4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Enfrentando Retos Emergentes de Ciencia y Tecnología.

Enfrentando retos emergentes de Ciencia y Tecnología

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102 artículos inéditos de la comunidad científica y tecnológica mexicana y extranjera. Resultados de investigación, aplicaciones innovadoras y perspectivas de ciencia y tecnología a fecha reciente. Temas de las 9 áreas de estudio clasificadas en el Sistema Nacional de Investigadores de México.

El 4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria fue organizado por la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas del Instituto Politénico Nacional (SEPI-UPIICSA-IPN) y fue celebrado en la Ciudad de México del 28 al 30 de octubre del 2020. Este foro reunió a investigadores, académicos, emprendedores, profesionales y estudiantes, con la intención de propiciar el trabajo colaborativo y la generación de redes de colaboración entre la academia, la industria y el Gobierno.

Coordinadores:

Como resultado del congreso, esta obra contiene 102 artículos sobre el estado del arte actual, aplicaciones innovadoras y perspectivas de ciencia y tecnología de las áreas: Físico Matemáticas y Ciencias de la Tierra, Biología y Química, Ciencias Médicas y de la Salud, Humanidades y Ciencias de la Conducta, Ciencias Sociales y Económicas, Biotecnología y Ciencias Agropecuarias, Ingeniería y Tecnología e Interdisciplinarias y Multidisciplinarias.

Carlos Alejandro Merlo-Zapata Doctor en Ingeniería de Sistemas Robóticos y Mecatrónicos por el CIDETEC del Instituto Politécnico Nacional desde 2019. Actualmente es profesor en el Instituto Tecnológico de Iztapalapa. Entre sus trabajos destacan la publicación de artículos indexados en el Jornal Citation Reports y una Patente.

Está dirigida a investigadores, académicos, profesionales, empresarios, emprendedores, estudiantes y, en general, a cualquier persona de nivel educativo superior o posgrado, con interés en temas inter y multidisciplinarios y que, además, deseen actualizar y ampliar sus conocimientos para promover soluciones innovadoras a problemas específicos locales, regionales, estatales y nacionales.

Mayra Antonio-Cruz Doctora en Ingeniería de Sistemas Robóticos y Mecatrónicos por el CIDETEC del Instituto Politécnico Nacional desde 2018. Actualmente es profesora-investigadora de la SEPI-UPIICSA-IPN y miembro Nivel I del Sistema Nacional de Investigadores de México. Ha publicado 26 artículos en revistas y congresos internacionales arbitrados.

Celso Márquez-Sánchez Doctor en Ingeniería de Sistemas Robóticos y Mecatrónicos por el CIDETEC del Instituto Politécnico Nacional desde 2018. Actualmente es profesor-investigador de la Universidad Politécnica de Texcoco y miembro del Sistema Nacional de Investigadores. Ha publicado artículos en revistas de divulgación nacional e internacional arbitradas.

ISBN 978-958-771-986-4

4TO CONGRESO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN INTERDISCIPLINARIA

Incluye

TO CONGRESO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN INTERDISCIPLINARIA Enfrentando retos emergentes de Ciencia y Tecnología

4 TO CO N G R E S O N AC I O N A L D E I N V E S T I G AC I Ó N INTERDISCIPLINARIA

Catalogación en la publicación - Biblioteca Nacional de Colombia 4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria (4o. : 2020: México) 4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria: Enfrentando retos emergentes de ciencia y tecnología / [Insituto Politécnico Nacional ... [et al.]; coordinadores editoriales, Mayra Antonio-Cruz, Carlos Alejandro Merlo-Zapata, Celso Márquez Sánchez]. -- 1a. ed. -- Bogotá : México : Ecoe Ediciones, 2020. 642 p. -- (Ciencia y tecnología. Investigación científica) Incluye datos de los coordinadores en la pasta. -- Contiene referencias bibliográficas. ISBN 978-958-771-986-4 1. Investigación científica - Congresos, conferencias, etc. 2. Ciencia y tecnología – Investigaciones - Congresos, conferencias, etc. I. Antonio Cruz, Mayra, II Merlo Zapata, Carlos Alejandro III. Márquez Sánchez, Celso IV. Insituto Politécnico Nacional V. Título VI. Serie CDD: 001.4 ed. 23 CO-BoBN- a1063111 Área: Ciencia y tecnología Subárea: Investigación científica

Primera edición: México, noviembre del 2020

ISBN: 978-958-771-986-4

© Merlo-Zapata, Carlos Alejandro Coordinador Editorial © Márquez Sánchez, Celso Coordinador Editorial ▶ Ecoe Ediciones México [emailprotected] www.ecoeediciones.mx Carrera 19 # 63C 32, Calle 9a Oriente Num. 12 Delegación Tlalpan CP. 14030 Tel.: 55 4331 3393 Ciudad de México - México

Director Ecoe Ediciones Mexico, S.A. de C.V.: Rodrigo Alfonso Espinosa Ángeles Directora editorial: Claudia Garay Castro Copy: Angie Sánchez Wilchez Diagramación: Wilson Marulanda Muñoz Carátula: Wilson Marulanda Muñoz Impresión: Ultradigital Press, S.A. de C.V., Centeno 195, Col. Valle del Sur, C.P. 09819, Ciudad de México.

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020

Índice Mensaje de la Organizadora General ............................................................................................................ viii Comité Organizador .......................................................................................................................................... ix Revisores Expertos ...............................................................................................................................................x Físico Matemáticas y Ciencias de la Tierra .......................................................................................................1 Electromagnetic Induction Heating as an Alternative Heat Source for Measuring the Thermal Conductivity of Solid Conductive Materials ..................................................................................................2 Detecting Changes in Water Bodies by Analyzing Satellite Images and Radiometric Indices Computation 8 Recommender System for Mexico City Museums Using Matrix Factorization as a Proposal to Increase Visitors. ........................................................................................................................................................15 Mixed Finite Elements Method for Single-Phase Flow in Porous Media ....................................................22 Biología y Química .............................................................................................................................................30 Elimination of Nitrogen and Organic Matter in Upflow Anaerobic Reactors for the Slaughterhouse Wastewater Treatment..................................................................................................................................31 Simulation of Defects Around Magnetic Anisotropic Colloids in Nematic Liquid Crystals .......................35 Numerical Simulation of the Design of a Plasma Reactor for Treatment of Toxic Gases Emitted by Municipal Solid Waste in Landfills..............................................................................................................41 Acid-base equilibrium for lysozyme and casein proteins electrodeposition in glassy carbon electrodes ....47 Evaluación Histológica de Hidróxido de Calcio Químicamente Puro, Ultrablend y Theracal en la Formación Dentinaria in Vivo......................................................................................................................54 Importance of the Natural Protected Area “Terminos Lagoon” as a feeding area for Ariopsis felis, Bagres marinus and Cathorops melanopus Presents on the Campeche coast ..........................................................59 Influence of 3-Aminopropyltrimethoxysilane on the Removal of Cu (II) Using Hydrotalcite Mg/Fe ........65 The Diafanization and Staining Optimized Technique, as a Tool for Ecotoxicological Studies in Actinopterygians ..........................................................................................................................................71 Determination of The Composition of Omega-3 and Omega-6 Fatty Acids by Chromatography of Gases Masses in Breast Milk and Their Comparison vs Formula Milks Supplied in the Sixth Month of Lactation ......................................................................................................................................................................77 Effect of Protein Extracts of Phytopathogenic Bacteria on Plant Growth and Bacterial Spot (Xanthom*onas Ssp.) in Capsicum Annuum ..........................................................................................................................83 Antinociceptive Activity of Ethanolic Extract from the Fruit of Kigelia Africana ......................................89 Effect of the Transplant Date and Different Varieties on the Yield of Calendula Officinalis L..................95 Microwave Synthesis of Biobr-N and Evaluation of Its Photocatalytic Activity Under Visible Radiation ....................................................................................................................................................................101 Characterization of Cereal and Legume Flours and Doughs to Make Snack Kind Churro .......................107 Identificación de Bandas de Proteína Recombinante Expresada en Escherichia Coli Usando una Máscara Binaria ........................................................................................................................................................113 iii

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) Use of Biosolids from a Wastewater Treatment Plant for the Growth of Zea Mays ..................................118 Production of Metarhizium Anisopliae and Beauveria Bassiana Spores by Biphasic Culture and Their Pathogenicity Against Heliothis Virescens F .............................................................................................123 Physicochemical Stability of Phycobiliproteins Extract from Arthrospira Maxima..................................127 Tratamiento de Aguas Residuales de una Estación Abastecedora de Combustibles por Procesos de Oxidación Avanzada ..................................................................................................................................133 Recognition of the Expression of the Rotavirus VP6 Protein ....................................................................139 Comparison of the CO2 Adsorption Capacity in Mg/Al Mixed Oxides and on Stone Materials of Natural Origin from San Jerónimo, Amanalco, México .........................................................................................143 Behavior Patterns of Macrodactylus mexicanus (Coleoptera: Melolonthidae) over Oaks Leaves ............150 Evaluation of the Feasibility of Phytoremediation of Leachates from a Landfill in Veracruz, México ....154 Synthesis and Structural Characterization of Nanostructures of Titanium Dioxide and Co-Catalytic Nanoparticles Prepared by Chemical Methods ..........................................................................................161 Ciencias Médicas y de la Salud .......................................................................................................................167 Malnutrition and Its Association with Urinary Iodine Among Schoolchildren Aged 6 to 12 in a Town Located in the South of Mexico .................................................................................................................168 Photodynamic Therapy for the Treatment of Cancerous Conditions with Methylene Blue: Review ........174 Palliative Care Needs in the Complex Chronic Degenerative Patient .......................................................182 A Novel Strategy for A-Lipoic Acid Production: Bioinformatic Design of a Multi-Enzymatic Expression System for Pichia Pastoris. ........................................................................................................................187 Multigenic Plasmid Construction for Light and Heavy Chain Expression of a Therapeutic Monoclonal Antibody in Mammalian Cells ...................................................................................................................195 Synthesis of Biomaterials Formulated with Chitosan and Polyvinyl Alcohol with Various Topographies for the Maintenance of Mesenchymal Stem Cells......................................................................................201 Validación in vitro de vectores autorregulados por hipoxia y TGF-β para terapia génica contra fibrosis .208 Exploring the Fractal Dimension of Human Dentin Porosity as a Possible Characterization Method in Dentistry .....................................................................................................................................................214 Electroencephalography Analysis of Music Listening for the Study of Academic Stress. ........................220 Identification of Drugs Against LBD Domain of the Androgen Receptor by SBVS and Its Evaluation in a Cellular Model of Castration Resistant Prostate Cancer. ...........................................................................227 Short-Term Memory After a Food Stroop in Higher Education Students .................................................234 Cholecalciferol and Pioglitazone Increase Glucose Uptake and Decrease Cholesterol and Triglycerides Concentrations Without Increasing Phosphates Concentrations on 3T3-L1 Adipocytes...........................240 Insight into the Intestinal Microbiota in the Development of Metabolic Diseases from Several Populations ....................................................................................................................................................................247 Determination of the Effect of Homeopathic Medicines on Thrombocytopenia .......................................253 Caracterización en Tiempo y Frecuencia de Señales EEG de Pacientes con Epilepsia de Ausencia ........258 Plan de Alta de Enfermería en Pacientes Post Quirúrgicos de un Hospital ...............................................264

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Índice Hepatoprotective Effect of the Subacute Oral Administration of the Aqueous Extract of Justicia Spicigera Schltdl in Rats with Hepatic Encephalopathy ............................................................................................269 Humanidades y Ciencias de la Conducta.......................................................................................................275 The Sor Juana that I want. Endless Reflections on the Interpretation and Representation of Juana Inés de Asbaje and Ramírez de Santillana in Contemporary Feminism .................................................................276 Ingreso Básico. Evidencia Empírica Sobre su Impacto en el Crimen. .......................................................283 Meaning of Life and Suicide: A Phenomenological-Existential Approach ...............................................290 Instagram: Social Construction in the Visual. Essay on a Subject of Communication Related with the New Media or the Digital Communication.........................................................................................................296 Masculinity based on Selfies Posted on Grindr. Determinism by Positions. .............................................301 The Children’s Perspective of Women’s Characteristics ...........................................................................307 Risk Factors Associated with Crime and Psychosocial Well-Being of the Prision Population of the State of Mexico: Preliminary Results ......................................................................................................................313 Philosophy and Anti-vaccine Groups: A Pluralist-Pragmatist Vision .......................................................319 The Philosophies Postulates behind of the Physics ....................................................................................325 Cooperation and Collaboration in the Professional Training of the Psychologist in Rigid and Flexible Curricular Models ......................................................................................................................................332 Uncritical Reproduction Hegemonic Narrative’s of the “War on Drugs” in the Media: Case of the Veracruz Massacre, September 2011. ........................................................................................................338 Distance Classes are the Challenge Posed by COVID-19..........................................................................344 On the History of the National Guard in Mexico .......................................................................................349 Didácticas Flexibles, Respuesta a la Dispedagogía en un Aula Multigrado en la Enseñanza de las Matemáticas ...............................................................................................................................................356 The Limitations of Science for the Knowledge and Understanding of Reality: A Proposal from the Philosophy of Henri Bergson .....................................................................................................................363 Linguistic Displacement in Fifth Grade Students in a Bilingual Elementary School ................................369 The Sociodrama as a Didactic Strategy. An Experience with High School Students ................................374 Teaching Strategies of Visual Arts Teachers at the Upper Secondary Level. ............................................384 Los Postmillennials y la Configuración de su Identidad a través de Redes Sociales .................................390 Programs for Social Welfare as an Incentive for the Construction of Subjective Mobility: “Young People Writing the Future” ....................................................................................................................................399 Ciencias Sociales y Económicas ......................................................................................................................405 Elements for the development of training strategies in SMEs ...................................................................406 Strategic Plan for an Educational Services Microenterprise in Nezahualcoyotl, Mexico State .................412 Transfers and Municipal Development in Colombia .................................................................................418 The Single-family Home Nahua of Zumpahuacán, Estado de México ......................................................424 Model of Corporate Environmental Responsibility, for Acknowledgment to Micro and Small Enterprises in Xalapa-Enríquez, Ver. ............................................................................................................................430 v

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) An Interdisciplinary Practice from Professional Task: Legal Criticism from a Formative Perspective ....437 A Model to Implement the Entrepreneurial Culture among Community Development Engineering Students at TecNM/Instituto Tecnológico de Comitán ..............................................................................443 The Incorporation of Social Economic in the Academic Programs of the IPN, the Case of the Interdisciplinary Professional Unit of Engineering and Social and Administrative Sciences (UPIICSA) 449 Methodological Proposal of the Community Added Value (VAC) as a Strategy to Encourage Local Economic Development (LED) ..................................................................................................................455 Public Policy Guidelines to Promote Strengthening of Value Chains in the Sustainable Energy Sector: The Case of Smes and Their Role in the National Development of the Wind Industry in Mexico. .................461 Proposal for the Design of an Information System for the Management of Clinical Records, Implemented in the Mater Module of the Outpatient Service. .........................................................................................467 Technological Evolution of E-commerce (2006-2020)..............................................................................473 Academic Performance and Relevant Variables in Students of the Bachelor’s Degree in Administrative Computer Systems from the Universidad Veracruzana, México ...............................................................479 Biotecnología y Ciencias Agropecuarias ........................................................................................................485 Evaluation of Escherichia coli Strains Genetically Modified to Express the Mrcp-19k Adhesive Protein from Megabalanus rosa Barnacle ..............................................................................................................486 Study of Meteorological Conditions in Oyameles for the Design of a Prototype of fog Catcher ..............492 Composteo de un Suelo Contaminado con Hidrocarburos del Petróleo Fracción Pesada (HPFP) Usando Cáscaras de Toronja (Citrus paradisi) y Limón (Citrus aurantifolia) como Agentes de Volumen...........498 Obtaining and Characterizing a Biopolymer from Algae (Sargassum sp.) To Make Packaging in Combination with Cellulose and Starch .....................................................................................................504 Moisture Resistance of Earthen Coatings Stabilized with Glycerol ..........................................................509 Determination of Organochlorines in Tissues of Mice at Different Altitudinal Gradients in Sinaloa .......516 Correlation of Lutropin and Follitropin with Organochlorine Pesticides in the Blood of Mice (Mus musculus) at Different Altitudinal Gradients in Sinaloa ............................................................................524 Soil and Water Conservation Zoning: Case Study La Cañada, Querétaro Microbasin ..............................532 Ingeniería y Tecnología ...................................................................................................................................540 Environmental Labeling Method to Evaluate the Environmental Efficiency of Self-Healing Polymeric Concretes. ...................................................................................................................................................541 Kanban Methodology as a Method of Regularization of Work .................................................................547 Desarrollo de una Aplicación Web para la Gestión de Rutas de Vehículos Recolectores de Residuos Sólidos Mediante Geolocalización. (Caso de Estudio San Gil, Santander) ...............................................553 Low-cost Homemade Fiber Optic Coiling Device .....................................................................................562 Portable Insole Prototype for Measuring Forces on the Sole of the Foot During the Gait Cycle ..............568 End-Effector with Three Fingers................................................................................................................574 Application of a Machine Learning Model in an Image Analyzer for the Measurement of Peribronchial and Perivascular Collagen in a Murine Model of Asthma with Dust Mite ................................................580

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Índice Imaging Future Trajectories for Spatial Planning of the Protected Areas of the Sierra Madre de Chiapas Complex .....................................................................................................................................................587 Evaluación del Desempeño de Transistores de Película Delgada de IGZO Bajo Estrés Eléctrico Pasivados con SU-8 y Análisis del Corrimiento de Vth...............................................................................................594 Use of the EMG-360 to Determine which Muscles are Activated in the Flexion-Extension Movement of the 5 Fingers of the Human Hand. .............................................................................................................600 Diseño e Implementación de un Prototipo de Protección Catódica Aplicado a un Acero A-36 Expuesto en Solución Ns4 ..............................................................................................................................................606 Exploratory Analysis of Spatial Data to Identify the Demand for Urban Freight Transport .....................611 Fabricación, Caracterización Eléctrica y Térmica del Material Nanocompuesto de GnPs/Resina Epóxica. Evaluación Como Protección para Rayos ..................................................................................................617 Saltwater Supply System for a Solar Distillation Desalination ..................................................................623 Interdisciplinarias y Multidisciplinarias ........................................................................................................629 Assessing Walkability Built Environment Attributes in Mexico City Using Grouping Analysis .............630 Impact of Urban Expansion in the Río Sabinal Sub-Basin From an Architectural Vision ........................637

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VII

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020

Mensaje de la Organizadora General

A nombre del Comité Organizador, agradezco a todos los que asisten y participan en el 4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria (4to CNII), del 28 al 30 de octubre de 2020. Estoy segura que este evento estimulará el trabajo colaborativo y la generación de redes de colaboración entre la academia, la industria y el gobierno; pues crea un escenario para investigadores, académicos, profesionales, empresarios y estudiantes, de los diferentes estados de la República Mexicana, para la presentación del estado del arte actual, de sus nuevos resultados de investigación, de aplicaciones innovadoras y perspectivas de nuevos desarrollos científicos y tecnológicos, que sin duda son relevantes en las diferentes áreas de estudio clasificadas en el Sistema Nacional de Investigadores. El 4to CNII es organizado por la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI) de la UPIICSA, en este año, con financiamiento del Conacyt a través del proyecto 311327 y con base en la intervención de voluntarios al interior y al exterior de la unidad; y, por supuesto, es apoyado por las autoridades de la unidad y del Instituto Politécnico Nacional. Nuestro trabajo ha sido fuertemente apoyado por el Comité Técnico, el Comité de Publicación, el Organizador de Publicidad y Difusión, la Administradora de la Página Web, el Organizador de Registro, pero sobre todo por el Comité de Estudiantes, quienes realizaron un rol muy importante al coordinar la publicación y difusión de la convocatoria, la búsqueda de revisores expertos, el seguimiento y notificación de las decisiones de aceptación/rechazo de los Revisores Expertos, la elaboración del Programa Técnico y otras importantes actividades inherentes a la organización del congreso. Reconozco ampliamente el tiempo y esfuerzo que todos los Revisores Expertos de las diferentes Instituciones Educativas dedicaron al realizar las estrictas revisiones de los artículos sometidos. Valoro, más aún, la energía, el entusiasmo y el compromiso que todos los voluntarios integrantes del Comité Organizador pusieron para que el 4to CNII fuera un gran éxito. Muchas gracias por los ocupados días y largas noches en vela que permitieron presentar un excelente Programa Técnico, del cual estoy muy orgullosa porque representa lo mejor en resultados nacionales de las respectivas áreas de investigación. Les deseo a todos una experiencia agradable y productiva durante su participación en el congreso. Dra. Mayra Antonio Cruz Organizadora General 4to CNII, Octubre 2020

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4to Congreso Nacional de InvestigaciónComité Interdisciplinaria. Organizador Ciudad de México, Octubre 2020

Comité Organizador 4to CNII, Octubre 2020 Organizadores Generales Dra. Mayra Antonio Cruz. Jefa del Departamento de Posgrado de la SEPI-UPIICSA M. en A. Francisco Alfredo Baldazo Molotla (QEPD) Comité Técnico Dra. Claudia Alejandra Hernández Herrera. Coordinadora de la Maestría en Administración, SEPI-UPIICSA M. en C. Dania Ramírez Herrera. Coordinadora de la Maestría en Ciencias en Estudios Interdisciplinarios de Pequeñas y Medianas Empresas, SEPI-UPIICSA Comité de Publicación Dr. Eduardo Gutiérrez González. Encargado de la SEPI-UPIICSA Dr. Carlos Alejandro Merlo Zapata. Instituto Tecnológico de Iztapalapa Comité de Publicidad y Difusión Lic. Álvaro Caudillo Piña Lic. Julieta Patricia Vargas Fernández. Difusión y Fomento a la Cultura Administradora de la Página Web Ing. Elizabeth Aguilar Lara. Apoyo Informático de la SEPI-UPIICSA Organizador de Registro Dr. Celso Márquez Sánchez. Universidad Politécnica de Texcoco y Universidad de la Rioja Comité de Estudiantes de la UPIICSA Angélica Yosahani Castañeda Miyamoto

Jorge Ivan Reyes García

Mario Alejandro Cruz Pérez

Carolina Ruiz de Chavez Alfaro

Griselda Galicia Mosqueda

Margarita Ruiz Mireles

Miguel García Gómez

Fidel Alexis Segura Hidalgo

Miguel Angel Gutiérrez Rocha

Ana Isabel Tinoco Silva

Sofia Jaquelin Jurado Martínez

Stephany Itzel Villar Mendoza

Georgina Martínez Antonio

Viridiana Montiel Juárez

José Leonardo Serralde Coloapa

Mauricio Emanuel Lozada Navarro

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII)

Revisores Expertos Adriana Garibay-Escobar

Adriana Ruiz Razura

Agustín Robles Bermúdez

Aidée Espinosa Pulido

Alberto Molgado Ramos

Aldo Iván Ramírez Orozco

Aldo Luis Méndez Pérez

Alejandro Espinosa Yáñez

Alina María Signoret Dorcasberro

Amaranta Cornejo Hernández

Angélica Santana Calderón

Antonio Sánchez Antillón

Aracely Díaz Oviedo

Ariel Gutiérrez Valencia

Arrigo Coen Coria

Arturo Estrada Vargas

Arturo Minor Martínez

Blandina Bernal Morales

Carlos A. Méndez-Cuesta

Carlos Alejandro Merlo Zapata

Carlos Barrachina Lisón

Carlos Contreras-Ibáñez

Carlos G. Garay-Reyes

Carolina Stephanie Muñoz Canto

Celia Nohemí Sánchez Domínguez

Celina López Mateo

Cuauhtémoc Villarreal Treviño

Cynthia De Lira García

Damián Hernández Herrán

Damián Islas Mondragón

Daniel Genaro Segura González

Daniel Osorio Gómez

Daniel Genaro Segura González

David Dávila Ortiz De Montellano

Diana Cecilia Tapia Pancardo

Diana Linda Cárdenas Chávez

Diego Alfredo Tlapa Mendoza

Edgar David Moreno Medrano

Edgar Iván Zazueta Luzanilla

Edgar Oliver Cardoso Espinosa

Edgar Possani Espinosa

Edith Rosalba Salcedo Sánchez

Elías Nahum Salmerón Valdés

Elías Olivares-Benítez

Elías Rigoberto Ledesma Orozco

Elim Albiter Escobar

Elsa Noreña Barroso

Emanuel Hernández Núñez

Emilio Hernández Gómez

Enrique Farfán Mejía

Enrique Maldonado Cervantes

Enrique Romo Arévalo

Eric Sadit Téllez Avila

Erick Velázquez Lozada

Erika Gómez Chang

Farid García-Lamont

4to Congreso Nacional de InvestigaciónRInterdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 evisores Expertos Felipe De Jesús Díaz Reséndiz

Francisco Domínguez-Mota

Francisco Enrique Gómez Rodríguez

Francisco Granados Correa

Francisco Pamplona Rangel

Frida Carmina Caballero Rico

Gabriela Citlalli López Torre

Gabriela de La Cruz Flores

Gabriela Santibáñez Andrade

Gerardo Torres Zarate

Guadalupe Rebeca Granados Ramírez

Guillermo Morales-Luna

Gustavo Manuel Cruz Bello

Gustavo Sadot Sosa Núñez

Horacio Olivares Pilón

Hortensia Castañeda Hidalgo

Hugo Antonio Tovar Romero

Hugo Carlos Martínez

Hugo Moreno Reyes

Humberto García Jiménez

Isadora Martínez-Arellano

Iván López Arévalo

Ivonne Linares-Hernández

Jaime Arellanes Robledo

Jaime Moises Horta Rangel

Jaime Ruiz Vega

Jaime Silverio Ortegón Aguilar

Jairo Muñoz Delgado

Javier Esquer Peralta

Javier Gustavo Cabal Velarde

Jesús Eduardo Oliva Abarca

Jesús Eduardo Soto Sainz

Jorge Guerra García

Jorge Guillermo Domínguez Chávez

Jorge Ibáñez Cornejo

Jorge Mendoza García

José Antonio Ibarra García

José de Jesús Espinoza Arellano

José Federico Morales

José Luis Arcos Vega

José Luis Mendoza de la Cruz

José Manuel Prieto González

José Manuel Velarde Cantú

José Noé Gutiérrez Herrera

José Rodolfo Rendón Villalobos

Juan Antonio Bautista

Juan Carlos Hernández Gómez

Juan Carlos Sordo Molina

Juan Luis Loredo López

Juana Elizabeth Elton Puente

Juana Patlán Pérez

Judith Zubieta García

Julián González Ayala

Karla Monserratt Villaseñor Palma

Laura Yareni Zúñiga

Leonel Lira Cortés

Leonor Gpe. Delgadillo Guzmán

Leonor Guadalupe Delgadillo Guzmán

Leticia Gallegos Cázares

Leticia Romero Chumacero

XII

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) Lilia González Cerón

Liliana Argueta Figueroa

Liliana Beatriz Sosa Campeón

Liz Toapanta-Yanchapaxi

Lorenzo Alejandro Méndez Rodríguez

Luis Arturo Soriano Avendaño

Luis Gabriel Arango Pinto

Luis Humberto Valderrama Landeros

Luis Javier Cuesta Hernández

Luz María Torres Rodríguez

Manuel Villarruel Fuentes

Marco Antonio Martínez Muñoz

María de Jesús de Haro Cruz

María De Jesús de la Riva Lara

María de Jesús Santiago Cruz

María del Pilar González-Muñoz

María Elena Calderón Segura

María Eugenia Martínez de Ita

María Guadalupe Sánchez Otero

María Luisa Cepeda Islas

María Luisa Madueño Serrano

María Teresa Fernández Nistal

Mariana Lozano González

Maribel Lozano Cortes

Mario Arturo Rodríguez Camacho

Martha Franco García

Martin Alberto Diaz-Viera

Miguel Ángel Campos Hernández

Miguel Arturo Morales Zamorano

Miguel Guerrero Olvera

Miguel Mata Pérez

Mildred Moreno Villanueva

Minerva Villanueva-Rodríguez

Mónica Blanco Jiménez

Mónica Del Carmen Meza Mejía

Norma Angélica Pedraza Melo

Norma Ivonne González Arratia López Fuentes

Octavio Galindo Hernández

Octavio Quesada García

Olga Rodríguez Cruz

Oscar Hernando Hernández Vázquez

Oscar Montaño Arango

Otilio Arturo Acevedo Sandoval

Pablo Manuel Chauca Malásquez

Patricia Astrid González Ávila

Patricia Ester Lappe Oliveras

Rafael Camacho Carranza

Raúl Rocha Romero

Rebeca Martínez Quezada

Rodolfo Cruz Vadillo

Rodrigo Méndez Alonzo

Rogelio Del Prado Flores

Rosa Elena Cárdenas Guerra

Rosa María Romero González

Rosalba Badillo Vega

Rosalía Susana Lastra Barrios

Rosario Román Pérez

Roxana Guadalupe Gutiérrez Vidal

Roxana Mitzaye Del Castillo Vázquez

Rubén Edel Navarro

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4to Congreso Nacional de InvestigaciónRInterdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 evisores Expertos Rubén Sampieri Cabal

Sandra Olimpia Gutiérrez Enríquez

Sara Rosario Cruz Morales

Sergio Raúl Rodríguez Elizarrarás

Silvia Cappello García

Singaraju Sri Subrahmanya Sarma

Verónica Reyes-Meza

Víctor Manuel Jiménez Mondragón

Víctor Rangel Licea

Wendy Portillo Martínez

Yazmín Karina Márquez Flores

Yessica Rico Mancebo Del Castillo

Yliana López Castro

Yolanda Terán Figueroa

Zeferino Gamiño-Arroyo

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XIII

F Í S I CO M AT E M ÁT I C A S Y CIENCIAS DE LA TIERRA

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII)

Electromagnetic Induction Heating as an Alternative Heat Source for Measuring the Thermal Conductivity of Solid Conductive Materials Calentamiento por Inducción Electromagnética como fuente de calor alternativa para la medición de la Conductividad Térmica de materiales sólidos conductores Ortega-Alejos, Julio Departamento de Ingeniería electrónica Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato Gto., México [emailprotected]

González-Duran, J. Eli Eduardo Departamento de Ingeniería en Sistemas Automotrices Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato Gto., México [emailprotected]

Estrada-Rojo, Leonel Departamento de Ingeniería electrónica Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato Gto., México [emailprotected]

Braulio-Sánchez, Mariano Departamento de Ingeniería en Sistemas Automotrices Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato Gto., México [emailprotected]

Ramírez-Martínez, Jorge Luis Departamento de Ingeniería electrónica Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato Gto., México [emailprotected]

Abstract — In this paper a development of an induction heating system for implementation as a heat source to obtain the thermal conductivity of solid materials is presented. The system reach 800°C using the 60% of the heating capability. In this first stage the temperatures obtained with the system are presented also a problem caused by electromagnetic noise injected to thermocouples is solved using instrumentation amplifiers.

