Volumen 25-1

Volumen 25-1CIENCIA E INGENIERÍA NEOGRANADINA1

CIENCIA E INGENIERÍA NEOGRANADINAVOLUMEN 25-1

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1. EFECTO DEL ÁNGULO DE INCIDENCIA SOBRE MONOCAPAS DE HfN EXPUESTAS A FENÓMENOS DE CORROSIÓN EROSIÓN

EFFECT OF THE ANGLE OF INCIDENCE ON HfN MONOLAYERS EXPOSED TO CORROSION EROSION PHENOMENA

Pablo Andrés Guzmán Durán William Aperador Chaparro José Luis Caballero Gómez

2. ASPHALT MIXTURE DIGITAL RECONSTRUCTION BASED ON CT IMAGES

RECONSTRUCCIÓN DIGITAL DE MEZCLAS ASFÁLTICAS BASADA EN IMÁGENES DE TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA

Wilmar D. Fernández Jeison D. Pacateque Miguel S. Puerto Manuel I. Balaguera Fredy Reyes

3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA PROCESADORA DE PESCADO EN REACTORES ANAERÓBICOS DISCONTINUOS

WASTEWATER TREATMENT OF A FISH PROCESSING INDUSTRY IN BATCH ANAEROBIC

REACTORS

Julio César Marín Leal Carlos Aníbal Chinga Panta Abrahan Isaac Velásquez Ferrín Pierre Andrés González Cabo Luz María Zambrano Rodríguez

4. BIOSORCIÓN DE CD, PB Y ZN POR BIOMASA PRETRATADA DE ALGAS ROJAS, CÁSCARA DE NARANJA Y TUNA

BIOSORPTION OF CD, PB AND ZN BY PRETREATED BIOMASS RED ALGAE, ORANGE PEEL AND TUNA

Lissette Vizcaíno Mendoza Natalia Fuentes Molina

CONTENIDO

Página

5

17

27

43

4

5. ANÁLISIS DE LA SOLUBILIDAD DE LA MEZCLA GASOLINA-ETANOL-AGUA A DIFERENTES PRESIONES Y TEMPERATURAS

SOLUBILITY ANALYSIS OF GASOLINE-ETHANOL-WATER MIXTURES AT DIFFERENT PRESSURES AND TEMPERATURES

Michael Fernando Rondón Juan Miguel Mantilla González Alejandro Muñoz Rodríguez

6. MODELOS DE REGRESIÓN LINEAL PARA ESTIMACIÓN DE TIEMPOS DE VIAJE EN SISTEMAS DE TRANSPORTE MASIVO

LINEAL REGRESSION MODELS FOR FORECASTING OF TRAVEL TIME IN BUS RAPID TRANSIT

Orlando Antonio Sabogal Cardona Juan David Hincapié Zea Jhon Jairo Santa Chávez John Willmer Escobar

7. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL DUAL POR MODOS DESLIZANTES PARA UN CONVERTIDOR BUCK CD-CA

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A DUAL SLIDING MODE CONTROL FOR A BUCK DC-AC CONVERTER

Jaime Ayala Taco Roberto Gutiérrez Susset Guerra Jiménez Alexander Fernandez Correa

8. EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL SERVICIO PERCIBIDA EN ENTIDADES BANCARIAS A TRAVÉS DE LA ESCALA SERVQUAL

EVALUATION OF PERCEIVED SERVICE QUALITY IN BANKS USING THE SERVQUAL SCALE

Roxana González Álvarez

ÍNDICE AUTORES

GUÍA PARA LA PUBLICACIÓN DE ARTÍCULOS

NORMAS PARA APRESENTAÇÃO DE ARTIGOS

A GUIDE FOR ARTICLE PUBLICATION

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EFECTO DEL ÁNGULO DE INCIDENCIA SOBRE MONOCAPAS DE HfN EXPUESTAS A FENÓMENOS DE CORROSIÓN EROSIÓN

EFFECT OF THE ANGLE OF INCIDENCE ON HfN MONOLAYERS EXPOSED TO CORROSION EROSION PHENOMENA

Pablo Andrés Guzmán Durán1, William Aperador Chaparro2, José Luis Caballero Gómez3

Fecha de recepción: 29 de Septiembre de 2014Fecha de aprobación: 24 de Diciembre de 2014

Referencia: P.A. Guzmán Durán, W.A. Chaparro, J.L. Caballero Gómez. (2015). Efecto del ángulo de incidencia sobre monocapas de HfN expuestas a fenómenos de corrosión-erosión. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp. 5 - 15

RESUMEN

Los recubrimientos duros son una alternativa para el mejoramiento superficial de herramientas industriales, ya que son desarrollados con el fin de aumentar la vida de servicio del material mediante un mejoramiento de sus características frente a mecanismos de desgaste y fenómenos corrosivos. En el presente estudio se depositaron monocapas de nitruro de hafnio sobre sustratos de acero AISI 4140 mediante la técnica del magnetrón sputtering multi-blanco en r.f. (13.56 MHz). Esto se hizo con el objetivo de determinar valores estimados de la pérdida de material, el desgaste mecánico y la sinergia en los fenómenos corrosivos y erosivos con base en la norma ASTM G119–03, que interrelaciona la corrosión con el desgaste. Las monocapas fueron evaluadas frente a fenómenos de corrosión-erosión, erosión y corrosión a dos ángulos de impacto de 30º y 90º, en una solución compuesta por NaCl 0.5 M usando un equipo de incidencia de chorro de partícula. Se analizó el efecto del ángulo de impacto en la resistencia a la corrosión erosión de estos recubrimientos. Mediante curvas de polarización Tafel y microscopia electrónica de barrido se realizó la evaluación electroquímica y la caracterización micro-estructural de los recubrimientos respectivamente. Se observó un aumento en la velocidad de corrosión para los sistemas sometidos a 90° y una disminución para los sistemas a 30º.

1. Ing. Mecatrónico, Asistente de investigación, Facultad de Ingeniería. Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia, [email protected]

2. Físico, Ph.D. en Ingeniería de materiales, Facultad de Ingeniería. Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia, [email protected]

3. Ing. Mecatrónico, Especialista en Gerencia Integral de Proyectos, Asistente Graduado, Facultad de Ingeniería. Universidad Militar Nueva Granda, Bogotá, Colombia, [email protected]

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Palabras clave: Sinergia, corrosión, erosión.

ABSTRACT

Hard coatings are an alternative for surface improvement of industrial tools since they are developed with the purpose of increasing the lifespan of materials through the enhancement of its characteristics against wear mechanisms and corrosion phenomena. In this study, hafnium nitride monolayers were deposited on AISI 4140 steel substrates through the RF magnetron sputtering multi-target technique (13.56 MHz) to determine estimated values of material loss, mechanical wear and synergy in the corrosion and erosion phenomena, according to the ASTM G119–03 standard, which relates corrosion to wear. The monolayers were evaluated against corrosion-erosion phenomena, as well as corrosion and erosion at two incidence angles of 30° and 90° in a solution composed by 0.5 M NaCl, using impingement jet equipment to analyze the effect of the incidence angle on the corrosion erosion resistance of these coatings. Through Tafel polarization curves and scanning electron microscopy, the electrochemical evaluation and the micro-structural characterization of the coatings were respectively made. An increase in the corrosion rate on the systems subjected to 90° and a decrease on those subjected to 30° was observed.

Keywords: Synergy, corrosion, erosion.

pueden mejorarse propiedades tales como la resistencia a la corrosión y al desgaste, la conductividad eléctrica, y utilizarse como barreras de difusión [3]. Con la deposición de varias capas con diferentes propiedades mecánicas entre ellas, se pueden controlar problemas como tensiones superficiales y propagación de fisuras [4].

Los recubrimientos duros han sido diseñados para aplicaciones en las que el acero tradicionalmente presenta daños [5], como es el caso del desgaste que se produce por el impacto continuo de partículas y la degradación por el contacto con fluido corrosivo. Los recubrimientos por deposición física en fase de vapor (PVD) [3], ofrecen ventajas de rendimiento en aplicaciones, ya que ofrecen una adecuada protección contra

Pablo Andrés Guzmán Durán, William Aperador Chaparro, José Luis Caballero Gómez

Cien. Ing. Neogranadina, 25(1): 5-15, 2015

INTRODUCCIÓN

Fenómenos como el desgaste y la corrosión son problemas a los que se ven enfrentados frecuentemente dispositivos de máquinas industriales, en especial los relacionados con el transporte de fluidos como partes de motobombas y aglutinadoras de polímeros [1]. Esto se debe a que algunos de los fluidos son sustancias agresivas que, además, contienen partículas en suspensión, lo que genera dos fenómenos combinados, la corrosión y la erosión, ocasionando grandes daños a las partes expuestas y acortando drásticamente la vida útil de los elementos [2].

Las películas delgadas en forma de monocapas [3], son materiales objeto de estudio debido a que, con la deposición de éstas,


el desgaste. Estos recubrimientos pueden ser clasificados de acuerdo al carácter del enlace químico en los siguientes grupos: materiales duros iónicos, covalentes y metálicos. Esta clasificación contribuye considerablemente a la comprensión de las diferentes estructuras cristalinas y del comportamiento de los materiales en forma de capas delgadas simples.

El nitruro de hafnio (HfN) tiene como principal aplicación el área de recubrimientos que funcionan como barreras térmicas a altas temperaturas [6]. Adicionalmente, posee una dureza superior a los carburos y otros nitruros como lo son el TiN y CrN [7-8]. Por esta razón, las películas delgadas de HfN [9], son un excelente material protector para herramientas de corte de alta velocidad [10]. Según la estequiometria del HfN, este es uno de los compuestos más estables entre los mononitruros de los metales de transición a altas temperaturas, lo cual lo convierte en un candidato ideal como barrera de difusión en esquemas de metalización. La ventaja del HfN es que presenta poca influencia sobre propiedades como dureza y esfuerzos internos, frente a variables de deposición como el voltaje bias.

La corrosión-erosión es una aceleración en la velocidad de corrosión en un metal debido al movimiento relativo de un fluido corrosivo y la superficie del metal. Si además el fluido presenta contenido de partículas sólidas en suspensión, la tendencia es a incrementar el efecto erosivo causando deterioro de la superficie metálica.

Los recubrimientos duros se han convertido en la solución a problemas como la corrosión y el desgaste [11]. La técnica PVD es uno de los procesos más utilizados para la obtención de

recubrimientos duros, englobando cualquier proceso de crecimiento de recubrimientos en un ambiente de vacío que implique la deposición de átomos o moléculas en un sustrato. Esta técnica permite evaporar por medios físicos el material que formará el recubrimiento y condensarlo sobre el sustrato. Este proceso tiene la ventaja de poder aplicarse simultáneamente a conjuntos o piezas.

En este trabajo se estudió la sinergia entre la corrosión dinámica, erosión y corrosión-erosión de los recubrimientos tipo monocapas basados en HfN expuestos a un medio agresivo en condiciones dinámicas. El presente estudio tiene como objetivo evaluar los recubrimientos de HfN con respecto a la resistencia al desgaste frente a la erosión-corrosión, al determinar la mejoría en cuanto a estos fenómenos en comparación con los aceros AISI 4140 [12], e indicar un mejor desempeño con respecto a la sinergia del desgaste mecánico y la degradación electroquímica al variar el efecto del impacto de las partículas de sílice en dos ángulos (30° y 90°).

1. METODOLOGÍA

1.1 DEPOSICIÓN FÍSICA EN FASE DE VAPOR

Monocapas de nitruro de hafnio se depositaron sobre sustratos de acero AISI 4140, los cuales fueron desengrasados por ultrasonido en una secuencia de 15 minutos de etanol y acetona. Los recubrimientos se obtuvieron mediante la técnica del magnetrón sputtering multi-blanco en r.f. (13.56 MHz). Para la deposición de los recubrimientos se utilizaron blancos de 4 pulgadas de diámetro de hafnio con una pureza del 99.9%.

8

La presión base al interior de la cámara de vacío fue de 2.3x10-3 mbar. Antes de iniciar la deposición, los sustratos fueron expuestos a una limpieza por plasma durante 15 minutos en atmósfera de Ar a un bias de -400 V en r.f. Durante el crecimiento, los gases de trabajo fueron una mezcla de Ar (93%) y N2 (7%) con una presión total de trabajo de 3.6x10-3 mbar, a una temperatura del sustrato de 400 °C, un bias r.f. del sustrato de -70 V y una potencia de 400 W.

Con el fin de estudiar la influencia de la sinergia entre la corrosión dinámica, erosión y corrosión-erosión de recubrimientos monocapas se depositaron monocapas de HfN. El espesor de los recubrimientos fue obtenido mediante un perfilómetro DEKTAK 8000 con un diámetro de punta de 12±0.04 µm a una longitud de barrido entre 1000 – 1200 µm. Para todas las muestras el espesor fue de 3µ ± 0.04 µm.

1.2 EQUIPO DE EROSIÓN

En cuanto a la evaluación de la resistencia a la corrosión-erosión se utilizó un equipo de incidencia de chorro de partícula, como se muestra en la Figura 1. Este consiste en un flujo acuoso que se mantiene en movimiento constante por un sistema de recirculación conformado por mangueras, acoples y una bomba de conducción magnética, que controla la velocidad del flujo. La temperatura del fluido es regulada por medio de una resistencia térmica. La cámara de acrílico permite tener las condiciones adecuadas para la realización de los ensayos por ataque directo o por inmersión y el ángulo de incidencia o ángulo de impacto es seleccionado mediante la posición del portaprobeta.

El equipo permite controlar tres variables independientemente: la temperatura del fluido,

la velocidad del flujo y el ángulo de impacto. Los ensayos se realizaron con un ángulo de impacto de 30° y 90°. La velocidad de impacto genera una velocidad lineal promedio de la partícula de 18.5 m s-1 y una temperatura de ensayo de 25 ºC. El equipo tiene adaptado el electrodo de referencia - ER (Ag/AgCl), el contraelectrodo - EA (Alambre de platino) y el portamuestras - ET con un área de exposición de la muestra de 1 cm2. La mezcla se mantiene homogénea debido al movimiento realizado por la bomba mecánica.

Figura 1. Esquema del equipo utilizado en la prueba de desgaste de la erosión-corrosión, EA: electrodo auxiliar;

ET: electrodo de trabajo; ER: electrodo de referencia.

1.3 EVALUACIÓN DEL RECUBRIMIENTO

Para la evaluación de la resistencia a la corrosión dinámica y corrosión-erosión se utilizó un potenciostato–galvanostato Gamry modelo PCI-4, mediante la técnica de polarización anódica. Se ubicaron las probetas bajo inmersión en una solución de NaCl 0.5 M preparada con agua destilada y partículas de sílice (SiO2) con tamaño de partícula entre 210 µm y 300 µm bajo una proporción del




20% wt con respecto al medio. La celda fue compuesta por un contraelectrodo (alambre de platino), un electrodo de referencia de Ag/AgCl y como electrodo de trabajo se utilizó el acero AISI 4140 con y sin recubrimiento en monocapas. La solución de trabajo permite simular condiciones marinas y además corroe metales activos formando cloruros sobre el metal. Los diagramas de Tafel se obtuvieron a una velocidad de barrido de 0.5 mV/s en un rango de voltajes de -0.25V a 0.3V. El comportamiento electroquímico fue evaluado después de 45 minutos, tiempo necesario para la estabilización del potencial de circuito abierto.

Las normas utilizadas en los criterios de medición y cálculos corresponden a las ASTM G3, G5 y G59. Adicionalmente, las muestras fueron expuestas a desgaste por erosión durante un tiempo total de exposición de 1440 minutos a temperatura de 25 ºC en una solución de NaCl 0.5 M con partículas de sílice (SiO2). Para determinar la pérdida de peso debido a la erosión, las muestras se retiraron de la solución a intervalos de tiempo de 15 minutos, se limpiaron con un chorro de agua, se secaron con aire caliente y se pesaron en una balanza de precisión (0.1 mg). La evaluación del fenómeno erosivo se realizó utilizando protección catódica de -1 V con respecto al potencial de circuito abierto del acero y del recubrimiento, respectivamente, de acuerdo con la norma ASTM G119-93. Esta protección catódica garantizó daño superficial sólo por efecto de las partículas erosivas. Los fenómenos de degradación fueron observados con un microscopio electrónico de barrido (SEM). Tanto la morfología de crecimiento como las características superficiales se determinaron con un SEM Phenom FEI equipado con una luz óptica con un rango de magnificación de 50 – 40 000X.

2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Figura 2 se observan las curvas de polarización del acero y los recubrimientos evaluados bajo el medio salino. Con las modificaciones en el ángulo de impacto es posible identificar la prevalencia del mecanismo de desgaste electroquímico en cada caso. Los recubrimientos de monocapas de HfN muestran una diferencia en la densidad de corriente de corrosión al ser evaluados con respecto a diferente energía de impacto debido a las partículas erosivas. En las curvas de polarización se obtiene que los potenciales de corrosión para los dos impactos evaluados en las monocapas son similares. La variación se encuentra en el impacto del fluido y de partículas erosivas.

En los dos ángulos de ataque evaluados se observa que hay mayor daño para el recubrimiento con un impacto de 90° en comparación al de 30°, debido a la mayor densidad de corriente y menor potencial de corrosión. Se obtiene un aumento de seis veces en la densidad de corriente de corrosión. Esto se debe al efecto del ataque de las partículas de forma rasante, lo cual puede generar desprendimiento de la película delgada. Al observar el comportamiento anódico, se obtiene en los dos mecanismos evaluados una corrosión de forma general, debido a que al incrementar el potencial de corrosión, la densidad de corrosión se incrementa. Al comparar el desempeño de los recubrimientos con el sustrato AISI 4140, se obtiene que el potencial de corrosión mantiene una tendencia a ser noble para el recubrimiento en los dos mecanismos evaluados, con una diferencia de potencial en promedio de +200 mV con respecto al sustrato, lo que genera una protección frente a fenómenos corrosivos y erosivos. Al comparar la densidad de corriente

10

de corrosión, se obtiene un incremento para el sustrato. Esto se debe a que la capa de protección pasiva se diluye gracias al efecto de la sinergia, por lo que el efecto de degradación es más acelerado para el sustrato en contraste al mecanismo observado para las Monocapas. Lo anterior se debe a que la densidad disminuye 25 veces menos que el acero AISI 4140, lo que indica que el efecto protector es adecuado utilizando los recubrimientos de HfN.

Figura 2. Curvas de polarización de los recubrimientos monocapas de HfN evaluadas en los ángulos de 30° y

90°. Se incluye el acero a 90° para comparar el sistema.

En la Tabla 1 se reportan en forma cualitativa los valores de los parámetros electroquímicos que permiten indicar el desempeño de las monocapas para los dos ángulos de impacto 30° y 90°. Los recubrimientos muestran una disolución del material de forma moderada. Este fenómeno se encuentra en todos los recubrimientos a -420 mV vs. Ag/AgCl, lo que indica la regeneración de capas de productos de corrosión que permiten estabilizar la densidad de corriente en torno a este potencial y prevenir el incremento de la velocidad de disolución del metal.

Tabla 1. Parámetros electroquímicos que muestran el desempeño de las monocapas

Parámetros Acero 90° 30°

Potencial de corrosión (mV) -590,23 -431,38 -454,94

Corriente de corrosión(µA/cm2)

388 18,10 3,62

Velocidad de corrosión (mpy) 171,3 7,99 1,59

La Figura 3 muestra los diagramas de Nyquist del sustrato y los recubrimientos monocapas sumergidos en solución de NaCl al 0.5 M y expuestas a corrosión dinámica con adición de partículas erosivas. Estos recubrimientos presentan un comportamiento de aumento de la impedancia total en cada una de las monocapas evaluadas, siendo más sobresaliente el evaluado a los 30°. Los diagramas Nyquist correspondientes a las monocapas muestran un comportamiento capacitivo a elevadas frecuencias, en el que se define un semicírculo aplanado. Este fenómeno de aplanamiento del semicírculo se asocia con un proceso de dispersión en la frecuencia, debido a que la superficie del electrodo no es homogénea. Adicionalmente, se observa un proceso de difusión que pretende definir un segundo semicírculo a bajas frecuencias (Figura 3b).

