.J.; LECOUNT, S.; SMART, R.; WHITE, T.J. Compositional and structural alteration of pyrrhotite surfaces in solution: XPS and XRD studies. Applied Surface Science. V. 55. (1992); p. 65-85. KOLAHDOOZAN, M., TABATABAEI YAZDI, S.M., YEN, W.T., HOSSEINI TABATABAEI, R., SHAHVERDI, A.R., OLIAZADEH, M., NOAPARAST, M., ESLAMI, A., MANAFI Z. Bioflotation of the low grade Sarcheshmeh copper sulfide. Trans. Indian Inst. Met. V. 57. N. 5. (2004); p. 485-490. LANGWALDT, J., KALAPUDAS, R. Bio-beneficiation of multimetal black shale ore by flotation. Physico. Problems of Mineral Processing (Fizykochemiczne Problemy Mineralurgii). V. 41. (2007); p.291-299. MÁRQUEZ, M.A., ARROYAVE, D.M., BEDOYA, A., CAICEDO, G., MEJÍA, E., MORÁN, M., OSPINA, J.D. Ponencia: La biotecnología: diversas aplicaciones como una opción más limpia para la minería.IV Simposio sobre Bio-fábricas. Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Duración: 4 al 6 de agosto de 2009. PEARSE, M.J. An overview of the use of chemical reagents in mineral processing. Minerals Engineering. V. 18. N. 2. (February, 2005); p. 139–149. REHWALD, G. The application of ore-microscopy in beneficiation of ores of the precious metals and the nonferrous metals. In: Hugo Freund Ed., Applied ore microscopy, theory and technique, New York. (1996); p. 439-537. SANTHIYA, D., SUBRAMANIAN, S., NATARAJAN, K.A. Surface chemical studies on galena and sphalerite in the presence of Thiobacillus thiooxidans with reference to mineral beneficiation. Minerals Engineering. V. 13. N. 7. (July, 2000); p. 747-763. SUBRAMANIAN, S., SANTHIYA, D., NATARAJAN, K. A. Surface modification studies on sulphide minerals using bioreagents. International Journal of Mineral Processing. V. 72. N. 1-4., 2003. p. 175-188. VILINSKA, A., HANUMANTHA RAO, K. Leptospirillum ferrooxidans-sulfide mineral interactions with reference to bioflotation and bioflocculation. Trans. Nonferrous Met. Soc. China. V. 18. N. 6. (December, 2008); p. 1403-1409. 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 ALCALDÍA MAYOR DE BOGOTÁ, UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA-IDEA. Agenda Ambiental localidad 5 - Usme. Bogotá : s.n., 2009. BOYLE, Godfrey. Renewable energy: Power for a sustainable future. Oxford : Oxford University Press, 2004. DAMA. Plan de manejo de ecosistemas estratégicos de las áreas rurales del Distrito Capital. Bogotá : DAMA, 1998. De la TORRE, Stella. Estado actual de la información sobre madera para energía. [aut. libro] FAO. Estado de la información forestal en Colombia. 2000. DOLORS, Pascual, CADENA, Camilo y MORENO, Rocio del Pilar. Evaluación del estado de los bosques de niebla y de la meta 2010 en Colombia. Bogotá : Ediprint E.U., 2007. FAO. Bosques y energía: cuestiones clave. Roma : Organización de la Naciones Unidaspara la agricultura y la alimentación., 2008. FAO. Situación de los bosques del mundo 2009. Roma : FAO, 2009. FONDO DE DESARROLLO LOCAL DE USME, UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Caracterización y articulación de la dinámica de operación de los actores en la localidad (5) de Usme par asu proyercción e incorporación en la Agrored. GARCÍA Y., Pedro, et.al. Tecnologías energéticas e impacto ambiental. Madrid : McGraw-Hill, 2001. 2003) integrando la leña en la contabilidadde flujos de materiales. 2007, Revista Ideroamericana de Economía Ecológica Vol.6, págs. 1-16. GONZÁLEZ-MARTÍNEZ, Ana Citlañic. La extracción y consumo de biomasa en México (1970- Bogotá : s.n., 2006. HERNÁNDEZ, Luis Alfredo. Biomasa. [aut. libro] Empresa de Energía de Bogotá y Universidad Nacional de Colombia. Energía: Sus perspectivas, su conversión y utilización en Colombia. Bogotá : TM editores, 2003, págs. 299-334. KREITH, Frank y WEST, Ronald. CRC Handbook of Energy Efficiency. Florida: CRC Press, 1997. MALYSHEV, Teresa.Looking ahead: energy, climate change and pro-poor responses. 2009, Foresight, Vol.11 Iss.4, págs. 33-50. MEJÍA BARRAGÁN, Fabiola. Implicaciones ambientales del uso de leña como combustible doméstico en la zona rural de Usme.Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ciencias Económicas. Instituto de Estudios Ambientales “IDEA” (Tesis Msc.).2011. MILLENIUM ECOSYSTEM ASSESSMENT. Ecosystems ans Human Well-beiing: Biodiversity Synthesis. Washington : World Resoources Institute, 2005. MINAMBIENTE -DPN. Política de bosques. Santafé de Bogotá : Minambiente, 1996. MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA. Estudio nacional de energía. Bogotá : Impresora gráfica, 1982. Sierra F, Mejía F, Guerrero C. Leña como combustible doméstico en zonas rurales de Usme, Bogotá MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA, UPME. Balances Energéticos Nacionales 1975-2006. Bogotá : UPME, 2007. MULLIGAN, M and BURKE, S. M. DFID FRP Project ZF0216 Global cloud forests and environmental change in a hydrological context. Ambiotek, 74 pp. 2005 . [Available online at HYPERLINK “http://www.ambiotek.com/cloudforests/”http:// www.ambiotek.com/cloudforests/ .] OLADE. Informe de estadísticas energéticas. Quito : Olade, 2008. PINTO, Flavio Energías renovables y desarrollo sostenible en zonas rurales de Colombia. El caso de la vereda Carrizal en Sutamarchán.. 2004, Cuadernos de desarrollo rural (53), págs. 103-132. SÁNCHEZ, Myriam. Evaluación de los recursos naturales renovables de Usme. Localidad quinta de Bogotá. Bogotá : Universidad Nacional, 1995. SANTAMARÍA FLOREZ, José. Las energías renovables son el futuro. 2004, Worldwatch , págs. 34-40. SINGER, H. Nuevos diseños para cocinas de leña. s.f, Unasylva Vol.15 No.3, pág. medio electrónico. TORRES, José Eddy. Balance energético rural y su contexto socioecoonómico 1981. Bogotá : Colciencias, 1982. VALDERRAMA, Edison y LINARES, Edgar. Uso y manejo de leña por la comunidad campesina de San José de Suaita (Suaita,Santander, Colombia). 