Resumen — En este artículo se presenta el desarrollo de un sistema de calentamiento por inducción electromagnética para su implementación como fuente de calor en un equipo para determinar la conductividad térmica de materiales sólidos conductores. El sistema puede alcanzar temperaturas de 800°C usando el 60% de su capacidad de calentamiento. En esta primera etapa se muestran las temperaturas alcanzadas por el prototipo y se solucionó un problema asociado al ruido electromagnético radiado a los termopares usando amplificadores de instrumentación

Keywords — induction heating, heat source, Palabras clave — Conductividad térmica, thermal conductivity. calentamiento por inducción, fuente de calor.

I. INTRODUCCIÓN

Aguilar-Reyes, & Bedolla-Becerril, 2019), además es bien conocido que el conocimiento de las propiedades termofisicas como la conductividad térmica son esenciales para el desarrollo de nuevos materiales. (Dongliang, Qian, Gu, Jajja, & Yang, 2016). Hasta el día de hoy, se han desarrollado una amplia variedad de técnicas de medición cada una con sus ventajas y desventajas dependiendo de la geometría de la muestra,

La conductividad térmica es la propiedad que caracteriza la capacidad de un material para transferir el calor y es sumamente importante para las aplicaciones de disipación de calor. El aumento en la conductividad termina en los materiales ayuda a acelerar la difusión del calor evitando el sobrecalentamiento y su degradación prematura (León-Patiño, Braulio-Sánchez, 2

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. de México, Octubre 2020 Físico Matemáticas y Ciencias de la TCiudad ierra el tamaño y la composición. Para la caracterización térmica de materiales sólidos, los más utilizados son el método de estado estacionario, el método de hilo caliente transitorio (Teng, Hung, Teng, & Mo, 2010), el método de difusividad de flash láser (ArizmendiMorquecho & Chávez-Valdez, 2012), el método de fuente de plano transitorio y las técnicas fotoacústico y fototérmico (Xing, Jensen, Folsom, & Ban, 2014). Dentro de estos métodos el más utilizado para las pruebas de conductividad térmica de flujo de calor en dirección axial es el método de estado estacionario utilizando la técnica comparativa (Kováčik & Emmer & Bielek, 2015) y (Dongliang, Qian, Gu, Jajja, & Yang, 2016). El principio de este método consiste en pasar un flujo de calor a través de una muestra conocida y una muestra desconocida comparando los respectivos gradientes térmicos que serán inversamente proporcional a sus conductividades térmicas. (Kováčik & Emmer & Bielek, 2015) emplearon la técnica de barras cortadas para la determinación de la conductividad térmica de compósitos Cu-grafito comparando los resultados obtenidos con el método de difusividad flash láser encontrando una diferencia tan solo del 5% en los valores obtenidos.

presente artículo se describe el principio de operación de la técnica para determinar la conductividad térmica en materiales solidos conductores, el principio de calentamiento por inducción y la metodología que se implementó para el desarrollo del equipo de calentamiento por inducción propuesto, así como los resultados obtenidos hasta el momento y para finalizar las conclusiones del trabajo que se ha realizado.

II. PRINCIPIO DEL MÉTODO El método consiste en determinar la conductividad térmica de un material muestra por medio de un material de referencia por una técnica de estado permanente que se conoce como método de barras concéntricas cortadas (ASTM E1225, 2008). En la Figura 1. se muestra como está conformado el sistema, el cual consta de una barra de un material de referencia 1 con propiedades bien conocidas como puede ser cobre, por ejemplo, la barra del material con conductividad a determinar y otra barra de material de referencia 2. La barra metálica compuesta se encuentra en su exterior cubierta con un material aislante (LiraCortés & González-Rodríguez, 2008).

Como se publicó en (Diario Oficial de la Federación, 2016), el Centro Nacional de Metrología (CENAM) cuenta con el Patrón Nacional de Conductividad Térmica de Sólidos Conductores, sin embargo, su temperatura de medición máxima es de 800°C, lo que significa que la temperatura de la fuente de calor es aún mayor. Uno de los objetivos del patrón desarrollado por el CENAM como se menciona en (Gonzalez-Duran, y otros, 2019) es lograr una temperatura de medición de 1000°C, el cual no se ha conseguido con el uso de resistencias eléctricas en la fuente de calor, además de que las pérdidas de calor son considerables debido a que el alambre calefactor emite calor de forma radial, aprovechando solo un porcentaje de su capacidad, porque el contacto directo entre la superficie del material que se calienta y la superficie de la resistencia no es continua debido a las imperfecciones que pueden tener, afectando en la transferencia uniforme del calor. Para solucionar este problema en el presente trabajo se propone reemplazar la fuente de calor que utiliza el método de calentamiento por medio de resistencias eléctricas por el método de calentamiento por inducción electromagnética, para tener una mejor distribución de calor sobre la zona de calentamiento y conseguir temperaturas de medición superiores a los 800°C. En el

Figura 1.

Esquema del método de barras concéntricas cortadas.

En un extremo de la barra compuesta se coloca una fuente de calor y en el extremo opuesto se tiene un sumidero de calor o fuente fría, la barra metálica compuesta debe ser sujeta a presión para mejorar el contacto térmico entre las barras de referencia y la barra muestra.

Entonces, mediante mediciones de temperatura y longitud que son la ubicación de los termopares, definidos por 𝑧𝑧1 , 𝑧𝑧2 hasta 𝑧𝑧6 como se observa en la

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) reorientación de los dominios en la misma dirección del campo magnético exterior.

Figura 1. se puede determinar la conductividad del material muestra. A través de la ecuación de Fourier considerando que sólo existe flujo unidimensional se obtiene (GonzálezRodríguez, Lira-Cortés, & Garcia-Duarte, 2014): 𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑞𝑞 = −𝜆𝜆𝜆𝜆 𝑑𝑑𝑑𝑑,

Líneas de campo

(1)

Corriente inducida

Tubería

Si el área transversal de los materiales es la misma y solo se presentan flujos de calor axial (unidimensional), se obtiene: 𝑧𝑧 −𝑧𝑧

𝜆𝜆𝑅𝑅1 𝑇𝑇2 −𝑇𝑇1 𝜆𝜆 𝑇𝑇 −𝑇𝑇 (𝑧𝑧 −𝑧𝑧 ) + 2𝑅𝑅3 (𝑧𝑧6−𝑧𝑧5 )]. 2 3 2 1 6 5

𝜆𝜆𝑀𝑀 = 𝑇𝑇4 −𝑇𝑇3 [ 4

(2) Figura 2.

En donde 𝜆𝜆𝑀𝑀 es la conductividad térmica de la muestra, 𝑧𝑧1 a 𝑧𝑧6 y 𝑇𝑇1 a 𝑇𝑇6 posición y temperatura de cada termopar respectivamente, 𝜆𝜆𝑅𝑅1 y 𝜆𝜆𝑅𝑅3 la conductividad térmica del material de referencia (GonzálezRodríguez, Lira-Cortés, & Garcia-Duarte, 2014).

Las corrientes de remolino son corrientes eléctricas inducidas por acción transformadora en cualquier material conductor de electricidad; estas fluyen por todas partes en forma de espirales o remolinos en una masa sólida de material. El calentamiento debido a las corrientes de remolino es producido por las pérdidas por efecto joule 𝐼𝐼 2 𝑅𝑅 (Rudnev V., “Handbook of Induction Heating”, 2003)

Además, si las distancias entre los termopares de cada barra son iguales y el material de referencia es el mismo, se obtiene finalmente: 𝜆𝜆𝑀𝑀 =

𝜆𝜆𝑅𝑅 Δ𝑇𝑇1 +Δ𝑇𝑇3 ( ). 2 Δ𝑇𝑇2

Líneas de campo en un solenoide.

(3)

Las pérdidas por corrientes de remolino son de mayor importancia que las pérdidas por histéresis en el calentamiento por inducción, ya que, un material ferromagnético cuando se trabaja a temperaturas superiores a la de Curie, pierde sus propiedades magnéticas y por lo tanto no se puede depender de las pérdidas por histéresis. (Rudnev V., 2003).

Donde 𝜆𝜆𝑀𝑀 es la conductividad térmica del material bajo medición, 𝜆𝜆𝑅𝑅 es la conductividad térmica del material de referencia, Δ𝑇𝑇1 y Δ𝑇𝑇3 son las diferencias de temperatura en cada una de las barras de referencia y Δ𝑇𝑇2 es la diferencia de temperatura en la barra bajo estudio (González-Rodríguez, Lira-Cortés, & GarciaDuarte, 2014).

El campo magnético debe ser lo suficientemente intenso para inducir el nivel de corriente que pueda elevar la temperatura de un material ferromagnético en un tiempo muy corto; y se necesita un campo con más potencia cuando se trabaja con materiales que no poseen propiedades ferromagnéticas.

El calentamiento de un material por medio de inducción electromagnética se debe a dos tipos de pérdidas de potencia: pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes de remolino, las cuales se manifiestan solamente ante la presencia de un campo magnético variante con el tiempo, tal y como se observa en la Figura 2. (Ortega-Alejos, Estrada-Rojo, FuentesHernandez, J.J., & Arizaga-Ibarra, 2015).

Para obtener los niveles de voltaje y corriente necesarios para alimentar a la bobina de calentamiento, se requiere de un convertidor electrónico de potencia que utilice un tanque resonante (S. Dieckerhoff, 1999). El tanque resonante se sintoniza en su frecuencia de resonancia para obtener la máxima transferencia de potencia. La frecuencia a la que se sintonice el tanque será la frecuencia que tendrán la corriente y voltaje aplicado a la bobina de calentamiento; por lo tanto, el campo magnético variante con el tiempo generado tendrá la misma razón de cambio (A. Kelemen, 2007).

Las pérdidas por histéresis en un material ferromagnético corresponden a la energía requerida para reorientar los dominios magnéticos, los cuales se sincronizan a la razón de cambio del campo magnético externo. Los materiales ferromagnéticos se comportan como el núcleo de las máquinas eléctricas, el cual tiene dos funciones importantes: concentrar el campo magnético exterior gracias a la alta permeabilidad y amplificar el campo magnético gracias a la

El nivel de penetración del campo magnético en la pieza está en función de la razón de cambio del campo 4

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. de México, Octubre 2020 Físico Matemáticas y Ciencias de la TCiudad ierra para el monitoreo de las temperaturas en el sistema, así como el cálculo de la Conductividad Térmica.

magnético y las propiedades del material (Permeabilidad magnética). Un material con propiedades ferromagnéticas tiene una permeabilidad magnética muy alta, provocando que el campo magnético se intensifique dentro del material y por consiguiente la corriente inducida es mayor, de tal forma que la potencia disipada en la superficie de la pieza es muy grande. En frecuencias altas se induce un nivel de corriente mucho mayor en la superficie de la pieza que cuando se trabaja con niveles de frecuencia bajos (Rudnev, 2004).

III.

IV.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Figura 4. se muestra el esquema del prototipo desarrollado para calentamiento por inducción. El cual consta de tres partes, la sección a) donde se encuentra el convertidor electrónico para la excitación del tanque resonante; en la parte b) se localizan las Fuentes de alimentación aisladas para circuitos de disparo de transistores; finalmente en la última parte c) el circuito de acondicionamiento de señales con amplificadores de instrumentación.

METODOLOGÍA

Para el desarrollo del sistema de calentamiento por inducción se siguió la metodología que se muestra en la Figura 3.

Figura 3.

Metodología para el desarrollo del equipo de calentamiento por inducción.

Para el desarrollo del prototipo se tomó como referencia el trabajo de (Acevedo Plcon & Barrero Pérez, 2007). A continuación, se describe como se integró el sistema de calentamiento por inducción.

Figura 4.

Prototipo desarrollado.

La fuente de calor desarrollada se muestra en la Figura 5. Consta de la bobina de calentamiento conformada por tubo de cobre de 1/8 de pulgada, como aislamiento térmico se utilizó yeso. En el centro la barra de acero seleccionada por sus propiedades de alta permeabilidad.

Convertidor electrónico controlado por frecuencia para la alimentación de la bobina de calentamiento, frecuencia de operación 80-110 KHz, potencia máxima de 1 KW, control por un microcontrolador de la familia dsPIC de MICROCHIP. Fuente de calor: La fuente de calor se implementó utilizando una pieza de acero al carbón de una pulgada de diámetro calentada por inducción electromagnética a través de una bobina del tipo solenoide.

Bobina de calentamiento

Circuito de acondicionamiento de señales: se utilizaron amplificadores de instrumentación para la amplificación de las señales de voltaje generadas por los termopares (en el orden de los micro Volts), a niveles de voltaje en el orden de los Volts para su adquisición por el dispositivo programable myRIO.

Fuente de calor a una temperatura de 800 ⁰C

Figura 5.

Control y monitoreo del sistema: utilizando LabVIEW se desarrolló una interfaz gráfica de usuario 5

Fuente de calor.

Aislamiento térmico

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V. CONCLUSIÓN

El sistema se caracterizó a un 60 % de la capacidad de potencia del convertidor electrónico que alimenta a la bobina de calentamiento, alcanzando una temperatura de 800 ⁰C en la fuente de calor; a esa temperatura no se perdieron las propiedades magnéticas de la pieza de calentamiento. Las señales en el circuito de acondicionamiento de señales de los termopares no se contaminaron significativamente debido a la presencia del campo magnético ni de la conmutación de los transistores de la etapa de electrónica de potencia. En la Figura 6. se muestra la evolución de la temperatura durante el tiempo que alcanzó la barra de acero utilizada como fuente de calor ante la variación de voltaje en el sistema de calentamiento por inducción.

Se desarrolló el sistema de calentamiento por inducción para su implementación en un sistema de medición de conductividad térmica por el método de barras cortadas. El sistema de calentamiento por inducción electromagnética desarrollado es una excelente alternativa para substituir al método de calentamiento por medio de resistencias eléctricas, debido a que con los resultados preliminares a un 60% de la capacidad se ha alcanzado la temperatura de operación reportada en el (Diario Oficial de la Federación, 2016). El uso de amplificadores de instrumentación en el sistema de adquisición ayudó considerablemente a que las señales no se contaminaran.

Temperatura (⁰C)

900 800 700

Se presentaron los resultados de la primera etapa del proyecto en donde se determina la viabilidad del método de calentamiento por inducción y la influencia del campo magnético en la contaminación en las señales de voltaje provenientes de los termopares. En la segunda etapa se integrará el sistema completo de barras cortadas para la adquisición de las temperaturas en cada material y de esta manera calcular el valor de la conductividad térmica.

600 500

400 300 200 0

00:03 00:30 00:57 01:24 01:51 02:18 02:45 03:12 03:39 04:06 04:33 05:00 05:27 05:54 06:21 06:48 07:15 07:42 08:09 08:36

100

Tiempo (minutos) Figura 6.

AGRADECIMIENTO

Evolución de la temperatura de la barra en el tiempo del sistema de calentamiento por inducción.

Éste trabajo fue financiado totalmente por el Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato.

REFERENCIAS

En la entrada del amplificador operacional se introducen las puntas del termopar tipo K, cuya señal es pequeña y debido a la generación del campo magnético variable con el tiempo y el termopar actúa como una antena, este recogió la señal del campo causando un ruido que se podía apreciar de hasta incluso 200 mV. Lo cual generaba una lectura incorrecta en el termopar empleado.

A. Kelemen, N. K. (2007). Induction-heating voltage inverter with hybrid LLC. Pollack Periodica, 27-37 pp. Acevedo Plcon, A., & Barrero Pérez, J. y. (2007). Calentamiento por Inducción Electromagnética: Diseño y Construcción de un Prototipo. Revista UIS Ingenierías, 69-76. Arizmendi-Morquecho, A., & Chávez-Valdez, A. &.-Q. (2012). High temperature thermal barrier coatings from recycled fly ash cenospheres. Applied Thermal Engineering, 117–121.

Esto se solucionó implementando un filtro pasabajas a la salida del amplificador operacional de instrumentación, ya que la señal del campo es de alta frecuencia, por lo que al implementar un filtro pasabajas se puede filtrar la señal de interés, que en este caso es la señal de cambio de temperatura y debido a que se trata de un voltaje constante que cambia de manera relativamente lento con la selección y diseño correcto se logró atenuar ese ruido que estaba presente a la salida del amplificador operacional de instrumentación.

ASTM E1225. (Friday de August de 2008). ASTM E1225. Standard Test Method for Thermal Conductivity of Solids by Means of the GuardedComparative-Longitudinal Heat Flow Technique. West Conshohocken, Pensilvania, United States: ASTM International. Diario Oficial de la Federación. (07 de junio de 2016). SEGOB. Obtenido de Diario Oficial de la Federación: https://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=5443736&fec ha=06/07/2016

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Dongliang, Z., Qian, X., Gu, X., Jajja, S. A., & Yang, R. (2016). Measurement Techniques for Thermal Conductivity and Interfacial Thermal. J. Electron. Packag., 1-64. Gonzalez-Duran, J. E., González-Rodríguez, O., Zamora-Antuñano, M. A., Rodríguez-Reséndiz, J., Méndez-Lozano, N., Gómez-Meléndez, D. J., & Raul., a. G.-G. (2019). Finite Element Method and Cut Bar Method-Based Comparison Under 150◦, 175◦ and 310 ◦C for an. Applied sciences, 1-16. González-Rodríguez, O. J., Lira-Cortés, L., & Garcia-Duarte, S. y.L. (2014). Patrón de medición de la conductividad térmica de materiales sólidos conductores. Simposio de Metrología 2014, 653-656.

automatización.

Kováčik, J., & Emmer & Bielek, J. (2015). Thermal conductivity of Cu-graphite composites. International Journal of Thermal Sciences, 298–302.

Ortega-Alejos Julio. Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica. Profesor del Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato. Miembro del cuerpo Académico de Innovación Tecnológica. Sus áreas de interés son: Calentamiento por inducción electromagnética, electrónica de potencia y

González-Durán J. Eli Eduardo. Doctorado en Ciencias en Ingeniería Química. Experiencia docente, colaboración con diferentes instituciones UAQ, UVM campus Qro. Y UTSJR en el área de investigación. Área de interés: diseño mecánico, transferencia de calor y simulación estructural y de fluidos.

León-Patiño, C. A., Braulio-Sánchez, M., Aguilar-Reyes, E. A., & Bedolla-Becerril, E. (2019). Microstructure, mechanical and thermal properties of Ni matrix composites reinforced with high-volume TiC. Journal of Alloys and Compounds, 1102– 1111.

Estrada-Rojo Leonel. Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica. Desde agosto 2011 es profesor-investigador del Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato. Sus áreas de interés son: simulación en tiempo real, electrónica de potencia y control automático.

Lira-Cortés, L., & González-Rodríguez, O. J.-L. (2008). Sistema de Medición de la Conductividad Térmica de Materiales Sólidos Conductores, Diseño y Construcción. Simposio de Metrología 2008, 1-11. Ortega-Alejos, J., Estrada-Rojo, L., Fuentes-Hernandez, C. A., J.J., R.-S. E., & Arizaga-Ibarra, J. J.-L. (2015). Sistema de calentamiento por inducción electromagnética para pruebas experimentales en laboratorios de Físico-Química. Pistas Educativas, 641-664.

Braulio-Sánchez, Mariano Maestro en Metalurgia y Ciencias de los materiales. Profesor del Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato. Miembro del cuerpo Académico de Tecnologías de la Energía. Sus áreas de interés son: Propiedades mecánicas y térmicas de materiales.

Rudnev V., D. L. (2003). “Handbook of Induction Heating”. New York: Marcel Dekker. Rudnev, V. (2004). A fresh look at induction heating of tubular products: Part 1. Heat treating progress, 17-19. S. Dieckerhoff, M. R. (1999). “Design of an IGBT based LCLresonant inverter for high-frequency induction heating”. Materials Science, Engineering, 2039 – 2045 pp.

Ramírez-Martínez, Jorge Luis Estudiante de Ingeniería Electrónica. Alumno en decimo semestre del Instituto Tecnológico Superior del Sur de Guanajuato, apasionado de la electrónica de potencia y control.

Teng, T. P., Hung, Y. H., Teng, T. C., & Mo, H. E. (2010). The effect of alumina/water nanofluid particle size on thermal conductivity. Applied Thermal Engineering, 2213–2218. Xing, C., Jensen, C., Folsom, C., & Ban, H. &. (2014). An optimal guarding scheme for thermal conductivity measurement

4to Congreso Nacional de

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Detecting Changes in Water Bodies by Analyzing Satellite Images and Radiometric Indices Computation Detección De Cambios en los Cuerpos de Agua Mediante el Análisis de Imágenes Satelitales y el Cálculo de Índices Radiométricos Julio Víctor Sánchez Hernández Ing. en Sist. Comp. Instituto Tecnológico Superior de los Ríos Balancán, Tabasco, México [emailprotected]

Fernando Pech May Ing. en Sist. Comp. Instituto Tecnológico Superior de los Ríos Balancán, Tabasco, México [emailprotected]

Pedro Arturo Pérez Grimaldo Ing. en Sist. Comp. Instituto Tecnológico Superior de los Ríos Balancán, Tabasco, México [emailprotected]

Abstract — Water bodies are a topic of interest for several countries. Having information about water and their behavior, in the different seasons of the year, is very useful for agriculture and decisionmaking. On the other hand, there are satellites that generate a large data amount of Earth and tools for images processing that are very useful for forest monitoring, multi-temporal analysis of growing areas and water bodies, land use classification, among others. Sentinel-2 is an Earth observation program, consists of 13 spectral bands that provide images of high spatial resolution and radiometric quality and can be used for several researches. This paper presents the analysis of images from Sentinel-2 satellite, to identify changes in water bodies in the region Rivers of Tabasco in 2017-2020 period, through a multi-temporal analysis based on the Normalized Difference Vegetation Index and Normalized Difference Water. The results obtained show a low range of the radiometric index in study areas in 2018; the greatest changes in water bodies were registered during the rainy season in 2018. This shows the provocation in the decrease of water bodies causing crops quality.

Jorge Magaña Govea Ing. en Sist. Comp. Instituto Tecnológico Superior de los Ríos Balancán, Tabasco, México [emailprotected]

Resumen — Los cuerpos de agua son un tema de interés para distintos países. Tener información sobre las fuentes de agua y su comportamiento, en las distintas temporadas del año, es de gran utilidad para la agricultura y para la toma de decisiones. Por otra parte, existen satélites que generan gran cantidad de datos de la Tierra y herramientas para el procesamiento de grandes volúmenes de imágenes que son de gran utilidad para el monitoreo forestal, análisis multitemporal de zonas de cultivo y cuerpos de agua, clasificación del uso del suelo, entre otras. Sentinel-2 es un programa de observación de la Tierra que consta de 13 bandas espectrales que proporcionan imágenes de alta resolución espacial y calidad radiométrica y que pueden ser usadas para distintas investigaciones. En este artículo se presenta el análisis de imágenes del satélite Sentinel-2, para la identificación de cambios de los cuerpos de agua en la región de los Ríos del estado de Tabasco en el periodo 2017-2020, mediante un análisis multitemporal basado en los Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada e Índice de Agua de Diferencia Normalizada. Los resultados obtenidos demuestran un bajo rango del índice radiométrico en las áreas de estudio durante el 2018; los mayores cambios en los cuerpos de agua fueron registrados en la temporada de lluvias del mismo año; esto evidencia la provocación en la disminución de los cuerpos de agua, provocando la calidad en los cultivos. 8

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. de México, Octubre 2020 Físico Matemáticas y Ciencias de la TCiudad ierra Keywords — Sentinel-2, water classification, Palabras clave — Sentinel-2, clasificación de Sentinel2-images cuerpos de agua, Imágenes Sentinel 2

I. INTRODUCCIÓN

aprecia los elementos básicos de un sistema de PR (Zenteno, 2012).

Los cuerpos de agua dulce son recursos esenciales para los seres vivos y ecosistemas (Klemas & Pieterse, 2015). De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas (ONU), el sector agrícola ocupa el 70% de agua disponible en el planeta; en México, según la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), la agricultura ocupa aproximadamente el 70% de agua disponible en el país (Maguey, 2018). El cambio en la extensión territorial de los cuerpos de agua generalmente causa graves consecuencias, por lo tanto, detectar eficientemente la existencia de cuerpos de agua, extraer su extensión y monitorear su dinámica es importante para la implementación de medidas de prevención y gestión ambiental.

Figura 1. Interacción de los elementos de un sistema de PR.

Copernicus Sentinel-2 es una misión europea de imágenes multiespectrales de alta resolución, amplio espectro y frecuencia de revisión de 5 días en el Ecuador. Sus principales objetivos son (ESA, 2020): 1) proveer adquisiciones globales y sistemáticas de imágenes multiespectrales de alta resolución aliadas a una alta frecuencia de revisión; 2) proveer datos de observación para la próxima generación de productos operativos. Sentinel-2 lleva un instrumento óptico que muestra 13 bandas espectrales (ESA, 2020) (ver Tabla 1); el Instrumento MultiEspectral (MSI, del inglés MultiSpectral Instrument) de Sentinel-2 soporta una amplia gama de estudios y programas de observación terrestre; de igual manera, las bandas espectrales de Sentinel-2 proporcionan datos para la clasificación o detección de cambios de la cubierta terrestre, corrección atmosférica y separación de nubes/nieve (ESA, 2020).

La Percepción Remota (PR) ofrece formas eficaces de observar la dinámica de los cuerpos de agua. Comparándolo con las mediciones in situ tradicionales, la PR es más eficiente debido a su capacidad de monitorear continuamente la superficie terrestre. Los conjuntos de datos obtenidos por técnicas de PR pueden aprovecharse adecuadamente para cartografiar la extensión territorial de los cuerpos de agua y supervisar su dinámica a intervalos regulares o frecuentes. En este artículo se presenta una estrategia para la detección de cambios en los cuerpos de agua haciendo uso de imágenes Sentinel-2 y la plataforma de datos geoespaciales Google Earth Engine. El documento se estructura de la siguiente manera: en la Sección 2 el marco teórico; en la Sección 3 se presentan los materiales y método utilizado para llevar a cabo la investigación; en la Sección 4 se presentan los resultados obtenidos; y finalmente en la Sección 5 se presenta las conclusiones obtenidas del trabajo de investigación.

Tabla 1. Bandas espectrales del satélite Sentinel-2.

Banda 1 - Aerosol Banda 2 - Blue Banda 3 - Green Banda 4 - Red Banda 5 - RedEdge 1 Banda 6 - RedEdge 2 Banda 7 - RedEdge 3 Banda 8 - NIR 1 Banda 8A - NIR 2 Banda 9 - Water vapour Banda 10 - Cirrus Banda 11 – SWIR Banda 12 – SWIR

II. MARCO TEÓRICO La Percepción Remota (PR) permite obtener información de un fenómeno, mediante un conjunto de técnicas y herramientas, sin establecer contacto físico con él (Lillesand & Kiefer, 1994). En la PR es posible utilizar sensores remotos para capturar información correspondiente a la interacción entre el flujo energético del Sol y la superficie de la Tierra. En la Figura 1 se 9

Sentinel-2A Longitud de Resolución onda (µ) (m) 0.43 - 0.45 60 0.45 - 0.52 10 0.54 - 0.57 10 0.65 - 0.68 10 0.69 - 0.71 20 0.73 - 0.74 20 0.77 - 0.79 20 0.78 - 0.90 10 0.85 - 0.87 20 0.93 - 0.95 60 1.36 - 1.39 60 1.56 - 1.65 20 2.10 - 2.28 20

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) máxima se presenta en el mes de septiembre con un nivel de 1500 mm, y el menor volumen se presenta en el mes de abril (INEGI, 2006). Este municipio se encuentra dentro de la zona plana del estado con una altitud por debajo de 40 msnm, y se divide en tres zonas; Norte, Sur y Plan Balancán, de acuerdo con los usos del suelo y sus prácticas. En la zona Sur existen numerosos cuerpos de agua y es un área sujeta a inundaciones temporales, lo que ocasiona que las actividades productivas se realicen de manera temporal.