En cada uno de los espectros analizados se incluyen los resultados de la simulación mediante el circuito eléctrico que se muestra en la Figura 4. Como se puede observar, hay una buena concordancia entre los resultados experimentales y los simulados. En la Figura 4 se observa el circuito equivalente correspondiente a los diagramas de Nyquist




para los recubrimientos, los cuales muestran una capacitancia denominada «elemento de fase constante» (CPE), que es independiente de reacciones farádicas, las cuales contribuyen con una pseudocapacitancia (CPE2+CPE1) a la impedancia total del sistema. Por otra parte, en esta celda electroquímica existe también una resistencia eléctrica asociada a la resistencia del electrolito (Rs).

Para la muestra de acero AISI 4140 (sustrato) se obtiene un pequeño semicírculo

insignificante comparado con los resultados de los recubrimientos monocapas de HfN. El modelo que proporcionó mejor ajuste es el presentado en la Figura 4a. En este circuito se observa una constante de tiempo conectada en paralelo con la resistencia a la transferencia de carga, y en serie con la resistencia de la solución. Para los recubrimientos en los cuales se varían los ángulos de impacto se observan dos semicírculos, por esta razón se utilizan dos elementos de fase constante (CP1 y CP2) (ver Figura 4b) para modelar un

(a) (b)

Figura 3. a) Diagramas de impedancia Nyquist y b) Diagramas de bode del acero y las monocapas de HfN sometidas a corrosión dinámica con partículas de sílice para los ángulos de 30° y 90°.

a) b)

Figura 4. Circuito equivalente. a) Circuito para ajustar los datos de impedancia del sustrato; b) Circuito para ajustar los

datos de impedancia de los recubrimientos con los dos números de ángulos de impacto.

12

circuito equivalente. Los elementos CP1-R1, se presentan a altas frecuencias y se asocian a las reacciones que ocurren alrededor de la capa de óxido superficial pasivante generado por los recubrimientos. Un segundo conjunto de elementos CP2-R2, presentes a muy bajas frecuencias (1 mHz) están relacionados con la capa barrera generada por la capa de óxido superficial y el sustrato debido a la transferencia de carga. Este conjunto de elementos representa la respuesta de los procesos ocurridos en el sistema, los cuales son lentos en los recubrimientos obtenidos.

2.1. EFICIENCIA DE LOS RECUBRIMIENTOS

Con los ensayos de caracterización electroquímica se puede determinar la eficiencia de protección, EP (%), de los recubrimientos por medio de la ecuación (1):

(1)

donde icorr e i0corr indican la densidad de

corriente del recubrimiento y del sustrato, respectivamente. Las eficiencias de protección calculadas y las resistencias de polarización se presentan en la Figura 5. La capacidad protectora de la película aumenta con la disminución del ángulo de impacto. Así, el recubrimiento evaluado a 30° presenta el mayor efecto de protección (99.06%), causada por la menor densidad de corriente de 3.62 µA/cm2.

El valor de la porosidad del recubrimiento se midió cuantitativamente, dado que la porosidad corresponde a la relación entre la resistencia a la polarización del substrato y

del recubrimiento, como se muestra en la ecuación (2):

(2)

donde P es la porosidad total del recubrimiento, R(p-s) es la resistencia a la polarización del substrato y R(p-r) la resistencia a la polarización del recubrimiento. El valor correspondiente del recubrimiento evaluado a 90° es de 6.57% y para 30° el valor corresponde a 18.04%. Lo anterior se debe a que la deposición de moléculas de nitruro de hafnio genera una estructura densa libre de poros. Sin embargo, las características electroquímicas en combinación con el efecto mecánico generan aumento en la porosidad, lo que produce pérdida de la eficiencia del recubrimiento, en especial a ángulos rasantes.

Figura 5. Corriente de corrosión y eficiencia de protección.

2.2. EROSIÓN

Para realizar un análisis del efecto de la erosión, en la Figura 6 se muestra la perdida de




material causada por los ángulos de incidencia de 30° y 90°. En la gráfica se observa cómo un mayor ángulo de impacto (90°) produce una mayor pérdida de masa. Inicialmente se tiene una alta pérdida de masa para los dos ángulos de incidencia, pero con el transcurso del tiempo se puede notar cómo, al tener tiempos de estabilización similares en la curva de pérdida de masa, finalmente los niveles son más bajos para ángulos menores.

Figura 6. Curvas de pérdida de masa por el efecto erosión.

2.3. MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

En las micrografías de la Figura 7 se observan las características superficiales de las monocapas de nitruro de hafnio luego del proceso de corrosión-erosión a un ángulo de impacto de 30° y 90°. Según la Figura 7a, correspondiente a la probeta evaluada a 90°, el recubrimiento presenta un deterioro como consecuencia del efecto de la corrosión dinámica y las partículas que han generado forma de surco. Esto es debido a que las partículas generan una abrasión sobre la película delgada.

a)

b)

Figura 7. a) Micrografía de la probeta evaluada con un ángulo de impacto de 90° b) Micrografía de la probeta

evaluada con un ángulo de impacto de 30°.

En la figura 7b se observa una zona donde el daño por procesos corrosivos no es visible. Al exponer estos recubrimientos a 30°, se genera un sistema de protección y se obtienen regiones en donde el impacto de las partículas genera daño mecánico sin producirse agrietamiento. Estas áreas muestran una superficie libre de fracturas representando la acción protectora otorgada por los recubrimientos bajo esta condición, que se debe a la eliminación de la capa protectora por la acción erosiva.

14

3. CONCLUSIONES

Teniendo en cuenta el ángulo de incidencia, fue posible determinar cómo brindar una mejor protección frente a la corrosión. La eficiencia de protección del ángulo de 90º fue menor en comparación a la del ángulo de 30º, lo que permite identificar la correlación que existe entre los ángulos de incidencia y la eficiencia de protección frente a fenómenos erosivos.

En las micrografías de los dos diferentes ángulos de impacto se puede observar el efecto que tiene el recubrimiento como capa protectora ante la erosión. Se obtuvo capa más gruesa para 90°, en la que solo se observa impactos de las partículas en la superficie pero con mayores daños corrosivos, mientras que para 30° se puede visualizar un micro–arado como consecuencia del desgaste pero con procesos corrosivos menores.

AGRADECIMIENTOS

Producto derivado del Proyecto ING-1526 financiado por la Vicerrectoría de Investigaciones de la UMNG vigencia 2014.

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ASPHALT MIXTURE DIGITAL RECONSTRUCTION BASED ON CT IMAGES

RECONSTRUCCIÓN DIGITAL DE MEZCLAS ASFÁLTICAS BASADA EN IMÁ-GENES DE TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA

Wilmar D. Fernández1, Jeison D. Pacateque2, Miguel S. Puerto3, Manuel I. Balaguera4, Fredy Reyes5


Referencia: W.D. Fernández, J.D. Pacateque, M.S. Puerto, M.I. Balaguera, F. Reyes. (2015). Asphalt mixture digital reconstruction based on CT images. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp. 17 - 25

ABSTRACT

More than 80% of pavements in Colombia and worldwide are made of asphalt mixtures. Those mixtures have usually been studied as a single material, but they are actually a three phase material, since they are composed of rocks, mastics and air voids. In addition, the behavior of the asphalt mixtures depends on the characteristics of each phase. The aim of this project is to make an asphalt mixture real sample reconstruction from X-Ray Computerized Axial Tomography (CAT). The reconstruction process has three stages: Scanning, Segmentation, and Data Scaling. All these stages were developed in Python under Object Oriented Programming (OOP) and were implemented through the use of several tools, such as Numpy, Scipy, Pydicom, Scikit-learn, Matplotlib and Mayavi. As a result, a tridimensional digital model called ToyModel was developed. This model is a 3D digital solid represented by a set of 1 mm3 voxels. The reconstructed ToyModel accurately represented the real sample, since the ToyModel air void volume was 3.98% and the real sample air void content volume was 4%. This Python implementation is a good tool to model any asphalt mixtures, not only to extract sample composition, but also to simulate different processes, e.g., Finite Element Method (FEM) analysis.

Keywords: Asphalt mixtures, X-Ray CT images, ToyModel, scanning, segmentation, scaling.

1. Civil Engineer, Ph. D., Associate Professor, Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, [email protected]

2. Systems Engineer, Student, Facultad de Ingeniería, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, [email protected] 3. Systems Engineer, Student, Facultad de Ingeniería, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, [email protected]. Physicist, Ph. D., Associate Professor, Facultad de Ingeniería, Universidad Konrad Lorenz, Bogotá, Colombia, [email protected]. Civil Engineer, Ph. D., Titular Professor, Departamento de Ingeniería Civíl, Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá, Colombia, [email protected]

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RESUMEN

Las mezclas asfálticas son materiales con los que está construido más del 80% de los pavimentos en Colombia y en el mundo. Por lo general, para su estudio, se consideran como un solo material aunque están compuestas por rocas, mastic y vacíos con aire, y su comportamiento depende de las características de cada una de las fases. El objetivo de este proyecto es realizar la reconstrucción tridimensional de una muestra de mezcla asfáltica a partir de imágenes de tomografía axial computarizada. El proceso de reconstrucción consta de tres etapas: escaneo, segmentación y escalamiento de la imagen. Estas se implementaron en Python bajo el paradigma de programación orientada a objetos (OOP) y en el que se utilizaron herramientas como Numpy, Scipy, Pydicom, Scikit-learn, Matplotlib y Mayavi. Como resultado se reconstruyó un modelo digital tridimensional denominado ToyModel, un sólido tridimensional representado en voxeles de 1 mm3. El ToyModel reconstruido tuvo una representación altamente significativa con respecto a la original, ya que el volumen de vacíos con aire de la muestra real debe estar entre 4 y 8% según la normatividad del Instituto de Desarrollo Urbano (Bogotá, Colombia) y se obtuvo un valor de 3.98%. Este proceso es una buena herramienta para representar la composición de las mezclas asfálticas y con el modelo reconstruido se pueden realizar diferentes procesos de simulación, como por ejemplo análisis de Elementos Finitos.

Palabras clave: Mezclas asfálticas, imágenes de tomografía axial de rayos X, ToyModel, escaneo, segmentación, escalamiento.

INTRODUCTION

Digital image processing techniques and digital reconstructions are a fundamental step to perform materials simulations and to study their phenomena, e.g., asphalt mixture aging. Despite the complex heterogeneous asphalt mixtures composition of aggregates, binder, and air voids, they have been traditionally modeled as a homogeneous material [1]. However, their components (materials) have different mechanical behaviors and present different responses to environmental variables and mechanical loads. Therefore, when processing the image, it is necessary to

identify the asphalt concrete components in order to do a reliable reconstruction and perform more accurate simulations on this reconstruction.

The scientific literature contains a significant amount of works of asphalt mixtures models viewed as a homogeneous material, in combination with FEA (Finite Element Analysis) and other numerical simulations. Other studies focus on the characteristics of certain components, such as the one carried out by Zhang et al. [1] that analyzed the angularity of coarse aggregate by performing a histogram-

Wilmar D. Fernández, Jeison D. Pacateque, Miguel S. Puerto, Manuel I. Balaguera, Fredy Reyes



based segmentation over aggregates images. However, in recent years, some authors have taken into account asphalt mixtures heterogeneous composition. Caro et al. [2] developed a model in order to study asphalt oxidation effects. This model includes coarse aggregates, a Fine Aggregate Mixture (FAM), and air voids. The first two elements were extracted directly from the image while the air void phase was incorporated into the model by following probabilistic principles. Likewise, other researchers have used statistical methods to develop heterogeneous asphalt models [3-4]. Hao et al. [5] developed a threshold selection scheme for Hot Mixture Asphalt (HMA) images, using Shuffled Frog Leaping Algorithm (SFLA) to optimize the search procedure in multilevel Kapur entropy. In addition, Zhang et al. [6] applied X-Ray Computerized Tomography (X-Ray CT) in order to build a 3D digital asphalt mixture reconstruction and then they took this data as an input for FEA software Abaqus® [7]. It is important to highlight that few studies have been done regarding 3D modeling of asphalt mixtures since more researches have been developed using one or certain amount of 2D asphalt specimen cross sections.

This project sought to develop a 3D reconstruction of a cylindrical asphalt mixture sample from a set of images on a Dicom file format, a typical X-Ray CT scan output (for detailed information refer to Pacateque et al. [18]). The components of asphalt mixture were identified through three-phase segmentation. Additionally, the 3D model was rescaled in order to prepare the data for subsequent FEA. This process was implemented on the Python programming language [8] by using the open-source libraries Numpy, Scipy [9], Pydicom [10], Scikit-learn [11], Matplotlib [12] and Mayavi [13].

1. MATERIALS AND METHODS

The asphalt mixtures used for this project were made of the same materials employed to build asphalt pavements in Bogotá, Colombia. Asphalt cement samples were taken from vacuum bottoms processed in an oil refinery located in Barrancabermeja, Colombia, and mineral aggregates (rocks) came from the Coello River, located in Tolima, Colombia. In order to build the cylindrical samples (asphalt concrete), the Superpave method was used. This method defines the air void tolerance level of the asphalt mixture between 4% and 8%. The asphalt mixture was prepared using the proportions recommended by the Instituto de Desarrollo Urbano de Bogotá (IDU as per the acronym in Spanish) for the MD-12 mixture and it was built with a diameter of 100 mm and a height of 700 mm. Those samples were made at the Civil Engineering Laboratory at Pontificia Universidad Javeriana.

1.1 SCANNING PROCESS

Figure 1. Real asphalt sample digitalization concept.

X-Ray CAT was used for the scanning process. The cylindrical asphalt mixture sample was transformed into digital information, from now on called ToyModel (Figure 1). Using a

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Toshiba Aquilion tomography scanner from the San Ignacio Hospital (Bogotá, Colombia), the scanning was executed on different planes: transaxial, sagittal and coronal. The specific energy level used was 135 KVP (Kilo-Voltage Potential) with a configuration of 0.5 mm slice width. Then, raw data obtained were stored as several sets of Dicom images, a typical file format for CAT scans. The transaxial set of images was chosen since it was more suitable given the field conditions and had a better mathematical condition for the scaling process. The raw data were 211 images, which represented slices, each one with a size of 514.4 Kb and a total of 345 Mb for the complete ToyModel. Taking into account the physical configuration of the real sample, three phases were established: rocks, mastic, and air voids. The rock phase was the material larger than 1 mm, while mastic corresponded to the mixture of asphalt cement and fine rocks with a size up to 1 mm. To match the real sample with the ToyModel, the digital unit used for the reconstruction was the voxel (cubic shape) with 1 mm side.

1.2 DATA SCALING

Since each image has a matrix of 512 by 512 pixels, an interpolation process was developed to construct the digital ToyModel in the dimensions of the aforementioned voxels. For this purpose, the C-Spline algorithm was applied. It consists in finding a function which is the linear combination of piecewise defined functions known as Basis Splines (B-Spline) [14].

Those B-Splines are smooth functions whose first, second, and third derivative pass through one point of the given discrete set, i.e., the set of equations (1). This method has some

advantages over the traditional methods (polynomial interpolation): the approximation is more accurate; the result is guaranteed to be a continuous function, which uniformly converges to the target function; and finally, it does not have the effect of propagation as in polynomial interpolations, in which if the function to be interpolated varies rapidly in some interest region, the whole function is affected. The linear combination of the B-Spline functions can be expressed by the next equation:

(2)

1.3 SEGMENTATION

Thereafter, to classify the materials from the sample, a segmentation algorithm was implemented. In this case, the K-means algorithm, which is based on the Lloyd’s algorithm [15], was used. The k-means algorithm takes a dataset X of N values from every pixel of the X-ray CT slices denominated the Hounsfield Units [16]. A parameter K specifies how many clusters to create. The output is a set of K clusters centroids and a labeling of X that assigns each of the points in X to a unique cluster. K-means finds evenly-spaced sets of points in subsets of Euclidean spaces called Voronoi diagrams. Each of the

(1)




partitions found will be a uniformly shaped region denominated Voronoi cell, one for each material. This process is executed in two steps:

• The assign step consists in calculating a Voronoi diagram having a set of centroids µ_n. The clusters are updated to contain the closest points in distance to each centroid as it is described by the equation (3):

(3)

• The update step, given a set of clusters,recalculates the centroids as the means of all points belonging to a cluster.

(4)

The k-means algorithm loops through the two previous steps until the assignments of clusters and centroids no longer change. The convergence is guaranteed but the solution might be a local minimum as shown in the equation (5):

(5)

2. COMPUTATIONAL IMPLEMENTATION

For data computation, Object Oriented Programming (OOP) resulted convenient because it easily represents the entities involved in physical phenomena. The aim of OOP is to represent systems through objects with attributes, and the objects’ state can be updated by routines denominated methods

[17]. There are several programing languages that support OOP, e.g., Java, Ruby, and C++. However, the Python programming language has become a useful tool for scientists and scientific computing over the last few years because of two important libraries: Numpy and Scipy. Numpy is an extension to Python, which adds support for large, multidimensional arrays and matrices, along with a large library of high-level mathematical functions to operate on these arrays. In addition, Scipy is a Python-based environment of open-source software for mathematics, science, and engineering.

To be precise, the Pydicom library was used to inspect data from Dicom files and the Numpy data structure supported this large data matrix. The K-means algorithm was implemented through the Scikit-learn library from its clustering module algorithms. As far as C-Spline is concerned, the Scipy module of interpolation was applied for the rescaling process. Likewise, the open source plotting tool Matplotlib was used for the visualization of the ToyModel slices, with the advantage of direct Numpy data input. This tool is also compatible with Qt, a widely used platform to develop software with Graphic User Interfaces (GUI). When the slice is being rendered, Matplotlib can handle many color maps, since this library sets a range of colors based on the given Hounsfield Units. Once the interpolation and segmentation of the data were finished, the Matplotlib color-maps were modified to represent the three labels to differentiate the aggregate elements, the mastic, and the air voids in the asphalt mixture sample. Finally, in order to obtain a 3D view of the segmented data, the Mayavi library was employed. It provides an easy and interactive visualization of 3D data with seamless integration with Python scientific libraries.

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3. RESULTS

By using a single X-Ray CAT slice (Figure 2) from the sample as a reference for comparison, Figure 3 shows the output from the segmentation process and Figure 4 shows the result once the rescaling and segmentation were applied before the 3D reconstruction.

Figure 2. Original X-Ray CT Dicom image showing size in Pixels and Hounsfield Units color-bar.

Figure 3. Segmented X-Ray CT Dicom image showing size in Pixels and segmented materials color-bar.

Figure 4. Scaled and segmented X-Ray CT Dicom image

showing size in Pixels and segmented materials color-bar.

The color red is used to show the aggregates in the asphalt mixture, the color blue represents the mastic, and the color white the air voids. In the original image, the seismic color map was chosen to match the selected colors on the processed images. While the original image had 512 square pixels of area and pixel values from -2048 to 4000, the segmented image (with the same size) only has 3 pixel values from 0 to 2 representing the sample voids, mastic, and aggregates, respectively. The reduced image, by applying an interpolation factor of 100/450, has 100 square pixels of area and the 3 pixel values from the segmentation process, which reduces the amount of data by 96.2% for each image. Once the interpolation and segmentation processes over the X-Ray CAT samples are done, the 3D representation can be seen using Mayavi library as shown in Figure 5. The asphalt mixture materials are red for the aggregates, yellow for mastic, and green for air voids. The translucent yellow regions are 3D representation of air voids. After the digital reconstruction, a count of the sample elements was performed as a method




for model validation. The number of pixels for each material and its percentages were: 3.98% of air voids, 37.5% of mastic and 58.5% of aggregates. These percentages match the Superpave specification. Considering the need to differentiate the air void pixels within the cylinder from the air void space outward, a blue mask (on Figure 5) was applied to label the outward pixels, isolating them from the reconstruction.

Figure 5. 3D reconstruction of the asphalt mixture sample rendered on Mayavi.

4. DISCUSSION

The X-Ray CT energy levels were set to highlight the three target materials. Knowing the general proportions of asphalt mixtures and the corresponding Hounsfield units for aggregates, mastics and air voids represents an advantage of the image processing techniques over digital photography (even high resolution photography).The K-means algorithm was

applied on the raw data considering three different material components (mastic, aggregates and air voids) of asphalt mixtures since, for this algorithm, the number of clusters has to be known and taken as an input. This is different from the strategy used by Hao et al. [5], who developed a more general algorithm suitable for other kind of images (with n clusters). As a result of the implementation of the aforementioned algorithm, we collected 211 segmented Dicom images in 1.9 seconds using a laptop with a Core i3® 380 M Processor, 4 Gb of RAM, Python 2.7 and GNU/Linux 3.13.0-35-generic Kubuntu 14.04 64 bits.