2008, Revista Colombia Forestal, Vol.11, págs. 19-34. UNOHABITAT, ALCALDÍA MAYOR DE BOGOTÁ, INSTITUTO DE ESTUDIOS AMBIENTALES IDEA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL. Usme, Informes GEO Locales. Bogotá : IDEA, 2008. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Caracterización y articulación de l adinámica de operación de los actores en la localidad (5) de Usme para su proyección e incorporación en la agrored. Bogotá :, 2006. 39 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. ecardenass@ sena.edu.co 40 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 Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 40 - 46 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. 42 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 43 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 44 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. Referencias Argüelles, A, La educación tecnológica en el mundo. Editorial Limusa, S.A. DE C.V. Grupo noriega editores. Balderas 95, México, DF. 1999. Agazzi, E. El bien, el mal y la ciencia. Editorial Tecnos, S.A., Madrid. 1996. Barceló, A .Los alcances de la argumentación lógica. Conferencia Magistral, Encuentro Nacional de Didáctica de la Lógica. Documento en línea encontrado. En: http://www. filosoficas.unam.mx/~abarcelo/PDF/Argumento.pdf. 2003 Bajtin, M. “El problema de los géneros discursivos”. En M. Bajtin. Estética de la creación verbal. México: Siglo XXI, 1979. pp 248-293. Documento en línea: http:/admindeempresas. blogspot.com/2011/04/géneros-discursivos. HTML. 1952. Biggs, j. Calidad del Aprendizaje Universitario. Narcea, S.A. De Ediciones. Madrid España. 2005. Bruner, G. Realidad mental y mundos posibles. Barcelona. GEDISA. 1998. BUNGE, M., La Investigación Científica, Su estrategia y su Filosofía, Barcelona: Ediciones Ariel, 1.972. Cárdenas, E.D. “Hacia la conceptualización del pensamiento tecnológico en educación en tecnología: comprensión de un concepto” Gráfica producto del trabajo de tesis doctoral. UPN. Santiago de Cali, Colombia. 2008. De Vries, J. Volumen cinco sobre innovaciones en ciencia y tecnología”. Publicado por la UNESCO sobre los modelos más relevantes asumidos y presentes en los sistemas educativos de un gran número de países. 1992. Ellul, J. El Siglo XX y la Técnica, Barcelona: Labor. 1960. Gardner, H. Las cinco mentes del futuro: un ensayo educativo. Bogotá, Colombia: Editorial Linotipia Bolívar. 2005 González, M.I., López, J.A. y Luján, J.L . Ciencia, Tecnología y Sociedad: Una Introducción al Estudio Social de la Ciencia y la Tecnología, Madrid: Tecnos. 1996. 45 Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 40 - 46 Fisher, W. Paradigma narrativo. Cómo el discurso construye un público esperado, el Des cargado el 25 de Noviembre de 2011 de: Https://www.ic.arizona.edu/%/E. Citado por (Martin, 2008). Comunicación y protocolo. Perspectiva teórica. ICONO 14 Nº11 Revista de comunicación y nuevas tecnologías. 1994. Habermas, J. La acción comunicativa. Tomo I. Editorial Taurus. Madrid. España. 1987. Hughes, T. Networks of power: electrification in western society, 1880-1930. The Johns Hopkins University Press, Baltimore and London, p. 1. 1983. Pacey, A. The Culture of Technology. Cambridge, MA: MIT Press, 1983. Traducción de R. Ríos (1990): La cultura de la tecnología. México DF: FCE. 1983. Perkins, D. La Escuela Inteligente. Editorial Gedisa. Barcelona España. 1995. Quintanilla, M. Cultura tecnológica. Documento en línea disponible: http://www.campusred.net/TELO/anteriores/ hum 042/opi editorial10.html. 1997. Silvestri .A. Dificultades en la producción de la argumentación razonada en el adolescente: Las falacias del aprendizaje. 2001. http://www.geocities.com/estudiscurso/silvestri.html. Consultado. Diciembre 18 de 2001. González, et al. Ciencia, tecnología y sociedad: una introducción al estudio social de la Ciencia y la Tecnología, Madrid: Tecnos. 1996. 46 Gonzalo, R. Pensamiento tecnológico. Documento en línea http://www.fundacion-epson.es/horizontes/conocimiento/trast/PT-RG.pdf Páginas. 2000. Medina, M. “Tecnología y filosofía: más allá de los prejuicios epistemológicos y humanistas”, Isegoria, No. 12, octubre, CSIC, Madrid. 1995a. Medina, M. “Tecnografía de la ciencia”, Historia Crítica, No.10, enero – junio. Universidad de los Andes, Santafé de Bogotá. 1995b. Morín, E. et al. Educar en la era planetaria. Barcelona: Editorial Gedisa. 2003. Mockus, A. “Ciencia, técnica y tecnología”, Naturaleza, Educación y Ciencia, Nº 3, mayo - diciembre, Colombia. 1983. MUMFORD, L., Técnica y Civilización, Madrid: Alianza Editorial S. A., 1.971. Niiniluoto, I., “Ciencia Frente a Tecnología: ¿Diferencia o Identidad?”, Arbor, 620, 1.997, 285-29 Citado por Osorio (2002) Enfoques sobre la tecnología. .OEI 0sOrio. C. Enfoques sobre la tecnología. .OEI. Descargado el 25 de Noviembre de 2011de: http://www.oei.es/revistactsi/ numero2/osorio.htm. 2002. Larroyo, F. La ciencia de la educación. México: Porrúa. 1982. 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/ scientific/elec/watt_balance/ 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. 56 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. 57 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. 59 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. Referencias ACEVEDO, F., GENTINA, J. Bioleaching of minerals-a valide alternative for developing countries. Journal of Biotechnology. 