Google Earth Engine (GEE) es una plataforma informática que permite a los usuarios ejecutar análisis geoespaciales en la infraestructura de Google. Esta plataforma tecnológica, de seguimiento online y libre, ha puesto a disposición del público colecciones numerosas de imágenes satelitales actuales e históricas a nivel mundial (Xiong, et al., 2017). Además, reúne mediciones y datos científicos que datan de más de 43 años (desde el lanzamiento de Landsat 1 en 1972), a fin de permitir el monitoreo eficiente y evaluación de escenarios de los recursos naturales basados en datos retrospectivos (Gorelick, et al., 2017). Proporciona un entorno de trabajo para permitir el desarrollo de algoritmos y datos interactivos y soporte para actividades en el campo tales como validación, muestreo de terreno y abastecimiento público (Xiong, et al., 2017). Existen dos grupos de algoritmos para la clasificación de imágenes (Sandoval, 2017): 1) supervisados, se tiene una variable objetivo y se “entrena” a un programa informático con un conjunto de datos; 2) no supervisados, el algoritmo debe encontrar patrones y relaciones en un conjunto de datos. Ambos intentan extraer de manera más precisa clases de información (supervisado) y clases espectrales (no supervisado) de los distintos datos de entrada (Mihaich, 2014). Entre los algoritmos supervisado están: 1) Random Forest (RF) (Breiman, 2001), que genera múltiples árboles de decisión sobre un conjunto de datos de entrenamiento (Ayyadevara, 2018) y los resultados obtenidos se combinan a fin de obtener un modelo único más robusto en comparación con los resultados de cada árbol por separado; 2) Support Vector Machine (SVM) (Burges, 1998), es una técnica de clasificación de aprendizaje automático basada en la teoría del aprendizaje estadístico (Vapnik, 1999) y debe construir un hiperplano óptimo que maximice el margen entre dos clases (He & Chen, 2005). III.

Figura 2.

Metodología empleada para la detección de cuerpos de agua.

En comparación, la zona Norte es más alta y cuenta con grandes extensiones de pastizales. El Plan Balancán, es la región con menos cuerpos de agua, y es considerada una zona muy afectada por las actividades de agricultura, y actualmente sufre una conversión a ganadería permanente (Pozo, 2006), (Estrada, 2008).

MATERIALES Y MÉTODOS

El método para la detección de cuerpos de agua superficiales se divide en 4 fases. En la Figura 2 se muestra la serie de tareas realizadas en cada una de las fases del método propuesto. A. Datos de entrada Área de estudio. El municipio de Balancán está situado al norte del estado de Tabasco (ver Figura 3); posee una extensión territorial de aproximadamente el 14.8% de la superficie del estado. Su volumen de precipitación 10

Figura 3. Área de estudio: Balancán, Tabasco.

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. de México, Octubre 2020 Físico Matemáticas y Ciencias de la TCiudad ierra Periodo temporal de estudio. Se establecieron series temporales anuales que comprenden los años de 2017 a 2020 tomando en cuenta las temporadas de lluvia y seca con el objetivo de poder realizar la detección de los cuerpos de agua y detectar los cambios que presentan a lo largo de los años. Las imágenes utilizadas corresponden al satélite Sentinel2A, obtenidas a través de la plataforma GEE con una cobertura inferior al 20%.

energía electromagnética. Para poder mapear los cuerpos de agua y suelo-vegetación de nuestra área de estudio se realizó el cálculo del Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI), Índice de Agua de Diferencia Normalizada (NDWI) e Índice de Agua de Diferencia Normalizada Modificado (MNDWI). •

B. Preprocesamiento de imágenes satelitales Con el objetivo de obtener una colección de imágenes más limpia y nítida se aplicó una máscara de nubes (densas/cirros) la cual permite identificar píxeles nubosos y libres de nube; para ello se utilizaron dos métodos: 1) identificación de nubes densas e 2) identificación de cirrus. El método de identificación de nubes densas se basa en el umbral de reflectancia de la banda Azul, no obstante, para evitar detecciones erróneas debido a la confusión nieve/nube por su alta reflectancia en esta banda, se le suma la banda SWIR. En dónde la reflectancia de las nubes es alta, pero el de la nieve es baja. Posteriormente se añade la reflectancia de la banda 10 para evitar la confusión de nubes de hielo y nieve a gran altitud.

•

El método de identificación de cirros se basa en dos criterios espectrales: 1) la banda 10 corresponde a una banda de absorción atmosférica alta, solo se pueden detectar nubes de gran altitud; 2) los cirros al ser semitransparentes, no se pueden detectar en la banda Azul. Un píxel con baja reflectancia en la banda Azul y alta en la banda 10 tiene una alta probabilidad de ser un cirro, pero esto no es una certeza, ya que algunas nubes opacas tienen una baja reflectancia en el Azul y se pueden identificar como cirros. Para limitar las falsas detecciones, se aplica un filtro basado en operaciones morfológicas en máscaras densas y cirros que realizan (ESA, 2020): 1) erosión, para eliminar píxeles aislados; 2) dilatación, para llenar el hueco y extender las nubes.

•

NDVI (Rousel, et al., 1973). Se obtiene a partir de la relación de reflectancia entre las bandas del Infrarrojo Cercano (NIR, del inglés Near InfraRed) y Roja. Los valores de este índice varían entre -1 y 1, dónde los valores superiores a cero corresponden a suelo con vegetación sana o medianamente sana. Este índice se calcula con la ecuación: 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 =

(𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 − 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅) (𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 + 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅)

NDWI (Mcfeeters, 1996). Se obtiene a partir de la relación de reflectancia entre las bandas Verde y NIR para maximizar la reflectancia de un cuerpo de agua en la banda Verde, minimizando al mismo tiempo la banda NIR. Los valores de este índice varían entre -1 y 1, dónde los valores superiores a cero corresponden a cuerpos de agua. Se calcula con la ecuación: 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 =

(𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 − 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁) (𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 + 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁)

MNDWI (Xu, 2006). Mejora del NDWI y se obtiene a partir de la relación de reflectancia entre las bandas Verde e Infrarrojo de Onda Corta (SWIR, del inglés Short Wavelength InfraRed). Los valores de este índice varían entre -1 y 1, dónde los valores superiores a cero corresponden a cuerpos de agua. Se calcula con la ecuación: 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 =

(𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 − 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆) (𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺𝐺 + 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆)

Posterior al cálculo de los índices espectrales se creó una nueva colección de imágenes Sentinel2A que incluye el valor de las nuevas bandas calculadas, esto con el objetivo de utilizarlas en la clasificación supervisada.

Después de todos los pasos de filtrado, la máscara de nubes está disponible a una resolución espacial de 60m. Luego se vuelve a muestrear a resoluciones espaciales de 10m y 20m para cada banda espectral correspondiente.

7.3263e-03

1.6844e+00

4.8439e-02

2.4369e-03

1.6850e+00

1.2266e-02

𝑅𝑅𝑇𝑇0 cuad

en triángulos y cuadriláteros, respectivamente, cuando (a) 𝑥𝑥 en todo el dominio, (b) 𝑥𝑥 cerca del pozo, (c) 𝑥𝑥 entre -1 y -0.4 y (d) 𝑥𝑥 entre 0.4 y 1.

Observemos en las Figuras 4 y 5 que cuando nos alejamos del pozo las diferencias entre las soluciones de la presión son grandes, debido a que la malla es gruesa en los extremos y se está aproximando con polinomios constantes.

Las Figuras 4 y 5 exhiben el comportamiento de las soluciones analítica y aproximada de la presión usando el método de elemento finito mixto con elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0

Figura 4.

Figura 5.

Comparación de la aproximación y solución analí-tica de la presión usando elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0 en triángu-los para y=0 con (a) 𝑥𝑥 en todo el dominio, (b) 𝑥𝑥 cerca del pozo, (c) 𝑥𝑥 entre -1 y -0.4 y (d) 𝑥𝑥 entre 0.4 y 1.

Comparación de la aproximación y solución analítica de la presión usando elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0 en cuadriláteros para y=0 con (a) 𝑥𝑥 en todo el dominio, (b) 𝑥𝑥 cerca del pozo, (c) 𝑥𝑥 entre -1 y -0.4 y (d) 𝑥𝑥 entre 0.4 y 1.

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) Las Figuras 6 y 7 muestran la comparación entre las soluciones aproximada y analítica para el campo de velocidades, con elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0 en triángulos y cuadriláteros, respectivamente. En general, en las gráficas

Figura 6.

Figura 7.

(a) (𝑥𝑥, 𝑦𝑦) está en todo el dominio y las gráficas (b)-(d) muestran diferentes puntos en el dominio, donde (b) es el punto más cercano al pozo y (d) el más lejano.

Campo de velocidades con elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0 en triángulos.

Campo de velocidades con elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0 en cuadriláteros.

norma 𝐿𝐿2 (Ω) en 𝑅𝑅𝑇𝑇0 . Cabe mencionar que estas diferencias no aparecen en los primeros pasos de tiempo, por lo que posiblemente se deba a errores de redondeo.

Todas las gráficas son para 𝑡𝑡 = 1 (tiempo final). Observemos que los vectores de velocidad de los elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0 cambian de sentido conforme se alejan del pozo y se acercan a la frontera exterior, ver gráficas (c) y (d). De ahí que aparezca el error grande para la 28

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. de México, Octubre 2020 Físico Matemáticas y Ciencias de la TCiudad ierra

V. CONCLUSIONES

improved IMPES method. Inernational Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, 26: 284 - 306.

En este trabajo se analizó el método de elemento finito mixto, con elementos de Raviat-Thomas de bajo orden en triángulos y rectángulos para resolver el problema de flujo monofásico en medios porosos ligeramente compresible.

Juanes, R, & Matringe, S. (2008). Unified formulation for highorder streamline tracing on two-dimesional unstructed grids, Journal of Scientific Computing, 50 - 73. Lotfian, Z. & Sivaselvan, M. V. (2018). Mixed and finite element formulation for dynamics of porous media, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 115: 141 171.

De acuerdo con los resultados numéricos obtenidos, podemos decir que los elementos bilineales en el método estándar generan mejores aproximaciones de la presión, mientras que el error máximo se alcanzó con elementos $RT_0$ en triángulos en el método mixto. En el caso de la velocidad, la mejor aproximación se logra con elementos de Raviart-Thomas de bajo orden en cuadriláteros, sin embargo, el orden del error es el mismo que al usar el método FE con elementos bilineales, por otro lado, el mayor error se comete con elementos 𝑅𝑅𝑇𝑇0 en triángulos.

Raviart P. A. & Thomas, J. M. (1977). A mixed finite element method for 2-nd order elliptic problems. In Galligani I., Magenes E. (eds), Mathematical Aspects of Finite Element Methods. Lecture Notes in Mathematics, vol 606. Berlin, Heidelberg: Springer. Sánchez, J. (2020). Método de elementos finitos mixtos para flujo monofásico en medios porosos (tesis de maestría) (págs. 137). CDMX: UAM. Wheeler, M., Xue, G. & Yotov, I. (2012). A multipoint flux mixed finite element method on distorted quadrilaterals and hexahedra, Numerische Mathematik, 121: 165 -204.

En conclusión, podemos decir que el método de elemento finito mixto con elementos de RaviartThomas de bajo orden en cuadriláteros nos genera aproximaciones comparables con las que tenemos con el método FE en cuadriláteros, sin embargo, el tiempo de cómputo y la memoria que se usa es mayor con el método MFE.

Yotov, I. (1996). Mixed finite element methods for flow in porous media (doctoral thesis) (págs. 102). Texas: UMI. Zhangxin, C., Guaren, H., & Yuanle, M. (2006). Computational methods for multiphase flows in porous media (págs. 576). Filadelfia: SIAM. Judith Yareli Sánchez Lozada es Maestra en Ciencias (Matemáticas Aplicadas e Industriales) por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) Unidad Iztapalapa (2020). Actualmente es profesor-ayudante en el Departamento de Matemáticas de la UAMIztapalapa. Se interesa por métodos numéricos en ciencias aplicadas e ingeniería.

AGRADECIMIENTO Judith Yareli Sánchez agradece a CONACYT, por la beca para realizar la Maestría en Ciencias (Matemáticas Aplicadas e Industriales).

REFERENCIAS

María Luisa Sandoval Solís tiene el Doctorado en Matemáticas Aplicadas por la Universidad Politécnica de Cataluña (2006) y un Posdoctorado en la UAM-Iztapalapa (2007). Es profesora-investigadora del Departamento de Matemáticas, UAMIztapalapa. Especia-lista en álgebra lineal numérica y solución numérica de ecuaciones diferenciales parciales.

Boffi, D., Brezzi, F, & Demkowicz, L. F. (2006). Mixed finite elements, compatibility conditions, and applications (págs. 243). New York: SpringerVerlag. Brezzi, F, & Fortin, M. (1991). Mixed finite element methods (págs. 360). New York: SpringerVerlag. Jamei, M. & Ghafouri, H (2018). A novel discontinuous Galerkin model for two-phase flow in porous media using an

B I O LO G Í A Y QUIMICA

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química

Elimination of Nitrogen and Organic Matter in Upflow Anaerobic Reactors for the Slaughterhouse Wastewater Treatment Eliminación de Nitrógeno y Materia Orgánica en un Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente, de Aguas Residuales Provenientes de Rastros y Casas de Matanza Galván-Mondragón, Mayola Departamento de Posgrado Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica. Querétaro, México [emailprotected]

Rodríguez-García, Adrián Área de Ciencia Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica. Querétaro, México [emailprotected]

Abstract — Experimental results prior to the startup of an anaerobic ammoniacal nitrogen removal system from slaughterhouses wastewater are shown. The removal efficiency of 92% of organic matter (HRT of 6 h) was obtained in the anaerobic system (HRT of 6 h), and 52.75% for the aerobic system (HRT of 24 h). The second step consisted of monitoring the elimination of nutrients and organic matter in anaerobic reactors (UASB and EGSB) with subsequent aerobic treatment, obtaining better performance in the UASB Reactor with an average nitrogen removal of 47.38% and 39.23% for phosphorus. According to the data obtained, it was determined that it is possible to start with the enrichment of the anammox biomass, an autotrophic microorganism that makes it possible to shorten the nitrogen cycle, without requiring large amounts of oxygen or organic matter, which makes it a low-cost process and possible selfsufficiency.

Resumen — Se muestran los resultados experimentales previos a la puesta en marcha de un sistema de eliminación anaerobia de nitrógeno amoniacal de aguas residuales provenientes de rastros. Se obtuvo una eficiencia de remoción del 92% de materia orgánica (TRH de 6 h) en sistema anaerobio, y 52.75% para el sistema aeróbico (TRH de 24 h). La segunda etapa consistió en el monitoreo de eliminación de nutrientes y materia orgánica en reactores anaerobios (UASB y EGSB) con un tratamiento aeróbico posterior, obteniendo un mejor desempeño en el Reactor UASB con un promedio en eliminación de nitrógeno de 47.38% y 39.23% para fósforo. De acuerdo con los datos obtenidos se determinó que es posible comenzar con el enriquecimiento de la biomasa anammox, un microorganismo autótrofo que permite acortar el ciclo del nitrógeno, sin requerir grandes cantidades de oxígeno o materia orgánica, lo que lo convierte en un proceso de bajo costo y una posible autosuficiencia.

Keywords — Anammox, Nitrogen, Ammonium, Palabras clave — Anammox, Nitrógeno, Amonio, Slaughterhouses, UASB. Rastros, Casas de matanza, UASB.

I. INTRODUCCIÓN

cuerpos de agua. En el presente trabajo se busca disminuir dicho problema, al proponer una tecnología para tratar el agua residual de uno de los focos de contaminación, los rastros/casas de matanza En este tipo de establecimientos el agua residual producida contiene una gran cantidad de residuos orgánicos, como

Una de las problemáticas ambientales que más ha dado de que hablar en la actualidad, es la contaminación del agua, ya que en años anteriores no se le daba importancia a su tratamiento, lo que conllevó a una problemática aún mayor, al arrastrar agentes extraños a 31

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) lo son el pelo, contenido ruminal e intestinal, vísceras, sangre, carne de desecho, agua de lavado (animales, camionetas y corrales), orina y estiércol. Las características principales promedio se muestran en la Tabla 1.

bacterias autótrofas, y posteriormente en la desnitrificación se reduce el nitrato a nitrógeno gas, por medio de bacterias heterotróficas en ausencia de oxígeno. En este caso, se evaluó el comportamiento del nitrógeno en un proceso aerobio y anaerobio, y se propuso el uso de un sistema avanzado conocido como Anammox, microorganismos descubierto y patentado en 1995 por Mulder et. al., que consiste en acortar el ciclo del nitrógeno mediante microorganismos autótrofos (figura 2), sin requerir grandes cantidades de oxígeno o materia orgánica, lo que lo convierte en un proceso de bajo costo.

Tabla 1. Rango de concentraciones por parámetro de efluentes provenientes de rastros. (Jarauta L., et al, 2005). PARÁMETRO CONCENTRACIÓN (mg/L) DQO 4,000 – 12,000 DBO 1,200 – 7,000 SST 300 – 2,500 GRASAS 200 – 750 N2 200 – 750 pH 6.8 – 7.8 DQO 4,000 – 12,000 DBO 1,200 – 7,000

En este trabajo nos enfocaremos en la remoción de materia orgánica, ya que al llegar a un cuerpo de agua, ésta provoca una reducción o agotamiento del oxígeno disuelto, debido a la metabolización de la materia orgánica por las bacterias presentes. Para esto, se recurre al ya conocido Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB, por sus siglas en inglés), un sistema robusto, con eficiencias de remoción por encima del 80%, para efluentes de altas cargas orgánicas.

Figura 2. Ciclo del nitrógeno. Se muestra el ciclo del nitrógeno y el acortamiento de este, por la ruta Anammox.

II. MATERIALES Y MÉTODOS Tren de tratamiento El sistema de tratamiento se componía por dos cribas para retener sólidos gruesos y medios (vísceras, carne de desecho, contenido ruminal e intestinal), un reactor anaerobio tipo UASB para remoción de materia orgánica y un reactor aerobio tipo SBR. Operación del Sistema Tanto el inóculo aerobio como anaerobio utilizados en el estudio provenían de una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas. Una vez estabilizados, se alimentaron con aguas residuales provenientes de un rastro.

Figura 1. Reactor UASB. Diagrama de las partes que conforman el reactor.

Por otra parte, también nos centraremos en la remoción de nitrógeno, ya que es un compuesto que generalmente se encuentra en forma orgánica (proteína o urea), y que por hidrólisis forma amonio, pasando a ser un compuesto tóxico y de alta demanda de oxígeno, causando así un fenómeno conocido como eutrofización. El proceso más utilizado para la remoción de nitrógeno es el sistema convencional (NitrificaciónDesnitrificación), donde primero se oxida el amonio a nitrito (nitritación) y luego a nitrato por medio de

Métodos Analíticos Métodos de prueba: Determinación de Nitrógeno El nitrógeno total se determinó con el método del persulfato No. 10071 (HACH Company, Loveland, CO, USA). 32

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química Determinación de la DQO

orgánicas intermitentes. Posteriormente el efluente del reactor UASB, sirvió como influente para un reactor aireado tipo SBR, donde se analizó la remoción de materia orgánica (Gráfica 2).

Se determinó con el método de la NMX-AA-030/2SCFI-2011. Análisis de agua, determinación de la demanda química de oxígeno en aguas naturales, residuales y residuales tratadas - método de prueba parte 2 -determinación del índice de la demanda química de oxígeno– método de tubo sellado a pequeña escala. Determinación de sólidos Se determinaron con el método establecido en la NMX-AA-034-SCFI-2015. Análisis de agua - medición de sólidos y sales disueltas en aguas naturales, residuales y residuales tratadas – método de prueba.

III.

Gráfica. 2. Remoción de DQO, reactor SBR. Se muestra la concentración en el influente, efluente y el porcentaje de remoción.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los valores promedios en la remoción de la DQO en el sistema SBR fue de 1949.94 para el influente, mientras que para el efluente fue de 761.07, con un porcentaje de remoción del 52.63%. Esto a un pH de 6.76 y oxígeno disuelto a 3.91 mg/L

A. Caracterización fisicoquímica de la biomasa: Al inicio y termino de la experimentación se realizó la caracterización al lodo empleado, a la llegada de éste y al concluir la experimentación, siendo los resultados los siguientes: Tabla 2. Caracterización inicial y final de la biomasa empleada

Parámetro DQO ST SSV

Inicio 56.8 g O2/L 88.72 g/L 11.89 g/L

Final 98.1 g O2/L 49.7 g/L 41.65 g/L Gráfica. 3. Remoción de N, reactor UASB. Se muestra la concentración en el influente, efluente y el porcentaje de remoción.

B. Reactor anaerobio A continuación, se muestra el seguimiento de la DQO en el sistema anaerobio, mostrando en la Gráfica 1, los valores de entrada y salida a lo largo del proceso, variando el TRH de 24h a 6h.

En la Gráfica 3 se muestra la remoción de N, en un reactor UASB, únicamente en el proceso metanogénico. Se obtuvo un porcentaje de remoción de N del 45.93%, con una entrada promedio de 388.89 y una salida de 183.33.

Gráfica. 1. Remoción de DQO, reactor UASB. Se muestra la concentración en el influente, efluente y el porcentaje de remoción.

El Agua Residual empleada a lo largo de la experimentación mostró una concentración de DQO que varió en un rango de entre 1,725 y 31,400 mg O2/L, en el gráfico 1, se observa que a partir del día 85 se obtuvo un sistema robusto, capaz de tolerar cargas

Gráfica. 4. Remoción de N, reactor SBR. Se muestra la concentración en el influente, efluente y el porcentaje de remoción.

En la Gráfica 4 se muestra el comportamiento del nitrógeno en un sistema aerobio, llevado a cabo en un 33

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) reactor del tipo SBR, donde se obtuvo un porcentaje de remoción promedio de 33.75%.

nacionales”. NOM-001- SEMARNAT 1996. Diario Oficial de la Federación el 6 de enero de 1997.

En cuanto a eliminación de materia orgánica se refiere, los reactores presentaron una estabilización favorable, ya que al evaluar los SSV, se observa un incremento de biomasa al compararla con la inicial, y al tener una remoción por encima del 90% en un TRH de 6h. En cuestión de remoción de nitrógeno, en el reactor UASB puede ocurrir debido a la vía de la reducción diferenciada de nitratos, que los convierte a N2, NO, N2O, que al no ser accesibles para el crecimiento microbiano, son liberados a la atmósfera (Madigan et al., 1997); mientras que en el reactor SBR podría ser debida a la presencia de microzonas anóxicas dentro del consorcio microbiano, en estas microzonas el oxígeno no es capaz de penetrar, pero los NOx generados por las bacterias nitrificantes sí, realizando la conversión del compuesto en dichas microzonas.

“Análisis de agua, determinación de la demanda química de oxígeno en aguas naturales, residuales y residuales tratadas - método de prueba - parte 2 -determinación del índice de la demanda química de oxígeno– método de tubo sellado a pequeña escala”. Norma Mexicana NMX-AA-030/2- SCFI-2011. Diario Oficial de la Federación el 25 de marzo de 1980

IV.

“Análisis de agua - medición de sólidos y sales disueltas en aguas naturales, residuales y residuales tratadas – método de prueba”. NMX-AA-034-SCFI-2015. Diario Oficial de la Federación el jueves 27 de mayo de 2010 Madigan, M., Martinko, J., & Parker, J. (1997). Brock, Biología de los Microorganismos. En M.T. (págs. 565-567). Madrid: PEARSON, Prentice Hall, ISBN: 9788490352793 Masuda, S., Watanabe, Y. e Ishiguro, M. Biofilm properties and simultaneous nitrification and denitrification in aerobic rotating biological contactors. Wat. Sci. Tech. Vol. 23, 1991, pp. 1355-1363 Doi: 10.2166/wst.1991.0588

CONCLUSIÓN

Este estudio sirvió para analizar el comportamiento de los consorcios utilizados y el nitrógeno en ambos sistemas, para realizar los balances de materia necesarios para la puesta en marcha del enriquecimiento Anammox. Actualmente, en el laboratorio se están realizando análisis más detallados para corroborar la presencia de este tipo de microorganismo en el lodo anaerobio.

M. en C. María Mayola Giselle Galván Mondragón. Maestría en Ciencia y Tecnología con opción terminal en Ingeniería Ambiental. (PICyT, CIDETEQ). Doctorado en Ciencia y Tecnología con opción terminal en Ingeniería Ambiental (PICyT, CIDETEQ). Temas de interés: Tratamiento de Aguas Residuales, Procesos Biotecnológicos, Remediación del Medio Ambiente.

AGRADECIMIENTO

Dr. Adrián Rodríguez García. Doctor en Ingeniería de Ciencias Ambientales por el INSA de Toulouse, Francia. 26 años como Profesor-Investigador en CIDETEQ, S. C. realizando investigación sobre tratamiento de aguas residuales, obtención de biocombustibles, celdas de combustible microbianas y economía circular.

Los autores agradecen a la Red iberoamericana de movilidad urbana y transporte sostenibles y al CYTED (Programa iberoamericano de ciencia y tecnología para el desarrollo)

REFERENCIAS Jarauta L. 2005. Digestión anaerobia para el tratamiento de residuos orgánicos: estudio de las necesidades para la implantación en Perú. Proyecto de fin de carrera, ETSEIB-UPC. Sánchez, Jaime, & Sanabria, Janeth. 2009. Metabolismos microbianos involucrados en procesos avanzados para la remoción de Nitrógeno, una revisión prospectiva. Revista Colombiana de Biotecnología, 11(1), 114-124. Doi: 10.15446/rev.colomb.biote Mulder, A., Van de Graaf, A., Robertson, L.A. and Kuenen, J. G. 1995. Anaerobic Ammonium Oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16, 177-184. Doi: 10.1016/0168-6496(94)00081-7 “Que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química

Simulation of Defects Around Magnetic Anisotropic Colloids in Nematic Liquid Crystals Simulación de Defectos Alrededor de Coloides Magnéticos Anisotrópicos en Cristales Líquidos Nemáticos José Angel Armendáriz Facultad de Ingeniería Universidad La Salle México Ciudad de México, México [emailprotected] Abstract — Topological defects in liquid crystals are enormously interesting because of their potential applications. Here, simulations based on a mesoscopic approach are used to study the dynamics of defects induced by colloidal particles with spherocylindrical shape immersed in a nematic liquid crystal. It is considered that the colloidal particles can be reoriented by a magnetic field. The method allows to find the equilibrium configurations of the particles subjected to the magnetic torques and to the elastic torques provided by the medium, as well as the resulting defects. In addition, it allows to analyze the relaxation process of the defects towards equilibrium. The method introduced in this paper is one of the first that permits to simulate the dynamic behavior of particle-defect pairs under non-equilibrium conditions.

Humberto Híjar Dirección de Investigación Universidad La Salle México Ciudad de México, México [emailprotected] Resumen — Los defectos topolológicos en cristales líquidos son de enorme interés por sus potenciales aplicaciones. En este trabajo se presentan simulaciones basadas en un procedimiento meosóscopico para estudiar la dinámica de los defectos inducidos por partículas coloidales con forma esferocilíndrica en un cristal líquido nemático. Se considera que las partículas coloidales pueden reorientarse por un campo magnético. El método permite encontrar las configuraciones de equilibrio de tales partículas cuando son sujetas a las torcas magnéticas y elásticas del medio. También permite analizar los defectos resultantes y el proceso de relajación de la partícula coloidal hacia el equilibrio. El método representa uno de los primeros que es capaz de simular el comportamiento dinámico de los pares partículadefecto fuera de equilibrio.

Keywords — From 3 to 5. Liquid crystals, Palabras clave — Cristales líquidos, defectos topological defects, nonequilibrium dynamics, topológicos, dinámica fuera de equilibrio, campos magnetic fields. magnéticos.

I. INTRODUCCIÓN

un campo unitario conocido como director, 𝑛𝑛̂. Este campo se deforma cuando una partícula coloidal se introduce en el cristal líquido (Musevic, Interactions, topology and photonic properties of liquid crystal colloids and dispersions, 2019). La deformación se origina por el anclaje de las moléculas del nemático en la superficie del coloide. En las llamadas condiciones de anclaje homeotrópicas, en las que 𝑛𝑛̂ es perpendicular a la superficie, se han identificado dos tipos principales de defectos alrededor de una partícula coloidal esférica: un defecto dipolar en la cercanía de un polo del coloide

Las dispersiones coloidales en cristales líquidos han recibido una atención creciente en los años recientes (Musevic, Liquid Crystal Colloids, 2017). Este interés se debe al amplio rango de posibilidades para aplicaciones tecnológicas que estas dispersiones proveen (Kleman & Lavrentovich, 2003). Los cristales líquidos estructuralmente más simples son los llamados cristales líquidos nemáticos. Éstos son fluidos constituidos por moléculas anisotrópicas que poseen orden orientacional de largo alcance caracterizado por 35

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) y un defecto cuadrupolar que rodea el ecuador del coloide, comúnmente llamado anillo de Saturno (Stark, 2001). Estos defectos generan interacciones anisotrópicas a partir de las cuales se pueden crear estructuras coloidales complejas entre las que se incluyen cadenas, cristales bidimensionales, superestructuras o redes de defectos y fractales tridimensionales. Las tecnologías basadas en estos nuevos materiales coloidales abarcan sensores biológicos (Guzmán, Kim, Grollau, Abbott, & de Pablo, 2003), separación de partículas (Araki & Tanaka, 2006) y manipulación de la luz (Nikkhou, Copar, Ravnik, Zumer, & Musevic, 2015), por lo que su desarrollo es altamente interdisciplinario.

el alineamiento perpendicular y defectos que envuelven completamente la parte cilíndrica de la partícula formando una especie de abrigo simétrico alrededor de ésta (Hung, Guzmán, Gettelfinger, Abbott, & de Pablo, 2006). Por lo anterior, puede decirse que las características estructurales de los defectos creados por partículas anisotrópicas con longitudes en el rango de los 60 a los 1000 nm, han sido bien exploradas cuando éstas se encuentran en equilibrio. En contraste, situaciones fuera del equilibrio causadas por la acción de fuerzas externas han sido muy poco estudiadas. El objetivo de este trabajo es proponer una metodología para el estudio numérico de coloides anisotrópicos inmersos en cristales líquidos nemáticos, que reproduzca los defectos topológicos generados por condiciones de anclaje homeotrópico y la dinámica del sistema en presencia de torcas externas que roten a la partícula coloidal y produzcan flujo y reorientación en su entorno nemático.