The methods applied are more accurate than models with probabilistic assumptions, as mentioned in Caro [2] and other authors [4-6], even though a rescale process was performed. Regarding the scaling of the voxels to the required size (1 mm * 1 mm * 1 mm), there is not enough evidence of applicable methods over digital reconstructions of asphalt mixtures. The C-Spline algorithm is a trustworthy approach since the volumetric reconstruction compared to the real sample has a coincidence of 95%. In addition, the computation performance produced 211 scaled images in 7.5 seconds.

The implementation was made in a self-written application using Python and open-source libraries rather than other traditional and copyrighted programming languages or software applications, e.g., Matlab ®. This was due to the fact that copyrighted software and libraries hide details of the implementation of algorithms. On the other hand, open-source code allows and stimulates researchers to replicate the methods and results, contributing to validation through collaborative work of the academic community.

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5. CONCLUSIONS

The three-phase segmentation executed on the original Hounsfield values and the resulting air void percentages ensure comparable digital recreations to the samples employed in the laboratory. The developed application can be used on different asphalt mixture samples to obtain reliable digital reconstructions as well.

Digital reconstructions allow not only to identify the amount and proportions of the materials on the ToyModel, but also to obtain its exact distribution, which is a relevant factor in asphalt mixtures aging, as Caro et.al. [2] pointed out. It is possible to achieve a higher degree of complexity in the physical phenomena reconstructed on subsequent simulations. The scaling process reduces the amount of data obtained from the scanning of the real sample without losing reliability, hence, the materials of the sample (rock, mastic and air voids) remain proportioned, whereas the computational cost of subsequent simulations is decreased.

Python constitutes an easy-to-learn open-source software ecosystem in which the academic community can work on scientific computing, in contrast to privative software in which the results are available, but the implementation of the methods is hidden and, therefore, irreproducible, preventing the validation of scientific findings.

ACKNOWLEDGMENTS

Special acknowledgments to the San Ignacio Hospital for providing the X-Ray CAT scanner that made this project possible.

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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA PROCESADORA DE PESCADO EN REACTORES ANAERÓBICOS

DISCONTINUOS

WASTEWATER TREATMENT OF A FISH PROCESSING INDUSTRYIN BATCH ANAEROBIC REACTORS

Julio César Marín Leal1, Carlos Aníbal Chinga Panta2, Abrahan Isaac Velásquez Ferrín3, Pierre Andrés González Cabo4, Luz María Zambrano Rodríguez5

Fecha de recepción: 21 de Julio de 2014Fecha de aprobación: 13 de Febrero de 2015

Referencia: J.C. Marín Leal, C.A. Chinga Panta, A.I. Velásquez Ferrín, P.A. González Cabo, L.M. Zambrano Rodríguez. (2015). Tratamiento de aguas residuales de una industria procesadora de pescado en reactores anaeróbicos discontinuos. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp. 27 - 42

RESUMEN

En el presente trabajo se evaluó el tratamiento de las aguas residuales de una industria procesadora de pescado de la ciudad de Manta (Ecuador), en reactores anaeróbicos discontinuos, y se estableció su adecuación a las normas ambientales vigentes en materia de vertido. Para ello, se realizaron ensayos de laboratorio en reactores discontinuos de 1 L, con un tiempo de contacto de 24 h y provistos de un lodo anaerobio procedente de una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas. Dicho efluente fue diluido con agua destilada en proporciones de 33%, 66% y 100%, correspondientes a las etapas I, II y III, respectivamente. Durante cada etapa se monitorearon los

1. Biólogo, M.Sc., Ph.D., Investigador del Programa Prometeo. Departamento Central de Investigación (DCI), Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Mana-bí (ULEAM). Manta, Provincia de Manabí, Ecuador. Profesor Titular, Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Civil, Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (DISA). Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela, [email protected]

2. Biólogo Marino, M.Sc., Investigador II. Departamento Central de Investigación (DCI). Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí (ULEAM). Manta, Provincia de Manabí, Ecuador, [email protected]

3. Biólogo Marino, M.Sc., Docente-Investigador, Departamento Central de Investigación (DCI). Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí (ULEAM), Manta, Provincia de Manabí, Ecuador, [email protected]

4. Auxiliar de Investigación, Estudiante de Ingeniería de Recursos Naturales y Ambiente, Departamento Central de Investigación (DCI). Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí (ULEAM), Manta, Provincia de Manabí, Ecuador, [email protected]

5. Auxiliar de Investigación, Estudiante de Ingeniería de Recursos Naturales y Ambiente, Departamento Central de Investigación (DCI). Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí (ULEAM), Manta, Provincia de Manabí, Ecuador, [email protected]

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siguientes parámetros, de acuerdo con los métodos estándares: pH, alcalinidad total, DBO5.20, DQO, nitrito, amonio, nitrógeno total Kjeldahl (NTK), ortofostato, sulfato, sólidos suspendidos totales (SST) y sólidos suspendidos volátiles (SSV). Los resultados muestran porcentajes de remoción de materia orgánica, expresados como DBO5.20 (37.9±4.1%; 41.8±7.6% y 46.2±3.2%) y DQO (34.7±9.7%; 36.9±9.2% y 43.8±4.1%, para las etapas I, II y III, respectivamente), relativamente bajos como resultado del origen del inóculo usado, así como del contenido relativo de sales en el efluente industrial. Las remociones de amonio, NTK y ortofosfato estuvieron entre 60-95%, 25-37% y 6-25%, respectivamente. Bajo las condiciones de los ensayos realizados, el efluente tratado requiriere de la aplicación de un postratamiento para reducir el contenido de materia orgánica y nutrientes a los límites permisibles de descarga establecidos en la República de Ecuador.

Palabras clave: Efluente industrial, materia biodegradable, lodo anaerobio, reactores discontinuos, tratabilidad anaeróbica.

ABSTRACT

In this paper, the treatment of wastewater from a fish processing industry (Manta, Ecuador) in batch anaerobic reactors was evaluated and its adjustment to current environmental standards for discharge was established. For this purpose, laboratory tests were performed in 1 L reactors supplied with sludge from an anaerobic treatment plant of domestic wastewater, with a contact time of 24 h. The effluent was diluted with distilled water in proportions of 33%, 66%, and 100% corresponding to the stages I, II, and III respectively. During each stage, the following parameters were monitored according to standard methods: pH, total alkalinity, BOD5.20, COD, nitrite, ammonium, total Kjeldahl nitrogen (TKN), orthophosphate, sulfate, total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS). Results show removal percentages of organic matter, expressed as BOD5.20 (37.9±4.1%, 41.8±7.6%, and 46.2±3.2%) and COD (34.7±97%, 36.9±9.2%, and 43.8±4.1%, for the stages I, II and III, respectively), relatively low as a result of the inoculum source used, as well as the salt relative content in industrial effluent. The removals of ammonium, TKN and orthophosphate were between 60-95%, 25-37%, and 6-25%, respectively. The treated effluent requires a post-treatment to reduce organic matter contents and nutrients to the discharge limits allowed in the Republic of Ecuador.

Keywords: Anaerobic sludge, anaerobic treatability, batch reactor, biodegradable matter, industrial effluent.

INTRODUCCIÓN

La ciudad de Manta constituye el primer puerto pesquero del Ecuador y es considerada como la capital del atún en la costa del Pacífico oriental. Su estratégica ubicación en la zona costera

desencadenó el asentamiento de numerosas industrias pesqueras a lo largo de los años, lo cual ha generado importantes problemas, particularmente de índole ambiental. Esto se debe a que la mayoría de estas empresas no cuenta con sistemas propios de tratamiento de


Julio César Marín Leal, Carlos Aníbal Chinga Panta, Abrahan Isaac Velásquez Ferrín, Pierre Andrés González Cabo, Luz María Zambrano Rodríguez


aguas residuales y opta por evacuarlas, en unos casos, al sistema de alcantarillado doméstico, en otros, a las quebradas y ríos más cercanos a sus instalaciones, o en su defecto, al mar, a través de conexiones directas, sin atender la normativa ambiental vigente [1].

Entre las consecuencias generadas en la zona de influencia de estas empresas se tienen las siguientes: i) contaminación de ríos (Manta y Burro) y áreas costeras, ii) problemas de insalubridad en las zonas de descarga, iii) contaminación atmosférica por malos olores, iv) pérdida del potencial turístico de la región (Playas La Poza, Tarqui, Los Esteros, El Murciélago, otras), v) incumplimiento de la normativa legal vigente en materia de vertido y disposición de efluentes, y vi) colapso del sistema de drenaje urbano y pérdida de eficiencia de la planta de tratamiento local.

La situación antes descrita justifica el desarrollo y evaluación de tecnologías de tratamiento encaminadas a reducir los impactos ambientales ocasionados por el inadecuado manejo y disposición de efluentes industriales, considerando su composición y efectos sobre los ecosistemas naturales. En este sentido, el tratamiento biológico surge como alternativa viable, ya que utiliza la versatilidad metabólica de los microorganismos para la oxidación de la materia orgánica presente en los efluentes (fuente de carbono y/o energía), con la subsecuente reducción del contenido de nutrientes y otros contaminantes [2-5].

En el tratamiento anaeróbico, los contaminantes orgánicos (expresados como demanda química de oxígeno, DQO, y/o como demanda bioquímica de oxígeno, DBO5.20) son convertidos en lodo biológico y biogás (metano y dióxido de carbono), y queda un pequeño remanente que no es susceptible a la biodegradación.

Las principales ventajas de esta tecnología, especialmente para plantas de tratamiento de grandes dimensiones, son: i) bajos costos de operación, ii) poco requerimiento de espacio, iii) producción de biogás (posible fuente de energía), y iv) baja producción de lodos. De esta manera, los sistemas anaerobios resultan muy adecuados para el tratamiento de aguas residuales de industrias procesadoras de pescado, debido a su alta capacidad de eliminación de materia orgánica. Con ellos es posible conseguir una reducción significativa de los costos de inversión, en comparación a los sistemas aeróbicos, y se generaría además, una cantidad más pequeña de lodo altamente estabilizado y con mayor tendencia a la deshidratación [3, 6-7].

El objetivo de este trabajo consistió en evaluar el tratamiento de las aguas residuales de una industria procesadora de pescado de la ciudad de Manta (Ecuador), en reactores anaeróbicos discontinuos, y establecer su adecuación a las normas ambientales vigentes en materia de vertido al mar y al sistema de alcantarillado.

1. MATERIALES Y MÉTODOS

A continuación se describen los materiales y métodos empleados en la presente investigación para evaluar el tratamiento de las aguas residuales de una industria procesadora de pescado de la ciudad de Manta (Ecuador), en reactores anaeróbicos discontinuos, bajo condiciones de laboratorio.

1.1 EFLUENTE INDUSTRIAL

El efluente industrial se obtuvo de una empresa procesadora de pescado de la ciudad de Manta (Ecuador), la cual maneja unas 20

30

toneladas diarias de atún para la fabricación de conservas (atún en aceite vegetal) y empaques herméticos (sachet y lomos de atún). Dicho efluente correspondió a la mezcla de los residuos líquidos de todos los procesos de la empresa (descongelamiento, limpieza, cocción, envasado, esterilización, etc.), los cuales son almacenados en un tanque de estabilización antes de su incorporación al sistema de alcantarillado público. Las muestras fueron recogidas en recipientes plásticos de 20 L y transportadas al laboratorio, donde se mantuvieron a 4°C hasta su tratamiento.

1.2 REACTORES ANAERÓBICOS DISCONTINUOS

Se conformaron cuatro reactores en matraces Erlenmeyer de 1 L, con un contenido de 20% de lodo biológico anaerobio y 80% de efluente en tratamiento (Figura 1). El lodo fue obtenido del sedimento de unas lagunas anaeróbicas de la localidad, que eran alimentadas con aguas residuales domésticas. Dicho lodo fue aclimatado con los efluentes durante dos semanas antes de iniciar las pruebas.

Figura 1. Conformación de los reactores anaeróbicos discontinuos usados en la presente experimentación.

Dos reactores se utilizaron para el tratamiento de los efluentes industriales,

mientras que los dos restantes sirvieron como controles, los cuales fueron alimentados con un efluente sintético (Tabla 1). Estos reactores control sirvieron como referencia de comparación para la biodegradabilidad anaeróbica del efluente industrial, ya que contenía glucosa como única fuente de carbono y energía [8].

Tabla 1. Proporciones de nutrientes empleadas para el efluente sintético usado en el presente estudio.

Compuesto Cantidad

MgCl2.6H2O 0,085 g/L

(NH4)6Mo7O24.4H2O 40 µg/L

NiSO4.6H2O 500 µg/L

CoCl2.6H2O 50 µg/L

FeCl2.6H2O 0,64 µg/L

H3BO3 100 µg/L

NH4Cl Variable

CaCl2 0,04 g/L

MnCl2.4H2O 500 µg/L

KH2PO4 + K2HPO4 Variable

ZnSO4.7H2O 500 µg/L

(NH4)2SO4 0,13 g/L

NaHCO3 1,0 g/L

CuSO4.5H2O 5 µg/L

Fuente: Chacín, 1993 [8].

Todos los reactores fueron cerrados herméticamente y funcionaron de manera discontinua, a un tiempo de retención hidráulico (TRH) de 24 h, bajo condiciones mesofílicas y con agitación manual dos veces al día.




1.3 TRATAMIENTO ANAERÓBICO DE EFLUENTE INDUSTRIAL

La digestión anaeróbica de los efluentes de la industria procesadora de pescado se evaluó en tres etapas (Tabla 2), mediante su dilución con agua destilada, a fin de prevenir los choques orgánicos y el efecto de la salinidad sobre la comunidad microbiana del lodo [9-11]. El contenido de glucosa en los reactores control también fue aumentado en las diferentes etapas, con una proporción de DQO un poco mayor que la del efluente industrial, considerando la naturaleza altamente biodegradable de este compuesto orgánico. Cada etapa experimental se extendió hasta observar una estabilidad en las concentraciones de DQO finales (efluente tratado), lo cual se logró aproximadamente a los 25 días de experimentación.

Tabla 2. Etapas de experimentación en los reactores anaeróbicos discontinuos para el tratamiento de los

efluentes de la industria procesadora de pescado.

Etapa Duración(días)

Tratamiento Control

Proporción de efluente

industrial (%)

DQO teórica del afluente

(mgGlucosa)/L)

I 25 33 1000

II 26 66 2500

III 24 100 5000

Transcurrido el TRH (24 h), los reactores eran descargados usando una manguera a manera de sifón y cargados nuevamente con una porción fresca de efluente industrial. El efluente tratado se usaba para realizar los análisis fisicoquímicos correspondientes.

1.4 CONTROL Y ANÁLISIS DEL SISTEMA EXPERIMENTAL

Los parámetros monitoreados para establecer la calidad del efluente final fueron los siguientes, de acuerdo con los métodos estándares: pH, alcalinidad total, DBO5.20, DQO, nitrito, amonio, nitrógeno total Kjeldahl (NTK), ortofosfato, sulfato, sólidos suspendidos totales (SST) y sólidos suspendidos volátiles (SSV) [12]. Todos los análisis fueron realizados por duplicado sobre muestras filtradas (filtros de fibra de vidrio MERCK de 0.7 µm de tamaño de poro), con la finalidad de eliminar la interferencia debida a la presencia de sólidos suspendidos. No fue posible cuantificar el volumen de biogás producido, debido a problemas de fuga en las conexiones de los reactores (Figura 1).

1.5 ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE DATOS

Se calcularon las medias aritméticas y las desviaciones estándares empleando el programa Microsoft Excel 2010 para Windows 7. Se utilizó el programa IBM SPSS Statistics Ver. 20 para realizar un análisis de varianza (ANOVA) de dos vías, con la finalidad de determinar las diferencias significativas en los parámetros fisicoquímicos, considerando el tipo de efluente (tratamiento vs. control) y las etapas experimentales (I, II y III). Antes de realizar el ANOVA se comprobaron, tanto la homogeneidad de las varianzas (Test de Bartlett), como la distribución normal de los residuos (Test de Kolmogorov-Smirnov). Adicionalmente, se estableció un estudio de correlación de Pearson entre los parámetros fisicoquímicos dentro de los reactores para conocer su intervención sobre la remoción de la materia orgánica, considerando n=75 y rteórico=0.274 (p<0.01).

32


En esta sección se describen y discuten los resultados obtenidos durante el tratamiento de las aguas residuales de una industria procesadora de pescado de la ciudad de Manta (Ecuador), en reactores anaeróbicos discontinuos, bajo condiciones de laboratorio.

2.1 CARACTERIZACIÓN DEL EFLUENTE INDUSTRIAL

En la Tabla 3 se muestran los resultados de la caracterización fisicoquímica inicial del efluente de la industria procesadora de pescado y su comparación con los límites permisibles de descarga de la República de Ecuador. Estos

Tabla 3. Características fisicoquímicas iniciales del efluente de la industria procesadora de pescado usado en el presente estudio, y límites máximos permisibles para descarga en la República de Ecuador.

Parámetro X±DE Límite descarga agua marina*

Límite descarga alcantarillado*

pH 7.41±0.52 6-9 5-9

Alcalinidad total (mgCaCO3/L) 1105.2±67.3 - -

Conductividad eléctrica (mS/cm) 9.89±2.7 - -

Potencial redox (mV) -14.1±1.9 - -

Oxígeno disuelto (mg/L) 1.92±0.33 - -

Salinidad (mg/L) 5730.3±87.5 - -

Cloruro (mg/L) 1620.7±84.7 - -

DBO5.20 (mg/L) 2290.3±121.7 100 250

DQO (mg/L) 2565.6±237.2 250 500

Nitrito (mg/L) 0.39±0.02 - -

Amonio (mg/L) 79.71±2.64 - -

NTK (mg/L) 327.08±5.69 40 40

Ortofosfato (mg/L) 42.67±1.32 10 (P-total) 15 (P-total)

Aceites y grasas (mg/L) 6.49±1.07 0,3 100

Sulfato (mg/L) 1290.60±54.18 - 400

SDT (mg/L) 5070.4±93.2 - -

SST (mg/L) 421.6±64.7 100 220

SSV (mg/L) 360.9±35.6 - -

n=6, X: media aritmética, DE: desviación estándar,Fuente: República de Ecuador, 2008 [13].




resultados reflejan que las concentraciones de DBO5.20, DQO, NTK, ortofosfato, aceites y grasas, sulfato y SST no cumplen con la norma ambiental [13], lo cual justifica la examinación de tecnologías de tratamiento, dirigidas a minimizar los impactos ambientales ocasionados por el vertido de estos efluentes al ambiente.

La composición fisicoquímica del efluente industrial usado en el presente estudio resultó comparable a la mostrada en otros trabajos, como por ejemplo de Sankpal y Naikwade [14], quienes reportaron una concentración de DQO entre 1200 y 2200 mg/L para el efluente pesquero de una industria en la India. De igual manera, Cristóvão et al. [4], señalaron un contenido de SST de 284-653 mg/L y una conductividad eléctrica de 4.0-20.2 mS/cm para las aguas residuales de una industria de conservas de pescado en el Norte de Portugal.

Por otra parte, el factor de biodegradabilidad (relación DBO5.20/DQO) obtenido para el efluente de la industria procesadora de pescado fue de 0.89, lo que indica la naturaleza altamente biodegradable del mismo, así como la factibilidad de aplicar tratamiento biológico para remover materia orgánica y nutrientes [9, 15].

2.2 PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS

Las variaciones del pH y de la alcalinidad total durante el tratamiento del efluente de la industria procesadora de pescado estuvieron dentro de los rangos considerados como óptimos para el crecimiento de microorganismos anaerobios mesófilos [6, 16], los cuales fueron de: 7.13±0.13, 7.62±0.29 y 7.61±0.14; y de 552.1±79.7, 1025.8±46.4 y 1520.8±96.4 mgCaCO3/L para las etapas I, II y III, respectivamente. Dichos valores fueron significativamente diferentes (p<0.0001) a los

observados en los reactores control y entre las etapas de tratamiento.

Los valores de pH del efluente industrial tratado estuvieron también dentro del rango establecido por la normativa ecuatoriana para la descarga, tanto en agua marina (pH 6-9) como en la red de alcantarillado (pH 5-9) [13]. La norma no contempla límites permisibles de descarga para alcalinidad total.