31, (1993);p.115-123. AHONEN, L., TUOVINEN, O. Alterations in surfaces y textures of minerals during the bacterial leaching of a complex sulfide ore. Geomicrobiology Journal, Vol. 10 (1993); p..207-217. AHONEN, L., TUOVINEN, O. Solid-phase alteration y iron transformation in column bioleaching of a complex sulfide ore. In: Environmental Geochemistry of sulfide oxidation. ACS Symposium Series 550. American Chemical Society, Washington. 1994. AKCIL, A., CIFTCI, H. y DEVECI, H. Role y contribution of pure y mixed cultures of mesophiles in bioleaching of a pyritic chalcopyrite concentrate. Minerals Engineering. Vol 20. (2007); 310–318. BOSECKER, K. Microbial leaching in environmental clean-up. Hydrometallurgy. 59, (2001); p.245– 248. BREWIS, T. Metal extraction by bacterial oxidation. Mining Magazine, vol. october, ; (1995) p.197-207. BRIERLEY, J., BRIERLEY, C.L. Present y future commercial applications of biohydrometallurgy. Hydrometallurgy 59, (2001). p.233–239. BRIERLEY, J.A., LUINSTRA, L. Biooxidation-heap concept for pretreatment of refractory gold ore. En: Biohydrometallurgical Technologies, A.E. Torma, J.E. Wey & V.L. Lakshmanan Eds., The Minerals, Metals & Materials Society, (1993); p.437-448. BRUYNESTEYN, A. Mineral Biotechnology-Minireview. Journal of Biotechnology. 11, (1989); .p-1-10. BUCKLEY, A.N., WALKER, G.W. The surface composition of arsenopyrite exposed to oxidizing environments. Appl. Surf. Sci. 35, (1988); p.227–240. BUTCHER, B.G., DEANE, S.M., RAWLINGS, D.E., The chromosomal arsenic resistance genes of Thiobacillus ferrooxidans have unusual arrangement y confer increased arsenic y antimony resistance to Escherichia coli. Appl. Environ. Microbiol. 66, (2000). p.1826–1833. CARDONA I.C., MÁRQUES, M.A.Biodesulfurization of two Colombian coals with native microorganisms. Fuel Processing Technology. Vol 90. (2009); p.1099–1106. CARLSON, L., LINDSTROM, E.B., HALLBERG, K.B., TUOVINEN, O.H. Solid-phase products of bacterial oxidation of arsenopyrite. Appl. Environ. Microbiol. 58, 1992.p.1046–1049. COLLINET, M.N., MORIN, D. Characterization of arsenopyrite oxidizing Thiobacillus. Tolerance to arsenite, arsenate, ferrous y ferric iron. Antonie van Leewenhoek. Vol 57. (1990). p.237-244. COLMER, A.R., HINKLE, M.E. The Role of Microorganisms in Acid Mine Drainage: Preliminary Report. Agricultural y Engineering Experiment Stations, West Virginia University. 1947. ÇOPUR, M. Solubility of ZnS Concentrate Containing pyrite y chalcopyrite in HNO3 solutions. Chem. Biochem. Eng. Q. 15, (2001) p.181–184. CORKHILL, C.L., VAUGHAN, D.J.Arsenopyrite oxidation – A review. Applied Geochemistry. doi:10.1016/j.apgeochem.2009.09.008. CORKHILL, C.L., WINCOTT, P.L., LLOYD, J.R., VAUGHAN, D.J. The oxidative dissolution of arsenopyrite (FeAsS) y enargite (Cu3AsS4) by Leptospirillum ferrooxidans. Geochim. Cosmochim. Acta 72, (2008); 5616–5633. COSTA, M.C., BOTELHO DO ROGO, A.M., ABRANTES, L.M. Characterization of a natural y an electro-oxidised arsenopyrite: a study on electrochemical y Xray photoelectron spectroscopy. Int. J. Miner. Process. 65, (2002). p.83–108. CRAW, D., FALCONER, D., YOUNGSON, J.H., Environmental arsenopyrite stability y dissolution: theory, experiment y field observations. Chemical Geology. 199, (2003); p. 71–82. CRUZ, R., LAZARO, I., GONZALEZ, I., MONROY, M., Acid dissolution influences bacterial attachment y oxidation of arsenopyrite. Miner. Eng. 18, (2005)p.1024–1031. Crundwell, F. 2003. How do bacteria interact with minerals?. Hydrometallurgy. 71:75–81. Da SILVA, G. Kinetics y mechanism of the bacterial y ferric sulphate oxidation of galena. Hydrometallurgy. 2004. DEMOPOULOS, G.P., PAPANGELAKIS, V.G. Recent advances in refractory gold processing. CIM Bulletin, Nov., (1989)p.85-91. DEVASIA, P., NATARAJAN, K.A. Bacterial Leaching: Biotechnology in the Mining Industry. 2004. DOPSON, M., LINDSTROM, E.B., HALLBERG, K.B. Chromosomally encoded arsenical resistance of the moderately thermophilic acidophile Acidithiobacillus caldus. Extremeophiles 5, (2001). P.247–255. DUQUE, B., NOGUERA, H. Estudio de prefactibilidad técnica y financiera del proceso de biolixiviación para el mineral de la mina el silencio (Segovia, Antioquia). 2001. Tesis Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín. EDWARDS, K.J., BOND, P.L., BANFIELD, J.F. Characteristics of attachment y growth of Thiobacillus caldus on sulphide minerals: a chemotactic response to sulphur minerals? Environ. Microbiol. 2, (2000) .p.324–332. EDWARDS, K.J., HU, B., HAMERS, R.J., BANFIELD, J.F. A new look at microbial leaching patterns on sulfide minerals. FEMS Microbiol. Ecol. 34, (2001) .p.197–206. EHRLICH, H.L., NEWMAN, D.K., (Eds), Geomicrobiology, Fifth Edition. Taylor & Francis Group, LLC. 2009. ELIGWE, C. Microbial desulphurization of coal. Fuel. 67, (1988); p.451-458. FERNANDEZ, P.G., LINGE, H.G., WADSLEY, M.W. Oxidation of arsenopyrite (FeAsS) in acid part I: reactivity of arsenopyrite. J. Appl. Electrochem. 26, (1996 a). p.575–583. FERNANDEZ, P.G., LINGE, H.G., WILLING, M.J. Oxidation of arsenopyrite (FeAsS) in acid part II: Stoichiometry y reaction scheme. J. Appl. Electrochem. 26, (1996 b) .p.585–591. FOUCHER, S., BATTAGLIA-BRUNET, F., D´HUGUES, P., CLARENS, M., GODON, J. J. MORIN D. Evolution of the bacteria population during the batch bioleaching of a cobaltiferous pyrite in a suspended-solids bubble colum y comparison with a mechanically agitated reactor. Hydrometallurgy. Vol 71. (2003). p.5–12. FRANCISCO, JR. W. Estudo da oxidação de covelita (CuS) e molibdenita (MoS2) sintéticas por Acidithiobacillus ferrooxidans. Tesis M.Sc. Universidade Estadual do Sao Paulo. 2006. GARCIA, J.L. Cours the biolixiviation. Université de Provence, Ecole Supérieure d’Ingénieurs de Luminy, Centre d’Enseignement Supérieure en Biotechnologie. Ecole Supérieure de Génie Biologique et Microbiologie Appliquée, Module de Microbiologie Appliquée, Laboratoire de Microbiologie, Orstom, (1995). 