El incorporar coloides con diversas formas en un nemático ha mostrado que partículas anisotrópicas pueden generar defectos aún más complejos. Coloides con la forma de esferocilindros (Hung, Quadrupolar particles in a nematic liquid crystal: Effects of particle size and shape, 2009), elipsoides (Tasinkevych, Mondiot, Mondain-Monval, & Loudet, 2014) y barras (Hashemi & Ejtehadi, 2015), se han investigado con el fin de explorar las torcas, las configuraciones de equilibrio, los defectos y las interacciones mediadas por ellos a través del solvente líquido cristalino. En el caso de anclaje homeotrópico, el estado de equilibrio de las partículas coloidales alargadas con respecto al campo de las orientaciones moleculares del solvente, depende de la razón de aspecto, el tamaño, la intensidad del anclaje y la forma de los extremos de los coloides. Barras con longitudes cercanas a los 1000 nm generan defectos dipolares que se estabilizan cuando su eje de simetría largo es paralelo al director en el campo lejano, 𝒏𝒏0 . Mientras que cuando el alineamiento es perpendicular, los defectos estables son anillos de Saturno que rodean al coloide a lo largo de su diámetro mayor (Tkalec, Skarabot, & Musevic, 2008). En el caso de barras con una longitud menor, ~120 nm, defectos con estabilidad variables han sido reportados (Hashemi & Ejtehadi, 2015). En orden de estabilidad decreciente, estos defectos han sido bautizados en inglés: top-ring, chairlike, y mid-ring. El primero es un anillo pequeño localizado en uno de los extremos del coloide; en el segundo, el núcleo del defecto se extiende sobre dos arcos incompletos en los extremos opuestos del coloide que se unen mediante dos segmentos lineales; mientras que el último es un anillo que rodea al coloide y que se localiza en el plano de simetría que corta a éste por la mitad y es perpendicular a su eje mayor. Por otro parte, para esferocilindros con longitudes cercanas a los 60 nm, se encuentran: defectos tipo anillo de Saturno para

Para lograr este fin, se desarrolla un algoritmo basado en el método de Dinámica de Colisión de Múltiples Partículas (MPCD por las siglas del inglés Multiparticle Collision Dynamics). Este método ha sido muy exitoso en simular sistemas coloidales en fluidos simples (Gompper, Ihle, Kroll, & Winkler, 2009) y aquí se presentará su extensión al caso nemático. El método se utilizará para simular la evolución temporal de una micropartícula magnética, con forma esferocilíndrica, en un solvente nemático. Se demostrará que la implementación es capaz de reproducir defectos en equilibrio y distorsiones causadas por la competencia entre las torcas magnética y elástica a las que el coloide está sometido, siendo así una de las primeras técnicas que permiten estudiar numéricamente estos fenómenos. El artículo se ha organizado como sigue. La sección II presenta los detalles del algoritmo de simulación propuesto, la sección III muestra los resultados obtenidos a partir de él y la sección IV resume las principales conclusiones que pueden derivarse a partir del análisis realizado.

II. MÉTODO DE SIMULACIÓN El sistema que se simulará se muestra en la Figura 1. Allí se aprecia una partícula esferocilíndrica de longitud 𝐿𝐿 + 2𝜎𝜎 y radio 𝜎𝜎. La partícula está inmersa en un cristal líquido nemático cuyo campo de orientaciones se ilustra mediante pequeñas líneas. A su vez, el nemático está confinado por dos placas paralelas al plano xy, las cuales imponen una condición de anclaje homeotrópico 36

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química sobre su superficie. Este mismo tipo de anclaje se considera para la superficie del coloide. Además, existe un campo magnético 𝑩𝑩, paralelo al eje z, que actúa sobre el esferocilindro el cual tiene un momento magnético 𝝁𝝁 paralelo a su eje de simetría mayor.

segmento de recta de longitud 𝐿𝐿 que coincide con el eje de simetría de la parte cilíndrica del soluto.

Al utilizar la relación entre fuerza y potencial, 𝒇𝒇𝑖𝑖 = −∇Φ, y el algoritmo de Verlet en la forma, 𝒓𝒓𝑖𝑖 (𝑡𝑡 + δ𝑡𝑡) = 𝒓𝒓𝑖𝑖 (𝑡𝑡) + 𝒗𝒗𝑖𝑖 (𝑡𝑡)Δt +

(δ𝑡𝑡)2 𝒇𝒇 (𝑡𝑡), 2𝑚𝑚 𝑖𝑖

(2)

δ𝑡𝑡 [𝒇𝒇 (𝑡𝑡) + 𝒇𝒇𝑖𝑖 (𝑡𝑡 + 𝛿𝛿𝛿𝛿)], (3) 2𝑚𝑚 𝑖𝑖 es posible integrar la dinámica del sistema sobre un tiempo pequeño δ𝑡𝑡. Para 𝑹𝑹 y 𝑽𝑽 se utilizan ecuaciones análogas a (1) y (2), mientras que para los grados de libertad angulares del soluto se utiliza 𝒗𝒗𝑖𝑖 (𝑡𝑡 + δt) = 𝒗𝒗𝑖𝑖 (𝑡𝑡) +

1 𝑨𝑨(𝑡𝑡 + δ𝑡𝑡) = 𝑨𝑨(𝑡𝑡) + 𝑨𝑨̇(𝑡𝑡)δ𝑡𝑡 + 𝑨𝑨̈(𝑡𝑡)(𝛿𝛿𝛿𝛿)2 , 2

Figura 1.

donde las derivadas temporales de 𝑨𝑨 satisfacen 𝑨𝑨̇ = 𝑾𝑾 ∙ 𝑨𝑨 y 𝑨𝑨̈ = 𝑾𝑾̇ ∙ 𝑨𝑨 + 𝑾𝑾 ∙ 𝑾𝑾 ∙ 𝑨𝑨, con

Coloide esferocilíndrico en una celda nemátca.

0 −Ω 𝑾𝑾 = ( 3 Ω2

Para resolver la dinámica de este sistema, se utilizará un algoritmo híbrido que simulará el comportamiento microscópico mediante un procedimiento de dinámica molecular (MD, por sus siglas en inglés) y el comportamiento hidrodinámico a través de MPCD para la fase nemática (N-MPCD). Ambos procedimientos se describen a continuación.

Φ={

𝑖𝑖

𝜎𝜎 24

− (𝑙𝑙 ) 𝑖𝑖

+ 4] , 𝑙𝑙𝑖𝑖 < 21/24 𝜎𝜎 𝑙𝑙𝑖𝑖 ≥ 21/24 𝜎𝜎

Ω2 Ω1 ). 0

𝛀𝛀(𝑡𝑡 + Δ𝑡𝑡) = 𝑱𝑱−𝟏𝟏 ∙ 𝑨𝑨(𝑡𝑡 + Δ𝑡𝑡) ∙ 𝒍𝒍(𝑡𝑡 + Δ𝑡𝑡),

(5)

(6)

donde 𝑱𝑱 es el momento de inercia del esferocilindro y 𝒍𝒍 su momento angular, el cual se actualiza mediante una ecuación análoga a (2) en la que se utiliza la torca total sobre el esferocilindro. Ésta última incluye la torca magnética 𝝁𝝁 × 𝑩𝑩.

B. Dinámica de Colisión de Múltiples Partículas Con el fin de incorporar efectos hidrodinámicos, el espacio de simulación se subdivide en celdas cúbicas de volumen 𝑎𝑎3 que pueden contener un número variable de partículas. Esta división de partículas se realiza en intervalos regulares de tiempo ∆𝑡𝑡 ≫ 𝛿𝛿𝛿𝛿. Para cada celda se calculan la velocidad del centro de masa, 𝒗𝒗𝑐𝑐 , el parámetro de orden, 𝑆𝑆 𝑐𝑐 , y el director local, 𝒏𝒏𝑐𝑐 . Estos últimos son el eigenvalor más alto y el eigenvector asociado del parámetro de orden tensorial de la celda

La interacción entre el solvente y la partícula huésped estará dada por el potencial repulsivo 𝜎𝜎 48

Ω3 0 −Ω1

La integración de 𝑨𝑨 se consigue al aplicar las ecuaciones de Euler,

A. Dinámica Molecular Bajo la perspectiva del procedimiento híbrido a utilizar, el solvente nemático estará formado por 𝑁𝑁 partículas puntuales de masa 𝑚𝑚, que acarrean un vector de orientación unitario. Las posiciones, velocidades y orientaciones de las partículas se representarán mediante los vectores 𝒓𝒓𝑖𝑖 , 𝒗𝒗𝑖𝑖 y 𝒖𝒖𝑖𝑖 , respectivamente, para 𝑖𝑖 = 1, 2, … , 𝑁𝑁. Las coordenadas correspondientes para la posición, velocidad y velocidad angular del esferocilindro se denotarán como 𝑹𝑹, 𝑽𝑽 y 𝛀𝛀. Por otra parte, la matriz de rotación que define la orientación de la partícula huésped con respecto al sistema de laboratorio xyz se representará mediante el símbolo 𝑨𝑨. 4 𝜖𝜖 [(𝑙𝑙 )

(4)

𝑁𝑁𝑐𝑐

1 𝑸𝑸𝒄𝒄 = ∑(3𝒖𝒖𝑗𝑗 𝒖𝒖𝑗𝑗 − 𝑰𝑰), 2𝑁𝑁 𝑐𝑐

(1)

𝑗𝑗=1

(7)

siendo 𝑁𝑁 𝑐𝑐 el número de partículas en la celda e 𝑰𝑰 la matriz identidad.

en donde 𝜖𝜖 es la intensidad de la interacción y 𝑙𝑙𝑖𝑖 es la distancia de la i-ésima partícula del nemático al 37

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) Se asignan nuevas orientaciones a las partículas del solvente a partir de la distribución 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒(−Ψ/𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇), con 𝑘𝑘𝐵𝐵 la constante de Boltzmann, 𝑇𝑇 la temperatura y 3 1 Ψ = − 𝑈𝑈𝑆𝑆 𝑐𝑐 [(𝒖𝒖𝑖𝑖 ∙ 𝒏𝒏𝑐𝑐 )2 − ], 2 3

promedio de 25 partículas por celda de colisión, 𝜆𝜆 = 0.5 y 𝑈𝑈 = 6.5𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇. Para modelar la interacción solventesoluto se utilizarán 𝜖𝜖 = 10𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇 y 𝛿𝛿𝛿𝛿 = 0.01Δ𝑡𝑡; mientras que para simular las condiciones de anclaje se utilizará una densidad superficial de 20 partículas virtuales por unidad de área, 𝑎𝑎2 .

(8)

el potencial que determina la tendencia de las partículas a distribuirse alrededor de 𝒏𝒏𝑐𝑐 . En (7), 𝑈𝑈 es la intensidad del potencial. Las partículas del solvente también pueden reorientarse por flujo a través de la ecuación Δ𝒖𝒖𝑖𝑖 = [𝑪𝑪 ∙ 𝒖𝒖𝑖𝑖 + 𝜆𝜆(𝑫𝑫 ∙ 𝒖𝒖𝑖𝑖 − 𝑫𝑫: 𝒖𝒖𝑖𝑖 𝒖𝒖𝑖𝑖 𝒖𝒖𝑖𝑖 )]∆𝑡𝑡,

Todos los sistemas a simular se inicializarán con 𝝁𝝁 y los vectores 𝒖𝒖𝑖𝑖 , para 𝑖𝑖 = 1,2, . . . , 𝑁𝑁, apuntando en la dirección z. Bajo esta condición, el conjunto de parámetros anteriores da lugar a una fase nemática con un parámetro de orden promedio de magnitud 𝑆𝑆̅ = 0.7, en las regiones alejadas al coloide, en donde el campo director es uniforme y paralelo al eje z. Por otra parte, cerca del coloide se establece una región de distorsiones grandes de 𝒏𝒏𝑐𝑐 y bajo orden. Esta región corresponde al defecto topológico.

(9)

donde es el llamado parámetro de tumbling y 𝑪𝑪 y 𝑫𝑫 son la parte antisimética y simétrica del tensor de gradiente de velocidades que se estima de manera discreta utilizando la velocidad del centro de masa de las celdas. Las velocidades 𝒗𝒗𝑖𝑖 se actualizan con 𝑐𝑐

𝒄𝒄

𝒗𝒗𝑖𝑖 = 𝒗𝒗 + 𝝃𝝃𝑖𝑖 − 𝝃𝝃 −

[𝝌𝝌𝒄𝒄

𝒄𝒄 ]

𝑐𝑐 ),

∙ ∆𝑳𝑳 × (𝒓𝒓𝒊𝒊 − 𝒓𝒓

En una primera simulación de referencia, el campo magnético es nulo y el coloide se deja evolucionar durante 3 × 105 pasos del algoritmo MD-N-MPCD. Se observa que el coloide rota espontáneamente hacia una configuración en la que 𝝁𝝁 se vuelve perpendicular al campo director lejano, i.e., 𝝁𝝁 ⊥ 𝒏𝒏0 . En dicha configuración el defecto alrededor del esferocilindro es un anillo de Saturno alrededor de su diámetro mayor. Este proceso se ilustra en la Figura 2 en términos del ángulo de inclinación del esferocilindro con respecto al eje z, 𝜃𝜃. En la Figura 2 se aprecia que cambia de la condición inicial, 𝜃𝜃 = 0, hacia el valor 𝜃𝜃 = 𝜋𝜋/2 a tiempos grandes. La Figura 2 contiene dos recuadros, (a) y (b), con la configuración de la partícula coloidal y el campo director alrededor de ella en dos tiempos específicos 𝑡𝑡 = 200∆𝑡𝑡 y 𝑡𝑡 = 3000∆𝑡𝑡, respectivamente. En estos recuadros se muestran también, mediante vistas paralelas a los planos cartesianos xz y xy, la estructura del defecto topológico alrededor del esferocilindro. Éste se ha identificado como una isosuperficie del parámetro de orden de valor 𝑆𝑆 = 0.5.

(10)

donde 𝝃𝝃𝒊𝒊 es una velocidad tomada de la distribución de Maxwell a temperatura 𝑇𝑇, 𝝃𝝃𝑐𝑐 es el promedio de tales velocidades, 𝝌𝝌𝑐𝑐 es el inverso del momento de inercia en la celda y 𝒓𝒓𝑐𝑐 la posición del centro de masa. El procedimiento descrito en (10) garantiza que la asignación de nuevas velocidades preserva los momentos lineal y angular en las celdas, al mismo tiempo que simula un intercambio de velocidades entre las partículas. C. Condiciones de anclaje El anclaje de las partículas del solvente en las superficies sólidas se simulará mediante partículas virtuales. Éstas acompañarán a las superficies del coloide y de las placas en todo momento y estarán dirigidas siempre perpendicularmente a ellas. Las partículas virtuales podrán participar en el proceso de reorientación descrito por (8), de tal manera que tenderán a inducir el alineamiento del solvente en la dirección normal las superficies sólidas.

Posteriormente se realizaron simulaciones para examinar el efecto del campo magnético sobre la configuración del par partícula-defecto en el solvente nemático. En la Figura 3 se muestra el comportamiento del ángulo de inclinación bajo tres campos magnéticos cuyas magnitudes satisfacen 𝜇𝜇𝜇𝜇 = 2, 10 y 15𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇𝑇𝑇. Para 𝐵𝐵 ≠ 0, la torca magnética intenta mantener a la partícula coloidal orientada en la dirección del eje z. Se genera entonces una competencia entre esta torca y la torca elástica que intenta llevar a la partícula hacia el plano xy, tal como se pudo observar en la Figura 1.

Los detalles de la implementación pueden consultarse en publicaciones más extensas (ReyesArango, Quintana-H, Aramas-Pérez, & Híjar, 2020).

III.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados se presentarán utilizando los parámetros 𝑎𝑎, 𝑚𝑚 y Δ𝑡𝑡 como unidades de longitud, masa y tiempo, respectivamente. Se simularán coloides con dimensiones 𝐿𝐿 = 10𝑎𝑎 y 𝜎𝜎 = 2𝑎𝑎. La caja de simulación tendrá una extensión de 48𝑎𝑎 en las tres dimensiones. El solvente nemático tendrá una densidad numérica

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Figura 3.

Orientación en presencia de campos magnéticos.

Las configuraciones correspondientes a los puntos i, ii y iii se muestran en la Figura 4 y las de los puntos iv, v y vi en la Figura 5. En ambas figuras la dirección vertical corresponde con la del eje z en las simulaciones. Por lo tanto, ambas figuras confirman que los estados para campos magnéticos pequeños tienen más tendencia a la configuración 𝝁𝝁 ⊥ 𝒏𝒏0 , mientras que campos magnéticos altos tienden a producir configuraciones con 𝝁𝝁 ∥ 𝒏𝒏0. Figura 2.

Reorientación del coloide en el solvente nemático.

Para campos pequeños, 𝐵𝐵 = 2𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇𝑇𝑇, las desviaciones de 𝝁𝝁 con respecto al director a distancias lejanas pueden ser considerablemente grandes y el esferocilindro puede pasar periodos de tiempos grandes con ángulos de inclinación cercanos a 𝜋𝜋/2. Este es el comportamiento que se aprecia en la curva continua de la Figura 3. Para campos moderados, 𝐵𝐵 = 10𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇𝑇𝑇, las desviaciones de 𝜃𝜃 son menos intensas (curva discontinua en la Figura 3). Mientras que para campos altos, 𝐵𝐵 = 15𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇𝑇𝑇, 𝜃𝜃 permanece muy cercano a 0 durante todo el tiempo de simulación, tal como lo describe la curva punteada-discontinua en la Figura 3. La Figura 3 indica también algunos puntos especiales en las curvas del ángulo de inclinación. Estos son los puntos i, ii y iii para 𝐵𝐵 = 2𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇𝑇𝑇, y los puntos iv, v, vi para 𝐵𝐵 = 15𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇𝑇𝑇. Estos puntos se han seleccionado para hacer una representación del estado que guarda el par partícula-defecto durante su evolución temporal.

Figura 4.

Tres estados partícula-defecto para 𝜇𝜇𝐵𝐵 = 2𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇.

Figura 5.

Lo mismo que en la Figura 4 para 𝜇𝜇𝐵𝐵 = 15𝑘𝑘𝐵𝐵 𝑇𝑇.

IV.

CONCLUSIÓN

Se ha presentado un algoritmo para simular partículas coloidales anisotrópicas en un solvente nemático. Éste ofrece resultados consistentes al ser aplicado al problema de un coloide esferocilíndrico que puede sufrir torcas impuestas por un campo magnético externo. Se demuestra que la configuración de 39

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) equilibrio en ausencia de campo magnético corresponde al eje largo del esferocilindro apuntando en la dirección perpendicular al director y en presencia de campos magnéticos grandes corresponde a un estado en los que estos vectores son paralelos. Esto abre la puerta a simular coloides alargados en otros ambientes alejados del equilibrio, e.g., flujo o reorientación del campo director global. Estos problemas son altamente difíciles de resolver con otros algoritmos, e.g., métodos basados en Lattice Boltzmann o diferencias finitas, debido a la incapacidad de éstos de tratar con fronteras móviles. Por lo anterior, el método presentado puede tener un enorme potencial en la simulación de sistemas de interés actual en varios campos que incluyen, la materia condensada suave, la fisicoquímica y la computación. También se considera extender el algoritmo al caso de un ensamble de coloides magnéticos, los cuales tienen potenciales aplicaciones en fotónica y micro-manipulación (VegaBellido, De La Cruz-Araujo, Kretzschmar, & CórdovaFigueroa, 2019).

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AGRADECIMIENTO Agradecemos al fondo SEP-CONACyT por apoyo bajo el proyecto CB2017-2018 A1-S-46608 y a la Universidad La Salle por apoyo bajo los proyectos NEC-08/18 y NEC-13/19.

Tkalec, U., Skarabot, M., & Musevic, I. (2008). Interactions of micro-rods in a thin layer of a nematic liquid crystal. Soft Matter, 2402–2409. Vega-Bellido, G. I., De La Cruz-Araujo, R. A., Kretzschmar, I., & Córdova-Figueroa, U. M. (2019). Self-assembly of magnetic colloids with shifted dipoles. Soft Matter, 4078-4086.

REFERENCIAS Araki, T., & Tanaka, H. (2006). Surface-sensitive particle selection by driving particles in a nematic solvent. Journal of Physics: Condensed Matter, L193-L203.

José Angel Armendáriz. Ingeniero biomédico egresado de la Universidad Lasalle México. Ha realizado servicio social y prácticas profesionales en los departamentos de ingeniería biomédica del Instituto Nacional de Medicina Genómica (INMEGEN) e Instituto Nacional de Cancerología (INCAN), actualmente se encuentra laborando como ingeniero de servicio. Con interés en las diferentes áreas de la tecnología médica, englobando los distintos equipos médicos existentes, así como la simulación de sistemas biológicos.

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Humberto Híjar. Es Físico y Doctor en Ciencias (Física) por la U.N.A.M. Ha impartido clases de licenciatura y posgrado en la Facultad de Ciencias de la U.N.A.M. y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad La Salle México. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 2009. Sus tópicos de interés son el modelado teórico y compuatcional de la materia condensada suave (cristales líquidos y coloides) alejados del equilibrio.

Hashemi, S. M., & Ejtehadi, M. R. (2015). Equilibrium state of a cylindrical particle with flat ends in nematic liquid crystals. Physical Review E, 012503. Hung, R. F. (2009). Quadrupolar particles in a nematic liquid crystal: Effects of particle size and shape. Physical Review E, 021705. Hung, R. F., Guzmán, O., Gettelfinger, B. T., Abbott, N. L., & de Pablo, J. J. (2006). Anisotropic nanoparticles immersed in a nematic liquid crystal: Defect structures and potentials of mean force. Physical Review E, 011711.

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Numerical Simulation of the Design of a Plasma Reactor for Treatment of Toxic Gases Emitted by Municipal Solid Waste in Landfills Simulación Numérica del Diseño de un Reactor de Plasma para Tratamiento de Gases Tóxicos Emitidos por Residuos Sólidos Urbanos en Vertederos Gaspar Albiter Rodríguez División de Estudios de Posgrado e Investigación Tecnológico Nacional de México: Instituto Tecnológico de Morelia Morelia, Mich., México [emailprotected]

Juan Alfonso Salazar Torres División de Estudios de Posgrado e Investigación Tecnológico Nacional de México: Instituto Tecnológico de Morelia Morelia, Mich., México [emailprotected]

Abstract — This work is about the design and simulation of the flow of toxic gases inside a reactor using air, in order to obtain an optimized geometry based on previous studies and determination of geometric parameters to achieve the dissociation of emitted gases from MSW (Municipal Solid Waste), since these must be treated before use and discharge to reduce the effect on air quality. In the Finite Volume Method (FVM) analysis, streamlines showed acceptable flow patterns with disorderly flow and stagnation within the reactor chamber. In addition, due to the spiral discharge, the fluid arrives fresh directly to the electrodes, which could help their cooling resulting in reduced current and low erosion of them. Therefore, this work presents a proposal for a potentially viable device for the treatment of gases emitted from MSW.

Keywords — Plasma, simulation, MSW.

reactor,

Francisco Reyes Calderón Coordinación de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería Tecnológico Nacional de México: Instituto Tecnológico de Morelia Morelia, Mich., México [emailprotected] m.mx

Resumen — Este trabajo trata sobre el diseño y simulación de flujo de gases tóxicos en el interior de un reactor usando aire, con el fin de obtener una geometría optimizada en función de estudios previos y determinación de parámetros geométricos para lograr la disociación de gases emitidos de los RSU (Residuos Sólidos Urbanos), ya que estos deben tratarse antes de su uso y descarga para disminuir el efecto sobre la calidad del aire. En el análisis por Método de Volumen Finito (MVF) las líneas de corriente mostraron patrones de flujo aceptables con un flujo desordenado y estancamiento dentro de la cámara del reactor. Además, debido a la descarga en espiral el fluido llega fresco directamente a los electrodos, lo cual podría ayudar a su enfriamiento resultando corriente reducida y baja erosión de los mismos. Por lo que, este trabajo presenta una propuesta de un dispositivo potencialmente viable para el tratamiento de gases emitidos de los RSU.

numerical Palabras clave — Plasma, reactor, simulación numérica, RSU.

I. INTRODUCCIÓN

reducción de volumen y en algunos casos recuperación de energía; sin embargo, problemas de dioxinas, metales pesados, gases ácidos y compuestos orgánicos volátiles, impactan de manera adversa sobre el medio ambiente y la salud humana (Maoyun He, 2008), (Carreras Arroyo, 2010), (Biswajit Ruj, 2014), (Michał Jurczyk, 2016), (Xiaoyuan Zheng, 2018), además los

El crecimiento poblacional excesivo ha implicado un aumento de los RSU (Residuos Sólidos Urbanos) y los gases emitidos por los mismos, según (Naturales, 2020) en México se generan 102 895 toneladas de RSU por día. La incineración es utilizada para destruir los componentes combustibles de estos residuos, logrando 41

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) de enfriamiento en la cámara del reactor, con un diseño hermético y compacto, seguro ante un posible aumento de temperatura. Además, en el análisis por MVF se verificó los patrones de flujo y velocidad dentro de la cámara del reactor por las líneas de corriente.

sistemas de quema masiva requieren costosos sistemas de control de contaminación del aire (C. Mukherjee, 2020), de ahí que se requiera una solución poco convencional pero eficaz, capaz de tratar en primera instancia los gases emitidos de los RSU y generar energía. En los últimos años han surgido varias tecnologías; pirólisis térmica de plasma, pirólisis con catalizadores de zeolita y dolomita calcinada (Tursunov, 2014), gasificación catalítica de vapor (Maoyun He, 2008), (Xiaoyuan Zheng, 2018), gasificación tradicional con antorchas de plasma CD (Corriente Directa) (Biswajit Ruj, 2014) y tecnologías de gasificación (Yong Chil Seo, 2018), (Deborah Panepinto, 2014), (C. Mukherjee, 2020), aun así, más del 50% de la energía eléctrica alimentada al plasma térmico se desperdicia a través del agua de enfriamiento que es necesaria para un arco estable, y la gasificación con soplete de plasma CD consume una cantidad considerable de electricidad para generar el plasma (Natarianto Indrawan, 2019) y aunque se consideran más limpias que las tecnologías de combustión, no han madurado hasta la comercialización debido a obstáculos técnicos y económicos (C. Mukherjee, 2020).

II. MÉTODOS Y MATERIALES Para el diseño del reactor se calcularon parámetros geométricos que definen el volumen de la cámara de reacción, y otros fueron incorporados de estudios en los que determinada característica dio buenos resultados. Para calcular el GAP, (distancia de rompimiento 𝑑𝑑) se utilizó la Ley de Paschen (1) (R. Massarczyk, 2016): 𝐵𝐵𝑏𝑏 𝑝𝑝𝑝𝑝 −1 )) − 𝑉𝑉 = 0 ln(𝐴𝐴𝑏𝑏 𝑝𝑝𝑝𝑝) − ln(ln(1 + 𝛾𝛾𝑆𝑆𝑆𝑆

(1)

Donde 𝐴𝐴𝑏𝑏 y 𝐵𝐵𝑏𝑏 son constantes de ruptura específicas del gas, y 𝑝𝑝 es la presión (igual a la presión atmosférica) y 𝛾𝛾𝑆𝑆𝑆𝑆 el coeficiente de emisión secundaria para el material del electrodo (describe el número promedio de electrones secundarios generados por ion) y 𝑉𝑉 el voltaje de rompimiento en voltios.

Las condiciones que se dan dentro de los rellenos sanitarios, hacen que la materia orgánica se degrade como consecuencia de la digestión anaeróbica produciendo una mezcla conocida como Biogás (5065% CH4 y 30-45% CO2), (Carreras Arroyo, 2010), (C. Sánchez, 2016) gas con alto poder calorífico que puede utilizarse para generar energía (C. Sánchez, 2016) básicamente H2 y CO utilizando tecnología de plasma por descargas de radio frecuencia, micro ondas, chispa, luminiscente, arco deslizante o barrera dieléctrica, para la disociación de estos gases contaminantes. Aunque, esta tecnología ya está establecida, solo algunos trabajos tratan sobre el reformado en seco de CH4 con CO2 y no todas las fuentes de plasma han demostrado ser económica o técnicamente aplicables en el sector industrial, ya que, por ejemplo; utilizan equipos de vacío, requieren altos campos electromagnéticos y grandes costes operativos en volúmenes de tratamiento.

El coeficiente de emisión secundaria 𝛾𝛾𝑆𝑆𝑆𝑆 es función de 𝐸𝐸 ⁄𝑝𝑝, es decir, la intensidad del campo eléctrico dividida por la presión. El valor del parámetro 𝛾𝛾𝑆𝑆𝑆𝑆 es función del campo eléctrico, tipo de material y estado de las partículas, para un reactor sin partículas dieléctricas en suspensión el valor generalmente oscila entre 0.1 y 0.2 (Juchan Kim, 2018) y de acuerdo con (Fridman, 2009) valores de 0.01 a 0.1.