Por su parte, la concentración inicial de SO4-2

(1290.60±54.18 mg/L; Tabla 2) del efluente de procesamiento de pescado se logró disminuir en 44.8%, 42.7% y 32.9% durante el tratamiento en los reactores anaeróbicos discontinuos (etapas I, II y III, respectivamente). El proceso que domina bajo las condiciones del ensayo establece que el sulfato se reduzca a H2S vía reducción desasimilativa [17-18], mediante el acoplamiento de la oxidación de la materia orgánica (donador de electrones) a la reducción de sulfato (aceptor de electrones) con la participación de bacterias fermentativas hidrolíticas que degradan materia orgánica compleja [19].

Los contenidos de SST y de SSV en el efluente tratado presentaron valores medios de 88.44±24.44, 79.62±9.45 y 104.86±22.68 mg/L; y de 69.84±18.55, 71.58±9.51 y 85.72±13.13 mg/L para las etapas I, II y III, respectivamente. Las concentraciones de SST estuvieron por debajo de los límites máximos permitidos para el vertido en agua marina (100 mg/L) y en el alcantarillado (220 mg/L) [13], a excepción de las observadas en la etapa III, como resultado del incremento en la carga orgánica de los reactores. Por tal motivo, se hace necesario monitorear minuciosamente el contenido de sólidos en el efluente final para verificar la necesidad de implementar un sistema de sedimentación posterior.

34

2.3 MATERIA ORGÁNICA

En cuanto al contenido de materia orgánica en el efluente tratado, las concentraciones medias de DBO5.20 estuvieron en 285.36±7.41, 710.71±28.72 y 908.61±4.82 mg/L, mientras que las de DQO fueron de 429.77±61.21, 1099.48±163.87 y 1361.96±103.70 mg/L para las etapas I, II y III, respectivamente. Se observaron diferencias altamente significativas (p<0.0001) de estas concentraciones con respecto al tipo de efluente y las etapas experimentales.

La Figura 2 muestra el comportamiento de la DQO durante el tratamiento del efluente resultante del procesamiento de pescado en

los reactores anaeróbicos discontinuos. Las concentraciones de DQO en el efluente tratado fueron proporcionales a las de entrada, lo que repercutió sobre los porcentajes de remoción de DQO conforme se aumentaba la relación de efluente industrial desde la etapa I hasta la III. La remoción de materia orgánica, medida como DQO, fue relativamente semejante en los reactores cargados con las aguas residuales industriales y los de control (Tabla 4), y se obtuvieron medias aritméticas de 34.7±9.7, 36.9±9.2 y 43.8±4.1% para el efluente pesquero en las etapas I, II y III, respectivamente.

Los valores finales de DQO correlacionaron significativamente con el pH (r=0.661, p<0.01),

Figura 2. Comportamiento de las concentraciones de demanda química de oxígeno (DQO) durante el tratamiento del efluente resultante del procesamiento de pescado en reactores anaeróbicos discontinuos. A) Efluente de pescado, B)

Reactor control.




alcalinidad total (r=0.907, p<0.01), nitrito (r=0,754, p<0,01), amonio (r=-0.754, p<0.01), NTK (r=0.964, p<0.01), ortofosfato (r=0.950, p<0.01), sulfato (r=0.870, p<0.01) y SSV (r=0.343, p<0.01), lo que indica la interacción de estos parámetros fisicoquímicos durante el proceso de biodegradación de la materia orgánica presente en el efluente industrial.

De manera general, los porcentajes de remoción de materia orgánica en los reactores anaeróbicos, expresados como DBO5.20 y DQO, fueron relativamente bajos, por ejemplo, al ser comparados con los reportados por Li et al. [20], quienes encontraron 79% de remoción de materia orgánica en un reactor UASB para un efluente sintético salino que contenía 4050 mgDQO/L. Asimismo, Alexandre et al. [21] hallaron una remoción entre 48.4% y 82.0% (expresada como DQO soluble) para el efluente de una industria procesadora de pescado brasileña, sometido previamente a hidrólisis enzimática, cuya DQO inicial era de 6612±4336 mg/L.

Entre los factores que intervienen sobre la eficiencia de remoción de materia orgánica en sistemas de tratamiento biológico, particularmente en procesos anaeróbicos, se pueden mencionar la calidad u origen del inóculo, así como el contenido de sales en el efluente [10-11]. La salinidad puede influir sobre las interacciones osmóticas y electroquímicas de la membrana celular con el medio externo, interviniendo en el flujo de solutos y solventes [11]. Por ejemplo, se ha encontrado inhibición de la metanogénesis a concentraciones de Na+ por encima de 5.25 g/L durante el tratamiento de efluentes que contienen insulina en biorreactores UASB [22]. Este efecto negativo de la salinidad sobre la eficiencia de biodegradación de materia orgánica en sistemas de tratamiento anaeróbico ha sido contrarrestado mediante la adición de «solutos compatibles» que ayudan a los microorganismos a confrontar dicho efecto [23-24]. De igual forma, la codigestión de aguas residuales de pesquerías con desechos agropecuarios, como corteza de árboles y estiércol de vaca, también ha mostrado ser

Tabla 4. Porcentajes de remoción de materia orgánica y nutrientes durante el tratamiento del efluente resultante del procesamiento de pescado en reactores anaeróbicos discontinuos.

Etapa DBO5.20 DQO Nitrito Amonio NTK Ortofosfato

Efluente de procesamiento de pescado

I* 37.9±4.1 34.7±9.7 - 60.7±1.2 24.6±3.9 6.4±1.7

II** 41.8±7.6 36.9±9.2 61.9±2.89 5.5±1.8 28.9±5.7 10.3±1.8

III*** 46.2±3.2 43.8±4.1 56.3±3.4 85.4±0.7 37.2±1.0 24.8±2.0

Reactor control

I* 40.2±2.6 38.0±6.4 - 97.8±0.4 95.7±0.4 7.3±1.6

II** 37.7±3.8 33.7±4.4 - 99.7±0.1 96.5±0.5 11.6±1.1

III*** 50.3±2.9 47.0±3.4 - 99.7±0.2 97.2±0.3 18.0±2.1*: n= 25, **: n= 26, ***: n= 24, - : no hubo remoción.

36

una alternativa viable para mejorar la eficiencia del tratamiento anaeróbico [25].

Con respecto a la fuente y características del inóculo, se ha reportado que las mismas determinan la eficiencia de los sistemas biológicos de tratamiento. Panswad y Anan [26] encontraron una reducción del contenido orgánico de 60% en un reactor anaeróbico/anóxico/aeróbico a escala de laboratorio durante el tratamiento de un efluente sintético compuesto por sacarosa y ácido acético como

fuentes de carbono y, un contenido salino de 30 g/L, utilizando un inóculo no aclimatado, mientras que dicha reducción aumentó a 71% cuando incluyeron un inóculo aclimatado. Adicionalmente, Aspé et al. [27], para el tratamiento de aguas residuales de pesquerías, observaron remociones de materia orgánica de hasta 96% al utilizar sedimentos marinos como fuente de inóculo en reactores anaeróbicos de mezcla completa. Este planteamiento anterior puede explicar la relativa baja eficiencia de los reactores utilizados en el presente estudio en

Figura 3. Cantidad de materia orgánica y nutrientes removidos durante el tratamiento del efluente resultante del procesamiento de pescado en reactores anaeróbicos discontinuos. A) DBO, B) DQO, C) Nitrito, D) Amonio, E) NTK y F)

Ortofosfato.




cuanto a remoción de materia orgánica, ya que si bien el lodo fue aclimatado paulatinamente al efluente salino de la industria procesadora de pescado, el mismo procedía de lagunas anaeróbicas que trataban efluentes alimenticios no salinos, lo cual no garantiza la presencia de una microbiota halófila dominante.

La cantidad de materia orgánica removida durante el tratamiento de efluente industrial en los reactores anaeróbicos discontinuos, medida como DBO5.20 (Figura 3A) y DQO (Figura 3B), fue de 174.85±4.69, 509.66±12.00 y 781.80±16.94 mg/L y de 229.32±46.36, 642.18±131.61 y 1061.46±69.55 mg/L, respetivamente, para las etapas I, II y III. En la

Figura 3B puede observarse que, considerando la concentración de DQO de entrada (659.09±14.85 mg/L) y salida (429.77±61.21 mg/L), solo el efluente final de la etapa I, cumplió con el límite permitido en la norma ecuatoriana para la descarga al sistema de alcantarillado (500 mgDQO/L) [13].

2.4 NITRÓGENO Y FÓSFORO

La remoción de nitrito durante el tratamiento del efluente industrial (etapa II de 61.9±2.8% y etapa III de 56.3±3.4%, Tabla 4) fue significativamente diferente (p<0.0001) con respecto al tipo de efluente (glucosa frente a efluente de pescado) y las etapas

Figura 4. Comportamiento de las concentraciones de nitrógeno total Kjeldahl (NTK) durante el tratamiento del efluente resultante del procesamiento de pescado en reactores anaeróbicos discontinuos. A) Efluente de pescado, B) Reactor

control.

38

de tratamiento, como resultado de su concentración inicial (0.21±0.06 y 0.32±0.08 mgNO2

-/L, respectivamente; Figura 3C) y de las condiciones de reducción establecidas. Por su parte, el contenido de NH4

+ se pudo reducir por encima del 60% tanto en los reactores alimentados con efluente industrial como en los controles (Tabla 4) y se obtuvieron concentraciones finales de 6.04±2.75, 0.25±0.03 y 0.61±0.37 mgNH4

+/L y de NH4+

removido de 15.27±3.02, 52.45±5.33 y 74.72±4.21 mg/L (Figura 3D) para las aguas residuales de la industria procesadora de pescado en las etapas I, II y III, respectivamente.Las concentraciones de NTK exhibieron cierta

variabilidad con relación a la proporción de efluente aplicada (Figura 4), siendo significativamente diferentes (p<0.0001) con respecto al tipo de efluente y las etapas experimentales. Los valores medios finales de NTK (63.12±3.31, 128.43±28.08 y 194.38±2.41 mg/L para las etapas I, II y III, respectivamente) no cumplieron con el límite de descarga establecido por la legislación ecuatoriana (40 mgNTK/L) [13], debido a los porcentajes de remoción obtenidos: 24.6±3.9%, 28.9±5.7% y 37.2±1,0%, durante las etapas I, II y III, respectivamente (Tabla 4). La Figura 3E muestra la cantidad de NTK removido durante cada etapa de tratamiento.

Figura 5. Comportamiento de las concentraciones de ortofosfato durante el tratamiento del efluente resultante del procesamiento de pescado en reactores anaeróbicos discontinuos. A) Efluente de pescado, B) Reactor control.




Los procesos que determinan las variaciones de las formas de nitrógeno en los reactores biológicos son básicamente de naturaleza microbiana. La desnitrificación es un proceso respiratorio anaerobio heterotrófico, a través del cual ocurre la reducción de NO3

- hasta N2 en una serie de etapas y con la intervención de la actividad de diferentes enzimas. El proceso general de reducción podría establecerse de la siguiente manera: NO3

- → NO2- → NO → N2O

→ N2, donde cada reacción es mediada por un grupo especialista de microorganismos, entre los que se encuentran Alcaligenes, Paracoccus, Pseudomonas, Thiobacillus y Thiosphaera, entre otros [28-29]. De esta manera, y bajo las condiciones anaeróbicas establecidas en los reactores discontinuos del presente estudio, se pudieron reducir las concentraciones iniciales de NO2

- a N2 o a algún otro producto intermediario, como NO o N2O.

También se ha reportado la remoción de amonio en efluentes con una baja relación C/N, como los de industrias de conservas de pescado[30], mediante la oxidación anaeróbica de NH4+ y usando NO2

- como aceptor final de electrones (proceso conocido como ANAMMOX, por sus siglas en inglés), para generar N2 por acción de bacterias quimiolitoautotrofas (Ej. Planctomycetes) [31]. Dapena-Mora et al [30] encontraron remociones de N entre 35% y 90% (considerando las concentraciones de NH4

+, NO2

- y NO3-) vía ANAMMOX para efluentes

de una fábrica de conservas de pescado en un reactor por carga secuencial (SBR, según sus siglas en inglés), las cuales resultan comparables a las obtenidas en el presente estudio para las distintas formas de N (Tabla 4).

Las concentraciones de ortofosfato en el efluente tratado fueron dependientes de las del influente (entrada) (Figura 5), al igual que lo observado para la materia orgánica (Figura

2), y se obtuvo mayor remoción a medida que se aumentó la proporción de efluente industrial entre las etapas experimentales. Dicho comportamiento fue significativamente diferente (p<0.0001) considerando el tipo de efluente y las etapas de tratamiento. De esta manera, los porcentajes de remoción de PO4

-

3 para las aguas residuales de pescado fueron de 6.4±1.7%, 10.3±1.8% y 24.8±2.0% (Tabla 4), para concentraciones finales de 10.93±0.59, 21.78±0.42 y 29.02±0.85 mg/L (Figura 3F) durante las etapas I, II y III, respectivamente, las cuales superaron el límite de descarga (10 mg/L como P-total para agua marina) contemplado en la normativa ambiental ecuatoriana [13].

En la Figura 3F se observan las cantidades de PO4

-3 removidas durante el tratamiento anaeróbico del efluente del procesamiento de pescado en reactores discontinuos, que fueron de 0.75±0.20 mg/L para la etapa I; de 2.51±0.33 mg/L para la etapa II y de 9.58±0.49 mg/L para la etapa III. Panswad y Anan [26] indicaron que la eliminación biológica convencional de P es sensible a las condiciones osmóticas y se reduce rápidamente con el aumento de la salinidad, incluso cuando el lodo ha sido aclimatado previamente. En este sentido, Hong et al. [32] observaron una reducción de 20% en la eficiencia de remoción de P a partir de una concentración de cloruro de 1500 mg/L e inhibición completa de la remoción a 2500 mgCl-/L durante su experimentación con efluente sintético en un reactor anaeróbico/anóxico/aeróbico. Dicho hallazgo podría explicar los relativos bajos porcentajes de remoción de materia orgánica y ortofosfato obtenidos en el presente estudio para los ensayos con el efluente de la industria procesadora de pescado.

40

3. CONCLUSIONES

El tratamiento de las aguas residuales de la industria procesadora de pescado de la ciudad de Manta (Ecuador) en reactores anaeróbicos discontinuos mostró una relativa baja eficiencia, posiblemente como resultado del lodo inóculo usado, así como del contenido relativo de sales. El efluente tratado requiriere de la aplicación de un postratamiento, para reducir el contenido de materia orgánica y nutrientes a los límites permisibles de descarga establecidos en la República de Ecuador. Se recomienda realizar ensayos de biodegradabilidad con microorganismos aerobios, para comparar la eficiencia de los tratamientos.

Se observaron indicios de la ocurrencia de la oxidación anaeróbica de NH4

+ usando NO2-

como aceptor final de electrones (proceso conocido como ANAMMOX, por sus siglas en inglés), con porcentajes de remoción de NH4

+ y NO2

- significativamente altos.

AGRADECIMIENTOS

A la Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación de Ecuador (SENESCYT); mediante el Proyecto PROMETEO, la Secretaría Nacional de Planificación y Desarrollo de Ecuador (SENPLADES) y la Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí (ULEAM). Los autores desean expresar su agradecimiento al Centro de Servicio para el Control de la Calidad (CESECCA) de la Facultad de Ingeniería Industrial-ULEAM, así como a los estudiantes C. Chiriboga, J. Meza y J. Roldán de la ULEAM, por su colaboración durante los ensayos de laboratorio.


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BIOSORCIÓN DE Cd, Pb y Zn POR BIOMASA PRETRATADA DE ALGAS ROJAS, CÁSCARA DE NARANJA Y TUNA

BIOSORPTION OF Cd, Pb AND Zn BY PRETREATED BIOMASS RED ALGAE, ORANGE PEEL AND TUNA

Lissette Vizcaíno Mendoza1, Natalia Fuentes Molina2


Referencia: L. Vizcaíno Mendoza, N. Fuentes Molina (2015). Biosorción de Cd, Pb y Zn por biomasa pretartada de algas rojas, cáscara de naranja y tuna. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp. 43 - 60

RESUMEN

Debido a su movilidad en los ecosistemas y a su toxicidad para las formas superiores de vida, los metales pesados Cd, Pb y Zn son priorizados como unos de los contaminantes inorgánicos más importantes debido al alto riesgo que representan para el medio ambiente. Con el objeto de disminuir su concentración se diseñó un sistema para evaluar su remoción empleando biomasa de algas rojas, cáscaras de naranja (Citrus sp.) y tuna guajira (Opuntia sp.). Se estudió la influencia del pretratamiento y el empaquetamiento mediante ensayos tipo batch, en los que se emplearon soluciones de sodio y calcio. Se obtuvo como resultado una mayor capacidad de sorción de las algas modificadas con NaOH 0.1 N y de la naranja y la tuna con modificación sucesiva con NaOH y CaCl20.2M,yunaafecciónpocosignificativa(≤1%)delprocesodesorciónalempacarlabiomasael placas planas de tul poliéster. La eficiencia de remoción se determinó mediante un reactor de flujo continuo de columna fija con un volumen líquido de 400 mL, 75 g de biomasa y tiempos de retención promedio de 1 y 2 h. Los resultados mostraron una eficiencia similar de las tres biomasas para remover Cd y Pb, con promedios superiores al 95%, mientras que el Zn se removió con mejor eficiencia (62%) al emplear tuna modificada como sorbente. Finalmente, el material se calcinó a 700 °C con lo que se obtuvo una ceniza estable frente a soluciones ácidas, lo cual garantiza la captura de los metales removidos. Palabras clave: Biosorción, Cadmio (Cd), Plomo (Pb), Zinc (Zn), alga roja, cáscara de naranja, tuna guajira.

1. Ing. Medio Ambiente, Docente Facultad de Ingeniería, Investigador Grupo Madre Tierra. Universidad de La Guajira, Fonseca, La Guajira, Colombia, [email protected]

2. M.Sc. Ciencias Ambientales, Docente Facultad de Ingeniería, Investigador Grupo Madre Tierra. Universidad de La Guajira, Fonseca, La Guajira, Colombia, [email protected]

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ABSTRACT

Because of their mobility in ecosystems and their toxicity to higher forms of life, heavy metals Cd, Pb and Zn are identified as some of the most important inorganic contaminants due to the high risk they pose to the environment. In order to decrease their concentration, a system to evaluate the removal of these metals using biomass of red algae, orange peel (Citrus sp.) and tuna Guajira (Opuntia sp.) was designed. The influence of pretreatment and packaging was studied through batch type tests using solutions of sodium and calcium. The results showed greater sorption capacity of 0.1N NaOH modified algae and of orange and tuna with NaOH and CaCl20.2Msubsequentmodification,aswellasaminimaleffect(≤1%)onthesorptionprocesswhen packing biomass in tulle polyester flat plates. The removal efficiency was measured with a fixed-bed continuous flow reactor, with a liquid volume of 400 mL, 75 g of biomass, and average retention times of 1 to 2 h. The results showed similar efficiency of the three types of biomasses to remove Cd and Pb, with an average greater than 95%, while Zn was removed with improved efficiency (62%) using modified tuna as a sorbent. Finally, the material was charred at 700 °C resulting in an ash stable against acid solutions (pH 2.5 to 4.5), which ensures the capture of the removed metals.

Keywords: Biosorption, Cadmium (Cd), Lead (Pb), Zinc (Zn), red algae, orange peel, tuna Guajira.

INTRODUCCIÓN

La búsqueda de nuevos materiales y técnicas utilizables como alternativa para el tratamiento de aguas residuales provenientes de procesos industriales y de minería se ha constituido como un desafío de los últimos tiempos [1].

Estudios recientes han establecido el uso de metodologías alternativas para la adsorción de contaminantes, tales como los metales pesados, que emplean materiales de origen biológico como bacterias, algas y hongos, residuos industriales, agrícolas y urbanos, debido a su gran viabilidad, bajo costo y alta eficiencia de remoción. Dentro de este amplio conjunto de materiales biológicos se destaca la aplicación de las cáscaras de frutas cítricas (naranja) [1, 3, 4], algas marinas [5] y el nopal o tuna [6].

Una de las técnicas empleadas para dichos procesos es la biosorción, que consiste en la transferencia selectiva de uno o más solutos de una fase líquida a un lote de partículas sólidas de material biológico e involucra la participación de diversos mecanismos físicos y químicos en función de diversos factores [7-8]. Debido al origen natural de los sustratos y a la eliminación de lodos residuales durante el proceso de remoción, esta alternativa tecnológica se constituye en un sistema que permite no sólo remover el metal contaminante disminuyendo el impacto ambiental generado sobre el medio en el cual se descarga, sino que además permite recuperarlo para integrarlo a un nuevo ciclo productivo.