19 p. 63 Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 53 - 65 GARCÍA, JR., O., URENHA, L. Lixiviação bacteriana de minérios. En: Biotecnologia Industrial. Vol 3. Procesos fermentativos e enzimáticos. Ed. Urgel de Almeida. Eugenio Aguarone, Walter Borzani, Willibaldo Schmidell. 8 Ed. Brazil. 2001. GILBERT, S.R, BOUNDS, C.O., ICE, R.R. Comparative economics of bacterial oxidation y roasting as a pre-treatment step for gold recovery from na auriferous pyrite concentrate. CIM Bulletin, vol. 81, (1988); p.89-94. GOLDHABER, M.B., Experimental study of metastable sulfur oxyanion formation during pyrite oxidation at pH 6-9 y 30°C. Am. J. Sci. 283, (1983); p.193–217. GROOT, P., DEANE, S.M., RAWLINGS, D.E., A transposon-located arsenic resistance mechanism from a strain of Acidithiobacillus caldus isolated from commercial, arsenopyrite biooxidation tanks. Biohydrometall. Fundam. Technol. Sustain. Dev. 71, (2003). p.115–123. HACQUARD, E., BESSIERE, J., ALNOT, M., EHRDHARDT, J.J., Surface spectroscopic study of the adsorption of Ni(II) on pyrite y arsenopyrite at pH 10. Surf. Interface Anal. 27, (1999)p. 849–860. HAGNI, A.M., HAGNI, R.D. & TAYLOR, P.R. Mineralogical y textural characterization of lime roasted pyrite y arsenopyrite for gold leaching. In: Process Mineralogy XII – Applications to Environment, Preciuos Metals, Mineral Beneficiation, Pyrometallurgy, Coal y Refractories (W.Petruk, A.K.Rule, eds.), (1994);p.141-149. HALLBERG, K.B., SEHLIN, H.M., LINDSTROM, E.B. Toxicity of arsenic during high temperature bioleaching of gold-bearing arsenical pyrite. Appl. Microbiol. Biotechnol. 45, (1996) .p.212–216. HARNEIT, K., GOEKSEL, A., KOCK, D., KLOCK, J.H., GEHRKE, T., SAND, W. Adhesion to metal sulfide surfaces by cells of Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans y Leptospirillum ferrooxidans. Hydrometallurgy. 83, (2006). p.245–254. JOHNSON D. B. Importance of microbial ecology in the development of new mineral technologies. Hydrometallurgy 59: (2001) p.147-157. LAWRENCE, R.W., BRUYNESTEYN, A. Biological pre-oxidation to enhance gold y silver recovery from refractory pyritic ores y concentrates. CIM Bulletin, vol. 76, (1983). .p.107-110. LUTHER III, G.W. Pyrite oxidation y reduction: Molecular orbital theory considerations. Geochimica et Cosmochimica Acta. 51, (1987);p.3193–3199. MÁRQUEZ, M. Caracterização mineralógica do minério, concentrado e rejeito da flotação da mina São Bento (MG). Brasilia, (1995); 237p. Tesis de Maestría. Universidade de Brasília. Instituto de Gociências . MÁRQUEZ, M., Mineralogia dos processos de oxidação sobre pressão e bacteriana do minerio de ouro da mina São Bento, MG. (1999). Tese de doutorado. Universidad de Brasilia. MÁRQUEZ, M., GASPAR, J., BESSLER, K., MAGELA,G. Process mineralogy of bacterial oxidized gold ore in São Bento Mine (Brasil).Hydrometallurgy 83: (2006); p.114–123. MARSDEN, J., HOUSE, I. The chemistry of gold extraction. Ed. Ellis Horwood Limited, England. 1992. MCGUIRE, M.M., EDWARDS, K.J., BANFIELD, J.F., HAMERS, R.J., Kinetics, surface chemistry, y structural evolution of microbially mediated sulfide mineral dissolution. Geochim. Cosmochim. Acta 65, (2001b) p.1243–1258. McINTOSH, J., SILVER, M., GROAT, L. Bacteria y the breakdown of sulfide minerals. In: Biological-mineralogical interactions. Ed. McIntosc, J.M., Groat, L., Mineralogical association of Canada. Short course series. Vol 25. Otawa. 1997. 64 McKIBBEN, M.A., TALLANT, B.A., DEL ANGEL, J.K., Kinetics of inorganic arsenopyrite oxidation in acidic aqueous solutions. Appl. Geochem. 23, (2008);p.121–135. McNULTY, T.P., THOMPSON, D.L. Economics of bioleaching. In: Microbial Mineral Recovery, Ehrlich, H.L. & Brierley, C.L. Ed. McGraw Hill, New York, (1990); p.171-182. MEJÍA, E. Mineralogía del proceso de oxidación bacteriana de la calcopirita, esfalerita y galena. 2010.Tesis magíster en Ingeniería – Área Materiales y Procesos, Universidad Nacional de Colombia (Medellín). MIGNONE, C.F., DONATI, E.R. ATP requeriments for growth y maintenance of iron-oxidizing bacteria. Biochemical Engineering Journal. Vol 18. 2004. p.211– 16. MIKHLIN, Y., TOMASHEVICH, Y. Pristine y reacted surfaces of pyrrhotite y arsenopyrite as studied by X-ray absorption near-edge structure spectroscopy. Phys. Chem. Miner. 32, (2005) p.19–27. MIKHLIN, Y.L., ROMANCHENKO, A.S., ASANOV, I.P,. Oxidation of arsenopyrite y deposition of gold on the oxidised surfaces: A scanning probe microscopy, tunnelling spectroscopy y XPS study. Geochim. Cosmochim. Acta 70, 2006p 4874–4888. MOSES, C.O., NORDSTROM, D.K., HERMAN, J.S., MILLS, A.L. Aqueous pyrite oxidation by dissolved oxygen y ferric iron. Geochim. Cosmochim. Acta 51, (1987);p.1561–1571. MUÑOZ, A., Oxidación de concentrados de sulfuros metálicos provenientes de la mina La Maruja de Marmato, Caldas, mediante una cepa nativa de Acidithiobacillus ferrooxidans. 2002..Tesis de Maestría en Biotecnología. Universidad Nacional de ColombiaSede Medellín. NEALE, J.W, PINCHES, A., MULLER, H.H., HANNWEG, N.H., DEMPSEY, P. Long-term bacterial oxidation pilot plant operation at Mintek y Vaal Reefs. In: Presented at the South African Institute of Minning y Metallurgy Colloquium on Bacterial Oxidation, Johannesburg, 1991. 25 p. NESBITT, H.W., MUIR, I.J. Oxidation states y speciation of secondary products on pyrite y arsenopyrite reacted with mine waste waters y air. Mineral. Petrol. 62, (1998);p.123–144. NESBITT, H.W., MUIR, I.J., PRATT, A.R. Oxidation of arsenopyrite by air y airsaturated, distilled water y implications for mechanisms of oxidation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 59, (1995) p.1773–1786. NORDSTROM, D. Y SOUTHAM, G. Geomicrobiology of sulfide mineral oxidation. In : Reviews in mineralogy. Ed. Mineralogical Society of America. Vol. 35: (1997) p.361-382. OLSON, G., BRIERLEY, J., BRIERLEY, C. Bioleaching review part B: Progress in bioleaching: applications of microbial processes by the minerals industries. Appl Microbiol Biotechnol. 