Se buscaron las constantes características de ionización 𝐴𝐴𝑏𝑏 y 𝐵𝐵𝑏𝑏 para CH4 (Juchan Kim, 2018) y CO2 (Fridman, 2009) a 298 K para valores de 𝐸𝐸 ⁄𝑝𝑝 = 3x103 a 5x104 𝑉𝑉⁄𝑚𝑚, como se muestra en (2) y (3): 𝐴𝐴𝐶𝐶𝐶𝐶4 = 𝐴𝐴𝐶𝐶𝐶𝐶2 =

Modelar y analizar geometrías de reactores para mejorar su diseño y eficiencia de conversión es fundamental (Bogaerts, 2017), por lo que en este estudio se realizó un modelo y análisis por MVF de un reactor de plasma no térmico para conducir a una emisión termoiónica en cascada con descarga luminiscente, con características de; fácil mantenimiento y cambio de componentes, que permite identificación visual del plasma, capaz de crear efecto

7.3 1.33 𝑃𝑃𝑃𝑃. 𝑚𝑚 20 1.33 𝑃𝑃𝑃𝑃. 𝑚𝑚

𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶4 = 𝐵𝐵𝐶𝐶𝐶𝐶2 =

191 𝑉𝑉 1.33 𝑃𝑃𝑃𝑃. 𝑚𝑚

466 𝑉𝑉 1.33 𝑃𝑃𝑃𝑃. 𝑚𝑚

(2) (3)

En cuanto al cálculo del tiempo de residencia 𝜃𝜃 (4), de acuerdo con (Dassou Nagassou S. M., 2019) es función del volumen del reactor, definido por el diámetro del reactor 𝐷𝐷𝑟𝑟 , la longitud 𝐿𝐿𝑟𝑟 , y el flujo volumétrico 𝑄𝑄. 42

𝜃𝜃 =

𝜋𝜋𝐷𝐷𝑟𝑟2 𝐿𝐿𝑟𝑟 4𝑄𝑄

(4)

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química Para obtener un plasma estable se requiere un flujo volumétrico mínimo de 3 𝑙𝑙 ⁄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚, este valor puede ascender hasta 5 y 8, aunque algunos investigadores manejan 1, 2, hasta 20 𝑙𝑙 ⁄𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 con una potencia consumida de 10 a 20 W y 5 A (Adrian Mihalcioiu, 2010), en la mayoría de los casos investigados se ha comprobado caudales promedio de 10 𝑙𝑙/𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 y se ha visto que caudales muy bajos dejan bajos rendimientos del plasma, mientras que la eficiencia energética tiende a aumentar con el aumento de los mismos debido a la relación inversa con la energía específica de entrada.

Tubo de cuarzo Electrodos de alto voltaje

Para la configuración del reactor propuesto en la Figura 1 se proyectó un gasto de inversión de $ 25000 para la estructura mostrada considerando únicamente materiales y procesos de fabricación, sujeto a variación en función de los electrodos. La estructura incluye espárragos de acero para dotar de rigidez al sistema que une las placas terminales de Aluminio que sostienen el centro distribuidor de PEEK (Polyether-Ether-Ketone) no conductor. Además, opresores de Fibra de Vidrio ubicados en las ranuras se utilizan para evitar la transferencia de calor por conducción de los electrodos hacia el centro distribuidor como medida de seguridad en caso de un aumento brusco de temperatura.

Rejilla interna a tierra

Figura 1. Reactor de plasma.

Respecto a la validación del diseño del reactor se verificó las trayectorias de flujo dentro de la cámara del reactor, por medio de un análisis por MVF para asegurar que la geometría brinde las condiciones adecuadas para que el plasma interactúe de manera efectiva. El análisis fue estacionario, a presión atmosférica, utilizando aire como fluido de trabajo para simular el flujo de gases con propiedades termo físicas constantes a una velocidad de 5 m/s como condición de frontera en la entrada del reactor y condición de no deslizamiento en la pared de la cámara, esto para flujo incompresible en un modelo 3D (volumen de 4.48x10−4 𝑚𝑚3 ), incompresible por la temperatura esperada y el poco efecto de la velocidad sobre la compresibilidad del aire.

La Figura 1 muestra un electrodo de rejilla interna que puede cambiar por un electrodo en forma de tiras circulares internas o externas coaxiales al tubo de Cuarzo, si se coloca afuera se debe colocar pasta de plata para evitar descargas corona anormales (Omid Khalifeh, 2016), (E. Linga Reddy, 2012) entre el tubo de cuarzo y el electrodo. Los electrodos de alto voltaje pueden ser recubiertos de Al2O3, anodizados, recubiertos con un catalizador poroso (para provocar descargas filamentales) o con ranuras anulares ya que, las ranuras anulares son beneficiosas para formar una descarga eléctrica silenciosa y se distribuyen uniformemente en el electrodo (Jie Tang, 2010), además, elegir electrodos metálicos como el Aluminio y Cobre implica gastar más energía (Christopher R. Mc Larnon, 1998) y otros se corroen y carbonizan fácilmente, este es el principal inconveniente que hace que la eficiencia energética del plasma térmico sea deficiente (Biswajit Ruj, 2014). Para este diseño se propone una estructura multielectrodo, lo cual podría disminuir la corriente capacitiva (Guanghui Niu, 2019) donde los electrodos pueden moverse radialmente sobre las ranuras superiores en el centro del distribuidor, que tiene orificios en espiral colocados a lo largo de toda la saliente para distribuir el gas y están alejados del conducto superior que forma 90o para permitir su salida.

Se utilizó una malla densa con 225x103 elementos tetraédricos y se estableció un residuo normalizado de 1x10−4 como criterio de convergencia, para las ecuaciones de continuidad, momento y energía cinética turbulenta para obtener la distribución del campo de velocidades.

Se utilizó un modelo RSM (Reynolds Stress Model), este modelo ignora la viscosidad turbulenta isotrópica y cierra las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por medio de tensiones de Reynolds, puede ejecutar simulaciones de forma más rigurosa en flujos con grandes cambios en la velocidad de deformación, flujos curvos y giratorios. El conjunto de ecuaciones que gobiernan el flujo del fluido (conservación de masa, momento, energía) son las ecuaciones de NavierStokes, las cuales describen el comportamiento de un fluido a través de una línea de corriente para flujo incompresible, fluido newtoniano, con propiedades físicas constantes y son función de los campos de velocidad y presión para un flujo en geometría conocida y condiciones de contorno conocidas. Las ecuaciones de

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) Navier Stokes se pueden descomponer en función del vector de presión y velocidad multiplicado por el Laplaciano en las diferentes direcciones para un sistema de coordenadas cartesiano. Así, en el procedimiento de solución, las ecuaciones de conservación se integran en cada volumen discreto para obtener el sistema global de ecuaciones (5), (6), (7) y (8) como sigue:

III.

γ=0.01

Voltaje (kV)

60 40

γ=0.08

γ=0.20

20 0

GAP (mm)

(5) Figura 2. Curvas de rompimiento para CH4 de acuerdo con la ecuación de Paschen, para diferentes valores de γSE.

(6)

150

(7)

Voltaje (kV)

⃗ 𝐷𝐷𝑉𝑉 ⃗ = 𝛻𝛻⃗𝑃𝑃 + 𝜌𝜌𝑔𝑔 + µ𝛻𝛻 2 𝑉𝑉 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜎𝜎𝑃𝑃 𝜌𝜌 = + 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑔𝑔 + µ𝛻𝛻 2 𝑢𝑢 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜎𝜎𝜎𝜎 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜎𝜎𝑃𝑃 𝜌𝜌 = + 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑦𝑦 + µ𝛻𝛻 2 𝑣𝑣 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜎𝜎𝑦𝑦 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜎𝜎𝑃𝑃 𝜌𝜌 = + 𝜌𝜌𝑔𝑔𝑧𝑧 + µ𝛻𝛻 2 𝑤𝑤 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝜎𝜎𝑧𝑧 𝜌𝜌

(8)

γ=0.20

50 0

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

γ=0.08

GAP (mm)

Los resultados de diseño se obtuvieron de acuerdo con modelos de reactores disponibles en la literatura, utilizados para descomponer gases como CO2 y CH4 buscando una distribución uniforme dentro del reactor. Para optimizar la geometría del reactor, se eligieron valores de tamaño de electrodo cercanos a los encontrados por (Omid Khalifeh, 2016) donde se obtuvo una alta conversión de CH4 a baja potencia de descarga para una longitud de electrodo de 0.15 𝑚𝑚, este parámetro geométrico repercute en factores clave que incluyen la intensidad del campo eléctrico, tiempo de residencia y pérdida de calor a través del material, por lo que las frecuencias deben optimizarse para una producción eficiente de H2. Los resultados de graficar el voltaje contra el GAP de la ecuación de Paschen para diferentes valores de coeficientes de emisión secundaria en la Figura 2 y Figura 3, muestran una relación lineal y una variación descendente del voltaje a medida que este coeficiente aumenta de valor. Aunque se sabe que los gases de RSU también están compuestos por H2S, NH3, O, H, N2 y CO, el CH4 y CO2 representan del 90% al 95% de su composición. Por tanto, podemos tomar como referencia valores de tensión de ruptura solo para estos últimos en función de la autonomía del sistema electrónico de potencia, es decir, como el rango de tensiones que el sistema puede suministrar de forma sostenida durante un período de tiempo determinado, va de 0 a 40 kV el diseño está limitado a una distancia máxima de electrodo de 20 mm para CH4 y 10 mm para CO2, aproximadamente, como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3.

γ=0.01

100

Figura 3. Curvas de rompimiento para CO2 de acuerdo con la ecuación de Paschen, para diferentes valores de γSE.

Con base en la Figura 4, los caudales volumétricos bajos favorecen tiempos de residencia altos y, como puede verse, los caudales más altos requieren mayores volúmenes de reactor. Sin embargo, la magnitud del flujo tiene implicaciones importantes en la formación y estabilidad del plasma, por lo que seleccionado el volumen con los datos anteriores de GAP y longitud de electrodo se verifica el tiempo de residencia para la disociación del gas.

Volumen (L)

2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

15 l/min 10 l/min 8 l/min 5 l/min 3 l/min 1 l/min 1 1.8 2.6 3.4 4.2 5 5.8 6.6 7.4 8.2 9 9.8 10.6 Tiempo de residencia (s)

Figura 4. Tiempo de residencia-volumen para distintos caudales Q.

Es claro que, aumentar el caudal reduce el tiempo de residencia, por lo tanto, las moléculas de gas pasan menos tiempo en la zona de descarga del plasma, en cambio, aumentar el tiempo de residencia, produce más radicales H (Faisal Saleem, 2019).

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química hasta 4x10−3 𝑚𝑚/𝑠𝑠, esto da oportunidad al flujo tiempo de residencia para ionizar el gas y generar un plasma uniforme. Además, debido a pequeñas velocidades y baja presión el efecto cortante debido a la fricción en la pared no es significativo.

El análisis de líneas de corriente por MVF en la Figura 5 muestra velocidades de 22.6 m/s a la salida del reactor debido a un pequeño cambio de diámetro, así como, un desarrollo de flujo con velocidades promedio de 11 m/s en el centro de distribución y al tomar el codo de salida, aunque los orificios en el centro de distribución son pequeños, no hay aumento significativo de la velocidad a su salida y, una vez que sale por los orificios de este choca con las paredes de cuarzo provocando una disminución de la velocidad que crea turbulencias y estancamiento, lo que es bueno para lograr la ionización de los gases contaminantes.

AGRADECIMIENTO El trabajo está siendo financiado parcialmente por TecNM con el proyecto N. 8999.20-P, CONACYT y el Instituto Tecnológico de Morelia, de antemano los autores agradecemos por el apoyo económico otorgado.

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Figura 5. Velocidad y líneas de corriente en reactor de plasma.

IV.

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CONCLUSIÓN

En este trabajo se mostró el diseño e investigación de un reactor de plasma multielectrodo luminiscente para tratamiento de gases emitidos de RSU como propuesta para aumentar y distribuir correctamente el campo magnético, lo cual podría desenlazar en un aumento de eficiencia de conversión. Una distribución uniforme tanto del campo eléctrico como del flujo de gases puede generar radicales en todo el volumen y se facilitan las reacciones en cascada, aumentando la eficiencia de conversión y reduciendo la conversión de hollín en lo cual podría repercutir también el recubrimiento de material (Aviles, 2015).

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Cabe señalar la importancia de adaptar la capacidad del sistema de alimentación con el dimensionamiento del reactor ya que está estrechamente relacionada con el GAP y este repercute a su vez en el volumen y tiempo de residencia. Para este caso, un volumen de 4.48x10−4 𝑚𝑚3 (de acuerdo a la longitud de electrodo y GAP calculado) y caudal medio de 10 𝑙𝑙/𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 da un tiempo de residencia de 2.7 segundos.

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Finalmente, la simulación por MVF mostró que la velocidad disminuye drásticamente dentro del reactor

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Gaspar Albiter Rodríguez recibió el título de MC. en Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Celaya, Celaya, Gto. 2014. Actualmente estudia el Doctorado en Ciencias de la Ingeniería en el Instituto Tecnológico de Morelia, Mich., México, trabajó en la UPJR como profesor de Ingeniería en Sistemas Automotrices. Sus temas de interés incluyen diseño, tecnología de plasma y energías renovables.

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Juan Alfonso Salazar Torres recibió el grado de Ingeniero y Doctor en Ingeniería Electrónica del Instituto Tecnológico de Toluca, Toluca, Edo. de México 2003 y 2014, respectivamente. Actualmente es integrante del SNI por CONACYT asignado al Instituto Tecnológico de Morelia. Sus líneas de investigación se enfocan a la instrumentación, automatización, control de procesos y plasma hibrido.

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Francisco Reyes Calderón recibió el grado de Doctor en Ciencias del IIM-UMSNH, Morelia, Mich., México. Actualmente es profesor del Instituto Tecnológico de Morelia en los programas académicos de Ingeniería de Materiales, Maestría en Metalurgia y Doctorado en Ciencias de la Ingeniería, integrante del SNI por CONACYT, México. Especialista en procesos de soldadura y metalurgia de soldadura. Sus líneas de investigación se enfocan en aceros TWIP micro aleados y su comportamiento ante tratamientos térmicos y deformación en frío.

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Acid-base equilibrium for lysozyme and casein proteins electrodeposition in glassy carbon electrodes El equilibrio ácido- base para la electrodeposición de proteínas lisozima y caseína en electrodos de carbón vítreo Andrea Gabriela Ochoa Ruiz Biotecnología Médica y Farmacéutica CIATEJ Guadalajara, México [emailprotected]

Diego López Espinoza Centro Universitario Tonalá Universidad de Guadalajara Tonalá, México [emailprotected]

Bernardo Gudiño Pablo Astudillo Centro Universitario de Ciencias Centro Universitario Tonalá Exactas e Ingenierías Universidad de Guadalajara Universidad de Guadalajara Tonalá, México Guadalajara, México [emailprotected] [emailprotected]

Abstract — the application of electrochemistry has allowed the development of “point of care” biosensors to aid in the medical field to provide a faster and more accurate diagnosis. For biosensors built up, electrodes must be biofunctionalized to anchor the bioreceptors. Different techniques have been used which include the use of an intermediary molecule attached to the electrode by covalent interactions or others. However, the direct electrodeposition of proteins is an area yet to explore. Therefore, the main objective of this research is to determine the acid-base equilibrium to reach the electrochemical conditions that allow the direct attachment of proteins lysozyme and casein to glassy carbon surface electrodes. In this report of results are shown the changes in cyclic voltammetry derived from the biofunctionalization process and hydroxide titration process. It is concluded that the direct protein electrodeposition is correlated to amino acids containing a carboxyl group with the hydroxide to facilitate the reaction.

Guillermo Mario Parra de la Torre Centro Universitario Tonalá Universidad de Guadalajara Tonalá, México [emailprotected] Alba Adriana Vallejo Cardona Biotecnología Médica y Farmacéutica CIATEJ Guadalajara, México [emailprotected]

Resumen — la aplicación de técnicas electroquímicas ha permitido el desarrollo de biosensores “punto de cuidado” para auxiliar al área médica a realizar diagnósticos más rápidos y precisos. Para su construcción los electrodos deben ser biofuncionalizados para el anclaje de los bioreceptores. Se han utilizado diversas técnicas que comprenden el uso de intermediarios unidos por enlaces covalente u otras interacciones. Sin embargo, la electrodeposición directa de proteínas es un área nueva por explorar. Es por esto que el objetivo de esta investigación es el determinar el equilibrio ácido-base en el ambiente electroquímico que permita el anclaje directo de proteínas lisozima y caseína en la superficie de electrodos de carbón vítreo. En este avance de resultados se muestran los cambios en voltamperometría cíclica derivados de la biofuncionalización de electrodos de carbón vítreo con las proteínas lisozima y caseína y la titulación con hidróxido. Se concluye que la electrodeposición de proteínas está en función de la relación de los aminoácidos con grupos carboxilo que faciliten la reacción con el hidróxido.

Keywords — biosensor, biofunctionalization, Palabras clave — biosensor, biofuncionalización, electrochemistry, electrodeposition, proteins. electroquímica, electrodeposición, proteínas. 47

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII)

I. INTRODUCCIÓN

señal biológica a eléctrica; sino que puede ser aplicada para realizar la electrodeposición de moléculas en el electrodo de trabajo y de esta manera lograr la biofuncionalización del electrodo para unir de manera estable el bioreceptor al sistema electroquímico. Sin embargo, hasta el momento las técnicas de electrodeposición se han aplicado a moléculas intermediarias para lograr uniones covalentes. Éstas últimas permiten generar una inmovilización más estable y eficiente (Y. Liu & Yu, 2016), y para lo cual también se han logrado con reacciones químicas de entrecruzamiento (D. Lin et al., 2014) o activación de grupos funcionales mediante reacciones químicas directas. Como por ejemplo en presencia de 1-etil-3-(3dimetilaminopropil) carbodiimida (EDC)/Nhydroxisuccinimida (NHS) (EDC/NHS) se puede facilitar la unión de ácidos carboxílicos con aminas primarias en biomoléculas, a esto se le conoce química de carbodiimida (Ehzari et al., 2020; M. Liu et al., 2011). Este método químico ha sido el más utilizado para la inmovilización de anticuerpos y ADN.

Un biosensor es un dispositivo compuesto por varias partes: 1) el “bioreceptor” consiste en el agente biológico que reconoce al “analito” o molécula de interés por detectar; 2) el “método de transducción” el cual consiste en medir el evento de reconocimiento biológico a través métodos físico-químicos de análisis instrumental y 3) la “señal procesada” donde se lleva a cabo la interpretación de los eventos de análisis instrumental a través de algoritmos o la interpretación de las señales electrónicas para ser visualizada a través de una pantalla y finalmente ser interpretado el resultado por el usuario final (Bhalla et al., 2016). El desarrollo de los biosensores punto de cuidado (POC, del inglés “point-of-care”) y/o laboratorio en un chip (LOC, del inglés “lab-on-a-chip”) representa una solución eficiente a la detección oportuna de marcadores. La primera forma de biosensor POC que llegó al mercado en la década de los 80´s fue el glucómetro electroquímico para la detección de glucosa en sangre (Clarke & Foster, 2012), mientras que a finales de esa década apareció también la prueba de embarazo basada en una lámina de flujo lateral.

La electrodeposición consiste en el recubrimiento metálico de ciertos materiales para mejorar propiedades y características, como por ejemplo la función, proveer protección o mejorar apariencia. Fue desarrollada en el siglo XIX con depósitos principalmente de zinc, cadmio, cromo, cobre y bronce para prevenir la corrosión del hierro. El método consiste en la generación de una capa en el cátodo de iones metálicos en disolución al pasar corriente en una celda electrolítica (Imaz Molina, 2013).

El desarrollo del glucómetro electroquímico puso las bases, no sólo para lograr la detección, sino la cuantificación de glucosa en la sangre, y con lo cual la electroquímica ha sido uno de los métodos de transducción más eficiente, versátil y propensa a llegar al mercado. Uno de los principales retos ha sido la adaptación de los eventos de reconocimiento biológico a señales medibles por electroquímica, con lo cual en el caso de la glucosa es directo ya que la enzima glucosa oxidasa al producir peróxido en presencia del analito se produce el flujo de electrones para la identificación y cuantificación (Turner et al., 1987). También se ha logrado adaptar ensayos por inmunoabsorción ligado a enzimas (ELISA del inglés “Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay”), para la identificación de diversos antígenos o anticuerpos a partir de los productos de las reacciones de diversos tipos de enzimas, principalmente peroxidasa de rábano (HRP, del inglés “horseradish peroxidase”) (Habtamu et al., 2019; H. Y. Lin et al., 2017), e incluso los nanomateriales han hecho posible prescindir de las enzimas y desarrollar dispositivos libres de etiqueta para la amplificación de la señal (Jang et al., 2015).

Los métodos para la electrodeposición de capas orgánicas comenzaron a desarrollarse en 1980 y están principalmente basados en reacciones de reducciónoxidación. El objetivo es crear la unión por enlaces covalentes o quimio-adsorción y evitar interacciones débiles por fisio-adsorción. Para la electrodeposición de moléculas orgánicas se han utilizado diferentes grupos funcionales como las aminas, carboxilatos y alcoholes, presentes en moléculas como por ejemplo las sales de diazonio (Bélanger & Pinson, 2011). La electrodeposición de nano partículas de oro a electrodos ha sido muy utilizada para la posterior inmovilización de anticuerpos por las interacciones con los grupos tiol (Jang et al., 2015; J. Liu et al., 2015). Una de las principales ventajas de utilizar capas intermediarias es que han permitido la biofuncionalización orientada de los electrodos, principalmente en anticuerpos mediante proteína A (Malvano, 2018); o por la interacción de los residuos de

No obstante, la electroquímica no únicamente proporciona herramientas para la transducción de la 48

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química fundamental determinar qué relación de hidróxido: proteína es óptima para la electrodeposición y lograr la formación de iones que permita el anclaje de las proteínas a la lámina de carbón vítreo. Es por esto que los resultados reportados en este artículo se concentran en la determinación de la relación hidróxido: lisozima e hidróxido: caseína a partir de titulaciones con hidróxido de tetrabultilamonio (TBA). En la Figura 1 se muestra el diagrama de la reacción de electrodeposición.

cisteína en la fracción cristalizable (región Fc) (Caygill et al., 2012) también mediante grupos maleimida para ADN con grupos tiol en el extremo 5´ (Bartolome et al., 2015). No obstante, el utilizar intermediarios en la interface del electrodo para la unión de los bioreceptores provoca un incremento de capas que puede afectar la medición electroquímica, especialmente si no se añaden especies electro-activas como el ferroceno (Malvano, 2018) o el oro. A su vez que el proceso de ensamblaje aumenta en complejidad y costos. Es por esto que se propone la biofuncionalización de los electrodos de trabajo mediante la electrodeposición directa de proteínas. Con lo cual se puede lograr disminuir la complejidad de producción de los biosensores, disminuir costos e incluso incrementar la estabilidad y sensibilidad de los mismos. Este trabajo es pionero en su género al comenzar con dicha exploración mediante la determinación de la relación óptima de concentraciones de reactivos previa a la electrodeposición directa de proteínas a través de una titulación de electrodepositación.

Figura 1. Mecanismo de electrodeposición de proteínas en electrodos de carbón vítreo. La adición de especies hidróxido (𝑂𝑂𝑂𝑂 − ) a la celda electroquímica favorece la ). ionización de carboxilatos en las proteínas (𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅− 2 Posteriormente la oxidación del ferroceno (Fc) en ferricinio (𝐹𝐹𝐹𝐹 + ), actúa como intermediario para la transferencia de electrones al electrodo de carbón vítreo de los iones carboxilatos. Posteriormente al crearse los radicales (𝑅𝑅 + ) después de la separación del dióxido de carbono (𝐶𝐶𝐶𝐶2 ) y un electrón (𝑒𝑒 − ), se favorece la unión covalente al electrodo de carbón vítreo o electrodeposición.

El método propuesto para la electrodeposición directa de proteínas se basa en las recciones de electrodepositación de los carboxilatos, propuesta por (Galicia et al., 2012; Hernández-Muñoz et al., 2012) a partir de ácidos grasos y que a través de una descarboxilación indirecta estos son depositados en la superficie del electrodo. Siguiendo esa línea de reacción podemos asumir que el carboxilo terminal de las proteínas puede reaccionar de la misma manera, así como algunos aminoácidos como lo son el ácido aspártico y ácido glutámico de las proteínas de interés que es la lisozima y caseína; para que, a través de la reacción de Kolbe, se obtenga como resultado dímeros R-R por la electro-oxidación del carboxilato. Para que se lleve a cabo la reacción de Kolbe, es necesario que el carboxilato se encuentre en su forma des-protonada para dar origen al ion (𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅2− ), así como un intermediario que acepte electrones. Para lograr el ion carboxilato es necesaria la adición de una especie hidróxido que fomente la ionización del ácido orgánico. Por otro lado, se utiliza ferroceno (Fc) como intermediario para el flujo de electrones (Andrieux et al., 1997; Galicia et al., 2012; Trujano-Ortiz et al., 2019). No se espera ninguna interacción de los carboxilatos con el ferroceno.

Para medir los cambios en la oxidación y reducción del ferroceno en el electrodo de trabajo y de esta manera visualizar la modificación del electrodo, se utilizó la voltamperometría cíclica (CV). La CV es un método dinámico en química electro-analítica que proporciona información de manera más rápida sobre las reacciones redox (Elgrishi et al., 2018; Heinze, 1984).

II. MATERIALES Y MÉTODOS A. Reactivos Se utilizaron los siguientes reactivos: ferroceno (Fc) (C5H5)2Fe de Sigma Aldrich; tetrabutilamonio hexafluorofosfato (TBF) C16H36F6NP de SigmaAldrich; hidróxido de tetrabultilamonio (TBA) (C4H9)4NOH de Sigma-Adrich; acetonitrilo (ACN); lisozima de Roche; y nitrato de plata (AgNO3) de Fermont. La caseína se extrajo por punto isoeléctrico a partir de leche entera comercial como ya ha sido reportado en la literatura (EXTRACCIÓN DE LA CASEINA Y DETERMINACIÓN DEL PUNTO ISOELECTRICO, n.d.).

Debido a que las proteínas tienen múltiples puntos de anclaje debido a los ácidos carboxílicos presentes en los residuos de ácido glutámico y aspártico es 49

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) B. Mediciones electroquímicas

altura logrando una corriente máxima en la relación 7:1 y volviendo a bajar después de ese punto. En el pico de reducción, al igual que en la oxidación, el cambio de voltaje o desplazamiento en X fue mínimo, ya que la corriente se acercó a cero en la relación 8:1 y volvió a bajar después de ese punto. Es por esto que en la Figura 2B se graficó la corriente en la reducción respecto a la relación TBA: lisozima de la titulación, para observar con mayor detalle dichos cambios.

Para las mediciones de CV se utilizó un polarógrafo de Metrohm 663 VA Stand en una celda electroquímica de tres electrodos. Como electrodo de trabajo y contraelectrodo se utilizaron dos placas de carbón vítreo de forma rectangular con un área de 1.2 𝑐𝑐𝑐𝑐2 y como electrodo de referencia un alambre de plata inmerso en una solución puente de nitrato de plata 5 mM y TBF 0.1 M en ACN. Las mediciones se realizaron en una solución de trabajo de Fc 1 mM y TBF 0.1 M como electrolito de soporte en ACN con un potencial inicial y mínimo de 0.07 V, 0.55 V como máximo y 0.1 V como punto final. Cada medición se realizó con dos corridas consecutivas a una velocidad de barrido de 0.1 V/s y 0.00244 de salto. Los voltamperogramas se analizaron con el software AuLab Nova 2.0 y se procuró una atmósfera de nitrógeno y agitación entre adiciones de TBA.

C. Titulación con TBA Se prepararon soluciones de proteína lisozima, caseína y TBA de manera que al agregarse a la solución de trabajo de Fc quedaran a la misma concentración molar en el punto inicial. La concentración inicial de lisozima fue de 4.9𝑥𝑥10−7 𝑀𝑀 y de caseína fue de 7.9𝑥𝑥10−8 𝑀𝑀. Posteriormente con cada adición de solución de TBA, se calculó la relación molar TBA: proteína.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para poder lograr la electrodeposición de proteínas en el electrodo de trabajo es necesario lograr un equilibrio de cargas entre los ácidos presentes en los aminoácidos y los hidróxidos del TBA. Sin embargo, por la estructura tridimensional de las proteínas, no todos los aminoácidos de anclaje se encuentran en la periferia. Es por esto que mediante la titulación de TBA se espera conocer la relación óptima para la electrodeposición de cada proteína.

Figura 2. Resultados de la electrodeposición de lisozima (Liz) con titulación de TBA. A) Cambios en la voltamperometría cíclica (CV). El CV correspondiente a “ferroceno” es el CV previo a la modificación b) Corriente (A) de reducción respecto a la relación TBA: lisozima. Se observa que el cambio más radical sucede cuando la relación molar TBA: lisozima es 8:1 y se revierte un poco después de ese punto.

En la Figura 2 se observan los resultados del experimento con lisozima, en la 2A los CV y en la 2B la corriente de reducción respecto a la titulación de lisozima con TBA; ya que en la reducción se produjeron cambios más notables respecto a la saturación del electrodo, entendida como el aplanamiento de la curva, observada en 2A. En el caso del experimento con la lisozima la desaparición del pico de reducción de la Figura 2A fue más notable en la relación molar TBA: lisozima 8:1, revirtiéndose después de este punto. En la oxidación los cambios en voltaje (posición respecto a eje X) no fueron muy notables, pero sí en la corriente o

En la electrodeposición de la caseína, a diferencia que, en los CV de la lisozima, se muestran cambios progresivos de la desaparición del pico de reducción y ligeros desplazamientos en el pico de oxidación observados en la Figura 3A. Esto puede deberse a la saturación irreversible del electrodo y no se observó un efecto de “rebote” como en la lisozima. En la oxidación se observa de forma consistente que a manera que aumenta el voltaje, disminuye la corriente ligeramente; mientras que en la reducción la corriente se acerca a cero, observado en la Figura 3B. 50

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relación con TBA cercana a 30, a comparación de la lisozima que la relación TBA casi coincide con los puntos de anclaje disponibles.