Sin embargo, su aplicación industrial, ambiental y/o sanitaria generalmente está limitada por la inestabilidad química y estructural de algunos

Lissette Vizcaíno Mendoza, Natalia Fuentes Molina



materiales utilizados como biosorbentes [4]. Por esta razón, es necesario realizar ensayos de laboratorio y/o a escala que permitan evaluar la eficiencia de remoción de las diversas biomasas de uso potencial y de los sistemas a través de los cuales se realizan los ensayos de biosorción, para simular las características de los efluentes en condiciones ambientales y establecer los rangos óptimos en los cuales la biomasa es efectiva en cada uno de los parámetros que intervienen en el proceso.

La presente investigación ha considerado el estudio del potencial biosorbente de biomasa de algas rojas, cáscara de naranja y tuna guajira como una alternativa para lograr la remoción de los metales pesados presentes en los drenajes ácidos generados por la explotación minera de carbón desarrollada en los departamentos del Cesar y La Guajira. Como iones de análisis y estudio se estableció la utilización de los metales Plomo, Cadmio y Zinc, los cuales según Volesky [9] representan un alto riesgo para la salud, el ambiente y las reservas de recursos naturales, razón por la cual su estudio y eliminación de los ecosistemas reviste un interés prioritario frente a otros metales presentes en efluentes residuales.


A fin de determinar la presencia de los metales Cd, Pb y Zn y sus respectivas concentraciones en los efluentes de minería se analizaron cuatro muestras de efluentes residuales derivados del proceso de extracción de carbón y almacenamiento de material estéril del área carbonífera ubicada en el sur del departamento de La Guajira. Con base en los valores obtenidos se prepararon las soluciones sintéticas multimetálicas empleadas en los diferentes ensayos realizados.

La fase experimental de la investigación se desarrolló en tres etapas que se resumen en la Figura 1. Todos los ensayos definidos para cada etapa se realizaron por duplicado.

1.1 ETAPA 1. PREPARACIÓN DE LA BIOMASA Y LA SOLUCIÓN DE TRABAJO

Los especímenes de algas marinas rojas tanto flotantes como adheridos al fondo marino (a 200 m de la línea de costa) se recolectaron en la playa Valle de los Cangrejos del municipio de Riohacha en el caribe colombiano; se lavaron con agua de la llave para eliminar residuos de arena y otros materiales marinos; y se almacenaron bajo refrigeración para garantizar su conservación [5]. Las cáscaras de naranja (Citrus sp) se obtuvieron en cafeterías y restaurantes ubicados en la zona comercial del municipio de Fonseca, La Guajira. Por su parte, las tunas (Opuntia Sp.) se recolectaron en el corregimiento de Conejo, zona rural del municipio de Fonseca. Una vez en el laboratorio, las biomasas se cortaron en pequeños trozos y se lavaron un par de veces con agua de la llave para eliminar compuestos solubles adheridos a éstas, que pudiesen estar presentes en el material, capaces de interferir en el desarrollo de los ensayos [10]. Posteriormente, se lavaron con agua destilada a 40 °C para eliminar aceites esenciales y diferentes impurezas, se secaron en una estufa a 60 °C [2, 6, 11] hasta obtener un peso constante, se trituraron y se almacenaron para su posterior uso.

Las soluciones de trabajo o drenajes ácidos de mina de laboratorio (DAMLab) se prepararon empleando agua desionizada, purificada por ósmosis inversa mediante equipo Desionizador Thermo Scientific Barnstead /EasypureII RF y utilizando como reactivos para la obtención de cada metal los siguientes compuestos: óxido

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de plomo en polvo (PbO: 98%), cloruro de zinc granular (ZnCl2: 95%) y cadmio metálico (Cd: 95%). Para ajustar el valor del pH se utilizó ácido clorhídrico (95%) e hidróxido de sodio (95%) a concentración 1 M. Todos los reactivos empleados fueron de grado analítico.

1.2 ETAPA 2. BIOSORCIÓN DE PB, CD Y ZN EN PROCESO BATCH

Estas pruebas se realizaron con el objetivo de estudiar la influencia generada por la modificación de variables, tales como el pretratamiento de las biomasas con diferentes soluciones químicas y el empaquetamiento de las mismas sobre la remoción de los metales. Los experimentos se realizaron en proceso batch, empleando 100 mL de DAMLab y empleando 1.4 gramos de biomasa triturada,

equivalente a una relación de 50 g biomasa/L DAMlab [5]. El sistema se agitó a 200 rpm durante 180 min. Mediante filtrado se separó el biomaterial de la solución. Finalmente, se midió el pH y la concentración de metales en la solución resultante. Todos los experimentos en proceso batch se hicieron por duplicado y a temperatura ambiente (aproximadamente 28 ºC), según los siguientes procedimientos:

1.2.1 Estudio del pretratamiento

Con el objetivo de comprobar si algunos constituyentes de los biomateriales influyen en la remoción de los metales se hicieron prelavados con diversas soluciones definidas con base en su amplia utilización en procesos de biosorción con materiales de características biológicas iguales o similares a los empleados en la presente investigación. Se prepararon soluciones de NaOH

Figura 1. Etapas de la fase experimental de sorción de Cd, Pb y Zn con biomasa inerte de algas rojas, Citrus sp. y Opuntia sp.




y Ca (OH)2, cada una con una concentración de 0.1 N en el caso de las algas [5, 12], y soluciones de NaOH y CaCl2 a concentración de 0.2 M para las naranjas y las tunas [1, 6, 13].

En ensayos por separado, cada solución fue agregada al alga en una relación de 10 g de biomasa por 1 L de disolución durante 12 h. Luego se lavaron con agua destilada a temperatura ambiente para eliminar el exceso de Na y Ca y se secaron a 60 ºC hasta peso constante. Por su parte, las cáscaras de naranja y tuna inicialmente fueron tratadas empleando 30 g de biomasa seca y tratada de malla 180 - 250 µm en 500 ml de una solución de NaOH 0.2 M a una temperatura de 4 °C, manteniendo una agitación constante por 2 h sin alterar la temperatura. Luego se dejaron reposar y se filtraron haciendo lavados sucesivos con agua destilada para eliminar el exceso de NaOH, después se secaron en una estufa a una temperatura de 60 °C [3, 13]. Posteriormente se tomaron 20 gramos de biomasa pretratada con NaOH, se colocaron en 500 ml de una solución de CaCl2 0.2 M, manteniendo la mezcla en agitación constante de 200 rpm durante 24 h [1, 3].

Los diferentes tipos de biomateriales pretratados se colocaron en contacto con el DAMLab en las condiciones de operación antes descritas, empleando 1.4 g de biomasa y 100 mL de solución, equivalente a una relación de 14 g biomasa/L drenaje, 200 rpm y 180 minutos de contacto [5]. El pH se ajustó a 4.5 con disoluciones de NaOH o HCl (1 M). Los ensayos se realizaron a temperatura ambiente.

1.2.2 Estudio del tipo de empaque

Teniendo en cuenta los volúmenes de drenaje ácido generados en las minas de carbón, así como las condiciones de funcionamiento de éstas, un diseño apropiado para la

descontaminación del drenaje es un reactor que opere en continuo, que incluya un sistema que permita la remoción y recambio permanente del material biológico. Con el objeto de facilitar la manipulación del lecho biológico del reactor, se realizaron ensayos preliminares en los cuales se evaluó el efecto de empacar la biomasa sobre el proceso de adsorción de los metales. Para tal fin se emplearon vasos de precipitado con 100 mL de solución sintética que, en ensayos por separado, se colocaron en contacto durante 120 min y a temperatura ambiente con 5 g de biomasa suelta y empacada en módulos planos circulares de tul poliéster de 7 cm de diámetro [5].

1.3 ETAPA 3. COLUMNA DE FLUJO CONTINUO PARA ADSORCION DE PLOMO, CADMIO Y ZINC

El sistema más empleado para el estudio de biosorción en continuo ha sido el de lecho fijo. En este, las partículas del biosorbente permiten el paso del fluido de forma tortuosa sin separarse unas de otras, haciendo que la altura del lecho y, en consecuencia, su porosidad se mantengan constantes. La saturación de la columna es controlada por parámetros como el tiempo, el espacio y el tamaño de la columna, [9]. Este sistema resulta ser el más efectivo para la remoción de metales pesados [14,15].

La columna de lecho empacado con flujo ascendente se construyó manualmente en el laboratorio utilizando un cilindro graduado con diámetro de 6.5 cm y 42.5 cm de longitud. En la parte inferior se acondicionó una entrada para el afluente sintético con contenido de Cd, Pb y Zn, mientras que en la parte superior se ubicó una salida lateral para el efluente tratado. En la columna se colocaron 75 g de la biomasa pretratada definida en los ensayos

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batch, previamente empaquetada en malla de tul poliéster, formando módulos de cinco empaques con diámetro de 5 cm confinados en cilindros (debidamente perforados para garantizar el contacto de la biomasa con la solución) de 10.3 cm de longitud y 5.5 cm de diámetro, sellados en sus extremos con malla de tul poliéster, para una relación longitud/diámetro de 6.2. La alimentación del DAMLab se hizo empleando una bomba peristáltica Pulsafeeder modelo Pulsatron serie Aplus 3919/2010, mientras que la salida del drenaje tratado se hizo por rebose. Para estudiar la evolución del proceso de remoción de metales en la unidad A se realizó un muestreo periódico: cada hora, durante 120 min, en ensayos por duplicado se determinaron las concentraciones de Pb, Cd y Zn en el efluente, así como el pH final de la solución [5]. En la Figura 2 se muestra el esquema del sistema empleado.

Antes de pasar la solución metálica a través de la columna de adsorción, el material fue humedecido con agua destilada a fin de evitar una disminución repentina de la concentración del metal en la solución de salida, debido a una rápida adsorción del metal por la biomasa seca, sobre todo en el primer momento en que hace contacto la biomasa con la solución [16].

El volumen del efluente tratado se estudió como una variable dependiente del tiempo de residencia y la relación longitud/diámetro, según el modelo empírico propuesto por Díaz et al. [5] de acuerdo con la siguiente expresión matemática. El modelo es apto para tiempos de residencia de 1 a 2 h y relación longitud/diámetro de 1.5 a 11.6.

Figura 2. Esquema de la columna de lecho empacado fijo con flujo ascendente para el proceso de biosorción con

algas rojas, cáscara de naranja y tuna.

Las variables operativas de funcionamiento del reactor se muestran en la Tabla 1. Los caudales empleados son similares a los ensayados por Agoubourde [17], quien empleó borras de salmuera y aserrín para remoción de Zn y Cu, y González [18], quién empleó desechos agrícolas y de crustáceos para remoción de Cu, Cd y Cr.

Tabla 1. Tiempos de retención, caudales de trabajo y velocidades de flujo empleados en la realización de los

ensayos en continuo.

BIOMATERIAL Ensayo Tr (min)

Caudal Prom. (mL/min)

Volumen tratado

(mL)

A1 ACT1ACT2

64,19112,4

1,560,89

55,0394,03

N2 NCT1NCT2

64,27123,25

1,560,81

55,09102,81

T2 TCT1TCT2

79,1128,6

1,260,78

67,09107,14

ACT1, NCT1 y TCT1 (ensayos en continuo con alga, naranja y tuna a tiempo de contacto 1), ACT2, NCT2 y TCT2 (ensayos en continuo con alga, naranja y tuna a tiempo de contacto 2), Tr tiempo de retención.



(1)

Donde V es el volumen de efluente tratado, L es la longitud del lecho en la columna, D es el diámetro de la columna y Tr es el tiempo de residencia.


1.4 ETAPA 4. CALCINACION DE BIOMASA RESIDUAL

Los estudios de desorción en lote son importantes para el diseño de un proceso de biosorción, ya que pueden permitir el reciclaje tanto del adsorbente como del adsorbato, contribuyendo a minimizar los volúmenes de desechos generados y a reducir los costos del proceso [15]. Sin embargo, cuando la biomasa se satura y se convierte en un residuo peligroso se hace necesaria su inactivación. En este sentido, la calcinación por vía seca se muestra como una alternativa para su manejo, debido a que es un proceso que permite encapsular los metales en la matriz biológica y evita que estos se liberen generando un nuevo problema de contaminación, al mismo tiempo que reduce el volumen y la masa de material residual [19]. Por su parte, las cenizas remanentes del proceso pueden ser nuevamente incluidas en el ciclo de tratamiento debido a su potencial como adsorbente [20], de metales tales como Ag y Cu [21], y Cr [22].

Con el objetivo de determinar la capacidad de encapsulamiento de cada biomaterial se realizaron ensayos en los cuales la biomasa remanente de los procesos de adsorción en flujo continuo se calcinó a 600 y 700 °C en una mufla durante 1 h hasta convertirse en cenizas. Posteriormente se realizaron ensayos en los que se emplearon 1 g de ceniza y 100 mL de solución ácida de pH 2.5 y 4.5, preparada con ácido nítrico [15] al 75%, durante un periodo de 24 h. Las disoluciones resultantes se filtraron y se procedió a la determinación de la concentración de cada metal en el efluente acido resultante a fin de establecer el porcentaje de metal desorbido y el pH final de la solución [5].

2. RESULTADOS Y ANÁLISIS

2.1 ETAPA 1. PREPARACIÓN DE LA BIOMASA Y LA SOLUCIÓN DE TRABAJO

Se analizaron cuatro muestras de efluentes residuales derivados del proceso de extracción de carbón y almacenamiento de material estéril del área de estudio y se obtuvieron los resultados contenidos en la Tabla 2. A partir de los valores de pH determinados en el análisis físico químico de las muestras tomadas y basados en la clasificación establecida por Skousen and Ziemkiewics [23] se determinó que los efluentes derivados del proceso de minería tienen características ácidas (drenajes tipo I: pH <4,5 y II: pH <6,0) con alto potencial de solubilización derivado de las concentraciones de iones metálicos (Cd, Pb y Zn) en solución acuosa, cuya presencia es consecuencia de los procesos de oxidación de sulfuros que suceden entre la roca que queda al descubierto y/o el material extraído y el ambiente [24]. En cuanto a las concentraciones de cada ion, se observa una gran diferencia entre los valores de Cd y las otras dos especies químicas evaluadas, lo cual según Dionisio [25] es lógico debido a que la presencia de dicho metal en el ambiente depende directamente del contenido de Zn y Pb, metales a los cuales generalmente se halla asociado en forma de sulfuros en porcentajes cercanos al 1%.

Con base en los resultados anteriores se definieron las concentraciones de trabajo para preparar las soluciones en el laboratorio. Se tomaron en cuenta sólo las concentraciones reportadas por las muestras 1 y 2 por el hecho de que estas reportaron las concentraciones más altas de Cd, a fin de evitar que las concentraciones finales reportaran valores por debajo del Límite de Detección de Cd del equipo de absorción (0.014 mg Cd /L) dificultando el cálculo de los porcentajes de remoción.

50

Para el análisis de influencia de pretratamiento y ensayos en columna se optó por emplear las concentraciones más altas analizadas (DAM1), a fin de facilitar el estudio del comportamiento de las biomasas frente a la presencia de las concentraciones más altas medidas de Cd, Pb y Zn. Por su parte, los ensayos de empaquetamiento se realizaron empleando los valores medidos para cada metal en el DAM2. Este cambio en los valores de la solución se justifica debido a que en dichas pruebas lo fundamental es determinar la influencia del empaque sobre el porcentaje de remoción del metal asociado a cada biomasa independientemente de su concentración inicial, con lo cual, si las concentraciones disminuyen, no se generan alteraciones en la prueba y adicionalmente se minimiza la toxicidad de la solución residual.

2.2 ETAPA 2. BIOSORCIÓN DE METALES EN PROCESO BATCH

2.2.1 Efecto del pretratamiento del biomaterial

Los resultados de los ensayos se muestran en la Tabla 3. Las concentraciones finales más bajas para Cd y Zn fueron registradas por T2, mientras que N2 reporto la concentración más baja de Pb.

Las tres biomasas reportaron eficiencias de remoción de Cd superiores al 99%, mientras que para Pb los mejores porcentajes fueron reportados por A1 (97%), N2 (99%) y T2 (96%). De acuerdo con los resultados se puede afirmar que el pretratamiento solo es necesario para incrementar la capacidad de captación de Zn. Sin embargo, debido a que en condiciones reales los efluentes contaminados con metales generalmente presentan una gran variedad de iones disueltos, resulta necesario pretratar todas las biomasas para lograr una remoción eficiente de todos los metales evaluados en una misma solución.

A excepción de los resultados para Pb del ensayo T1 (remoción del 81%, lo cual se trata de una curiosidad no fundamentada), la remoción de Cd+2 y Pb+2 reportada por los biosorbentes (independientemente del pretratamiento) supera el 91%. En el caso del Zn, se observa una mayor eficiencia con la biomasa pretratada al obtener eficiencias máximas superiores al 70% para las algas y al 80% para la naranja y tuna, lo cual sugiere que la tuna tiene una afinidad ligeramente mayor por los iones de Zn+2 que las otras dos biomasas. En la Figura 2 se presenta el comportamiento de la biosorción de metales pesados expresado en función de las concentraciones finales obtenidas empleando

Tabla 2. Caracterización físico química de los drenajes ácidos de mina de la zona sur del departamento de La Guajira.

Parámetro DAM 1 DAM 2 DAM 3 DAM 4

pH 3,55 4,38 5,23 4,93

Conductividad (µs/cm) 1040 577 393 818

Cadmio (mg/L) 5,951 1,33 0,796 0,234

Plomo (mg/L) 23,573 4,37 5,87 2,18

Zinc (mg/L) 58,0 38,0 0,353 48,05DAM: Drenaje acido de mina en las muestras 1, 2, 3 y 4.




biomasa modificada y en su estado natural. En la gráfica no se observan cambios importantes en la distribución de los datos obtenidos en cada análisis de acuerdo al tipo de pretratamiento.

Tal y como se observó en los ensayos realizados por Rodríguez et al. [26] para remoción de Pb2+, Cd2+ y Cr3+ empleando Saccharomyces cerevisiae

no-viva, el tratamiento previo tuvo un efecto significativo sobre la biosorción de iones de Pb y Zn, mientras que para la biosorción del Cd2+ son notables los efectos de la concentración de biomasa. Esto explica el hecho de que la remoción de Cd se mantuviera constante en los ensayos de pretratamiento al lograr una eficiencia de remoción superior al 99% para todas las

Tabla 3. Influencia del pretratamiento sobre la eficiencia de biosorción de cadmio, plomo y zinc.

Tipo de biomaterial

Tipo de pretratamiento

Concentraciones (mg/l) q (mg/g) % Remoción

Cd Pb Zn Cd Pb Zn Cd Pb Zn

Algas RojasA1A2A3

0,550,460,93

2,23

7,1

22,4533,6941,88

0,3860,3920,359

1,5271,4701,177

2,5391,7361,151

99,399,498,8

97,396,391,1

71,957,947,7

Cáscara de naranjaN1N2N3

0,470,290,44

3,20,261,6

29,3515,0347,94

0,3920,4040,394

1,4551,6651,570

2,0463,0690,719

99,499,699,5

96>9998

63,381,240,1

TunaT1T2T3

0,40,260,63

155,83,3

37,413,0348,53

0,3970,4070,380

0,6121,2701,448

1,4713,2120,676

99,599,799,2

81,392,895,9

53,383,739,3

A1 (alga tratada con NaOH), A2 (alga tratada con Ca (OH)2), N1 y T1 (naranja y tuna tratada con NaOH) N2 y T2 (naranja y tuna tratada con NaOH y CaCl2), A3, N3 y T3 (alga, naranja y tuna natural).

Figura 2. Concentraciones finales de Cd, Pb y Zn obtenidas al emplear biomasa natural y modificada de alga roja, cáscara de naranja y tuna. A1 (alga tratada con NaOH), A2 (alga tratada con Ca (OH)2), N1 y T1 (naranja y tuna

tratada con NaOH) N2 y T2 (naranja y tuna tratada con NaOH y CaCl2), A3, N3 y T3 (alga, naranja y tuna natural).

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biomasas en estudio, mientras que el Pb y el Zn variaron sus concentraciones finales de acuerdo con el tipo de solución química empleada.