63, (2003); 249–257. OSPINA, J. Mineralogía del proceso de oxidación bacteriana de la arsenopirita y pirita. 2010. Tesis magíster en Ingeniería – Área Materiales y Procesos, Universidad Nacional de Colombia (Medellín). OSSA, M. Biolixiviación de sulfuros (pirita-arsenopirita) utilizando cepas nativas de acidófilos como pretratamiento, para el beneficio de metales preciosos, mina El Zancudo, Titiribí, Antioquia. 2004. Tesis de Maestría, Biotecnología. Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín. OSSA, M., MÁRQUEZ, M., ZAPATA, D. Ensayos de biolixiviación de esfalerita variedad marmatita. Memorias XII Congreso Colombiano de Minería. Medellín. 2005. PATRA, P., NATARAJAN, K., Microbially-induced flocculation y flotation for pyrite separation from oxide gangue minerals. Minerals Engineering. 16,( 2003) p.965–973. Ospina J, et al. Aplicaciones biotecnológicas en minería aurífera PÉREZ, J., VELÁSQUEZ, J. Biolixiviación de un mineral refractario procedente de la mina el zancudo (Titiribí, Antioquia). 1998. Tesis Ingeniería Química. Universidad Nacional de Colombia- Sede Medellín. RAWLINGS, D.E. The molecular genetics of Thiobacillus ferrooxidans y other mesophilic, acidophilic, chemolithotrophic, iron or sulfur oxidizing bacteria. Hydrometallurgy. Vol 59. (2001); p.187 – 201. RAWLINGS, D.E. Heavy metal mining using microbes. Annual Review Microbiology. Vol 56. (2002). p.65 – 91. RAWLINGS, D.E., Review. Characteristics y adaptability of iron – y sulfur – oxidizing microorganisms used for the recovery of metals from minerals y their concentrates. Microbial Cell Factories. 2005. RICHARDSON, S., VAUGHAN, D.J. Arsenopyrite: a spectroscopic investigation of altered surfaces. Mineral. Mag 53, (1989)p.223–229. RIMSTIDT, J.D., VAUGHAN, D.J. Pyrite oxidation: a state-of-the-art assessment of the reaction mechanism. Geochim. Cosmochim. Acta 67, (2003)p.873–880. RODRIGUEZ, Y., BALLESTER, A., BLAZQUEZ, M.L., GONZALEZ, F., MUNOZ, J.A., Study of bacterial attachment during the bioleaching of pyrite, chalcopyrite y sphalerite. Geomicrobiology Journal. 20, (2003);p.131–141. ROHWERDER, T., SAND W. The sulfane sulfur of persulfides is the actual substrate of the sulfur-oxidizing enzymes from Acidithiobacillus y Acidiphilium spp. Microbiology. Vol 149. (2003);p.1699–1709. ROSSI, Giovani., (Eds), Biohydrometallurgy. McGraw-Hill Book Company GmbH, Hamburg. 1990. SAMPSON, M.I., BLAKE, R.C. The cell attachment y oxygen consumption of two strains of Thiobacillus ferrooxidans. Miner. Eng. 12, (1999). p.671–686. SAMPSON, M.I., PHILIPS, C.V., BALL, A.S., Investigation of the attachment of Thiobacillus ferrooxidans to mineral surfaces using scanning electron microscopy analysis. Miner. Eng. 13, (2000). p-643–656. SAND, W., GEHRKE, T., HALLMANN, R., JOZSA, P.G., SCHIPPERS, A., Biochemistry of bacterial leaching – direct vs. indirect bioleaching. Hydrometallurgy. Vol 59.( 2001) p.159–175. SAND, W., GEHRKE, T., HALLMANN, R., SCHIPPERS, A. Sulfur chemistry, y the (In)direct attack mechanism- a critical evalution of bacterial leaching. Applied Microbiology y Biotechnology. Vol 43. (1995)p.961–966. SASAKI, K. Raman study of the microbially mediated dissolution of pyrite by Thiobacillus ferrooxidans. The Canadian Mineralogist. 35, (1997);p.999-1008. SASAKI, K., TSUNEKAWA, M., OHTSUKA, T., KONNO, H., The role of sulfur-oxidizing bacteria, Thiobacillus thiooxidans, in pyrite weathering. Colloids y Surfaces, A: Physicochemical y Engineering Aspects. 133, (1995); p.269–278. SCHAUFUSS, A.G., NESBITT, H.W., SCIANI, M.J., HOECSHT, H., BANCROFT, M.G., SZARGAN, R., Reactivity of surface sites on fractured arsenopyrite (FeAsS) toward oxygen. Am. Mineral. 85, (2000); p.1754–1766. SCHIPPERS, A., JOZSA, P.G., SAND, W., Sulfur chemistry in bacterial leaching of pyrite. Applied y Environmental Microbiology. Vol 62. 1999. p3424–3431. SCHIPPERS, A., SAND, W., Bacterial leaching of metal sulfides proceeds by two indirect mechanism via thiosulfate or via polysufides y sulfur. Applied y environmental Microbiology. Vol 65. (1999) p.319–321. SCHIPPERS, A., THORE, R., SAND,W. Intermediary sulfur compounds in pyrite oxidation: Implications for bioleaching y bio- depyritization of coal. Applied Microbiology y Biotechnology. Vol 52. (1999) p.104 – 110. STOLZ, J.F., BASU, P., SANTINI, J.M., OREMLAND, R.S. Arsenic y selenium in microbial metabolism. Ann. Rev. Microbiol. 60, (2006). p.107–130 SUZUKI, I., WERKMAN, C. Glutathione y sulfur oxidation by Thiobacillus thiooxidans. Microbiology. 1, (1958);p.239-244. TEMPLE, K.L., COLMER, A.R. The autotrophic oxidation of iron by a new bacterium: Thiobacillus ferrooxidans. Engineering Experiment Station, West Virginia University, Morgantown, West Virginia. 1951. TUFFIN, I.M., HECTOR, S.B., DEANE, S.M., RAWLINGS, D.E., Resistance determinants of a highly arsenic-resistant strain of Leptospirillum ferriphilum isolated from a commercial biooxidation tank. Appl. Environ. Microbiol. 72, (2006). p.2247–2253. TUOVINEN, O.H., BHATTI, T.M., BIGHAM, J.M., GARCIA, O., LINDSTROM, E.B. Oxidative dissolution of arsenopyrite by mesophilic y moderately thermophilic acidophiles. Appl. Environ. Microbiol. 60, (1994); p.3268–3274. VANSELOW, D. Mechanisms of bacterial oxidation of the copper sulphide mineral, covellite. Thesis B.Sc. Melbourne. 1976. VARDANYAN, N.S., AKOPYAN, V.P., Leptospirillum-Like bacteria y evaluation on their role in pyrite oxidation. Microbiology. Vol 72.