Tabla 1. Residuos de ácido glutámico y aspártico presentes en las caseínas Aminoácido s Ácido Glutámico (E) Ácido Aspártico (D) Puntos Totales de Anclaje

α-s1caseína 23

α-s2caseína 24

βcaseína 19

κcaseína 12

31 + carboxil o terminal

28 + carboxil o terminal

23 + carboxil o terminal

15+ carboxil o terminal

Los hallazgos preliminares de este estudio fueron importantes para comprobar que el equilibrio ácidobase es importante para realizar la electrodeposición de proteínas en relación a la cantidad de grupos carboxilos presentes en los residuos. Sin embargo, es necesario comprobar con más repeticiones estos hallazgos y realizar un estudio estadístico más profundo al respecto.

Figura 3. Resultados de la electrodeposición de caseína (Cas) con titulación de TBA. A) Cambios en la voltamperometría cíclica (CV) El CV correspondiente a “ferroceno” es el CV previo a la modificación b) Corriente (A) de reducción respecto a la relación TBA: caseína. Se observa que la saturación del electrodo sucede de manera progresiva en la reducción.

IV.

CONCLUSIÓN

El equilibrio ácido-base en relación a la cantidad de grupos carboxilo presente en los residuos de las proteínas puede ser importante para lograr la electrodeposición de éstas en electrodos de trabajo de carbón vítreo. En el caso de la lisozima con 10 puntos de anclaje se encontró que la saturación del electrodo ocurrió en una relación molar de 8:1 de TBA; mientras que para la caseína fue de 15:1 posiblemente afectada por el gran tamaño y diversidad de caseínas. Más estudios y análisis se deberán realizar para poder confirmar la correcta electrodeposición de las proteínas en el electrodo de trabajo.

La diferencia en el comportamiento de la electrodeposición de la caseína respecto a la lisozima puede deberse a diversos factores. Uno de ellos es el tamaño, ya que la lisozima de 14 kDa tiene 2 ácidos glutámico y 7 residuos de ácido aspártico más el carboxilo terminal para que ocurra la reacción, es decir 10 puntos de anclaje en total. Es por esto que a una relación molar de 8:1 con TBA se logró el equilibrio ácido-base necesario para la electrodeposición y saturación del electrodo y que a mayor TBA la reacción comenzó a revertirse ligeramente.

AGRADECIMIENTO Se agradece la colaboración y préstamo de equipos del Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías (CUCEI) y del Centro Universitario Tonalá (CUT) de la Universidad de Guadalajara (UDG); así como del Centro de Investigación de Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco A.C. (CIATEJ) y finalmente a CONACYT por la beca de posgrado.

Por otra parte, la caseína es en realidad un grupo de proteínas constituida por cuatro tipos: α-s1-caseína; αs2-caseína; β-caseína y κ- caseína; siendo las más abundantes la α-s1-caseína (30-46%) y la β-caseína (2535%) (Bravo Vázquez, 2012). Debido a que son más grandes que la lisozima (de 19 a 25 kDa) tienen más puntos de anclaje mostrados en la Tabla 1, siendo las del tipo α, las que más puntos de anclaje tienen entre 29 y 32. Debido al mayor tamaño es posible que la saturación del electrodo sucediera antes de llegar a la

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Habtamu, H. B., Not, T., De Leo, L., Longo, S., Moretto, L. M., &

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Andrea Gabriela Ochoa Ruiz: Ingeniera en Biotecnología, Maestría en Ciencias en Nanotecnología y Medicina Regenerativa y en proceso de concluir el Doctorado de Innovación Biotecnológica en CIATEJ. Experiencia en investigación biotecnológica con especial interés en desarrollo de tecnología y su traslación al mercado, así como en temas de salud y nutrición.

industrial

Pablo D. Astudillo Sánchez: Doctor en Ciencias Químicas con especialidad en Electroquímica Molecular. Experiencia en elucidación de mecanismos de reacción redox mediante el uso de algunas técnicas electroquímicas convencionales, principalmente Voltamperometría Cíclica, de compuestos de interés biológicos y tecnológico.

Diego López Espinoza: En proceso de concluir Licenciatura en Ingeniería en Nanotecnología en Centro Universitario de Tonalá – Universidad de Guadalajara (CUT-UDG). Experiencia en investigación en nanotecnología para el desarrollo de tecnología en el interés del área de salud.

sector médico.

Bernardo Gudiño Guzmán: Químico. Maestro en Ingeniería del Agua y la Energía. Académico en Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías – Universidad de Guadalajara. Experto en Electroquímica ambiental y analítica. Experiencia laboral en tratamiento de aguas, toxicología, medio ambiente e higiene

Alba Adriana Vallejo Cardona: Doctora en Bioquímica e investigadora principal en el Centro de Investigación de Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco A.C. (CIATEJ) en el área de Biotecnología Médica y Farmacéutica. Especial interés en el desarrollo de biosensores con aplicación en el área médica. Autora de más de 30 artículos científicos e inventora de 5 patentes.

Guillermo Mario Parra de la Torre: Estudiante en proceso de concluir Licenciatura en Ingeniería en Nanotecnología en Centro Universitario de Tonalá – Universidad de Guadalajara (CUT-UDG) Experiencia en investigación en el área de la nanotecnología y el sector salud. Interés en desarrollo de tecnología para la aplicación en el

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Evaluación Histológica de Hidróxido de Calcio Químicamente Puro, Ultrablend y Theracal en la Formación Dentinaria in Vivo Karen Villegas Alejandro Universidad Veracruzana Boca del Río, Ver. [emailprotected]

Nayely Ramírez Morales Universidad Veracruzana Boca del Río, Ver. [emailprotected]

Abstract — The direct pulp coatings are currently a very useful tool indentistry. In this research we look for materials based on calcium hydroxide that have the capacity to form dentine bridge a free pulp exposure. Compare the bioactive capacity in dentinal formation in the first lower right molar of rats Wistar. Theracal, ultrablend plus and chemically pure calcium hydroxide were uded with propylene glicol as a vehicle. It is decided to do the experimental work on lower molars of Wistar rats. The analysis of the results allows us to identify whichof the bioactive materials examined induces a higher formation of mineralized tissue and the different reactions of cells are compared to the use of these materials. Our experimental data show that not all calcium hydroxide based materials can have the ability to form a dentine bridge, even if they have the qualities to consider it a biactive material, in many cases the can cause pulp necrosis.

Keywords — monomers.

caries,

bioctive,

pulp,

Dra. Lía Alioth Hoz Rodríguez Laboratorio de Biología Periodontal UNAM. Ciudad de México [emailprotected]

M.R.O. Antonio De Jesús Zapién Uscanga. M.R.O. Universidad Veracruzana Boca del Río, Ver. [emailprotected]

Resumen — Los recubrimientos pulpares directos son en la actualidad una herramienta de gran utilidad en la odontología. En la presente investigación buscamos materiales a base de hidróxido de calcio que tuvieran la capacidad de formar puente dentinario ante una exposición pulpar franca. Nuestro objetivo fue comparar la capacidad bioactiva en la formación dentinaria en el primer molar inferior derecho de ratas Wistar. Utilizamos Theracal, Ultrablend Plus e hidróxido de calcio químicamente puro con propilenglicol como vehículo. Se decidió hacer el trabajo experimental en molares inferiores de ratas Wistar. El análisis de los resultados nos permitió identificar cuál de los materiales bioactivos examinados induce una mayor formación de tejido mineralizado y se comparó las diversas reacciones celulares ante la utilización de estos materiales. Nuestros resultados demuestran que los materiales a base de hidróxido de calcio pueden tener la capacidad de formar un puente dentinario, sin embargo, en nuestro estudio la mayoría carece de las cualidades para considerarlo un material bioactivo, en muchas ocasiones provocan necrosis pulpar.

dentin, Palabras clave — caries, bioactivo, pulpa, dentina, monómeros.

I. INTRODUCCIÓN

combinación de ellas, siendo los hidróxidos y silicatos de calcio los más habituales, utilizados como protectores pulpares ya que actúan como barrera y protegen el complejo dentino-pulpar, estimulando la capacidad bioactiva del puente dentinario.

La ingeniería tisular por inducción es una de las estrategias más utilizadas. Se han desarrollado diversos protocolos de regeneración de dentina, induciendo el desarrollo de la misma, a partir de la acción sobre la pulpa de distintas sustancias inductoras o de una 54

Los objetivos de la protección o recubrimiento pulpar es preservar la integridad pulpar durante y

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química después de los procedimientos restauradores en el caso de contacto directo con la pulpa algunos autores indican, que estos propician la formación del puente dentinario aproximadamente después de 3 semanas de iniciada la agresión y necesitándose al menos entre 6 y 8 semanas para poder determinar si hay formación o no, del puente dentinario 1,2.

● ●

5 muestras con Ultrablend Plus. 5 muestras control (sin ningún protector pulpar).

Se obtura con ionómero de vidrio “Ionosit”, poniendo atención de no dejar puntos prematuros en la obturación final. Cumplidas 3 semanas después del día de la cirugía, se procedió a realizar la eutanasia de las 20 ratas experimentales, obteniendo las mandíbulas para su análisis. Fueron necesarios 20 días para desmineralizar las muestras en EDTA, cambiando la solución cada 10 días. Se realizaron los cortes histológicos y la recopilación de los resultados observados de las 20 muestras.

Factores que pesan demasiado en el éxito de este tipo de materiales son alta alcalinidad, o valores de pH y liberación de CaOH. Debido a microbios que causan la caries prosperan en un entorno ácido, alta alcalinidad es una ventaja obvia en materiales dentales debido a su efecto bactericida. Además, la eficacia de muchos materiales bioactivos depende de la presencia de calcio, que es fundamental para la construcción de puentes dentinarios en los procedimientos de recubrimiento pulpar.

Procedimiento quirúrgico:

II. MATERIALES Y MÉTODOS Este proyecto se realizó en el Laboratorio de Biología Periodontal en conjunto con el bioterio de la División de Estudios de Posgrado e Investigación (DEPeI) de la facultad de Odontología de la Universidad Nacional Autónoma de México, fueron necesarias 20 ratas Wistar machos adultos (250-300 g). Se formaron 4 grupos experimentales con 5 ratas en cada uno, tres grupos experimentales y un grupo control, sin variación de dosis y con estandarización de una misma técnica quirúrgica para todo el estudio experimental.

Figura 1. Vista oclusal del primer molar.

Bajo sedación intramuscular, se realizó cavidad clase I (según la clasificación de Black) con punta de ultrasonido ED7, mientras se trabaja haciendo la cavidad, se irrigó con PBS aproximadamente 0.1 ml por órgano dentario, hasta realizar comunicación franca. Posteriormente se secó la cavidad con puntas de papel para endodoncia, se colocó en el primer molar inferior derecho un protector pulpar de los tres a comparar utilizando puntas de papel para compactar el producto dentro de la cavidad. Se fotocuró TheraCal LC y Ultrablend Plus según las instrucciones del fabricante4.

Figura 3. Comunicación pulpar franca.

Figura 2. Acceso con punta ED7.

Figura

Secado de cavidad.

Obteniendo 20 muestras: ● ●

5 muestras con Hidróxido de Calcio químicamente puro (2.5 g) con propilenglicol como vehículo (1.75 ml)4. 5 muestras con TheraCal LC.

Figura 5. Aplicación del material bioactivo.

Figura 6. Material compactado.

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) 5. Presencia y regularidad de la capa odontoblástica. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A. Grupo hidróxido de calcio

Figura 7. Aplicación del material de obturación.

En los cortes histológicos examinados se observa tejido dental conformado por la corona que presenta un defecto hasta cámara pulpar en la cual no se observa tejido pulpar; en los dos tercios superiores de la cámara radicular se observa necrosis. En el último tercio se observa tejido conjuntivo bien vascularizado con infiltrado inflamatorio crónico leve de predominio linfocitario. En uno de los casos presentaba las mismas características en cámara pulpar y cámara radicular, sin embargo, en el tercio apical presentaba tejido pulpar necrótico y calcificaciones distróficas. En la porción apical del ligamento periodontal presenta abundantes colonias calcificadas rodeadas por infiltrado inflamatorio severo linfoplasmocitario.

Figura 8. Fotopolimerización del material obturador.

Figura 9. Obturación final.

Después de 3 semanas las mandibuladas desarticuladas fueron incluidas en formaldehído al 10%. Se procesaron en el Laboratorio de Patología Bucal de la DEPeI-UNAM. Las muestras tisulares se tiñeron con hematoxilina-eosina para ser examinadas por medio de microscopía óptica. Evaluación histológica En cada grupo se analizó el tercio superior, el tercio medio y el tercio inferior de la pulpa coronal y radicular. La evaluación histológica la realizó un patólogo certificado que, en todas las muestras, fue el único observador, sin ninguna referencia sobre el agente pulpar utilizado previamente. Los criterios fueron los siguientes:

Figura 10. Corte histológico grupo hidróxido de calcio.

B. Grupo theracal En los cortes histológicos examinados se observa tejido dental conformado por la corona que presenta un defecto hasta cámara pulpar en el cual no se presenta tejido pulpar; en el primer tercio superior se observa necrosis del tejido pulpar y en los dos tercios inferiores se observa tejido conectivo denso, sin embargo, se observó odontoblastos y formación de dentina nueva, no se observaron cambios en la porción apical.

Grado de inflamación 1. Ligera presencia de pocas células inflamatorias. 2. Moderada inflamación evidente en la pulpa. 3. Severa inflamación y trastornos circulatorios que afectan la totalidad de la pulpa, también incluyen los dientes con necrosis. Estado de la pulpa 1. Vitalidad. 2. Necrosis total. 3. Presencia de puente dentinario. 4. Presencia de dentina reparativa a lo largo del conducto.

4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química Estudios refieren que el hidróxido de calcio químicamente puro es el material de elección, por su capacidad de formar dentina reparadora y tejido mineralizado, algunas desventajas es que tiene una alta solubilidad y falta de adhesión a los tejidos dentales así como al material restaurador puede ocasionar que ocurran filtraciones, por otro lado el Theracal que entre sus características es menos soluble, mejor adhesión, más biocompatible, además de su presentación y uso práctico.

Figura 11. Corte histológico grupo Theracal

C. Grupo ultrablend plus En los cortes histológicos examinados se observa tejido dental conformado por la corona que presenta un defecto hasta camará pulpar en la cual se observan odontoblastos, calcificaciones difusas, células inflamatorias, presencia de fibrina. Se formó una barrera física Figura 13. Corte histológico grupo control.

Este trabajo se relaciona con la investigación en curso, propone que tanto el Theracal como el hidróxido de calcio favorecen la formación del puente de dentina secundaria. En los hallazgos encontrados en nuestros resultados, el material que presentó una mayor regeneración del puente dentinario fue el Theracal, esto es compatible con los datos obtenidos en la literatura: propone que tanto el Theracal como el hidróxido de calcio favorecen la formación del puente de dentina secundaria, por la liberación de calcio y por su pH alcalino.

IV. CONCLUSIONES

Figura 12. Corte histológico grupo Ultrablend Plus

De acuerdo a los resultados obtenidos en nuestro estudio, en el que se experimentó con materiales a base de hidróxido de calcio utilizados como recubrimiento pulpar directo en un modelo animal (Rata Wistar), podemos concluir que:

D. Grupo control En los cortes histológicos examinados se observa tejido dental conformado por la corona que presenta un defecto hasta cámara pulpar en la cual no se observa tejido pulpar; las muestras mostraban en el lugar de la exposición una amplia zona de necrosis y por debajo un tejido con poca estructura celular. No se apreció la formación de un puente dentinario.

1. En la población de animales de experimentación estudiada, el Theracal fue el material que tuvo una mejor respuesta en la formación de dentina nueva.

4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) 2. El hidróxido de calcio con propilenglicol no demostró ser un material de primera elección para RPD aunque presente una liberación de iones más retardada.

6. María De Los Ángeles G. Protectores dentino-pulpares y su aplicación clínica. Caracas, Universidad central de Venezuela Facultad de Odontología. 2013

3. Ultrablend Plus demostró ser un material formador de calcificaciones distróficas en la pulpa dental subyacente al tratamiento.

Karen Villegas Alejandro. En proceso de concluir la licenciatura de Cirujano Dentista en la Universidad Veracruzana.

4. Tanto el hidróxido de calcio como las muestras de control mostraron zonas de necrosis localizada. 5. La necrosis subyacente provocada por el hidróxido de calcio es más intensa debido a que fue el único material en el que se presentó infiltrado inflamatorio severo linfoplasmocitario.

Nayely Ramírez Morales. Egresada de la licenciatura de Cirujano Dentista por la Universidad Veracruzana (2020). Actualmente estudia la especialidad en Ortodoncia.

6. En los períodos estudiados, ninguno de los materiales llegó a constituir verdaderos puentes dentinarios. Solo zonas de formación de dentina reparativa. 7. Todos los grupos experimentales presentaron zonas localizadas de necrosis. 8. Se demostró que el Theracal puede retardar el tiempo de evolución del proceso de necrosis en la pulpa dental. Tomando en cuenta todos los requisitos que debe cumplir un material para sr considerado bioactivo, son pocos los materiales que efectúan la mayoría de estas características ideales.

AGRADECIMIENTO A la Dra. Lía Alioth Hoz por haber financiado este proyecto, por ser parte activa en el desarrollo de este trabajo, disponibilidad, paciencia, apoyo, amabilidad y la amistad que nos ha brindado.

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4to Congreso Nacional de Investigación Interdisciplinaria. Ciudad de México, Octubre 2020 Biología y Química

Importance of the Natural Protected Area “Terminos Lagoon” as a feeding area for Ariopsis felis, Bagres marinus and Cathorops melanopus Presents on the Campeche coast Importancia del Área Natural Protegida “Laguna de Términos” como Área de Alimentación para Ariopsis felis, Bagres marinus y Cathorops melanopus Presentes en las costas de Campeche. Feria-Alvarado Karla Gabriela Alumno de maestría MMMZCM/Instituto de Ecología, pesquería y Oceanografía del Golfo de México San Fráncico de Campeche, México [emailprotected]

Torres-Rojas Yassir Edén Profesor investigador de tipo B Instituto de Ecología, pesquería y Oceanografía del Golfo de México/Ecología trófica San Fráncico de Campeche, México [emailprotected]

Feria-Alvarado Emilio Alumno de Licenciatura Ingeniero Bioquímico Ambiental Facultad de Ciencias Químico Biológicas/UAC San Fráncico de Campeche, México [emailprotected]

Tripp-Valdez Arturo Profesor investigador de tipo B Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas/Instituto Politécnico Nacional La Paz, Baja California, México [emailprotected] Abstract — The aim was to evaluate the role of the Flora and Fauna Protection Area “Terminos Lagoon” (APFFLT) as a potential feeding area for the catfish Ariopsis felis, Bagre marinus and Cathorops melanopus present during the North, Rainy and Dry seasons. The results indicate that the sizes of the 3 species were close to 14cm in total length (juveniles). From the diet, a high presence of recently consumed items was observed in the stomach contents. The Geometric Importance Index (GII) indicates detritus and fish (29.19%) as the most important items for Rainy season, while for Nortes and Dry, were decapods (16.30%). ANOSIM detected low similarities in the diet between the 3 species (Rglobal = 0.25, p 50%

Usar tubos galvanizados

Elegir porcentaje de sombra del 50%

ACCIÓN RECOMENDADA

Colocar atrapanieblas a favor del viento

Corrosión de los postes

Rotura de los postes

Reacción química de agentes ambientales

Desprendimiento de malla

Captura de niebla nula

Sujeción incorrecta

Enrollar la malla a los postes

Obstrucción de tubería

Nula recolección de agua de niebla

Usar abrazaderas 200 para sujetar la malla de los postes

Agentes ambientales

Ninguno

Colocar filtros

Mal aspecto

Rayos UV

Ninguno

Nula recolección de agua de niebla

Mantenimiento correctivo

Agentes ambientales

Ninguno

Reemplazar la tubería dañada

Decoloración de CPVC Rotura de tubería CPVC

496

Mantenimiento preventivo semestral

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias María Angélica Cruz Beltrán. Nivel medio superior concluido, Ing. (c) Industrial FI-BUAP. Investigación sobre Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE) tipo 3, viabilidad de planta recicladora en la C. de Puebla. Ponencia en Congreso de Energías Renovables (2018), participación en Sexto Encuentro de Jóvenes Investigadores (2018)

satelitales.

Luis Fernando Gómez Ceballos. Lic. en Física, M. C. en matemáticas. Docente de la Facultad de Ingeniería BUAP, Investigación en modelación en sistemas en problemas en la ingeniería, principalmente en logística inversa, geofísica en variación del campo magnético, medición y exploración con datos

Karime López Castelán. Estudiante nivel superior Ingeniería Industrial FI-BUAP. Instructor área de maternal en centros Kumon, asesorías particulares de Matemáticas e Inglés. Ponencia sobre aplicación de atrapanieblas en congreso.

Paola Andrea Fuentes Pérez. Estudiante nivel superior Ingeniería Industrial FI-BUAP. Investigación sobre Microplásticos: peligro invisible en el mar y ponencia presentada en el I Congreso de educación superior: Miradas desde la multidisciplinariedad, en Puebla, Puebla. Investigación sobre el conocimiento de los microplásticos entre los jóvenes universitarios y ponencia en el IV Congreso Internacional de Química e Ingeniería Verde, en Monterrey, Nuevo León.

educativa.

Patricia Bautista García. Lic. en Lingüística y literatura Hispánica. Docente de la Facultad de Ingeniería de la BUAP. Participación en el proyecto de elaboración del catálogo del acervo del Museo Universitario de la BUAP. Asesora en seminarios de titulación. Investigación en el área de la docencia en calidad

497

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4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII)

Composteo de un Suelo Contaminado con Hidrocarburos del Petróleo Fracción Pesada (HPFP) Usando Cáscaras de Toronja (Citrus paradisi) y Limón (Citrus aurantifolia) como Agentes de Volumen Diana J. Martínez Ramírez Departamento de Energía Universidad Autónoma Metropolitana CDMX, México [emailprotected]

Raymundo López Callejas Departamento de Energía Universidad Autónoma Metropolitana CDMX, México [emailprotected]

Hilario Terres Peña Departamento de Energía Universidad Autónoma Metropolitana CDMX, México [emailprotected]

Arturo Lizardi Ramos Departamento de Energía Universidad Autónoma Metropolitana CDMX, México [emailprotected]

Sandra Chávez Sánchez Departamento de Energía Universidad Autónoma Metropolitana CDMX, México [emailprotected]

Mabel Vaca Mier Departamento de Energía Universidad Autónoma Metropolitana CDMX, México [emailprotected]

Abstract — The ex situ composting process was evaluated in soil contaminated with 25,000 mg per kg of heavy fraction petroleum hydrocarbons (HFPH), for restoration. Cells of 30 kg of soil with grape (Citrus paradisi) and lemon (Citrus aurantifolia) peels used as volume agents, were mounted with a soil:co-substrate ratio of 1:0.4, with the addition of nutrients, maintaining moisture in the range of 23 to 37%. After two months of weekly aeration by manual mixing, 85% HFPH removal was achieved in the composting cell with grape peels plus nutrients; and for the one with lemon peels plus nutrients, a total of 70% removal was observed. In both cases soil was restored to levels below the permissible limit indicated by NOM-138SEMARNAT/SSA1-2012 regulation for industrial soils, which is 6,000 mg HFPH/kg. Degradation rates up to 338.3 HFPH mg/day were determined for the full study period (60 days).

Resumen — Se evaluó el proceso ex situ de composteo de un suelo contaminado con 25,000 mg de hidrocarburos del petróleo fracción pesada (HPFP) por kg, para su restauración. Se montaron celdas de 30 kg de suelo con cáscaras de toronja (Citrus paradisi) y limón (Citrus aurantifolia), como agentes de volumen, con una razón de suelo:cosustrato de 1:0.4, con adición de nutrientes, manteniendo la humedad en el intervalo del 23 al 37%. Después de dos meses de aireación semanal por volteo, se observó el 85% de remoción de HPFP en la celda de composteo con cáscara de toronja más nutrientes y 70% para el composteo con cáscaras limón más nutrientes. En ambos casos el suelo se restauró a niveles por debajo del límite permisible que señala la norma NOM-138SEMARNAT/SSA1-2012 para suelos industriales, que es de 6,000 mg/kg. Se determinaron tasas de degradación promedio de hasta 338.3 mg de HPFP/día para el periodo de estudio (60 días).

Keywords — Soil pollution, heavy fraction Palabras clave — Contaminación del suelo, petroleum hydrocarbons, composting, lemon peels, hidrocarburos del petróleo fracción pesada, grapefruit peels composteo, cáscaras de limón, cáscaras de toronja.

I. INTRODUCCIÓN La contaminación del suelo ocasionada por petróleo y sus derivados ocurre durante la extracción, el refinamiento, los derrames o en el robo de combustibles

de tuberías de suministro (Kostecki y Calabrese, 1989, Volke y Velasco, 2002). De los cientos de compuestos que caracterizan a los productos del petróleo derramados, la mayoría de hidrocarburos alifáticos se volatizan, persistiendo en la superficie los

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias hidrocarburos del petróleo fracción media y pesada (HPFM y HPFP), los cuales pueden ser fuente de contaminación de cuerpos de agua superficiales y subterráneos (Guadarrama-Tejas et al., 2016). También pueden alterar la estructura del suelo o causan la reducción o la inhibición de la cobertura vegetal y modifican la población microbiana del ambiente edáfico (Díaz-Martínez et al., 2013). Entre las tecnologías para la remediación de los suelos contaminados, sobresalen los procesos biológicos por su efectividad y bajo costo, como el composteo, que se realiza ex situ, en pilas controladas de suelo y sustratos (Kujat, 1999). Este proceso consiste en la degradación microbiana de materiales orgánicos, en condiciones húmedas, mesófilas y aeróbicas (Alexander, 1999). El composteo de suelo contaminado con hidrocarburos, proceso que también es denominado bioestimulación, requiere la aplicación de nutrientes (N y P) y humedad a una pila de suelo (tratamiento ex situ) para promover el crecimiento biológico, requiriendo de mezclado periódico para su aireación (Van Gestela et al., 2003, Chen et al., 2015). Es común que para fines de la biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos se mezclen materiales orgánicos biodegradables que tienen el papel de cosustrato o fuente de carbón alterna, o materiales vegetales que sirven como soporte y agentes de volumen para mejor aireación de la biopila (Lukić et al., 2016; Ren et al., 2018). Diferentes cosustratos se han empleado con éxito en la restauración de suelos, p. e., paja de avena, vegetales verdes, hojas de alfalfa, coronas de piña (Mattei et al., 2016, Ren et al, 2018, Włókaa et al., 2017). Estos materiales también pueden aportar macronutrientes, aceites esenciales, agua, azúcares solubles, fibra, ácidos orgánicos, aminoácidos, minerales, aceites esenciales, flavonoides, vitaminas. y polifenoles. Estos compuestos estimulan el crecimiento de poblaciones mixtas de microorganismos útiles para la degradación simultánea de los hidrocarburos contaminantes y la biomasa, con un incremento generalizado de la actividad catabólica (Tahseen et al., 2011, de la Rosa-Hernández et al., 2016). Se presenta el estudio del proceso ex situ de composteo de un suelo contaminado con 25,000 mg de hidrocarburos del petróleo fracción pesada (HPFP) por kg, para su restauración. Se utilizaron celdas de 30 kg de suelo, empleando cáscaras de toronja y limón como cosustratos o fuentes de carbón, y también como agentes de volumen. Se eligió este tipo de cosustratos debido a que se ya ha reportado la bioactividad de

diferentes compuestos presentes en la toronja (de la Rosa-Hernández et al., 2016). Se estudió el efecto de la adición de nutrientes, y se mantuvo la humedad en el intervalo del 23 al 37%. Durante dos meses, la mezcla se aireó semanalmente por volteo manual. El propósito del estudio fue evaluar la eficiencia de degradación de los HPFP, tomando como referencia una posible restauración a niveles por debajo de los límites permisibles que señala la norma NOM-138SEMARNAT/SSA1-2012 para suelos de uso industrial, que es de 6,000 mg/kg.

II. METODOLOGÍA El suelo utilizado para el estudio fue extraído de un predio de la industria metal-mecánica, ubicado en el estado de México, y estaba contaminado con hidrocarburos del petróleo fracción pesada (HPFP), debido a derrames de aceites industriales gastados. Los cosustratos empleados en el composteo del suelo contaminado consistieron en residuos orgánicos vegetales, específicamente cáscaras de toronja (Citrus paradisi) y limón (Citrus aurantifolia), los cuales fueron recolectados por cinco días en diferentes expendios de jugos de frutas ubicados en la Ciudad de México y almacenados a 4 oC. Se usaron frescos y fueron triturados y seleccionados mediante la malla ISO 11.2 mm, ASTM 7/16”, para mejorar el área de contacto y facilitar la aceleración de la degradación del contaminante. Se analizó el suelo contaminado de acuerdo con la norma NOM-021-SEMARNAT-2000 (DOF, 2000). Los parámetros examinados fueron: pH, textura, humedad, carbono orgánico, materia orgánica, nitrógeno inorgánico y total, conteo bacteriano, fósforo aprovechable, capacidad de campo. Los hidrocarburos fracción pesada presentes en el suelo, HPFP, se determinaron por extracción mediante el método que marca la norma NMX-AA-134-SCFI-2006. Se consideró la relación suelo:cosustratos de 1:0.4, como lo sugieren Chen et al. (2015) para la remediación, utilizando los residuos orgánicos. Se montaron cuatro celdas con 30 kg de suelo contaminado para compostearlo: dos celdas con cáscara de toronja y dos con cáscara de limón. También se montaron dos celdas extra como blanco, éstas fueron tratadas con aireación y volteo solamente y una, además, fue adicionada con nutrientes. En todos los casos se montó un reactor duplicado.