Así mismo, a partir de los resultados se puede suponer una mayor afinidad de las biomasas por los iones de Pb y Cd y una mejor relación de dichos metales con los sitios activos presentes en la superficie de las matrices vegetales analizadas [27]. Sin embargo, para corrobar esta afirmación es necesario evaluar la cinética del proceso y determinar las respectivas isotermas de sorción para cada metal y/o biomasa ensayada [5, 28]. En el caso del Zn, el porcentaje de remoción es más bajo como consecuencia de una menor capacidad de intercambio de los radicales libres en la superficie del biosorbente con el metal o por interferencias causadas por los otros dos metales presentes en la solución.

Las biomasas de algas rojas, cáscara de naranja y tuna presentaron una mejor capacidad de captación de Cd en ausencia de pretratamiento y a pH 4.5 (99% de remoción) que la biomasa pretratada de Musa paradisiaca L. (90% de remoción) empleada en soluciones con valor de pH de 6.0 unidades [29]. En contraste, se observó una menor remoción de Zn (cercana al 40%) al emplear biomasa natural y un comportamiento ligeramente superior (70-80%) al emplear biomasa modificada.

De igual manera, los resultados indican que las cáscaras de naranja (N2) y las tunas (T2) tienen una mayor capacidad que las algas rojas (A1) de remover en conjunto los tres metales en estudio disueltos en una misma solución.

2.2.2 Influencia del empaquetamiento sobre la eficiencia de sorción

Una vez determinados A1, N2 y T2 como los biosorbentes con la mayor capacidad de

remoción conjunta de Cd, Pb y Zn, se procedió a evaluar el efecto del empaquetamiento de las biomasas sobre la eficiencia de sorción de dichos iones realizando ensayos bajo las mismas condiciones anteriores. Los resultados se muestran en la Figura 3. Las concentraciones iniciales de Cd, Pb y Zn fueron de 1.33 mg/L, 4.37 mg/L y 38.0 mg/L respectivamente. Los resultados de los ensayos se presentan en las Tablas 4a y 4b. Las diferencias entre los valores de concentraciones finales y porcentajes de remoción de la Tabla 3 respecto a las Tablas 4a y 4b se deben a que se emplearon diversas concentraciones iniciales para cada ensayo.

En la Figura 3 se muestran los resultados obtenidos en términos de las concentraciones finales frente a sus respectivos porcentajes de remoción.

Tal y como sucedió en los ensayos de pretratamiento, los iones Cd y Pb presentaron los porcentajes de remoción más altos. Así mismo, se observa una diferencia de ±1% en los porcentajes de remoción de cada metal obtenidos con el sorbente en sus dos estados. Esta diferencia indica que el empaque no afecta considerablemente el fenómeno de biosorción y, adicionalmente, hace más práctica y funcional la manipulación del material biológico en los diferentes ensayos aplicados. Los resultados son similares a los obtenidos por Díaz et al. [5] empleando Sargassum sp. en condiciones parecidas.

La Figura 5 muestra los resultados obtenidos en los ensayos de flujo continuo. Los porcentajes de remoción para Cd y Zn son superiores y/o cercanos a los reportados en ensayos que emplearon hongos de la podredumbre blanca (Cd 74% y Zn 57%) [19], y Eleocharis acicularis (Cd 80% y Zn 75%) [27]. Así




Tabla 4a. Concentraciones finales, porcentajes de remoción y capacidad de adsorción de la biomasa suelta.

Tipo de biomaterial

Biomasa suelta

CF (mg/L) % Remoción q (mg/g)


A1 0,024 0,372 2,37 98,2 91,5 93,8 0,0261 0,080 0,713

N2 0,165 0,26 8,961 87,6 94,1 76,4 0,0233 0,0822 0,581

T2 0,173 0,42 15,3 87 90,4 59,7 0,0231 0,079 0,454

Tabla 4b. Concentraciones finales, porcentajes de remoción y capacidad de adsorción de la biomasa empacada.

Tipo de biomaterial

Biomasa suelta

CF (mg/L) % Remoción q (mg/g)


A1 0,014 0,402 2,03 99 90,8 94,7 0,0263 0,0794 0,719

N2 0,178 0,176 9,32 86,6 96 75,5 0,0230 0,0839 0,574

T2 0,153 0,429 14,9 88,5 90,2 60,9 0,0235 0,0788 0,462A1 (alga tratada con NaOH), N2 y T2 (naranja y tuna tratada con NaOH y CaCl2). CF (concentración final)

Figura 3. Concentraciones finales de Cd, Pb y Zn en ensayos con biomasa suelta y empacada. A1S (alga tratada con NaOH suelta), A1E (alga tratada con NaOH empacada), N2S y T2S (naranja y tuna tratada con NaOH y CaCl2 suelta), N2E y T2E (naranja y tuna tratada con NaOH y CaCl2 empacada).

mismo, la captación de iones fue menor a la reportada al emplear lodos activados (98,73% Zn+2) [30], y a la reportada para el Pb (99,5%)

y Zn (99,5%) al emplear cáscara de naranja modificada [4].

54

En la Figura 5 se observa que la remoción de Cd al emplear alga roja y cáscara de naranja resultó ser muy similar, mientras que la tuna registró un valor ligeramente menor.

En el caso del Pb, la naranja registró una mayor capacidad de adsorción que los otros dos biomateriales de estudio, mientras que la tuna mostró un comportamiento


Figura 5. Concentraciones finales y porcentajes de remoción de Cd, Pb y Zn obtenidos en ensayos en continuo. ACT1, NCT1 y TCT1 (ensayos en continuo con alga, naranja y tuna a tiempo retención 1), ACT2, NCT2 y TCT2 (ensayos en

continuo con alga, naranja y tuna a tiempo de retención 2).

Tabla 5. Remoción de Cd, Pb y Zn en ensayos continuos en reactores de columna fija.

Biomaterial EnsayoCf (mg/L) % Remoción q (mg/g) pH

finalCd Pb Zn Cd Pb Zn Cd Pb Zn

A1 ACT1ACT2

0,280,099

8,216,73

43,9241,26

95,398,3

65,271,5

24,328,9

0,03020,0312

0,08190,0898

0,07510,0893

6,227,03

N2 NCT1NCT2

0,0140,014

0,470,58

43,8338,24

99,899,8

98,097,5

24,434,1

0,03170,0317

0,12320,1226

0,07560,1054

6,817,00

T2 TCT1TCT2

0,3920,424

6,769,27

26,6128,22

93,492,9

71,360,7

54,151,3

0,02960,0295

0,08970,0763

0,16740,1588

6,797,36

ACT1, NCT1 y TCT1 (ensayos en continuo con alga, naranja y tuna a tiempo de retención 1), ACT2, NCT2 y TCT2 (ensayos en continuo con alga, naranja y tuna a tiempo de retención 2).



más eficiente en la remoción de Zn. Estos resultados sugieren que las biomasas presentan una mayor afinidad por los iones de Cd que por los de Zn. Esto se debe a que el radio iónico del Cd es mayor que el del Zn; por tanto, éste es desplazado con mayor facilidad, permitiendo que el ion Cd pueda unirse mejor a los sitios activos sobre la superficie de la biomasa [31].

Así mismo, según Aguilar et al. [32] existe afinidad de la cáscara de naranja según la relación Pb>Cd>Zn. De manera similar se comportaron las algas pardas Lessonia nigrescens y Macrocystis integrifolia empleadas por Cuizano et al. [33]. Este comportamiento se observó en los ensayos batch para análisis de empaquetamiento. Sin embargo, en los experimentos en columna las algas rojas, naranja y tunas mostraron una afinidad con tendencia Cd>Pb>Zn.

Del mismo modo, se observaron resultados semejantes a los reportados por Navarro et al. [34] al emplear microorganismos, vegetales y algas naturales y modificadas comprobando la preferencia de los biosorbentes estudiados por el ion Cd+2 frente al ion Zn+2.

2.4 ETAPA 4. CALCINACIÓN DE LA BIOMASA RESIDUAL

Los ensayos de calcinación se realizaron tomando 10 g de la biomasa residual cargada de metales generada en los ensayos batch (pretratamiento) y de flujo continuo, en los que se obtuvieron los resultados descritos en la Tabla 6.

En la Figura 6 se observa que los biomateriales calcinados a 700 °C tienen la capacidad de retener el 99% del Cd adsorbido en todos los ensayos. Así mismo, se observa que para el caso del Pb y el Zn, la ceniza retuvo de manera más eficiente los iones frente a la solución de mayor pH, con un porcentaje promedio de desorción inferior al 2%. En los ensayos a pH 2.5 se observó un mejor comportamiento de la biomasa de tuna con una desorción inferior al 4%. En contraste, la biomasa de alga presentó la capacidad más baja de retención de Zn al presentar una desorción superior al 11%.

En términos de las concentraciones finales medidas en los sobrenadantes ácidos remanentes se puede afirmar que las algas presentan una menor capacidad de

Tabla 6. Concentración de metales liberados de las cenizas resultantes de la calcinaciónen las soluciones finales de contacto a diferente pH.

BIOMATERIAL pHCf (mg/L) % Desorción

Cd Pb Zn Cd Pb Zn

A1 2,54,5

<0,014<0,014

0,72<0,26

4,070,01

0,260,26

4,27481,5437

11,4490,0281

N2 2,54,5

<0,014<0,014

0,52<0,26

2,130,29

0,250,25

2,23051,1153

4,95690,6749

T2 2,54,5

<0,014<0,014

0,65<0,26

1,310,01

0,250,25

3,65721,4629

2,91310,0222

A1 (alga tratada con NaOH), N2 y T2 (naranja y tuna tratada con NaOH y CaCl2).

56

encapsulamiento de Pb y Zn, lo cual puede indicar que la temperatura de calcinación empleada no es lo suficientemente alta para lograr la estabilización del residuo biológico generado. Estos resultados no concuerdan con lo obtenido por Díaz et al [5], quienes calcinaron biomasa del alga Sargassum sp. a 700 °C, lixiviaron con soluciones con pH entre 1.5 y 7 y concluyeron que al calcinar a dicha temperatura se garantiza la estabilidad de los iones metálicos dentro de la matriz biológica utilizada como material de remoción.

En el caso de las cenizas de naranjas y tunas se presentaron las menores desorciones, a pesar de que las biomasas no se calcinaron totalmente a la temperatura y tiempo ensayados.

Tal y como se observa en la gráfica, las concentraciones desorbidas de Cd y Pb son muy bajas y similares, razón por la cual el error reportado es mínimo. En contraste, los valores reportados para Zn presentaron una mayor

variación, que es más visible debido a que las concentraciones iniciales de este metal en las soluciones, y por consiguiente en la biomasa residual, son notablemente mayores.

Los resultados anteriores muestran que un amplio porcentaje de los metales pesados tratados permanece en la ceniza y sólo un pequeño porcentaje de los mismos es liberado por efecto del ácido nítrico empleado para desorber las cenizas. Esto indica que a 700 °C es posible estabilizar las biomasas y disminuir la liberación de los iones metálicos removidos de la solución. Así mismo, y con el objeto de impedir que los metales se escapen de la matriz sorbente, es recomendable calcinar la biomasa de cáscara de naranja y tuna a una temperatura superior a la ensayada.

3. CONCLUSIONES

En los ensayos de pretratamiento se obtuvo una mejor eficiencia de sorción al emplear biomasa


Figura 6. Desorción de Cd, Pb Zn de cenizas de algas, naranja y tuna al emplear soluciones ácidas de pH 2.5 y 4.5.



modificada A1, N2 y T2, siendo este proceso más influyente en el caso del Zn. Así mismo, se observó que las biomasas de algas rojas, Citrus sp y Opuntia sp tienen la capacidad de remover porcentajes superiores al 90% de Cd y Pb sin requerir modificación química, mientras que su capacidad para eliminar Zn se encuentra por debajo del 50% en ausencia de pretratamiento.

Comparando los resultados de los ensayos en continuo frente a los ensayos batch, se puede afirmar que la capacidad de adsorción de Cd, Pb y Zn a pH 4.5 resultó mayor cuando la dosis de biomasa utilizada fue menor (45 g en continuo frente a 5 g en batch). Se esperaría que a mayor dosis de biomasa fuera mayor el número de sitios activos disponibles para la biosorción. Sin embargo, esto no se cumple debido a que una menor concentración de biomasa en solución permite una mejor dispersión de la misma, lo cual facilita el contacto de los grupos activos de cada uno de los materiales biológicos con el sorbato metálico, lo que produce una mayor captura de iones metálicos [2].

Los porcentajes de metal retenido por la ceniza son superiores al 95%. En todos los casos, el Zn presenta el mayor porcentaje de desorción a pH 2.5 (8.47%) y el más bajo a pH 4.5 (0.02%). Así mismo, se observa que en todos los ensayos las concentraciones finales de Cd son inferiores a 0.014 mg/L, que es el límite mínimo de detección de dicho metal para el espectrofotómetro utilizado para la medición de tales concentraciones.

Los ensayos de calcinación y estabilidad de las cenizas indican que las algas presentan una menor capacidad de encapsulamiento de Pb y Zn, lo cual puede indicar que la temperatura de calcinación empleada no es lo suficientemente alta para lograr la estabilización del residuo

biológico generado. En el caso de las cenizas de naranjas y tunas, se presentaron las menores desorciones para Pb y Zn en un rango porcentual que está entre 0.02 y 4.5%, a pesar de que las biomasas no se calcinaron totalmente a la temperatura y tiempo ensayados.

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ANÁLISIS DE LA SOLUBILIDAD DE LA MEZCLA GASOLINA-ETANOL-AGUA A DIFERENTES PRESIONES Y TEMPERATURAS

SOLUBILITY ANALYSIS OF GASOLINE-ETHANOL-WATER MIXTURES AT DIFFERENT PRESSURES AND TEMPERATURES

Michael Fernando Rondón1, Juan Miguel Mantilla González2, Alejandro Muñoz Rodríguez3


Referencia: M.F. Rondón, J.M. Mantilla González, A. Muñoz Rodríguez (2015). Análisis de la solubilidad de la mezcla gasolina-etanol-agua a diferentes presiones y temperaturas. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp. 61 - 75

RESUMEN

En este artículo se presenta el efecto de pruebas de solubilidad hechas a mezclas gasolina-etanol-agua mediante ensayos de tolerancia al agua (temperatura de separación de fase) para muestras de E10, E15, E20, E25 y E30. Adicionalmente, se estudia el efecto de la presión de vacío sobre la separación de la mezcla. Los resultados muestran que las temperaturas de separación dependen inversamente de la cantidad de etanol en la mezcla combustible y directamente de la cantidad de agua en la misma. Así mismo, se encontró que la influencia de la presión de vacío es mínima cuando la mezcla combustible se encuentra en estado líquido.

Palabras clave: Mezcla gasolina-etanol, tolerancia al agua, temperatura de separación de fase, efecto de presiones de vacío, contenido de agua, solubilidad.

1. Ingeniero Mecánico, Grupo de Modelado y Métodos Numéricos en Ingeniería GNUM. Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia, [email protected].

2. Ingeniero Mecánico, Ph.D., Profesor Asociado, Grupo de Modelado y Métodos Numéricos en Ingeniería GNUM. Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia, [email protected]

3. Ingeniero Mecánico, M.Sc. en Ingeniería Mecánica, Profesor Tiempo Completo, Grupo de Investigación en Energía y Eficiencia GIEE. Universidad Central, Bogotá, Colombia, [email protected]

62

ABSTRACT

This work presents the effect of solubility tests made to gasoline-ethanol-water mixtures. In particular, water tolerance tests (phase separation temperature) applied on E10, E15, E20, E25 and E30 blends. In addition, the vacuum pressure effect on mixture separation is analyzed. Results showed that separation temperatures depend indirectly on ethanol concentration within the mixture and directly on water concentration. Likewise, it was found that vacuum pressure influence is negligible when the fuel blend is under liquid state.

Keywords: Gasoline-ethanol blend, water tolerance, phase separation temperature, vacuum pressure effect, water content, solubility.

INTRODUCCIÓN

La preocupación mundial por la escasez de los derivados del petróleo y los efectos ambientales que implica el uso de estos combustibles han llevado a los gobiernos a encontrar e implementar soluciones que garanticen una menor dependencia de los mismos en pro de la protección ambiental. El uso de etanol como combustible alternativo para los motores a gasolina ha sido una de las soluciones más populares y a la vez más controversiales. El etanol puede producirse por varios métodos. Sin embargo, el más usado es el proceso de fermentación de azúcares. A nivel mundial, la producción de etanol proviene de la caña de azúcar y del maíz. La primera materia prima ha sido altamente usada en Brasil y recientemente en Colombia, mientras que el maíz se ha utilizado en Estados Unidos [1].

Indistintamente del método de producción, el etanol presenta un serio inconveniente para su producción, manejo, distribución, almacenamiento y utilización como combustible en motores: la presencia de agua. El etanol es altamente afín al agua [2]. La presencia de agua en la mezcla etanol-gasolina trae consigo

los siguientes efectos sobre los motores: (i) corrosión sobre los componentes internos del sistema de inyección y sus sistemas asociados y (ii) alteración en el funcionamiento de los motores debido a la separación de la mezcla.

El mecanismo por el cual la corrosión de los componentes metálicos del sistema de inyección de combustible ocurre es parcialmente debido al incremento de la cantidad de agua en el combustible y los ácidos orgánicos presentes en los oxigenantes comerciales [3]. Existe una concentración específica en la cual el agua contenida dentro de la mezcla no puede mantenerse unida a la misma y termina separándose totalmente [4-5]. Esta separación del agua de la mezcla gasolina-etanol aumenta en forma notoria sus impactos adversos sobre los componentes internos. La corrosión galvánica, que ocurre en presencia de campos eléctricos, es altamente promovida por la presencia de etanol–agua en los combustibles, ya que el etanol es un mejor conductor que la gasolina [6-7]. El etanol en presencia del agua es la causa de la degradación de los materiales plásticos y elastómeros de los sistemas de inyección y la causa más frecuente de la obstrucción de

Michael Fernando Rondón, Juan Miguel Mantilla González, Alejandro Muñoz Rodríguez



filtros y ductos de manejo de combustible en los motores operados con este tipo de mezclas [8-9]. En referencia a los impactos sobre el funcionamiento del motor cuando son operados con mezclas de etanol–gasolina–agua, la manejabilidad del vehículo puede verse seriamente afectada con la presencia de esta mezcla, sobre todo cuando se requiere alcanzar máxima potencia. El deterioro de la operación del vehículo dependerá del año de fabricación del mismo y la tecnología usada en su sistema de alimentación. Aunque motores alimentados con carburador y con inyección se ven impactados en forma diferente, en general, el consumo de combustible y las emisiones evaporativas se aumentan, y los problemas de arranque en caliente se incrementan [10-12].

En Colombia se está utilizando etanol producido a partir de la caña de azúcar desde el año 2006. Progresivamente se ha implementado en todo el país, exceptuando regiones fronterizas, garantizando un 8% en volumen de etanol en la gasolina [13]. Además de esto, en el decreto 4892 de 2011 del Ministerio de Minas y Energía se incentiva el uso de mezclas gasolina y etanol, este último con proporción mayor al 10% en volumen. De hecho, en pruebas realizadas por la Universidad Tecnológica de Pereira se encontró que para los vehículos seleccionados no hay efectos adversos con el uso de gasolina con 20% de etanol [14]. Adicionalmente, en Colombia, y en el caso particular de Bogotá, cerca del 43% de los vehículos automotores que utilizan gasolina como combustible tienen un sistema de alimentación con carburador [15]. Esto crea un parque automotor con una diversidad de tecnologías que permite plantear, junto con lo mostrado anteriormente, que la posibilidad de que el combustible se mezcle con agua, en especial al aumentar la cantidad de etanol, es real y se presenta como un tema importante para estudiar a fondo.

En particular, existen cinco estudios previos que han definido las variables que afectan el comportamiento de la mezcla y pueden causar su separación. Estas variables son: cantidad de etanol, cantidad de agua, composición de la gasolina (aromáticos y aditivos) y temperatura.

Entre los estudios que corroboran las variables anteriormente mencionadas como las determinantes de la solubilidad de la mezcla se encuentra el estudio de Strus et al. [16], que muestra cómo el contenido de sustancias hidrófilas como el etanol, el metanol, el propanol, el metil-propanol, el butano y el MTBE aumentan la tolerancia al agua de la gasolina, cada uno de manera diferente pero todos en forma proporcional a su cantidad (Figura 1).