( 2003).p. 438–442. VARGAS, T. Aspectos microbiológicos en procesos biohidrometalúrgicos. Notas del Curso de Lixiviación Bacteriana de Minerales Sulfurados, Ingeominas, Colombia. 1996. VARGAS, T., SANHUEZA, A., ESCOBAR, A. Studies on the electrochemical mechanism of bacterial catalysis in pyrite dissolution. In: Biohydrometallurgical Technologies, A.E. Torma, J.E. Wey y V.L. Lakshmanan Eds., The Minerals, Metals y Materials Society, (1993)p.579-588. WALKER, F.P., SCHREIBER, M.E., RIMSTIDT, J.D., Kinetics of arsenopyrite oxidative dissolution by oxygen. Geochimica et Cosmochimica Acta. 70, (2006);p.1668–1676. WIERSMA, C.L., RIMSTIDT, J.D. Rates of reaction of pyrite y marcasite with ferric iron at pH 2. Geochem. Cosmochim. Acta 48, (1984);p.85–92. WILLIAMSON, M.A., RIMSTIDT, J.D. The kinetics y electrochemical rate determining step of aqueous pyrite oxidation. Geochim. Cosmochim. Acta 58, (1994);p.5443–5454. YUNMEI, Y., YONGXUAN, Z., ZHENMIN, G., GAMMONS, C.H., DEXIAN, L., Rates of arsenopyrite oxidation by oxygen y Fe(III) at pH 1.8–12.6 y 15–45°C. Environ. Sci. Technol. 41, (2007); p.6460–6464. YUNMEI, YU., YONGXUAN, ZHU., WILLIAMS-JONES, A.E., ZHENMIN, GAO., DEXIAN, LI. A kinetic study of the oxidation of arsenopyrite in acidic solutions: implications for the environment. Applied Geochemistry. 19, (2004);p.435–444. SUZUKI, I. Microbial leaching of metals from sulfide minerals. Biotechnology Advances, Vol. 19. (2001). p.119-132. ZAPATA, D. Mineralogía del proceso de oxidación bacteriana de esfalerita, poveniente del distrito minero de Marmato (Caldas). Tesis magíster en Ingeniería – Área Materiales y Procesos, Universidad Nacional de Colombia (Medellín). (2006);132 p. 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] 66 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 67 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. Referencias AULINAS, M; BARRABÉS, S; FERRE, M; HERAS, M; PLANAS, M and SARRATS, A. Introducció a la biotecnologia pràctica. Barcelona. Udg. 2011. 52p. ISBN 9788484583431. BILLARD, R. Marshall’s Physiology of Reproduction: Artificial insemination in fish. Edinburgh, New York. Churchill Livingstone. 1990. p 888. ISBN: 0443019681. BILLARD, R. and COSSON, M. P. Some problems related to the assessment of sperm motility in freshwater fish. En:The Journal of Experimental Zoology. Vol. 261 (1992); p 22-31. BRINSTER, R. L.;AVARBOCK, M.R. Germ line transmission of Donor haplotype following spermatogonial transplantation. En: Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America. Vol. 91 (1994); p11303–11307. BRINSTER, R. L; ZIMMERMANN, J. W. Spermatogenesis following male germ-cell transplantation. En: Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America. Vol. 91 (1994); p11298–11302. CABRITA, E.; ROBLES, V.; HERRAEZ, P. Methods in reproductive aquaculture. Boca Ratón, Fl. CRC Press, Taylor & Francis Group. 2009. 568p. ISBN: 9780849380549. CARNEIRO, P. C. F. Tecnologias de produção e armazenamento de sêmen de peixes. En: Revista Brasileira de Reprodução Animal. Vol.31, No3 (2007); p 361-366. CARNEIRO, P. C. F.; SEGUI, M. S.; IÓRIS FILHO, C. R.; MIKOS, J. D. Viabilidade do sêmen do jundiá, Rhamdia quelen, armazenado sob refrigeração. En: Revista Acadêmica. Vol. 4, No 3 (2006); p 11-16. CAROLSFELD, J.; GODINHO H. P.; ZANIBONI FILHO E.; HARVEY, B. J. Cryopreservation of sperm in Brazilian migratory fish conservation. En: Journal of Fish Biology. Vol.63 (2003); p 472-489. CLOUD, J. G. Cryopreservation and transplantation of sexually immature gonads of rainbow trout. En: Fish physiology and biochemistry. Vol. 28 (2003); p 459-462. CLOUD, J. G. Surgical transplantation of sexually immature ovaries in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). En: Journal of experimental zoology. Vol. (298A), No 1(2003b); p 73-73. DIAZ, N.F; NEIRA, R. Biotecnología aplicada a la acuicultura: Biotecnologías clásicas aplicadas a la reproducción de especies cultivadas. En: Ciencia e investigación agraria. Vol. 31 (2005); p 45-58. DONALDSON, E. M. Encyclopedia of Aquaculture: Hormones in finfish aquaculture. Bryan, Texas. Stickney R. R. Texas A&M University. 2000. p 1063. ISBN: 0471231013. El-BATTAWY, K. A.; LINHART, O. Preliminary studies on sryopreservation of common tench (Tinca tinca) embryos. En: Reproduction in Domestical Animal. Vol. 44, No 4 (2009); p 718-723. GARUTTI, V. Piscicultura ecológica: Introdução. Edición 1. São Paulo. Editora UNESP, 2003. 321p. ISBN 8571394709. GOETZ, F. W.; COFFMAN, M. A. Storage of unfertilized eggs of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) in artificial media. En: Aquaculture. Vol. 184 (2000); p 267-276. HARVEY, B. Cryopreservation In Aquatic Species: The application of cryopreservation in fish genetic conservation in North and South America. Lousiana. World Aquaculture Society, Baton Rouge. 2000. 1003 p. ISBN: 9781888807202. HOLCOMB, M.; CLOUD, J. G.; INGERMANN, R. L. Impact of bacteria on short-term storage of salmonid eggs. En:Aquaculture Research. Vol. 36 (2005); p 1555-1561. KOBAYASHI, T.; TAKEUCHI, Y.; TAKEUCHI, T.; YOSHIZAKI, G. Generation of viable fish from cryopreserved primordial germ cells. En: Molecular reproduction and development. Vol. 74, No 2 (2006); p 207–213. LACERDA, S. M. S. N.; BATLOUNI, S. R.; SILVA, S. B. G.; HOMEM, C. S. P.; FRANÇA, L. R. Germ cells transplantation in fish: the Nile-tilapia model. En: Animal reproduction. Vol. 3, No 2 (2006); p146–159. MALDONADO-OCAMPO, J. Peces dulceacuícolas colombianas. En: Biota Colombiana. Vol. 7 (2006); p.15-30. MARQUES, S.; GODINHO, H. P. Short-term cold storage of sperm from six neotropical Characiformes fishes. En: Brazilian Archives of Biology and Technology. Vol. 47 No 5 (2004); p 799-804. MURGAS, L. D. S.; MILIORINI, A. B.; FRANCISCATTO, R. T.; MARIA, A. N. Viabilidade Espermática do Sêmen de Piracanjuba (Brycon orbignyanus) Resfriado a 4ºC. En:Revista Brasileira de Zootecnia. Vol. 33, No 6 (2004); p 1361-1365. MYLONAS, C. C.; FOSTIER, A.; ZANUY, S. Broodstock managemnet and hormonal manipulations of fish reproduction. En: General and comparative endocrinology. Vol. 165, No 3 (2010); p 516-534. NACIONES UNIDAS. Convenio sobre la diversidad biológica. 