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4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) Se colocaron las seis celdas y su duplicado con suelo contaminado y sus cosustratos en bolsas de polietileno y éstas a su vez se introdujeron en cajas de polietileno de 60 x 35 x 35 cm de largo, ancho y altura, respectivamente, con una cubierta de polietileno, para así conservar las condiciones de temperatura y humedad. A tres de estas celdas se les adicionaron nutrientes. El suelo con cosustrato ocupó aproximadamente el 80% del volumen de la celda, para dejar espacio para la mezcla y la consecuente aireación. Se realizó el ajuste de relación C: N: P a 100:15:1, de acuerdo con lo sugerido por Filler et al. (2001), a una celda con cáscaras de toronja, una con cáscaras de limón y un blanco, utilizando soluciones 0.1N de fosfato de amonio dibásico y urea, respectivamente. Diariamente se verificó y ajustó el contenido de humedad a 60% de la capacidad de campo para conservar las condiciones óptimas para los microorganismos, y semanalmente se aplicó el volteo para mantener el ambiente aeróbico. Se realizaron muestreos por triplicado cada dos semanas, determinando el pH, los HPFP y el conteo bacteriano en placa.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN A. Caracterización del suelo Los resultados de la caracterización del suelo original se presentan en la Tabla 1

El suelo presentaba una textura franco-arcillosa. La porosidad de los suelos francos permite la aireación ideal para el desarrollo de microorganismos degradadores de hidrocarburos en el suelo cuando se compostea (Chen et al., 2015). Se determinó un alto contenido de materia orgánica (4.6%), que incluía los HPFP. El pH del suelo era neutro, pero el contenido de nutrientes escaso (Filler et al., 2001), por lo que se ajustó la relación C:N:P. La concentración de bacterias heterótrofas resultó adecuada para el composteo (Garland et al., 1995). B. pH Se monitoreó el pH del proceso en todas las celdas (Figura 1). En el periodo de 60 días, la mayor diferencia entre el valor inicial y el valor final fue de 0.3 unidades en la celda con cáscaras de toronja más nutrientes; en todos los casos el pH se mantuvo en el intervalo básico, indicando una aireación eficiente, sin acidogénesis (Chen et al., 2015). Para obtener un blanco sobre la efectividad del proceso de composteo, aireando el suelo y manteniendo la humedad, se analizó la evolución de la degradación de HPFP en las celdas denominadas blanco, con y sin ajuste de nutrientes. Este proceso es conocido como atenuación natural (Volke y Velasco, 2002). Al final del periodo se observó una remoción de HPFP del 28 % en la celda sin nutrientes y del 40.2%.1% cuando se adicionaron.

Tabla 1. Caracterización del suelo contaminado con HPFP

Parámetro

Resultado

Densidad aparente, g/mL

0.98 ± 0.05

Espacio poroso, %

54.8 ± 0.2

Textura Materia orgánica, %

Francolimoso 4.55± 0.70

Nitrógeno orgánico, %

0.4±0.01

Fósforo soluble, %

0.12±0.01

pH, unidades

7.94±0.02

Capacidad de campo, %

79.8±0.43

Cuenta bacteriana, (UFC/g) HPFP, mg/kg

9.7x107 25,210±430

Figura 1.

Evolución del pH en las celdas de composteo

C. Conteo bacteriano Al término del proceso en todas las celdas con agente de volumen se incrementó en número de bacterias en un orden de magnitud, con respecto al valor inicial de 9.7 x107 unidades formadoras de colonias por g de suelo (Tabla 2).

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias D. Remoción de HPFP por composteo La comparación del proceso de degradación de HPFP por composteo entre las celdas de atenuación natural y con cáscaras de toronja más adición de nutrientes inorgánicos se presenta en la Figura 2. En la celda de atenuación natural la remoción de hidrocarburos es muy lenta (166.7 mg-kg/d, en promedio) y poco efectiva, con una concentración de aproximadamente 18,000 mg HPFP/kg suelo a los 60 días. En contraste, la biopila a la que se adicionaron cáscaras de toronja y nutrientes inorgánicos, alcanzó una tasa promedio de remoción de 338.3 mg-kg/d, y al final del periodo el suelo se restauró a un nivel por debajo del límite permisible que señala la norma NOM138-SEMARNAT/SSA1-2012 para suelos de uso industrial, que es de 6,000 mg/kg, con una concentración observada de 4,700 mg HPFP/ kg suelo, que equivale al 85% de remoción. A modo de comparación, Trejo- Hernández et al. (2007) reportaron una tasa de degradación de crudo por composteo de 180 mg-kg/d, empleando bagazo de caña como cosustrato.

atenuación natural. La celda con cáscaras de limón más nutrientes presentó una concentración final de 8,000 mg HPFP/kg suelo, en contraste con la celda de atenuación natural, en la cual ésta fue de 18,000 mg HFP/ kg suelo. En la Tabla 3 se resumen las eficiencias finales de remoción de HPFP de las seis celdas. La biopila con mayor eficiencia fue las adicionada con toronja y nutrientes, y alcanzó niveles del 85.5%, y sin nutrientes se removió el 83% de los HPFP. Autores como Lukik et al. (2016) han descrito eficiencias semejantes en la degradación por composteo de hidrocarburos, pero con concentraciones iniciales del contaminante 10 veces menores. Se puede inferir las cáscaras de toronja aportan una gran cantidad de nutrientes necesarios (de la Rosa-Hernández et al., 2016). y no es indispensable la adición de nutrientes exógenos para alcanzar los objetivos de la biodegradación. Tabla 3. Eficiencias finales de remoción de HPFP de las seis celdas.

Celda

Tabla 2. Conteo bacteriano

HPFP (mg/ kg suelo)

Blanco Blanco+ nutriente Cáscara de toronja Cáscara de limón Cáscara de. toronja + nutrientes Cáscara de limón + nutrientes 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0

C.I

Blanco Blanco+ nutriente Cáscara de toronja Cáscara de limón Cáscara de. toronja + nutrientes Cáscara de limón + nutrientes

Conteo bacteriano UFC/g suelo 3.3x108 5.3x107 2.8x108 6.2x108

Celda

8.8x108 1.3x108

Tiempo (días) Cáscaras de toronja + nutrientes

Atenuación natural

Figura 2. Remoción de HPFP en celda con cáscaras de toronja vs. Celda de atenuación natural

En la Figura 3 se observan los resultados de las celdas con cáscaras de limón más nutrientes y la de

Remoción total de HPFP en 60 días (%) 28.1 42.2 83.0 54.7 85.5 70.2

Mattei et al. (2016) sostienen que el consumo microbiano de la materia orgánica de los cosustratos vegetales frescos estimula una excreción de enzimas extracelulares para la degradación de hidrocarburos. Este tipo de actividad podría vincularse a los cítricos que se emplearon como cosustratos (Tran et al., 2021). En la celda con cáscaras de limón más nutrientes se observó un 70% de eficiencia. En estas tres celdas el suelo se restauró a un nivel por debajo del límite permisible que señala la norma NOM-138SEMARNAT/SSA1-2012 para suelos de uso industrial, que es de 6,000 mg/kg. El resto de las biopilas sólo alcanzó eficiencias entre el 55 y el 28%, las cuales serían insuficientes para los propósitos requeridos de restauración del suelo, en el periodo observado. No obstante, se demostró que los procesos de atenuación natural con y sin nutrientes promueven la degradación de hidrocarburos, debido a que la aireación y la presencia permanente de humedad estimula parcialmente el metabolismo microbiano que degrada

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4to Congreso Nacional de

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HPFP (mg/ kg suelo)

los hidrocarburos (Zhang et al., 2021), aunque a menores tasas, pero podrían resultar suficientes en casos de derrames con menor concentración de HPFP o desarrollándolos en periodos de tiempo mayores. 30000 25000 20000 15000 5000 C.I

Tiempo (días) Atenuación natural

Alexander M. (1999) Biodegradation and bioremediation. Segunda edición. Academic Press,EUA Chen, M., Xu, P., Zeng, G., Yang, C., Huang, D., & Zhang, J. (2015). Bioremediation of soils contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons, petroleum, pesticides chlorophenols and heavy metals by composting Biotechnology Advances, 745-755. de la Rosa-Hernández, M., Wong-Paz, J. E., Muñiz-Márquez, D. B., Carrillo-Inungaray, M. L. & Sánchez-González, J. M. (2016). Compuestos fenólicos bioactivos de la toronja (Citrus paradisi) y su importancia en la industria farmacéutica y alimentaria. Revista Mexicana de Ciencias Farmacéuticas, 22-35

10000 0

REFERENCIAS

Cáscaras de limón + nutriente

Figura 3. Remoción de HPFP en celda con cáscaras de limón vs. celda de atenuación natural

IV. CONCLUSIÓN En este trabajo se evalúo el proceso de composteo y se determinó que es viable para la restauración de suelos contaminados con HPFP en concentraciones aproximadas de 25,000 mg/kg de suelo contaminado, utilizando sustratos vegetales como cáscaras de toronja y cáscaras de limón. Estos sustratos sirven como fuente de nutrientes y pueden ser aprovechados por los microorganismos endémicos, ya que promueven la degradación de los hidrocarburos presentes en el suelo. Las celdas que presentaron mayor remoción de hidrocarburos del petróleo fracción pesada, fueron las celdas con cáscaras de toronja, así como la celda con cáscaras de limón más adición de nutrientes, observándose eficiencias de degradación de HPFP entre el 70% y 80% al final del proceso de 60 días. Se puede concluir que las cáscaras de toronja representan un agente de volumen con gran potencial para coadyuvar al composteo de suelos, al desarrollo de microorganismos y a la degradación de hidrocarburos. Respecto a las celdas con atenuación natural y más adición de nutrientes, se demostró que los procesos de atenuación natural con y sin nutrientes promueven la degradación de hidrocarburos y podrían resultar suficientes en casos de derrames con menor concentración de HPFP o desarrollándolos en periodos de tiempo mayores.

AGRADECIMIENTO

Diaz- Martínez M., Alarcón A., Ferrera-Cerrato R., Almaraz-Suarez J. & García- Barradas O., (2013). Crecimiento de Casuarina equisetifolia (Casuarinaceae) en suelo con diésel, y aplicación de bioestimulación y bioaumentación. Revista de Biología Tropical. 6 (3) Filler, D. M., Lindstrom, J. E., Braddock, J. F., Johnson, R. A., & Nickalaski, R. (2001). Integral biopile components for successful bioremediation in the arctic. Cold Regions Science and Technology, 143-156. Garland G.A., Grist T.A. & Green R. E. (1995) The compost story: from soil enrichment to pollution remediation. BioCycle, 53-56. Guadarrama-Tejas, R., Kido-Miranda, J., Roldan-Antunez, G. & Salas-Salgado, M. (2016). Contaminación del agua. Revista de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales, 1-10 Kostecki P.& Calabrese E. (1989) Petroleum contaminated soils. Vol. I, Lewis Publishers, EUA. Kujat J. D. (1999) A comparison of popular remedialtechnologies for petroleum contaminated soils from leaking underground storage tanks. Electronic Green Journal, 1 Li, Q., Li, J., Jiang, L., Sun, Y., Luo, C. & Zhang, G. (2021). Diversity and structure of phenanthrene degrading bacterial communities associated with fungal bioremediation in petroleum contaminated soil. Journal of Hazardous Materials, 123895 Lukić, B., Huguenot, D., Panico, A., Fabbricino, M., van Hullebusch, E. D. & Esposito, G. (2016). Importance of organic amendment characteristics on bioremediation of PAH-contaminated soil. Environmental Science and Pollution Research, 15041–15052 Mattei, P., Cincinelli, A., Martellini, T., Natalini R., Pascale E. & Renella, G. (2016). Reclamation of river dredged sediments polluted by PAHs by co-composting with green waste. Science of The Total Environment, 567-574

El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana, Azcapotzalco

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias NMX-AA-134-SCFI-2006 Suelos-Hidrocarburos fracción pesada por extracción y gravimetría-Método de prueba. Diario Oficial de la Federación. NOM-021-SEMARNAT-2000 Que establece las especificaciones de fertilidad, salinidad y clasificación de suelos, estudio, muestreo y análisis. Diario Oficial de la Federación, NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 Límites máximos permisibles de hidrocarburos en suelo y lineamientos para el muestreo en la caracterización y especificaciones para la remediación. Diario Oficial de La Federación Ren, X., Zeng,G., Tang,L., Wang, J., Wan, J., Wang, J., Deng, Y., Liu,Y. & Peng B. (2018).The potential impact on the biodegradation of organic pollutants from composting technology for soil remediation. Waste Management, 138149 Tahseen S., Borràs E, Caminal G, Sarrà M & Sánchez A. (2011.) Bioremediation of PAHs contaminated soil through composting: Influence of bioaugmentation and biostimulation on contaminant biodegradation International Biodeterioration & Biodegradation, 859-865. Tran, H., Lin, C., Bui, X., Ngo, H., Cheruiyot, N. K., Hoang, H. & Vu, C. (2021). Aerobic composting remediation of petroleum hydrocarbon-contaminated soil. Current and future perspectives. The Science of the Total Environment, 142250 Trejo-Hernández, M., Ortiz,A., Okoh, A. I., Morales, D. & Quintero, R. (2007) Biodegradation of heavy crude oil Maya using spent compost and sugar cane bagasse wastes.Chemosphere, 848-855. Van Gestela K., Mergaertb J., Swingsb J.,Coosemansa J. & Ryckeboera J. (2003) Bioremediation of diesel oilcontaminated soil bycomposting with biowaste Environmental Pollution, 361–368. Volke S. T., Velasco T. J. A. (2002) Tecnologías de remediación para suelos contaminados. Instituto Nacional de Ecología (INE), México. Włókaa, D., Placeka , A., Roratb, A., Smolc, M. & Kacprzak, M. (2017) The evaluation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) biodegradation kinetics in soil amended with organic fertilizers and bulking agents. Ecotoxicology and Environmental Safety, 161-168 Zhang, K., Wang, S., Guo, P. & Guo, S. (2021) Characteristics of organic carbon metabolism and bioremediation of petroleum-contaminated soil by a mesophilic aerobic biopile system. Chemosphere, 128521.

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Diana Jacqueline Martínez Ramírez es Ingeniera Ambiental por la Universidad Autónoma Metropolitana. Trabaja como consultora independiente.

Raymundo López Callejas es Doctor en Ciencias e Ingeniería por la Universidad Autónoma Metropolitana. Es profesor titular del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

Hilario Terres Peña es Doctor en Ingeniería por el IPN. Es profesor titular del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco.

Arturo Lizardi Ramos es Maestro en Ciencias por el IPN. Es profesor titular del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

Sandra Chávez Sánchez es Maestra en Ciencias por el IPN. Es profesora titular del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

Mabel Vaca Mier es Doctora en Ingeniería por la Universidad Nacional Autónoma de México. Es profesora titular del Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco

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4to Congreso Nacional de

4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII)

Obtaining and Characterizing a Biopolymer from Algae (Sargassum sp.) To Make Packaging in Combination with Cellulose and Starch Obtención y Caracterización de un Biopolímero a partir del Alga (Sargassum sp.) para Elaborar Empaques en Combinación con Celulosa y Almidón García Martínez Katia Departamento de Ingeniería en Sistemas Ambientales Instituto Politécnico Nacional Ciudad de México, México [emailprotected]

Salazar Cano Juan Ramón Departamento de Biofísica Instituto Politécnico Nacional Ciudad de México, México [emailprotected]

Abstract — The arrival of large quantities of the algae Sargassum spp on the beaches of the Mexican Caribbean, and the problems of waste generation due to the excessive use of synthetic polymers bring with them serious environmental problems. In this sense, this work proposes obtaining a compostable polymer through chemical synthesis from this algae, which functions as a raw material in the preparation of single-use packaging and, which, together with cellulose and starch, can strengthen its resistance mechanics. Alginate was obtained from sargassum, to make alginate, cellulose and starch mixtures and to obtain packaging, which were subjected to different thermal and mechanical tests, and to compostability. The physical and chemical characteristics of the packaging were found, and it was also found that it degraded in less time than a commercial one.

Sánchez Fuentes Cinthia Erika Departamento de Ingeniería en Sistemas Ambientales Instituto Politécnico Nacional Ciudad de México, México [emailprotected]

Resumen — La llegada de grandes cantidades del alga Sargassum sp. a playas del Caribe mexicano, y la problemática de generación de residuos por el uso desmedido de polímeros sintéticos traen consigo serios problemas ambientales. En este sentido, este trabajo propone la obtención de un polímero compostable mediante síntesis química proveniente de esta alga, el cual funja como materia prima en la elaboración de empaques de un solo uso y, que, junto con celulosa y almidón se pueda fortalecer su resistencia mecánica. Se obtuvo alginato a partir del sargazo, para realizar mezclas de alginato, celulosa y almidón y obtener empaques, los cuales fueron sometidos a diferentes pruebas térmicas, mecánicas, y de compostabilidad. Se encontraron las características físicas y químicas del empaque, además se encontró que se degradó en menos tiempo que uno comercial.

Keywords — Sargassum, alginate, biopolymer and Palabras clave — Sargazo, alginato, biopolímero y compostability. compostabilidad.

I. INTRODUCCIÓN En el verano del 2018, la aparición masiva del alga Sargassum natans sp. en varias playas del caribe mexicano provocó serios problemas ambientales y sociales. De junio a septiembre del 2018 para retirar el alga de las playas, el gobierno ha invertido más de 322.5 millones de pesos (Varillas, 2019). Además de la recolección del sargazo, se requiere tener una propuesta de valorización del sargazo. Diversos trabajos durante el 2019, han dado una propuesta de aprovechamiento de sargazo tales como

zapatos, bloques de construcción y libretas (Arce, 2019). En el presente se le da uso como biopolímero para elaborar empaques biodegradables. La introducción de biopolímeros se está convirtiendo en una alternativa viable para tratar de disminuir el problema de contaminación ambiental, ya que se ha logrado obtener polímeros naturales de diferentes fuentes como el almidón, la celulosa, las proteínas, las fibras y derivados que están siendo empleadas en la elaboración de plásticos biodegradables que habrán de sustituir los plásticos convencionales (Ojeda, 2013).

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias Los biopolímeros, o bioplásticos, tienen las mismas aplicaciones que el plástico que ya conocemos; pueden usarse como contenedores para guardar alimentos, material de embalaje y se pueden fabricar bolsas de plástico para uso desechable, teniendo la ventaja de que si este tipo de plástico se combina con basura orgánica y se envía a un sistema de composta, el biopolímero será degradado biológicamente por los microorganismos presentes y no se tiene el impacto ambiental dañino que tienen los plásticos convencionales (Ojeda, 2013). El uso de los bioplásticos se ha planteado como una solución para ayudar a reducir tanto las emisiones de dióxido de carbono como el calentamiento global. Mientras que la producción de plásticos comunes requiere una introducción neta de carbono en la ecósfera. El CO2 liberado por los bioplásticos originalmente provienen de la biomasa, y por lo tanto es potencialmente de carbono neutral en su ciclo de vida (Ojeda, 2013). El método para elaborar el biopolímero se basa en un contexto científico en el cual, se tienen antecedentes de los cuales se han obtenido polímeros de diferentes materias primas como lo son a partir de la cutícula de agave (Arteaga y Zabala, 2018), de celulosa (Gallur, 2010), de almidón de yuca (Meneses et al., 2007) y algunas especies de algas (Madera et al., 2011), sometiendo estas materias primas a diferentes tratamientos químicos. Este trabajo propone elaborar un biopolímero usando como materia prima Sargassum sp. Con este nuevo material se está contribuyendo al aprovechamiento de esta materia prima, además se reduciría el impacto ambiental generado por la acumulación de empaques elaborados de polímeros sintéticos ya que con este nuevo material se están realizando pruebas para generar platos y/o empaques contenedores a partir de los biopolímeros obtenidos combinados con celulosa y almidón, los cuales puedan lograr satisfacer las necesidades del consumidor, y así en lugar de adquirir empaques y/o platos elaborados de polímeros sintéticos, el consumidor pueda usar estos en su vida cotidiana; Los cuales no dañan el ambiente significativamente como lo hacen aquellos elaborados de polímeros sintéticos ya que el tiempo de degradación es menor.

II. MATERIALES Y MÉTODOS La metodología utilizada en este trabajo se desglosa en dos vertientes; la primera es sobre la obtención de alginatos de sodio a partir del alga sargazo y de su

caracterización mediante espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) utilizando un espectrofotómetro marca NICOLET Protege 460, registrándose en el rango de 400–4000 cm−1 con una resolución de 4 cm−1 . La segunda vertiente aborda la elaboración de los empaques (platos) a partir de celulosa y almidón. El polímero obtenido a partir del alga fue mezclado en diferentes proporciones de celulosa, almidón y agua, para obtener los empaques mediante un moldeado de la mezcla en forma de plato. Ya que la muestra de plato mostró las condiciones buscadas, físicas y mecánicas, este fue llevado a una composta con el fin de cuantificar la cinética de degradación. A continuación, se explica cada vertiente. Primera vertiente: Obtención de alginatos de sodio a partir del alga sargazo Se divide en 6 etapas, que se muestran a continuación. 1. Etapa de obtención y pre-ambientación del alga Los pasos fueron la obtención de la materia prima (Sargassum sp.) de playa del Carmen, se lavó, seco, trituro y por último se caracterizó la muestra utilizando FTIR. 2. Etapa de ambientación del alga En esta etapa se llevó a cabo la separación de la arena del sargazo, se trituró, se realizó un ablandamiento con formol y se agitó, se lavó con agua. 3. Etapa de extracción ácida La muestra se llevó a pH de 4 con HCl, 1M, se realizó un lavado con agua y se agitó, para finalizar se adicionó agua y se llevó a un calentamiento. 4. Etapa de extracción del alginato Se adiciono Na2 CO3 de concentración 1M, hasta un pH de 10 y se agitó, posteriormente se somete un filtrado al vacío y se llevó a un secado únicamente de la fase sólida. 5. Etapa de conversión de alginato de calcio a ácido algínico Se realizó un lavado con HCl, se retiró la fase líquida, y la fase sólida se dejó secar. Posteriormente, a la muestra seca se le agregó etanol y se agitó a 200 rpm. Esto con el fin de quitar el ion calcio de la estructura molecular, y que así el ácido algínico quede carente de carga para posteriormente adicionar el ion sodio. 6. Etapa de conversión de ácido algínico a alginato de sodio En la última etapa se retiró el etanol y se agregó Na2 CO3, hasta alcanzar un pH 8 y se agitó, se

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realizan 3 lavados con etanol, de cada lavado se toma una muestra y se dejó secar. Las muestras obtenidas se caracterizaron mediante a espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR). A continuación, se presenta la segunda vertiente: Obtención de los ejemplares de moldes a partir de celulosa, almidón y agua. Obtención de la celulosa a partir del cortado y molienda de hojas de reúso • Elaboración de mezclas de almidón a partir de diferentes proporciones de almidón y agua • Mezclado de la celulosa, la mezcla de almidón y los alginatos obtenidos anteriormente • Moldeado y secado Ya que se obtuvieron las muestras de los platos, estos se sometieron a diferentes pruebas físicas y mecánicas, y se probó su compostabilidad en una composta casera a temperatura de 26 °C y un pH de 7, las cuales son condiciones óptimas para que los microorganismos se desarrollen, esto con el fin de cuantificar la cinética de degradación y poder compararla con la de un plato comercial. •

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para confirmar la obtención del alginato de sodio, se identificaron las estructuras químicas de la muestra de sargazo durante las etapas de lavado durante la extracción del alginato a través de espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier, FTIR (Figura 1).

Se asignaron las bandas correspondientes al alginato de sodio comparando las señales obtenidas en el espectro con las de una muestra patrón de alginato de sodio (ASTM, 2002). En la banda comprendida entre 3454-3421 cm−1 aparece la señal característica de los ácidos. La señal que aparece en 1675 cm−1 corresponde a la frecuencia del grupo carbonilo, y la banda de tensión C-O-C y plegamiento O-H (878- 1100 cm-1). Se muestran los picos bien definidos e intensos que aparecen en las muestras a lo largo de los lavados, presentan bandas a ~3400 cm−1, una banda a ~2900 cm−1 que corresponde al estiramiento de C-H de los grupos –CH2 y –CH3, conjuntamente, una banda en 2359 cm−1 va desapareciendo conforme a los lavados, la cual puede deberse a materia orgánica presente en el material sin lavar, a 1490-1504 cm−1 y ~1411 cm−1, se deben a −COOasim y−COOsim , respectivamente, los cuales corresponden al complejo formado entre el alginato y el sodio (Alg-Na). Para el tercer lavado la banda asociada a la vibración de tensión O-H (3454 cm-1) se empieza a intensificar, ajustándose al valor reportado en literatura para el alginato de sodio (Socrates, 2001). Además, se intensifica la banda de los carbonatos, se infiere que la formación de este grupo se deba a la reacción del grupo OH presente en el agua del alga con el CO2 atmosférico, lo cual se explica de la siguiente forma; El modo vibracional producido por la deformación del ángulo H-O-H de las moléculas de agua fisisorbida o libres originó una banda a ~1670 cm-1 , la cual empieza a disminuir y la señal asociada al anión carbonato se identificó a través la banda a ~1400 cm-1 se intensifica. Así, se deduce que los lavados de las muestras son importantes para elucidar las bandas características del alginato de sodio. Consecuentemente, los espectros para alginato de sodio producidos a partir del sargazo fueron similares a los reportados por (Mohammed et al., 2018), quienes obtuvieron alginato de sodio y compararon sus resultados con una muestra comercial de este compuesto. Por lo tanto, se confirma la presencia de alginato de sodio en las muestras extraídas. Para la elaboración de los empaques, y prueba de degradación se expone a continuación lo obtenido.

Figura 1. Espectros obtenidos por someter la muestra a espectroscopia FTIR; A. Primer lavado, B. Segundo lavado, C. tercer lavado.

Los polímeros obtenidos fueron mezclados con diferentes proporciones de celulosa, almidón y agua, estas mezclas fueron colocadas en un molde en forma de plato, el resultado obtenido se muestra en la Figura 2.

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias de la quinta y sexta semana aún se observa que se conserva la estructura completa del mismo. Tabla 1. Comparación de la cinética de degradación para el plato comercial y el plato obtenido experimentalmente. Tiempo de evaluación

Segunda semana

Se obtuvieron diferentes pruebas de platos, en los cuales se aprecia que las características generales son muy similares a los platos comerciales, al ser elaborado a partir de un molde de plato comercial, este cuenta con las mismas medidas, el color es blanquecino, y la dureza es proporcional al plato comercial.

Tercera semana

Quinta semana

Estas muestras fueron sometidas a diferentes pruebas a partir de las cuales fue posible describir cualitativamente las características de cada uno.

Este mismo procedimiento se realizó con un plato comercial de cartón, con el fin de poder comparar cualitativamente la degradación con respecto al tiempo. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1. Se observó que el plato de cartón convencional que venden en cualquier supermercado, tarda en degradarse más que el plato elaborado en el laboratorio, el plato comercial no presentó ningún cambio en la primera semana, a partir de la segunda semana se observan cambios en la estructura del plato, sin embargo son mínimas, se observa un cambio de color sin existir aún alguna biodegradación del mismo, caso contrario de lo que ocurría con el plato elaborado en el laboratorio ya que desde la primera semana se observó la degradación en algunas áreas del plato. El plato elaborado a partir de celulosa, almidón y agua tuvo una degradación en composta de 5 semanas, ya que en la sexta semana no queda ningún rastro del plato. Por otro lado, el plato comercial dentro del rango

Plato comercial de cartón

Semana cero

Figura 2. Platos obtenidos a partir del modelado de las mezclas antes descritas. A. Plato con mayor proporción de almidón, B. Plato con las mismas proporciones de agua y almidón, C. Plato con mayor cantidad de celulosa, todos con 1g de alginatos de sodio

El plato B, es el que contiene las características más similares a los de un plato comercial, referente a su dureza, apariencia, flexibilidad, maleabilidad y tamaño. Por lo que este plato fue sometido a una composta casera de condiciones conocidas de temperatura de 26 °C y un pH de 7, con el fin de observar los cambios ocurridos a través del tiempo, y poder cuantificar el tiempo total de degradación, esta prueba se realizó por 6 semanas.

Plato obtenido

Sexta semana

Ya no había ningún residuo

Por lo que, en esta comparación se muestra como la cinética de degradación del plato obtenido experimentalmente es mucho más rápida que la del plato que se usa convencionalmente, por lo que es una excelente alternativa ambiental.

VI. CONCLUSIÓN Se logró obtener, el polímero buscado (alginato de sodio), mediante la síntesis química del Sargassum sp., se obtuvo un material para uso de platos y/o empaques con una dureza superior a la de un palto comercial; derivado de la cinética de biodegradación de los materiales evaluados se encontró que el material propuesto en la presente investigación, que contiene celulosa, almidón, agua y alginato obtuvo una mayor velocidad de degradación El material desarrollado, plato, posee viabilidad comercial tomando en consideración los costos de producción debido a sus características técnicas y de biodegradación Como recomendaciones se menciona el poder optimizar el proceso de síntesis con el fin de aumentar la eficiencia de la reacción y disminuir el consumo de reactivos, someter a espectrometría de masas diferentes muestras a lo largo del proceso para identificar la etapa en la cual existe una pérdida de producto (alginato de sodio), estandarizar el proceso de elaboración de platos

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) comerciales a partir de polímeros naturales, someter el material obtenido a más pruebas tanto mecánicas como de degradación y en el análisis de costos incluir aquellos que son variables, con el fin de determinar de manera precisa el costo de producción.