Figura 1. Solubilidad del agua en gasolina. Fuente: Strus et al., 2007.

Otro estudio es el de Torres et al. [17] en el que se presenta la solubilidad de la mezcla a diferentes temperaturas (entre 273 K y 315 K). Adicionalmente, y corroborando lo anteriormente mencionado, presenta a la cantidad de etanol como variable en mezclas

64

E5, E10 y E15. La temperatura afecta el comportamiento de la mezcla de manera que a menor temperatura menor tolerancia al agua. A mayor temperatura, la energía de interacción entre las moléculas de la gasolina, el etanol y el agua aumenta, produciendo mayor contacto entre éstas y, por ende, elevando el grado de solubilidad

Kato [18] analizó el contenido de agua en las mezclas a diferentes temperaturas y desarrolló un diagrama de tolerancia al agua para bajos contenidos de etanol. La Figura 2 muestra cómo al aumentar el contenido de agua en la mezcla etanol-gasolina, la temperatura de separación de la misma se alcanza a mayores valores.

Figura 2. Tolerancia al agua de la mezcla gasolina–etanol–agua.

Fuente: Kato, 2006.

Otro estudio que reporta la separación de la mezcla en función de la temperatura es el de Reynolds [19], presentado en la Figura 3. Se pueden observar los diferentes límites del contenido de agua previos a la separación de fase para mezclas de 5.7%, 7.7% y 10% de contenido de etanol en volumen.

Karaosmanoglu et al. [20] estudiaron cuatro diferentes composiciones de gasolina como se muestra en la Tabla 1. Los contenidos de aromáticos varían desde 27.20 para la gasolina denominada G1 hasta 59.94 para la G2. Estas gasolinas son mezcladas con 5, 10, 15, y 20% por volumen de etanol anhidro y llamadas B1, B2, B3, y B4 respectivamente. La tolerancia al agua es mostrada en la Tabla 2. Es evidente cómo, a mayores cantidades de aromáticos o mayores cantidades de etanol, la temperatura límite para la separación de fase es menor. En otras palabras, la tolerancia al agua aumenta con el contenido de aromáticos y de etanol.

Figura 3. Tolerancia al agua de la mezcla gasolina etanol para contenidos de etanol de 5.7, 7.7 y 10% en volumen.

Fuente: Reynolds, 2002.

La siguiente variable en la solubilidad de la mezcla es la composición de la gasolina base. La solubilidad se incrementa con el aumento de la concentración de aromáticos en la mezcla etanol-gasolina. Es por esto que la mezcla etanol-gasolina extra con mayor concentración de estos compuestos tolera más agua que




la gasolina regular para una determinada temperatura y porcentaje de etanol; esto se debe a la afinidad de estos compuestos con el agua [11].

La influencia de los aromáticos en función de la tolerancia al agua de la mezcla puede observarse en la Figura 4 para las mezclas

E5, E10 y E15. Con diferentes cantidades de aromáticos se encontró que el aumento de los mismos en la mezcla disminuye sensiblemente el punto de separación. Obsérvese que en la Figura 4 se indica el Cloud Point como nivel de tolerancia. Este se define como la temperatura en la que la cristalización inicial o separación de la fase del combustible comienza [21].

Tabla 1. Especificaciones de cuatro diferentes tipos de gasolinas.

Gasolina

Propiedad Método de ensayo ASTM G1 G2 G3 G4

Color D1298 Amarillo Amarillo Amarillo Amarillo

Densidad @15°C (kg/m3) D1319 734.6 742.1 762.5 795.2

Composición (peso%)

Hidrocarburos saturados 72.20 60.01 49.70 38.96

Hidrocarburos aromáticos 27.20 39.02 48.80 59.94

Hidrocarburos olefínicos 0.60 0.97 1.50 1.10

Agua (%v/v) D1744 0.1227 0.3700 0.2504 0.1508

Azufre (kg/m3) D381 28 x 10-3 8 x 10-3 4 x 10-3 6 x 10-3

Ensayo de destilación D86

Destilado 10% 57 50 52 78

Destilado 50% 99 89 121 132

Destilado 90% 155 143 159 162

Residuo (%) 1.0 0.5 0.5 0.5

Pérdida (%) 1.0 0.5 1.0 1.0

Presión de vapor Reid D323 56.7 63.8 77.0 48.6

Número de octano

Método de investigación D2699 82.0 85.0 96.6 97.5

Método motor D2700 76.0 74.5 86.5 86.6

Corrosión en cobre 50°C 3h D130 No 1a No 1a No 1a No 1a

Fuente: Karaosmanoglu et al., 1996.

66

Figura 4. Tolerancia al agua de la mezcla gasolina-etanol

en función de la cantidad de agua y de aromáticos.Fuente: French et al., 2005.

Teniendo en cuenta lo anterior, se esboza en este trabajo una metodología experimental que permite verificar la solubilidad del etanol

en la gasolina en presencia de agua cuando se cambia la temperatura y la presión a la que se somete la mezcla.


1.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El objetivo de este estudio consistió en encontrar la influencia de las presiones de vacío en la separación de la mezcla gasolina etanol, en estado líquido, así como estudiar este efecto sobre algunas proporciones de etanol diferentes a las encontradas en la literatura.

El diseño del experimento se hizo basado en el procedimiento estandarizado por la

Tabla 2 Temperaturas de separación de fase (Phase Separation Temperatures, PST) para mezclas etanol-gasolina preparadas con gasolinas de composiciones diferentes.

FOF % EtOH % H2O %PST °C

B1 B2 B3 B4

0 5 0.3 >39 >39 >39 >39

10 0.5 19.0 17.5 16.5 15.0

15 0.7 11.5 6.5 1.5 -1.2

20 0.9 9.0 2.5 -8.0 -12.5

1 5 0.3 16.5 12.5 10.5 8.5

10 0.5 5.5 4.5 3.0 2.5

15 0.7 -1.0 -3.0 -8.0 -12.5

20 0.9 -3.0 -8.0 -13.5 -18.2

3 5 0.3 -12.5 -16.0 -19.5 -22.0

10 0.5 -17.5 -23.5 -27.0 -35.7

15 0.7 -22.0 -28.5 -33.5 -37.5

20 0.8 -26.5 -34.5 -37.5 -40.5

Fuente: Karaosmanoglu et al, 1996.




norma ASTM D6422-99 [22], con algunas modificaciones realizadas para poder medir la influencia de la presión.

A diferencia de estudios previos en los que la temperatura de la mezcla permanecía constante y se agregaba agua a la mezcla hasta encontrar la turbidez, en este estudio la composición de agua de la mezcla se mantuvo invariable mientras la temperatura era modificada usando un baño de enfriamiento.

1.1.1 Caracterización de la gasolina

Se utilizó gasolina denominada corriente (bajo octanaje) sin mezclar. La gasolina cumple la norma local de calidad exigida por el ente normativo nacional ICONTEC NTC1380 [23]. La gravedad específica fue determinada mediante el ensayo ASTM D1298 [24], y es igual a 0.739. La destilación de la gasolina se llevó a cabo por el método ASTM D86 [24]. Los resultados de la curva de destilación son presentados en la Tabla 3.

El contenido de agua es determinado mediante el procedimiento ASTM D1744 [25]. Los resultados de esta prueba para el etanol y la gasolina fueron respectivamente 0.060 y 0.001%.

1.1.2 Montaje experimental

El montaje se constituye principalmente en un contenedor de muestra con una marca de control que señala 40 ml. Una vez llenado con la mezcla que se desea probar es cerrado con un tapón de caucho que aloja un termómetro ubicado en su centro y una manguera conectada a un vacuómetro, así como una aguja que unida a una jeringa es la encargada de producir presiones de vacío (presiones menores a la presión atmosférica).

El contenedor es depositado en una camisa de vidrio, aislado de ésta mediante bandas de caucho y un disco de fieltro. Este montaje experimental se muestra en la Figura 5. La camisa es, a su vez, depositada en un baño de enfriamiento consistente en un recipiente de poliestireno que es llenado con hielo seco, como se muestra en la Figura 6.

Tabla 3 Resultados curva de destilación a la gasolina usada siguiendo procedimiento ASTM D86.

Prueba I Prueba II

% Destilado Temperatura (ºC)

Primera Gota 31 34

10 54 54

20 58 61

30 61 77

40 76 80

50 91 89

60 103 103

70 126 123

80 142 144

90 170 171

Máxima Temperatura 192 con 95% 196 con 95%

Volumen destilado 96% 96%

Residuo 1.60% 1.80%

1.1.3 Procedimiento

La mezcla fue preparada en el Laboratorio de Combustibles de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, bajo atmósfera controlada y verificando los contenidos exactos de gasolina, etanol y agua.

68

Cada mezcla se depositó en el contenedor y selló con el tapón de caucho, previo ajuste del baño de enfriamiento. Para el caso de las muestras probadas en condiciones de vacío, este fue producido utilizando la jeringa. En caso contrario, la aguja fue cubierta de manera tal que a través de ella no saliera mezcla.

Figura 5. Montaje experimental.

Las presiones alcanzadas por el sistema de vacío construido fueron de -26 cmHg, que para

las condiciones de Bogotá representan 492 mmHg absolutos (65 kPa).

Posteriormente, el contenedor con la muestra es ubicado en la camisa. Cuando la temperatura llega a 14 ºC, el contenedor es retirado de la camisa, agitado y limpiado mediante un paño empapado con etanol. Seguidamente se verifica si se presenta o no separación en la muestra. En caso de no presentarse separación, el contenedor es devuelto a la camisa.

Con cada 2 °C de disminución de la temperatura, el contenedor es retirado, agitado y limpiado. Una vez encontrada la temperatura en la cual se observa la separación, esta es reportada y el contenedor con la muestra son expuestos a la temperatura ambiente.

Por cada aumento de 2 ºC de la temperatura de la muestra expuesta a la temperatura ambiente, esta es agitada y revisada hasta encontrar la temperatura en la cual la mezcla se recombina. Esta temperatura es registrada y la

Figura 6. a) Detalle del montaje, b) Generación de vacío, c) Preparación del baño de enfriamiento.




temperatura promedio, entre la de separación y la de recombinación, es la temperatura definida como «temperatura de separación de fase».

1.1.4 Preparación de las mezclas

Se realizaron pruebas con mezclas E10, E15, E20, E25 y E30. De cada mezcla se tomaron muestras de 40 ml. Se mezclaron 120 ml con la cantidad de etanol y agua deseada por cada muestra, de manera que la preparación de las mezclas fuera sencilla y con menores posibilidades de error al medir el contenido de agua a agregar. Esta mezcla se almacenó en recipientes que se mantuvieron cerrados para evitar el contacto con la atmósfera.

Las mezclas se realizaron depositando cantidades de gasolina en un vaso de precipitados del cual, mediante jeringas, se tomó el volumen deseado para ser depositado en el frasco contenedor de la mezcla. La gasolina no utilizada del contenedor se volvió a depositar con el resto de la gasolina sin etanol, considerando que esta gasolina, al ser libre de etanol, no absorbería agua de la atmósfera.

Un procedimiento similar se realizó con el etanol, salvo que el etanol no utilizado no se devolvió sino que se depositó en otros contenedores y fue usado para limpiar el contenedor de la prueba, de manera que se permitiera la observación de la separación o no de la mezcla. A la mezcla se le agregó el agua mediante una jeringa de 1 ml. De esta mezcla se tomaron muestras de 40 ml en el contenedor con las que se trabajó en el experimento. La mezcla que no fue utilizada se almacenó en el frasco contenedor debidamente cerrado para disminuir el contacto con la atmósfera.

Se decide evaluar las mezclas E10, E15, E20, E25 y E30 con bajas cantidades de agua,

dentro del rango de 3000 a 5000 ppm. Como se explicará más adelante, este margen de cantidad de agua resulta muy bajo para las mezclas E30 y, por esta razón, se decidió implementar mezclas con 6000 a 8000 ppm.


2.1 Temperaturas de separación

Los resultados obtenidos para las muestras analizadas a la presión atmosférica de Bogotá, 75 kPa, se observan en la Tabla 4.

Un análisis más acorde debe hacerse con la temperatura inicial en vez de la temperatura de separación de fase que fue definida previamente. Una de las razones para hacer el análisis basado en la temperatura inicial es que la temperatura de recombinación parece más dependiente de la agitación que se le realice a la muestra que de la temperatura misma. La segunda razón es que muchos de los estudios realizados reportan la temperatura inicial y, con el objetivo de poder comparar estos resultados con los obtenidos por otros investigadores, se hace necesario reportar los resultados de las temperaturas iniciales.

En la misma forma, como varios investigadores han encontrado en estudios previos [16-17-19], las mezclas con bajas cantidades de etanol son más propensas a la separación porque soportan menor cantidad de agua. Es así como el E10 se separa con concentraciones mayores o iguales a 4500 ppm.

De la misma forma, concentraciones altas de etanol resultan bastante tolerantes al agua. Muestras con 30% de etanol en volumen no presentan separación para los rangos de concentración de agua menores a 6000 ppm y

70

es por esto que, para encontrar resultados con estas concentraciones de etanol, fue necesario agregar 7000 y 8000 ppm de agua a la mezcla.

Los resultados de estas pruebas concuerdan con los resultados obtenidos por otros investigadores. Efectivamente, para porcentajes en volumen de etanol de 10% la separación comienza alrededor de las 4500 ppm de agua y para volúmenes de etanol del 15%, la cantidad límite de agua es superior a los 5000 ppm. Es importante observar que en el trabajo elaborado por Torres et al. [17] se buscaba la concentración de agua para que existiera separación, antes que la temperatura de separación. Los resultados reportados allí coinciden con los reportados en el estudio de Korotney [26] (véase Figura 7).

Sin embargo, los resultados reportados por Kato [18] indican que las temperaturas

de separación resultan superiores, lo que representa una menor tolerancia al agua y, por lo tanto, una mayor facilidad de separación. Esto demostraría una menor cantidad de aromáticos y aditivos en la gasolina que se utilizó en ese estudio o eventualmente la influencia de variables como la presión local bajo la que se realizó el ensayo.

2.2 Efectos de la presión

Los resultados comparativos de la temperatura de separación entre las muestras E10, E15, E20, y E30 a presión local (75 kPa) y presión de vacío (65 kPa) se observan en la Tabla 5.

El efecto de la presión de vacío es variable. Mientras para algunas concentraciones parece aumentar la temperatura de separación, para otras hace lo contrario. De acuerdo al procedimiento seguido puede establecerse

Tabla 4 Temperaturas de separación de fase (C) a presión ambiente (75 kPa).

Agua(ppm) E10 E15 E20 E25 E30

3000 -16 No seencontró

No seencontró

3500 -8 -34 No seencontró

4000 -6 -17 -40 No seencontró

4500 Separacióninmediata -16 -38

5000 Separacióninmediata -20 -34 No se

encontróNo se

encontró

6000 No seencontró

7000 -38

8000 -26




Tabla 5. Temperaturas de separación de fase de las mezclas evaluadas en dos condiciones de presión.

Mezcla

Temperatura de separación (°C)

Contenido de agua (ppm)

3000 3500 4000 4500 5000 6000 7000

E10

A presión atmosférica

Bogotá (75kPa)-16 -8 -6 Separación

instantáneaSeparación instantánea

A la presión evaluada (65kPa) -16 -6 -8 Separación

instantáneaSeparación instantánea

E15


Bogotá (75kPa)

No se encontró -34 -17- -16 -20

A la presión evaluada (65kPa)

No se encontró -34 -15 -14 -22

E20


Bogotá (75kPa)

No se encontró

No se encontró -40 -38 -34


Bogotá (65kPa)

No se encontró

No se encontró -36 -34

E30


Bogotá (75kPa)

No se encontró

No se encontró

No se encontró

No se encontró

No se encontró -38 -26


Bogotá (65kPa)

No se encontró

No se encontró

No se encontró

No se encontró

No se encontró -28

Figura 7. Temperatura de separación para varios contenidos de agua en la mezcla E10.Fuente: Korotney, 1995.

72

que los rangos de observación de la muestra son de dos grados Celsius. Esto quiere decir que hay un margen de error de ± 1 ºC.

Ahora bien, en ninguna de las pruebas se encuentra diferencia entre las muestras sometidas a vacío y las no sometidas mayor a 2 ºC y, de hecho, algunas de ellas dieron resultados iguales. Esto lleva a concluir que, o bien el efecto de la presión es ligero y depende de las concentraciones, o sencillamente la presión no afecta el comportamiento de las muestras.

3. CONCLUSIONES

Los resultados de la gasolina evaluada en este estudio demuestran que la calidad de esta (específicamente en lo referente a la cantidad de aromáticos y aditivos) es inferior a la calidad de la gasolina de la prueba obtenida en Reynolds [19] y, en cambio, superior a la calidad obtenida en Karaosmanoglu [20]. Sin embargo, se reitera que esta afirmación depende de la certeza que se tenga de que las pruebas fueron realizadas bajo el mismo procedimiento.

Por otra parte, la similitud entre los resultados reportados por Torres et al. [17] con los resultados presentados en esta investigación resulta por demás ajustada a la afirmación según la cual ambas pruebas se realizaron con gasolinas similares en sus características, lo que es de hecho cierto porque ambas pruebas se realizan con gasolina colombiana.

En cuanto a la influencia del contenido de etanol y el contenido de agua en la temperatura de separación de la mezcla no se encontró ninguna diferencia con las investigaciones realizadas. Este estudio aporta resultados adicionales para mezclas con gasolinas

nacionales E15, E20 y E30 y adicionalmente para E10 a temperaturas menores a los 0 ºC.

Sobre el efecto de la presión, tras observar los resultados, se determina que la composición de la mezcla no influye en el efecto que la presión pudiese ocasionar sobre la temperatura de separación, siempre y cuando la mezcla combustible se mantenga en estado líquido. Más aún, se concluye que la presión no afecta el resultado y que las diferencias observadas dependen más de la agitación de la mezcla y de la tolerancia de error que se tiene por la metodología de las pruebas.

3.1 Recomendaciones

Uno de los aspectos más ambiguos a la hora de realizar las pruebas es el agitado de la muestra. En general, este procedimiento se debe realizar porque la temperatura en la parte inferior del contenedor llega a un menor valor más rápido que en la parte superior y es necesaria la agitación para homogenizar la mezcla. Si esto no se hiciese, de cualquier modo la parte inferior se mantendría más fría que la superior porque al ser de mayor densidad no habría opción de que la masa fría suba. Pero realizar la agitación también implica mantener la muestra a condiciones ambiente, lo que se traduce en un cambio de temperatura en la muestra e implica un error en la lectura o la necesidad de hacer una doble lectura. Desde luego, el método recomendado para futuras pruebas es el de realizar una doble lectura, la primera al alcanzar la temperatura de referencia y la segunda tras realizar la agitación y la limpieza del contenedor, siendo claro que esta lectura es registrada solo si se observa la separación.

La precisión a la hora de realizar las mezclas es otro aspecto a tener en cuenta. Se recomienda




el uso de micropipetas para el desarrollo de futuras pruebas.

Debido a que los resultados con la presión de vacío para la mezcla en fase líquida no fueron concluyentes, ya que existe evidencia de separación de la mezcla cuando es introducida en un motor de combustión interna [2-10-27], es recomendable realizar pruebas de mezclas aire-gasolina-etanol-agua en fase gaseosa bajo presiones de vacío.