1992. 30p. NAGLER, J. J.; CLOUD, J. G.; WHEELER, P. A.; THORGAARD, G. H. Testis transplantation in male rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). En: Biology of reproduction. Vol. 64 (2001); p 644-646. NELSON, J. Fishes of the world: introduction. Edición 4. Hoboken, New Jersey. John Wiley & Sons, Inc. 2006. 601p. ISBN-13: 9780471250319.. 71 Informador Técnico (Colombia) Edición 75, Enero - Diciembre 2011, p 66 - 72 NÓBREGA, R. H.; BATLOUNI, S. R.; FRANÇA, L.R. An overview of functional and stereological evaluation of spermatogenesis and germ cell transplantation in fish. En: Fish physiology and biochemistry. Vol. 35 (2009); p 197-206. OKUTSU, T.; SHIKINA, S.; KANNO, M.; TAKEUCHI, Y.; YOSHIZAKI, G. Production of trout offspring from triploid salmon parents. En: Science. Vol. 14, No 317 (5844) (2007); p1517. OKUTSU, T.; SUZUKI, K.; TAKEUCHI, Y.; TAKEUCHI, T.; YOSHIZAKI, G. Testicular germ cells can colonize sexually undifferentiated embryonic gonad and produce functional egginfish. En:Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America. Vol.103 (2006); p 2725–2729. PATIÑO, R. Manipulations of the reproductive system of fishes by means of exogenous chemicals. En: The Progressive FishCulturist. Vol. 59 (1997); p 118-128. PHELPS, R. Recent advances in fish hatchery management. En: Revista Brasileira de Zootecnia. Vol. 39 (2010); p 95-101. PILLAY, T. V. R.; KUTTY, M. N. Aquaculture: Principles and Practices. Oxford. Blackwell Publishing, Oxford. 2005. 624p. ISBN-13: 9781405105323. RANA, K. Broodstock management and egg and larval quality: Preservation of gametes. Londrés. Blackwell Science, 1995. 424p. ISBN: 0632035919. REIS, R.E; KULLANDER, S.O; FERRARIS, C.J. Check list of the freshwater fishes of South and Central America. Edición 1. Porto Alegre. Edipucrs, 2003. xi, 729 p. ISBN-10 8574303615. ROLLAN, A. D.; JÉGOU, B.; PINEAU, C. Molecular mechanisms in spermatogenesis: Testicular development and spermatogenesis: harvesting the postgenomics bounty. Austin, Texas. Springer Science+Business Media. 2008. 274p. ISBN: 9780387799902. SAITO, T.; GOTO-KAZETO, R.; ARAI, K.; YAMAHA, E. Xenogenesis in teleost fish through generation of germ-line chimeras by single primordial germ cell transplantation. En: Biology of reproduction. Vol. 78, No 1 (2008); p159–166. SCHALLY, A. V. Aspects of hypothalamic regulation of the pituitary gland. En: Science. Vol. 202 (1978); p 18-28. SCHULZ, R. W.; FRANÇA, L. R.; LAREYRE, J. J.; LEGAC, F.; CHIARINI-GARCIA, H.; NÓBREGA, R. H.; MIURA, T. Spermatogenesis in fish. En: General and comparative endocrinology. Vol. 165 No 3 (2010); p 390-411. 72 STREIT JR., D. P.; DIGMAYER, M.; RIBEIRO, R. P.; SIROL, R. N. MORAES, G. V.; GALO, J. M. Embriões de pacu submetidos a diferentes protocolos de resfriamento. En: Pesquisa Agropecuária Brasileira. Vol. 42, No 8 (2007); p.1199-1202. STREIT, D. P.; MORAES, G. V.; RIBEIRO, R. P.; CAÇADOR, W.; SAKAGUTI, E. S.; POVH, J. A.; SOUZA, E. D. Estudo comparativo da indução hormonal da espermiação em piavuçu (Leporinus macrocephalus) com extrato de hipófise de frango, coelho e carpa. En: Acta Scientiarum, Animal Sciences. Vol. 25, No 2 (2003); p 261-266. SWANSON, P.; DICKEY, J.T.; CAMPBELL, B.; Biochemistry and physiology of fish gonadotropins. En: Fish Physiology and biochemistry. Vol. 28 (2003); p 53-59. TAKEUCHI, Y.; YOSHIZAKI, G.; TAKEUCHI, T. Generation of live fry from intraperitoneally transplanted primordial germ cells in rainbow trout. En: Biology of reproduction. Vol. 69 (2003); p 1142–1149. TAKEUCHI, Y.; YOSHIZAKI, G.; TAKEUCHI, T. Surrogate broodstock produces salmonids. En: Nature. Vol. 430 (2004); p 629–630. THORGAARD, G.H; CLOUD, J. G. Genetic Conservation of Salmonid Fishes:reconstitution of genetic Strains of salmonids using biotechnical approaches. New York. Plenum Press. 1993. ISBN: 0306445328. URBINATI-CRISCUOLO, E.Reproducción de peces en el trópico: Bases fisiológicas de la reproducción en peces tropicales. Bogotá. Imprenta Nacional de Colombia. 2005. 246p. ISBN: 9583385158. VALDEBENITO, I. Terapias hormonales utilizadas en el control artificial de la madurez sexual en peces de cultivo: una revisión. En: Archivo médico veterinario. Vol. 40 (2008); p 115-123. VALENTI, W.C. Aquicultura sustentável. En: Anais do congresso de Zootecnia. Vol. 12 (2002); p 111-118. WATSON, P.F.; HOLT, W.V. Cryobanking the genetic resource: wildlife conservation for the future?. Londres. Taylor and Francis, 2001. 463p. ISBN 0748408142. ZANIBONI FILHO, E.; WEINGARTNER, M. Técnicas de indução da reprodução de peixes migradores. En: Revista Brasileira de Reprodução Animal. Vol. 31, No 3 (2007); p 367-373. ZOHAR, Y.; MYLONAS, C. Endocrine manipulation of spawning in cultured fish: from hormones to genes. En: Aquaculture. Vol. 197 (2001); p 99-136. 