AGRADECIMIENTO Katia García Martínez agradece a las doctoras; Cinthia Erika Sánchez Fuentes, Diana Rosa Gómora Herrera y Alejandra Santana Cruz por todo su ayuda moral y técnica en el laboratorio, además a los doctores; Juan Ramón Salazar Cano y Samuel Alejandro Martínez Montejo por las facilidades financieras y de espacio. Agradezco también todas las enseñanzas que han compartido conmigo. Gracias a todos ellos.

REFERENCIAS Arce A. (5 de marzo de 2019). Sargazo un mar de oportunidades. Obtenido de El Sol de México: https://www.elsoldemexico.com.mx/doblevia/ecologia/sargazo-caribe-mexicano-reciclaje-zapatosviviendas-cambio-climatico-3791920.html Arteaga, L. Z. (2018 ). Fabricación de plásticos biodegradables a base de pectina-alginato y polímeros de Agave para su utilización en la industria alimentaria. 680-682. Obtenido de http://www.fcb.uanl.mx Avedaño R., L. A. (2013). Propiedades del alginato y aplicaciones en alimentos. 90-95. Obtenido de http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/acym/ALGINAT OS_I.pdf Casas, M. H. (2006). El alga marina Sargassum (Sargassaceae): una alternativa tropical para la alimentación de ganado caprino. Revista Cubana de Ciencia Agrícola, 90-94. E., O. (2013). Estudio teórico de polímeros biodegradables sustituyentes de polímeros sintéticos para un mejor ecosistema. Recuperado el 2019 de marzo de 6 Gallur, M. (2010). Presente y futuro de los biopolímeros como material de envase. 1-51. Obtenido de https://docplayer.es/12440952-Presente-y-futuro-de-losbiopolimeros-como-material-de-envase.html Hernández E., L. G. (2005). Evaluación de derivados carboximetilados del alginato de sodio como superadsorbente. Revista Cubana de Química. Vol. XVII, 239-240. Madera-Santana, T. R. (2011). Physicochemical Properties of Biodegradable Polyvinyl Alcohol–Agar Films from the Red Algae Hydropuntia cornea. Mar Biotechnol 13, 793-800.

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Juan Ramón Salazar Cano. Realicé estudios en Chapingo, y de ingeniería en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional. Posteriormente obtuve el Doctorado en Química Teórica en la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa bajo la dirección del Dr. Jorge Garza Olguín. Dentro del área docente cuento con experiencia en Fisicoquímica y métodos numéricos. Mis temas de investigación se centran en el uso de las computadoras en la modelación química y en el desarrollo de biopolímeros para su aplicación en el sector ambiental.

Cinthia Erika Sánchez Fuentes. Realicé estudios de licenciatura en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto Politécnico Nacional, egresada de la carrera de Ingeniería en Sistemas Ambientales, en el año 2009. En 2012 recibí el grado de Maestra en Ciencias en Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, realizando una estancia de investigación en la Universidad Federal de Río Grande del Norte y Río Grande el Sur, Brasil. En 2016 obtuve el grado de doctora en Ciencias e Ingeniería de Materiales en la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. Como profesorainvestigadora trabajo en el desarrollo de nuevos materiales aplicados al desarrollo de tecnología para el tratamiento de contaminantes atmosféricos. Así como en el aprovechamiento de residuos para la producción de biomateriales.

Meneses, J. C. (2007). Síntesis y caracterización de un polímero biodegradable a partir del almidón de yuca. Revista EIA.

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Moisture Resistance of Earthen Coatings Stabilized with Glycerol Resistencia ante la Humedad de Recubrimientos de Tierra Estabilizados con Glicerol Mtra. Arq. Esmeralda Avila Boyas Universidad Nacional Autónoma de México Ciudad de México, México [emailprotected]

Dra. Lilian García Alonso Escuela Nacional de Conservación, Restauración y Museografía “Manuel del Castillo Negrete” Ciudad de México, México [emailprotected]

Abstract — Coatings in earthen architecture are fundamental because they have the function of protecting structures from atmospheric and anthropic harmful agents. In order to counteract deterioration caused by rain and groundwater absorption, different aggregates have historically been used. This article reviews a series of experiments based on the verification of the use of small glycerol fractions in order to increase the durability and resistance of earth coatings. Recently there has been a significant increase in the production of glycerol, which is a by-product of various industrial processes such as biodiesel. This increase provides a viable resource to consolidate and protect both historical construction components and contemporary buildings. Natural earth mortars and others stabilized with glycerol were comparatively analyzed to verify the cohesiveness, amount of mixing water required and drying time. Subsequently, flat specimens and plaster applied on walls were made to undergo tests for capillary absorption and rain impact conditions. An increase in the cohesion of the mortars added with glycerol of 12%, a decrease in the amount of liquid required for the mixtures of 18% and the elevation in almost 7 hours of the drying time could be verified. Stabilized specimens absorbed 26% less water by capillarity, and coatings exposed to weather conditions retain their integrity after 8 months of outdoor weathering.

Dr. Luis Fernando Guerrero Baca Universidad Autónoma Metropolitana- Xochimilco Ciudad de México, México [emailprotected]

Resumen — En la arquitectura de tierra los recubrimientos son componentes fundamentales porque tienen la función de proteger a las estructuras ante efectos atmosféricos y antrópicos. Para enfrentar agentes de deterioro como la lluvia y la absorción freática, históricamente se han empleado diferentes substancias. En el presente artículo se describe una serie de pruebas encaminadas a verificar el incremento de la durabilidad y resistencia de revoques de tierra estabilizados con agregados de glicerol en distintas dosificaciones. Recientemente ha habido un incremento significativo en la producción de glicerol, que es un subproducto de diversos procesos industriales como el biodiesel. Este incremento brinda un recurso viable para consolidar y proteger tanto componentes constructivos históricos como edificios contemporáneos. Se analizaron comparativamente morteros de tierra natural y otros estabilizados con glicerol para verificar la cohesividad, cantidad de agua de mezclado requerida y tiempo de secado. Posteriormente, se realizaron probetas planas y revoques aplicados sobre muros para someterse a pruebas de condiciones de absorción capilar e impacto de la lluvia. Se pudo verificar un incremento en la cohesión de los morteros adicionados con glicerol del 12%, una disminución en la cantidad de líquido requerido para las mezclas de 18% y la elevación en casi 7 horas del tiempo de secado. Las probetas estabilizadas absorbieron 26% menos agua por capilaridad y los recubrimientos expuestos a condiciones de intemperie conservan su integridad después de 8 meses de permanecer a la intemperie.

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 Investigación IInterdisciplinaria. nterdisciplinaria (4to CNII) Keywords — Stabilization, plasters, moisture, Palabras clave — Estabilización, revoques, sustainability, traditional construction. humedad, sostenibilidad, tradición constructiva.

I. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES Toda estructura expuesta a la intemperie es vulnerable a la invasión de fauna parásita, hongos y sales minerales, así como a las afectaciones derivadas de factores atmosféricos como viento, lluvia, granizo o nieve. Las obras de tierra son especialmente sensibles por lo que históricamente se han protegido mediante acabados realizados con materiales compatibles (Warren, 1999). Los revestimientos de tierra presentan cierta vulnerabilidad a la lluvia y a la absorción freática debido a sus características higroscópicas. Para contrarrestar estos agentes de deterioro y dar mayor durabilidad y resistencia a estos componentes, a lo largo de siglos las civilizaciones antiguas y las comunidades tradicionales han utilizado diferentes substancias a fin de estabilizar las propiedades de las mezclas. Los mucílagos de cactáceas, especialmente los derivados del género Opuntia se emplearon desde épocas remotas en Mesoamérica para proteger las superficies arquitectónicas (Torres et. Al., 2015). Al agregarse a pinturas y morteros de cal retarda su fraguado, aumenta la fluidez del mortero y disminuye su contracción al secar (Pérez, 2009). Se han logrado resultados similares en estudios realizados en recubrimientos de tierra al comprobarse que el mucílago del nopal (Opuntia ficus indica) eleva sus cualidades y estabilidad (Ávila & Guerrero, 2018). Al buscar alternativas al nopal que pudieran ser más asequibles a nivel internacional, se planteó la opción del uso del glicerol –conocido como glicerina– que es un alcohol que posee tres grupos hidroxilos. Se trata de un compuesto líquido a temperatura ambiente, viscoso, incoloro, inodoro y ligeramente dulce. La presencia de los tres grupos hidroxilo le hacen ser sumamente higroscópico, soluble al agua y alcoholes e insoluble en hidrocarburos. El glicerol forma parte de los aceites, grasas vegetales y animales como los mono, di o triglicéridos, así como de los fosfoglicéridos integrantes de la membrana celular de animales y vegetales (Lafuente, 2017). Es importante resaltar que actualmente el 70% de la producción mundial de glicerol se obtiene como subproducto durante la transformación de biodiesel, representando un 10% del total producido. Por cada

10kg de biodiesel se genera 1kg de glicerol (Betancourt et. Al., 2016). Debido al crecimiento acelerado de la producción de biodiesel, y la marcada tendencia a su incremento, la elevación en los volúmenes de glicerol como subproducto está llegando a convertirse en un problema tecnológico y ecológico pues, a pesar de su alto potencial de aplicación, se tienen excedentes que corren el riesgo de afectar al medio ambiente. Esta problemática se puede mitigar si se propicia su empleo en una gama más amplia de aplicaciones. En investigaciones realizadas desde el 2015, el uso del glicerol como estabilizante se ha desarrollado principalmente en el sector agrícola, pues funciona como materia orgánica añadida al suelo. Dentro de estas investigaciones se ha comprobado que se incrementa el crecimiento de las plantas y se inmoviliza el nitrógeno añadido como nitrato de amonio, reduciéndose el uso de fertilizantes y la contaminación ambiental (Betancourt et. Al., 2016). A partir de las investigaciones citadas, y de las propiedades fisicoquímicas del glicerol, se realizaron experimentos añadiendo glicerol a los recubrimientos de tierra para verificar su respuesta, sometidos a condiciones climáticas reales. Se buscó probar su nivel de efectividad en la arquitectura de tierra, bajo la hipótesis de que este compuesto presenta características más adecuadas como añadido, que substancias más comúnmente utilizadas como el mucílago de Opuntia Ficus (Pérez et. Al., 2017). Esta substitución de estabilizantes puede suponer mejores características en mezclas para revestimientos de tierra aplicados a obras nuevas, pero sobre todo como superficies protectoras y de sacrificio en una amplia gama de estructuras patrimoniales. De este modo es posible aprovechar la sobreproducción del glicerol contribuyéndose al manejo sostenible de los recursos, en procesos de construcción y conservación totalmente amigables con el medio ambiente.

II. METODOLOGÍA Y MATERIALES El presente trabajo describe una serie de experimentos dirigidos hacia la verificación de la viabilidad del empleo de recubrimientos de tierra estabilizados con glicerol, aplicados tanto sobre

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias superficies de tierra como en otros materiales constructivos. Se espera obtener revoques resistentes al medio ambiente y ecológicos al aprovechar un recurso que hoy en día enfrenta sobreproducción.

mexicanos para sistemas constructivos de tierra se tomó como referencia el procedimiento empleado en la Universidad de Kassel (Minke, 2005) con algunas variaciones dimensionales.

Se detallan análisis de mezclas con el mismo tipo de tierra adicionada sólo con agua, en comparación con otras probetas con dosificaciones reguladas de glicerol. Se realizaron pruebas de cohesividad, absorción, adherencia y resistencia a la lluvia sobre diferentes superficies. La investigación fue realizada en diversas etapas en el Laboratorio de Tecnologías Tradicionales de la Escuela Nacional de Conservación Restauración y Museografía (ENCRYM-INAH). Es importante mencionar que para fines del presente artículo se exponen únicamente los resultados referentes a dos mezclas: tierra compensada-agua y tierra compensadasolución de glicerol con el fin de tener un patrón de comparación. Sin embargo, en el transcurso de la investigación se ha realizado una amplia gama de pruebas y dosificaciones.

El ensayo consistió en la elaboración de mezclas de tierra con agua y de tierra con la solución de glicerol hasta tener la consistencia necesaria que permitiera formar barras cilíndricas de 20cm de largo por 1.5cm de diámetro. Se colocaron sobre hojas de papel y se pusieron en la orilla de una mesa para que colgaran hasta el punto de romperse (Figura 1). En este ensayo se busca evaluar la longitud a la que se rompe cada barra, la cual está correlacionada con la cohesividad del material. La longitud mayor de las fracciones significa que la tierra está mejor cohesionada. Como referencia se ha documentado que para revoques resultan apropiadas longitudes de rotura de 5 a 8cm (Minke, 2013, pág. 11).

La tierra que se utilizó para la elaboración de las muestras fue extraída de la zona de Tepecoacuilco, Guerrero, al sur de la República Mexicana. Los datos proporcionados por el laboratorio “Geotécnica y Suelos” indicaron que contenía 17% de arena y 83% de arcilla y limos, con un Límite Líquido de 64,3; un Límite Plástico de 26.3 y un Índice de Plasticidad de 38.0 por lo que, de acuerdo con el Sistema Unificado de Clasificación de suelos (SUCS) corresponde al tipo “CH”, es decir, una “Arcilla Limo- arenosa”. Se eligió un material con un alto contenido de arcilla con la intención de poder compensarlo mediante el agregado de volúmenes predefinidos de arena y así, contar con una materia prima regularizada para todas las pruebas. Se procedió a la formulación de la cantidad de arena requerida para conformar recubrimientos con adecuada plasticidad y adherencia a los sustratos, pero que no fuera tan elevada que generara fisuras en sus superficies. Entonces, se realizaron muestras de recubrimiento de 20.0cm x 20.0cm x 2.0mm sobre un muro liso y se determinó que la proporción 1:1.5 (tierraarena) era ideal para ser empleada en el resto de los experimentos. Para formar la solución glicerol-agua se repitió la dosificación derivada de los trabajos realizados en investigaciones anteriores en los que se empleó 1% de mucílago de nopal (Ávila & Guerrero, 2018). El estudio continuó con la evaluación comparativa para medir la cohesividad de la mezcla. A falta de estándares

Figura 1.

Ensayo de cohesividad realizado a barras de tierra en estado plástico (Foto: L. Guerrero).

Posteriormente, se realizaron mezclas de tierra-agua y tierra-solución de glicerol formando tabletas de 10cm x 10cm x 0.5cm de espesor vaciadas en moldes de madera para los ensayos de absorción hídrica directa con base en la norma española UNE-EN-16302, a falta de estándares nacionales. El ensayo consiste en tomar el tiempo que tarda en penetrar una cantidad definida de agua en una superficie determinada. El instrumento para realizar los ensayos es el tubo de Karsten (Figura 2). “Con este arreglo la columna de agua ejerce una presión en la superficie de 961.38 Pa. Esta presión corresponde a una acción de gotas de lluvia golpeando a la pared con una velocidad del viento estática de 140 km/h perpendicular a la superficie” (Pérez, 2016, p. 75). En este proceso se pudo observar el tiempo de desorción de líquido a temperatura y humedad ambiental, comparando la pérdida gradual de peso durante el secado tabletas. Las mezclas hechas con agua

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secaron en 2 horas con 15 minutos y las de glicerol tardaron cerca de seis horas. Para el ensayo de absorción y liberación de humedad se comenzó pesando cada tableta para registrar el dato en estado seco, después de este proceso se continuó con la colocación del tubo Karsten en donde se cronometró la absorción de agua en cada muestra por un lapso de 4 minutos. Los mililitros absorbidos se pudieron observar en la graduación del tubo, una vez transcurridos los 4 minutos se retiró el tubo y la tableta se volvió a pesar con el fin de registrar la cantidad de agua contenida.

dejaron a la intemperie para documentar comportamiento ante la lluvia directa.

III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La prueba de cohesividad sirvió para determinar la consistencia de la mezcla y la cantidad de agua requerida para alcanzar la condición óptima de trabajabilidad. Se observó que las fracciones de las barras realizadas con agua tuvieron en promedio un punto de ruptura a los 7.5 cm. y las que contenían glicerol, a los 8.5 cm (Figura 3).

Figura 3.

A la izquierda mezcla de tierra-agua y a la derecha mezcla tierra-glicerol. Fuente: Luis Guerrero

Con respecto a la cantidad de agua requerida para la obtención de un material consistente, que permitiera un amasado uniforme, se observó que la mezcla con agua demandó 170ml, mientras que la de glicerol solamente 125ml. Este dato traducido a porcentaje determina que la solución de glicerol reduce la cantidad de líquido de mezclado requerida en un 28%. Figura 2.

Vaciado de agua en la prueba de absorción directa con el tubo de Karsten. (Foto: L. Guerrero)

El estudio posterior consistió en la evaluación comparativa de absorción capilar para la que se realizaron probetas cúbicas de 5cm x 5cm x 5cm correspondientes a tierra-agua y tierra-glicerol. Todas las probetas se secaron por un periodo de 28 días a temperatura y humedad ambiental. Como en la actualidad en México no existen estándares que permitan determinar esta variable en componentes de tierra, se tomó como referencia la Norma Italiana (Normal 11-85, 1985). Este ensayo consiste en colocar cada muestra sobre una tela saturada de agua en una charola durante periodos de 30 segundos para su posterior pesado en una báscula de precisión. Este proceso se repite hasta que la muestra comience a perder material por disgregación. Para la última evaluación se aplicaron revoques de 20cm x 20cm x 0.2mm sobre muros de tierra y bloques de cemento con el fin de evaluar la adherencia y durabilidad en dichas superficies. Las muestras se

Los resultados de absorción y desorción obtenidos con el tubo Karsten se tabularon y graficaron para analizar el comportamiento relativo. La mezcla 1 que se hizo sólo con tierra y agua manifiesta una notoria absorción hídrica en un lapso muy corto de tiempo, mientras que la mezcla 2 de glicerol absorbió menos de un tercio que la mezcla 1 (Tabla 1). Tabla 1. Incremento en gramos de las probetas en estado seco y posterior a la aplicación de agua con el tubo Karsten. Núm. de

Peso inicial

Peso final en

Incremento

Mezcla

en gramos

gramos

en gramos

porcentual

74.2

75.3

1.48%

76.8

0.26%

Además de la cantidad de agua absorbida al final del experimento, la gráfica indica la regularidad del proceso dado que en lapsos iguales penetran volúmenes equivalentes de agua (Figura 4). Asimismo, las cantidades parciales que se absorben con la tierra

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias cohesionada con glicerol son menores, lo que garantiza la estabilidad de su aplicación como recubrimiento.

La prueba de absorción capilar se llevó a cabo registrando y tabulando el incremento en el peso de probetas cúbicas durante un lapso total de ocho minutos (Figura 6). La cantidad de agua que absorbida por las muestras se graficó para comparar la diferencia gradual de pesos.

77.5 77 76.5 76 75.5 75 74.5 74 73.5

PESO EN GRAMOS (gr)

con 270 minutos y el más rápido el de la mezcla 2 con 150 minutos.

0''

30'' 60'' 90'' 120'' 150'' 180'' 210'' 240'' TIEMPO EN SEGUNDOS (seg) MEZCLA 1 MEZCLA 2

Figura 4.

Gráfica que muestra el comportamiento de las mezclas 1 (tierra-agua) y 2 (tierra-glicerol) incrementando su peso en 4 minutos.

Figura 6.

Como complemento al ensayo de absorción, se realizó una prueba de liberación de humedad en el que las tabletas analizadas y pesadas a los 4 minutos se dejaron en un espacio con condiciones controladas a 25°C de temperatura y 66% de humedad relativa, sin presencia de viento. Se pesó cada tableta en periodos de 30 minutos hasta que alcanzaran su peso inicial, indicio de la liberación total del agua contenida. De acuerdo con la información obtenida, y una vez terminado el monitoreo del secado progresivo de cada mezcla, se generó una gráfica con tendencia decreciente (figura 5) contraria a la obtenida en el ensayo anterior. Esta gráfica permite comparar el comportamiento y la variación de tiempo entre el secado de cada probeta, la línea de tendencia constante o intermitente de liberación de humedad.

Para determinar el coeficiente de absorción (Abs) se utilizó la siguiente fórmula: 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴(%) =

PESO EN GRAMOS (gr)

Figura 5.

(1)

En la Tabla 2 y Figura 7 se observa que, al igual que sucedió con la absorción directa del tubo de Karsten, los intervalos de absorción son continuos en ambos casos. No obstante, la pendiente de la gráfica de la tierra con agua es ligeramente mayor debido a que se elevó la cantidad de agua contenida en menos tiempo. Tabla 2. Coeficiente de absorción.

30' 60' 90' 120' 150' 180' 210' 240' 270' TIEMPO EN MINUTOS (min) Mezcla 1

𝑥𝑥 100

Como se observa en la Figura 6, la mezcla de tierra con agua tiene un mayor coeficiente de absorción en comparación con la que fue mezclada con la solución de glicerol.

Mezcla

𝑃𝑃𝑃𝑃−𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃

Dónde: Abs: Coeficiente de absorción (%)

Liberación de humedad 77.5 76.5 75.5 74.5

Prueba de absorción capilar basada en la Normal 1185. Fuente Luis Guerrero.

Mezcla 2

Liberación de humedad. Gráficas que muestran la pérdida de peso en gramos equivalente al agua contenida hasta llegar al peso inicial en seco.

Con este ensayo se obtuvo el rango de tiempo de secado, donde el más lento corresponde a la mezcla 1

Peso desecado (g)

Peso saturado (g)

Agua

1.Tierra-agua

50,7

55,3

4,6

9,07 %

2.Tierraglicerol

57,2

60.7

3,5

6,11 %

absorbida (g)

Coeficiente de absorción (CA) (%)

Como se observa en la Tabla 2, la mezcla con agua tiene un mayor coeficiente de absorción en comparación con la de glicerol. En las Figuras 9 y 10 se observa que, al igual que sucedió con la absorción directa del tubo de Karsten, los intervalos de absorción son continuos. Pero, la pendiente de la gráfica de la

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glicerol que se mantiene con poco deterioro teniendo una pérdida superficial menor al 10 %.

Coeficiente de absorción

IV. CONCLUSIONES

PESO EN GRAMOS

tierra con agua es ligeramente mayor debido a que se elevó la cantidad de agua contenida en menos tiempo.

150

57.2 57.7 58.2 58.6 58.7 59.3 59.8 60.3 60.7

Los resultados obtenidos en todas las pruebas permiten reconocer que, a pesar de la relativamente baja cantidad de glicerol que se empleó (1%), su papel es muy positivo. En primer lugar, se consigue un secado en promedio 260% más lento del componente constructivo, en comparación con las mezclas que se hicieron sólo con agua, con lo que se mejora su resistencia y durabilidad (Stazi et. Al., 2016).

100 50 0

60" 120" 180" 240" 300" 360" 420" 480" 540" TIEMPO EN SEGUNDOS tierra-agua

Figura 7.

tierra glicerol

Gráfica del coeficiente de absorción de agua de la mezcla tierra-agua arriba y de glicerol abajo.

Finalmente, los revoques que fueron aplicados a la intemperie y sometidos a condiciones de lluvia, se realizaron en secciones de 20cm x 20cm y 0.2cm de espesor. Se colocaron a mano y posteriormente la superficie se alisó con una llana metálica. Se dejaron a la intemperie y se monitorearon durante 8 meses. Durante la colocación de los revoques se comprobó que las mezclas que se estabilizaron con glicerol tardaron más tiempo en secar que las de tierra con agua. Por otra parte, durante su aplicación no presentaron fisuras al secado, mientras que la mezclada con agua tuvo un agrietamiento notable (Figura 8). Cabe mencionar que estas muestras se aplicaron sobre diferentes tipos de sustrato: ladrillo rojo, bloques de cemento y adobes, pero el resultado en todos los casos fue similar.

Figura 8.

En segundo lugar, la prueba de cohesividad puso de manifiesto el incremento en esta propiedad en el orden del 13.33%. Esta propiedad permite obtener superficies más densas, resistentes y mejor adheridas a los sustratos (Mattone et. Al., 2017). Paralelamente se comprobó que es posible alcanzar el nivel adecuado de trabajabilidad de la tierra con 28% menos cantidad de líquido. Este dato es de alto valor ecológico porque implica un ahorro de líquido de mezclado de los morteros de tierra (Guerrero, 2015). Con respecto a las pruebas de absorción capilar y de secado los resultados fueron igualmente prometedores. El uso del glicerol retarda el tiempo de absorción capilar en casi un 300% durante un mismo periodo, lo cual significa que es posible obtener revestimientos altamente resistentes a la humedad que puede provenir tanto de la lluvia como de los mantos freáticos (Guerrero, 2016). En lo que concierne al tiempo de desorción el resultado también fue positivo pues las mezclas hechas con glicerol se secan 55.5% veces más rápido. Finalmente, el efecto de la lluvia directa es más difícil de cuantificar, pero resulta evidente a partir de las series de fotografías que se tomaron durante el tiempo que duró la prueba, y que, aunque concluyó a los 8 meses de haberse iniciado, el recubrimiento realizado solamente con agua se ha perdido por completo mientras que el de glicerol se mantiene a más de un año de haberse aplicado.

A la izquierda se presentan las mezclas base agua y a la derecha las de glicerol. Arriba se observan los recubrimientos al día siguiente de haber sido colocados y abajo su estado actual después de ocho meses. Fuente: Esmeralda Avila B.

Después de la intensa temporada de lluvias del 2018, se observó que el recubrimiento de tierra-agua tuvo una pérdida cercana al 80% mientras que el realizado con

El glicerol es un subproducto industrial cuya producción está alcanzando niveles excedentes que lo convierten en un potencial desecho contaminante por lo que su aprovechamiento como componente de estabilización de material constructivos de tierra puede resultar altamente positivo, tanto en el diseño de arquitectura ecológica, como en la conservación

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4to Congreso Nacional de Investigación Ciudad de México, Octubre 2020 BiotecnologíaInterdisciplinaria. y Ciencias Agropecuarias sostenible del patrimonio cultural desde el punto de vista económico, ecológico y socio cultural.

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Esmeralda Avila Boyas. Arquitecta, Maestra en Arquitectura y Doctorante en el Posgrado de Ciencias y Artes para el Diseño en el área de Conservación del Patrimonio Cultural en la UAM-Xochimilco. Profesora en la licenciatura de Arquitectura de la Universidad Nacional autónoma de México, sede FES Aragón. Ha presentado diversas ponencias y conferencias en eventos nacionales como la 1ra. Jornada del Patrimonio de Construcciones de Tierra y Adobe (UNAM) e internacionales como los Seminarios Iberoamericanos de Arquitectura y Construcción con Tierra (SIACOT) celebrados en 2018 en Antigua Guatemala, Guatemala y en 2019 en Oaxaca, México. Lilian García-Alonso Alba. Licenciatura en Restauración, Maestría en Estudios Sociales y Doctorado en Estudios Mesoamericanos. Profesora y Co-fundadora del Laboratorio de tecnologías tradicionales y sostenibles para la conservación y coordinadora del eje científico. Enfoque en la investigación de tecnologías tradicionales y materiales naturales en la Escuela Nacional de Conservación, Restauración y Museografía (ENCRyM) I.N.A.H. Cuenta con estudios técnicos de laboratorio, ha contribuido con publicaciones, conferencias y talleres para instituciones nacionales e internacionales. Luis Fernando Guerrero Baca. Arquitecto, Maestro en Restauración y Doctor en Diseño con especialidad en Conservación del Patrimonio. Profesor de la ENCRyM-INAH y ProfesorInvestigador de la UAM-Xochimilco. Jefe del Área de Investigación en Conservación y Reutilización del Patrimonio Edificado. Miembro de la Red Iberoamericana PROTERRA, de la Chaire UNESCO «Architectures de terre, cultures constructives et développement durable». Consultor Internacional para el Comité de Patrimonio Mundial de UNESCO.

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Determination of Organochlorines in Tissues of Mice at Different Altitudinal Gradients in Sinaloa Determinación de Organoclorados en Tejidos de Ratones a Diferentes Gradientes Altitudinales en Sinaloa Juan F. Almanza Peñuelas FBUAS. [emailprotected]

Daniela E. Ramos Beltrán FBUAS. [emailprotected]

Aldair Renteria Ávila IAUAdeO, Gve, Sin. México [emailprotected]

Marcos Bucio Pacheco FBUAS. CEJUS, Sin., México [emailprotected]

Amador Osorio Pérez FBUAS. [emailprotected]

Juan José Ríos Tostado FBUAS. C. Med. Genóm. HGC [emailprotected]

Omar Llanes Cárdenas Dpto. MA. IPN-CIIDIR-Sinaloa [emailprotected]

Héctor A. González Ocampo Dpto. MA. IPN-CIIDIR-Sinaloa [emailprotected]

Ernestina Pérez González Dpto. MA. IPN-CIIDIR-Sinaloa [emailprotected]

Abstract — Non-target organisms may be bioindicators of exposure to organochlorine pesticides moved from low-altitude agricultural areas to remote high-altitude sites. The objective of this study was to detect, quantify and compare the organochlorine pesticides present in tissues of mice captured in different altitudinal gradients from Sinaloa, Mexico. In situ samples were obtained from wild mice (Mus musculus) captured between July 2018 and June 2019, and USEPA method 8081b was followed for the extraction, detection and quantification of organochlorines with CG-ECD. In low and middle zones the highest average concentrations were presented in both sexes. The highest% F of POC in females were recorded in high areas, and in males they were recorded in low areas. Frequent high to very high positive correlations were identified at the three altitudes between the frequencies of endrin ketone with methoxychlor, DDE, endrin and aldrin in the stomach (Spearman p

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