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. Referencias AGAR D. and RASI M. On the use of a laboratory-scale Pelton wheel water turbine in renewable energy education [Journal] // Renewable Energy. - Finlad : Elsevier, July 2008. - Issue 7 : Vol. 33. - pp. 15171522. - 0960-1481. APROTEC Aprotec [Online] = Galeria Fotografica - Hidroenergia // Aprotec. - Feb 2011. - www.aprotec.com.co. BANSAL R.C., BHATTI T.S. and KOTHARI D.P Bibliography on the application of induction generators in nonconventional energy systems [Journal] // Energy Conversion. - Issue 3 : Vol. 18. BARTLE ALISON Hydropower potential y development activities [Journal] // Energy Policy. - [s.l.] : Elsevier, 2002. - Vol. 30. - pp. 1231–1239. BLANCO CLAUDIO, SECRETAN YVES and AMARANTE ANDRÉ L. Decision support system for micro-hydro power plants in the Amazon region under a sustainable development perspective [Journal] // Energy for Sustainable Development. - [s.l.] : Elsevier, Sept 2008. - N° 3 : Vol. XII. - pp. 25-33. - ISSN 0973-0826. CASPARY GEORG Gauging the future competitiveness of renewable energy in Colombia [Journal] // Energy Economics. - [s.l.] : Elsevier, Enero 2009. - Vol. 31. - pp. 443–449. DEMETRIADES G.M he use of induction generators for small-scale hydroelectric schemes in remote areas [Journal] // Electrotechnical Conference. - 2000. - pp. 1055 - 1058. EAAB Dirección Red Matriz Acueducto [Online] = Que operamos / Hidroelectrica de Santa Ana // Dirección Red Matriz Acueducto. Junio 2011. - http://web.acueducto.com.co/RedMatriz/RedMatriz/ hidroelectrica.htm. EKANAYAKE J.B. Induction generators for small hydro schemes. [Journal] // Power Engineering Journal. - 2002. - Issue 2 : Vol. 16. - pp. 61 – 67. EUROBSERV’ER EurObserv’ER [Online] // L´Observatoire Des Energies Renouvelables. - 2010. - Octubre 2009. - http://www.eurobserv-er.org. GOMEZ JORGE IVAN, PALACIO EDISON ANDRES AND PAREDES CESAR ALFONSO La turbine Mitchell Banki y su presencia en Colombia [Journal] // Avances en recursos Hidraulicos. - Medellin : Universidad Nacional de Colombia, Mayo 2008. - Numero 17. - pp. 33-42. - ISSN 0121-5701. GONÇALVES de MELLO Jr et al. Optimización del rendimiento de una turbina de flujo cruzado (Michell - Banki): modificaciones mecánicas y adaptaciones constructivas realizadas. [Conference] // Memorias 8° CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA. Cuzco : Pontificada Universidad Catolica del Peru, 2007. - pp. 1-8. GUAYACUNDO W. PACHON O.L. ROMERO G.G Estado del Arte en la planificación y diseño de pequeñas centrales hidroeléctricas [Report] / Universidad Nacional de Colombia. - Bogotá : [s.n.], 1999. HANMANDLU M AND GOYAL HIMANI Proposing a new advanced control technique for micro hydro power plants [Journal] // Electrical Power y Energy Systems. - 2008. - Vol. 30. - pp. 272–282. HAQUE M.H. Characteristics of a stand-alone Induction generator in small hydroelectric plants [Journal] // Power Engineering Conference, 2008. AUPEC ‘08. - [s.l.] : Australasian Universities, 2008. - pp. 1-6. HIDROELÉCTRICAS MANUAL DE PEQUEÑAS CENTRALES Rojas W. [Report] : Tesis Pregrado / Universidad Nacional de Cololmbia. Bogotá : [s.n.], 1994. INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA NATURALEZA TERRITORIO Y ENERGIAS RENOVABLES Pontificia Universidad Catolica del Peru [Online] // Pontificia Universidad Catolica del Peru. - Sept 2010. - Sept 2010. - www.uns.edu.pe/energia/seleccion_turbinas_hidraulicas.jpg. INSTITUTO DE CIENCIAS NUCLEARES Y ENERGÍAS ALTERNATIVA Guía de diseño de pequeñas centrales hidroeléctricas [Book]. - Bogotá : Ministerio de Minas y Energía, 1997. - Torres Q., Ernesto. INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN Y AHORRO DE LA ENERGIA DE ESPAÑA Manuales de Energias Renovables Vol 6 Minicentrales hidroeléctricas [Report]. - España : Ministerio de Industria, turismo y comercio, 2006. IVANRICK ELECTROMNTTO [Online] // Mantenimiento de maquinas rotativas. - Marzo 4, 2009. - Enero 2011. - http://electromntto. blogspot.com/. MAGUREANU R. et al. Smart AC grid integrating dispersed small hydropower sources. [Journal] = OPTIM 11th International Conference // Optimization of Electrical y Electronic Equipment,. - 2008. - pp. 345 – 350. MARTÍNEZ ANDRÉS G. Toda Colombia es mi pasion [Online]. - 2005. Mayo 2011. - www.todacolombia.com. MATAIX PLANA CLAUDIO Mecánica de fluídos y máquinas hidráulicas [Book]. - México : Oxford University Press , 1982. MURDOCH UNIVERSITY [Online] = Microhydro // School of Engineering y Energy . - 2008. - Septiembre 2011. - http://www.eepe.murdoch. edu.au/resources/info/Tech/hydro/small.html. NOUNI M. R. Providing electricity access to remote areas in India: Niche areas for decentralized electricity supply [Journal] // Renewable Energy. - India : Elsevier, Feb 2009. - Issue 2 : Vol. 34. - pp. 430-434. 0960-1481. OCHOA RUBIO Tomás Centrales hidroeléctricas [Book]. - Bogotá : Ediciones Grancolombia, 2002. ORTÍZ FLÓREZ Ramiro Pequeñas centrales hidroeléctricas [Book]. - Bogotá : McGraw-Hill, 2001. PASCALE Andrew, URMEE Tania y MOORE Andrew Life cycle assessment of a community hydroelectric power system in rural Thailand [Journal] // Renewable Energy. - [s.l.] : Elsevier, Mayo 2011. - Vol. 36. - pp. 2799-2808. RAMÍREZ ESCOBAR Carlos Arturo Elaboración de un sistema de mantenimiento preventivo planificado mediante el estudio de la rehabilitación de una central hidroeléctrica [Book]. - Bogotá : Proceditor, 1994. SALHI ISSAM DOUBABI SAÏD , ESSOUNBOULI NAJIB, HAMZAOUI ABDELAZIZ Application of multi-model control with fuzzy switching to a micro hydro-electrical power plant [Journal] // Renewable Energy. - [s.l.] : Elsevier, Marzo 2010. - Vol. Vol 35. - pp. 2071-2079. SÁNCHEZ Teodoro, RAMÍREZ Saúl and DÁVILA Celso Turbina axial: Bajas caidas, bajo mantenimiento, bajo costo [Journal] // Hidrored. Peru : Programa de Energía, Infraestructura y Servicios Básicos ITDG, 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. Its structure is: title, abstract, keywords, abstract in English, keywords in English, introduction, methodology, results, conclusions and bibliographic references, its structure keeps the same format of a scientific article Please, submit articles in magnetic form to: 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 93 94 95 96