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MODELOS DE REGRESIÓN LINEAL PARA ESTIMACIÓN DE TIEMPOS DE VIAJE EN SISTEMAS DE TRANSPORTE MASIVO

LINEAL REGRESSION MODELS FOR FORECASTING OF TRAVEL TIME IN BUS RAPID TRANSIT

Orlando Antonio Sabogal Cardona1, Juan David Hincapié Zea2, Jhon Jairo Santa Chávez3, John Willmer Escobar4

Fecha de recepción: 15 de Septiembre de 2014Fecha de aprobación: 21 de Abril de 2015

Referencia: O.A. Sabogal Cardona, J.D. Hincapié Zea, J.J. Santa Chávez, J.W. Escobar. (2015). Modelos de regresión lineal para estimación de tiempos de viaje en sistemas de transporte masivo. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp.77 - 89

RESUMEN

Uno de los aspectos más importantes en una implementación de Sistemas de Prioridad (TSP) para el transporte masivo es conocer el tiempo de llegada y de viaje de los buses solicitando prioridad. El presente artículo estima los tiempos de llegada de los buses usando técnicas de regresión lineal para un modelo de simulación del sistema de transporte masivo de la ciudad de Pereira, Colombia. Se presta especial atención a la validez de los supuestos de los modelos lineales en diferentes corredores bajo distintas condiciones. Las simulaciones se han realizado en el software Transmodeler® y los análisis de los modelos usando el lenguaje de programación R. Los resultados muestran que es difícil construir un modelo de regresión lineal válido y que las violaciones a los supuestos de normalidad, independencia y homocedasticidad son frecuentes. La única situación en la que fue posible construir modelos válidos fue en una zona sin intersecciones señalizadas ni estaciones de parada. Sin embargo, evaluaciones a las variables

1. Ingeniero Industrial, Joven Investigador, Grupo de Investigación SIRIUS. Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia, [email protected]. Ingeniero Electrónico, Investigador, Grupo de Investigación SIRIUS. Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia, [email protected]. Ingeniero Eléctrico, Ph.D. en Ingeniería Eléctrica, Profesor. Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia, [email protected]. Ingeniero Industrial, Ph.D. en Operations Research, Profesor. Pontificia Universidad Javeriana Cali, Cali, Colombia, [email protected]

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de respuesta de tiempos de viajes y análisis de residuales indican que se deben usar modelos lineales generalizados.

Palabras clave: Análisis de regresión, Bus Rapid Transit (BRT), modelos lineales, simulación, Sistemas de Prioridad (TSP).

ABSTRACT

One of the most important aspects in the implementation of Priority Systems (TSP) in mass transportation is to know the arrival and travel time of the buses requesting priority. This paper estimates the arrival times of buses using linear regression techniques for a simulation model of the mass transportation system of Pereira, Colombia. In particular, special attention to the validity of the assumptions of linear models in different corridors under different conditions is given. The simulations were performed in the Transmodeler® software and the analysis of the models were done using R programming language. The results show that it is difficult to construct a valid linear regression model. In addition, the violations of the assumptions of normality, independence and homoscedasticity are frequent. The only situation in which it was possible to build valid models was in an area without signalized intersections and stop stations. However, evaluations made to the travel time, response variables, and residual analysis indicate that generalized linear models should be used.

Keywords: Bus Rapid Transit (BRT), Linear Models, Regression Analysis, simulation, Systems Priority (TSP).

INTRODUCCIÓN

El transporte público eficiente es uno de los grandes desafíos que las ciudades colombianas están enfrentando en la actualidad. Es un tema que afecta directamente a la mayoría de ciudadanos y tiene efectos considerables sobre la economía, el trabajo, la salud y la contaminación. Los sistemas de transporte masivo (Bus Rapid Transit - BRT) se han ido implementado en el país en diferentes ciudades. Desde el año 2000 funciona en Bogotá D.C. un sistema de transporte masivo llamado Transmilenio, el cual fue inspirado en

las experiencias previas que se tuvieron en Curitiba, Brasil [1].

Pronto, Transmilenio se volvió un modelo a seguir y un referente estándar de movilidad y alternativa de transporte. Otras ciudades colombianas empezaron a replicar la experiencia de Bogotá D.C. Por esta razón, actualmente hay sistemas de transporte masivo en Cartagena, Bucaramanga, Medellín, Cali y Pereira. Aunque estos sistemas han mejorado la movilidad, los esfuerzos no han sido suficientes. Los BRT y otros modos de transporte público no son eficientes y no son

Orlando Antonio Sabogal Cardona, Juan David Hincapié Zea, Jhon Jairo Santa Chávez, John Willmer Escobar



capaces de competir con el transporte privado en cuanto a costos, confort, tiempos de viaje y cantidad de pasajeros [2–3].

Esta situación no es exclusiva de las ciudades colombianas, otros países como Estados Unidos, Francia y Nueva Zelanda han experimentado situaciones similares [4], y han usado enfoques de ingeniería centrados en sistemas inteligentes de transporte (ITS por sus siglas en inglés) para contrarrestarlos. Sobresalen entre estos ITS los Sistemas de Prioridad (Transit Signal Priority - TSP), cuya filosofía es priorizar el transporte público en las intersecciones señalizadas. Esto significa cambiar, de acuerdo a unos parámetros y estrategias establecidos, el normal funcionamiento de los semáforos afectando sus fases y ciclos. Las estrategias clásicas de TSP se dividen en dos grupos: estrategias pasivas y estrategias activas.

Las estrategias activas tienen un buen rendimiento pero requieren una implementación tecnológica compleja. Las estrategias activas más comunes son «verde temprano» y «verde extendido». El verde temprano reduce los tiempos de verde en las calles no priorizadas para que los vehículos puedan transitar más rápido. El verde extendido aumenta el tiempo en las fases para que los vehículos puedan pasar por la intersección sin esperar un ciclo completo. Para lograr estas estrategias, primero se necesita hacer la identificación de los buses, que deben ser detectados cuando están cerca de una intersección lo que usualmente se hace con sensores o dispositivos GPS. Después de que un bus es detectado, una señal se envía al sistema de administración de tráfico, si existe, o al respectivo controlador. Por último, la central de administración de tráfico o el controlador deben determinar si una señal de petición

es atendida o no, cómo priorizarlas, reducir o extender las fases, establecer tiempos, rotar los ciclos y determinar los tiempos de recuperación. Por esta razón, complejos algoritmos son utilizados en los sistemas TSP para que funcionen en tiempo real.

Las estrategias pasivas son menos costosas y no necesitan de tanta implementación tecnológica, pero son consideradas soluciones malas e imprecisas. Las estrategias pasivas configuran los planes de señalización de tal manera que beneficien el transporte público, por ejemplo, hacer una ola de verde sobre una avenida con transporte masivo o predecir los tiempos de llegada y cambiar las fases con base en en ellos. Las estrategias pasivas no son muy populares y cuando empezaron los TSP fueron subestimadas sin ninguna razón particular. También han surgido estrategias híbridas que combinan conceptos activos y pasivos.

Estados Unidos es uno de los países que más implementaciones TSP ha realizado. Este país tiene amplia literatura en variedad de temas relacionados con TSP. Ova et al. [5] mencionan que la primera implementación TSP documentada fue realizada en Washington en 1962 cuando se hizo un experimento para ajustar los tiempos en un corredor señalizado para aumentar la velocidad de los buses públicos. En este trabajo se analizan cinco implementaciones TSP. Zhang [6] considera implementaciones de TSP en Estados Unidos, Canadá, Inglaterra, Francia y Alemania. En el 2005, el Departamento de Transporte de Estados Unidos publicó un manual para proyectos TSP, Ova et al. [5]. En dicho documento se explican las tecnologías asociadas a los sistemas TSP, estrategias y metodologías para su implementación. También se incluyen algunos casos que revisan todo el proceso de conceptualización, estudios,

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diseños, implementación y puesta en marcha de los sistemas.

Para estudios de factibilidad y de impacto de sistemas TSP clásicamente se han usado técnicas de simulación. En [5–6] se resumen algunos trabajos importantes. Otros trabajos relevantes han sido propuestos por [7–11]. Una pregunta recurrente en proyectos de simulación para TSP y en implementaciones tiene que ver con la cuantificación del beneficio o algunas medidas de efectividad. Marín et al. [3] discuten dicha situación. Otros trabajos han sido propuestos por Garrow et al. [12] y Tan et al. [13].

En la actualidad existen nuevos enfoques para desarrollo de estrategias TSP. Se han hecho esfuerzos para mejorar las predicciones de los tiempos de llegada y combinar TSP con sistemas de control de tráfico dinámico o adaptativo. Liu et al. [14] diseñan un modelo dinámico que mezcla sistemas de control de tráfico adaptativo con TSP. Dion et al. [15] muestran un estudio realizado en Arlington Virginia para incorporar TSP en intersecciones coordinadas. Ambos trabajos concluyen que TSP beneficia el transporte público y no crea problemas al tráfico.

Otro trabajo interesante ha sido propuesto por Tan et al. [16]. En dicho trabajo, dos modelos para predecir tiempos de llegada han sido propuestos. En particular, uno de ellos utiliza regresión lineal para estimar los tiempos de viaje de los vehículos, mientras que el otro se alimenta de los modelos de regresión lineal para diseñar un esquema de filtros de Kalman considerando un enfoque bayesiano.

Para mejorar los sistemas de transporte masivo en Colombia es importante encontrar una alternativa TSP viable y económica. Estrategias mixtas, usando pocas detecciones

y predicciones en los tiempos de llegada pueden ser una solución. La estimación de los tiempos de viaje es un factor primordial para minimizar los tiempos de espera de los pasajeros, la optimización del número de paradas de los buses y la determinación de mejores rutas.

En este trabajo se usa el software Transmodeler® para representar un corredor del BRT MEGABUS de la ciudad de Pereira. Con los resultados obtenidos de la simulación, se ha utilizado regresión lineal con las variables de distancia, tiempo y velocidad. Las simulaciones y los modelos se hicieron para diferentes escenarios con el objetivo de probar capacidad del sistema para generar modelos cuando se cambian ciertos parámetros. Los resultados indican que los modelos de regresión no son buenos para predecir los tiempos de llegada porque hay violaciones a los supuestos de normalidad, independencia y homocedasticidad. Los resultados también sugieren que se deben usar modelos lineales generalizados, ya que los modelos residuales y las variables de respuestas se comportan como distribuciones Chi-Cuadrada o Poisson.


Para el desarrollo de la investigación se ha usado un caso de estudio del corredor del sistema de transporte masivo MEGABUS del Área Metropolitana Centro Occidente (AMCO) de la ciudad de Pereira. El corredor utilizado es el carril exclusivo que comienza en la Carrera 6.a con Calle 13 a la altura del Viaducto César Gaviria Trujillo y va hasta la Calle 24 con Carrera 7.a en el Parque El Lago Uribe Uribe. A lo largo del corredor hay tres estaciones del sistema masivo y siete intersecciones semaforizadas. El corredor se puede apreciar en la Figura 1.




La construcción del modelo de simulación propuesto está basada en los lineamientos típicos para esta clase de estudios señalados en [14-15]. Se construyen las vías con los sentidos y giros correspondientes, se agregan los planes de señalización para las intersecciones y se crea el sistema de transporte público con el carril exclusivo y las estaciones. Dentro del modelo se crean los sensores que capturan las variables de velocidad y tiempo de viaje de cada vehículo que pasa por el sensor. En total se han creado 220 sensores identificados con un ID único que va desde el 466 hasta el 686.

Los sensores permiten medir las variables de todos los vehículos durante su recorrido y esa información capturada se usa para estimar en cuánto tiempo va a llegar a una intersección. De esta manera, si es posible hacer una buena estimación de los tiempos de viaje, será posible establecer estrategias de prioridad más eficientes cuando se implemente un sistema TSP.

Para los análisis y la construcción de los modelos se han considerado cuatro subcorredores (ver Tabla 1). El primer subcorredor corresponde al corredor inicial completo. El segundo corresponde a la parte ubicada entre el Viaducto y la Carrera 6.a con Calle 13. El tercero es muy

pequeño e incluye una estación, está entre la Carrera 6.a con Calle 13 y Carrera 6.a con Calle 14 y las dos intersecciones que abarca están semaforizadas. El último corredor va de la calle 13 con Carrera 6.a hasta la Calle 19 con Carrera 6.a y no hay ninguna intersección semaforizada.

Tabla 1. Información de los subcorredores.

Corredor Inicio Fin Sensor

1 Viaducto Calle 25 466-686

2 Viaducto Calle 13 466-480

3 Calle 13 Calle 14 483-495

4 Calle 14 Calle 19 497-585

Se han formulado dos tipos de modelos de regresión lineal para el problema propuesto. El primer modelo usa solamente las mediciones de tiempo de viaje para cada vehículo cuando pasa por cada sensor y toma la ubicación de cada sensor desde el punto de inicio (Viaducto) como una variable de distancia. El objetivo del primer modelo es explicar los tiempos de viaje en función de la distancia. El segundo modelo considera los tiempos de viaje y las medidas de velocidad para tratar de explicar el tiempo de llegada a un sensor (el último sensor de cada subcorredor)

Figura 1. Zona de estudio.

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como función de las variables tiempo de viaje y velocidad en los sensores anteriores.

Ahora bien, el rendimiento de cada modelo puede variar dependiendo del plan de señalización utilizado. Para intentar comprender los efectos que pueden tener los planes de señalización se establecen dos tipos de planes: uno con un ciclo de 60 segundos y tiempo de servicio en verde para el carril exclusivo de 25 segundos, y otro con un tiempo de ciclo de 50 segundos y tiempo de servicio en verde de 20 segundos. Los llamaremos nivel alto y nivel bajo respectivamente (Ver Tabla 2). El rendimiento también se puede ver afectado por la frecuencia de partida de los vehículos y por eso de nuevo se manejan dos niveles para esta variable: uno alto con un tiempo de salida promedio de 90 segundos y otro bajo con promedio de salida de 45 segundos (ver Tabla 3).

Emulando el vocabulario y las buenas prácticas del diseño experimental, se tiene un diseño de dos factores con dos variables de 2 niveles cada una (diseño 2^2). Los modelos de regresión lineal fueron construidos para cada tratamiento en cada corredor. Como se aprecia en la Tabla 4 se tienen 4 tratamientos.

Tabla 2. Niveles de los planes de señalización.

Plan de Señales Tiempo de ciclo Tiempo de verde

Alto 60 25

Bajo 50 20

Tabla 3. Niveles de los tiempos de partida

Rata Partida Tiempo medio Varianza

Alto 90 15

Bajo 45 15

Tabla 4. Experimento 2^2 tratamientos

Tratamiento Plan de señales Rata partida

1 Bajo Alto

2 Alto Alto

3 Bajo Bajo

4 Alto Bajo

2. RESULTADOS

2.1. RESULTADOS PARA LOS MODELOS TIEMPO DE VIAJE – DISTANCIA

Los resultados para los cuatro tratamientos siempre muestran violaciones a los supuestos de normalidad, homocedasticidad e independencia. Las gráficas de tiempo de viaje contra distancia hacen evidente que la varianza no es constante y que incrementa a medida que la distancia recorrida aumenta. Las Figuras 2 y 3 ilustran la situación para diferentes corredores y tratamientos. Para cada figura se ha calculado el respectivo coeficiente de Pearson, obteniendo valores de 0.86 y 0.89 para el primer y segundo tratamiento respectivamente. De esta manera se puede comprobar que el fenómeno que se estudia es efectivamente lineal. De las gráficas anteriores es claro que la variabilidad de los tiempos de viaje aumenta a medida que los buses avanzan en los recorridos, lo que hace muy difícil hacer estimaciones con precisión. Una explicación para el aumento de la variabilidad es que se van acumulando eventos como paradas en las estaciones, paradas en los semáforos y mayor interacción con otros buses.




Figura 2. Tiempos de viaje contra Distancia para el segundo corredor en el primer tratamiento.

Figura 3. Tiempo de Viaje contra Distancia para el

segundo corredor en el cuarto tratamiento.

También se observan las gráficas de residuales para analizar la adecuación del modelo. Las Figuras 4 y 5 muestran gráficas de residuales.

Figura 4. Gráficas de adecuación del modelo y de residuales para el segundo corredor en el primer tratamiento.

84

En la Figura 4 es evidente que la variable no tiene varianza constante. En la Figura 5 se observa que la información no sigue la línea recta por lo que no se puede demostrar normalidad. En la Figura 5 se observan algunos patrones y esto evidencia la dependencia entre los datos. En general, la Figura 6 evidencia que no se cumplen los supuestos de un modelo de regresión lineal y no se puede demostrar la adecuación de ningún modelo.

2.2. RESULTADOS PARA LOS MODELOS DE TIEMPO DE VIAJE EN UN SENSOR – VELOCIDAD Y TIEMPOS DE VIAJE EN LOS SENSORES ANTERIORES

Los modelos tienen coeficientes R cuadrados y R cuadrados ajustados buenos y se encuentran por encima del 80%. La Figura 6 corresponde a los resultados obtenidos de una regresión lineal en el corredor 2.

Figura 5. Gráficas de adecuación del modelo y residuales para el cuarto corredor en el tercer tratamiento.




La Figura 7 muestra las gráficas de residuales y adecuación del modelo. En la grafica de la esquina superior izquierda de la Figura 7, se puede apreciar que se detecta varianza no constante del modelo. De la Figura 7 se puede inferir una distribución con una cola en vez de una normal. La Figura 8 muestra un histograma de los residuales confirmando que no se ajustan a una distribución normal. En el corredor 3, se pudo ajustar un modelo de regresión lineal adecuado. La Figura 9

muestra las gráficas de residuales, normalidad, homocedasticidad e independencia para el corredor 3. La Figura 10 muestra el histograma de residuales. Su comportamiento se asemeja a una distribución normal.

3. CONCLUSIONES En este articulo se han analizado modelos de regresión lineal para estimar los tiempos de viaje en Sistemas de Transporte Masivo.

Figura 6. Resumen modelo de regresión lineal en el corredor 2.

86Orlando Antonio Sabogal Cardona, Juan David Hincapié Zea, Jhon Jairo Santa Chávez, John Willmer Escobar

Figura 7. Adecuación del modelo y gráficas de residuales para el segundo corredor.

Figura 8. Histograma de residuales en el modelo lineal para el segundo corredor.

Para validar la metodología propuesta se han utilizado datos reales relacionados con un corredor del BRT MEGABUS de la ciudad de Pereira, Colombia.

Para los corredores analizados y los subcorredores se ha determinado que no es factible usar modelos de regresión lineal clásica para estimar los tiempos de viajes. Las violaciones a los supuestos de normalidad, independencia y homocedasticidad son inevitables. Sin embargo, el único corredor en el cual fue posible usar una regresión lineal válida no tenía estaciones de paradas ni intersecciones señalizadas, por lo que se puede pensar que estos dos factores afectan la adecuación de un modelo en escenarios



Figura 10. Histograma de residuales

reales. Este es un hecho muy importante para considerar en vista de que los sistemas de transporte masivo de Colombia se caracterizan por tener muchas estaciones de parada muy próximas entre sí y estar ubicados sobre carriles con intersecciones señalizadas. Por lo tanto, los modelos para predecir los tiempos de viaje como los propuestos por Dion et al.[15] y Tan et al.[16] no son replicables en los sistemas de transporte masivo colombiano.

Los datos para los modelos de regresión lineal propuestos tienen muchos puntos influenciables que llevan al rechazo de los supuestos. Modelos de regresión robusta y

Figura 9. Adecuación del modelo y gráfica de residuales para el modelo lineal en el corredor 3.

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múltiple deben ser analizados como trabajos futuros.

El comportamiento de la variable respuesta y los residuales muestran claramente que el fenómeno estudiado no proviene de una distribución normal. El análisis gráfico sugiere que pueden venir de una familia exponencial, especialmente una distribución Chi-Cuadrada o Poisson. Modelos Lineales Generalizados deben ser usados para construir mejores modelos de estimaciones de tiempo de viaje.

AGRADECIMIENTOS

El primer autor agradece al Gobierno Nacional de Colombia y a COLCIENCIAS por el apoyo en esta investigación a través del programa “Jóvenes Investigadores e Innovadores”.

La investigación ha sido apoyada por la Universidad Tecnológica de Pereira, agradecimientos especiales al Grupo de Investigación Sirius por su apoyo en el soporte técnico y a la Pontificia Universidad Javeriana Cali.

REFERENCIAS

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN CONTROL DUAL POR MODOS DESLIZANTES PARA UN CONVERTIDOR BUCK CD-CA

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A DUAL SLIDING MODE CONTROL FOR A BUCK DC-AC CONVERTER

Jaime Ayala Taco1, Roberto Gutiérrez2, Susset Guerra Jiménez3, Alexander Fernandez Correa4

Fecha de recepción: 23 de Septiembre de 2014Fecha de aprobación: 26 de Noviembre de 2014

Referencia: J. Ayala Taco, R. Gutiérrez, S. Guerra Jiménez, A. Fernandez Correa. (2015). Diseño e implementación de un control dual por modos deslizantes para un convertidor Buck CD-CA. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp. 91 - 111

RESUMEN

El presente trabajo muestra un análisis orientado a la propuesta de diseño e implementación de un doble controlador en modo deslizante para un convertidor Buck CD-CA. Se plantean las superficies de deslizamiento candidatas de acuerdo con las exigencias de la aplicación y, mediante una lógica de activación de las llaves semiconductoras (MOSFET), se obtiene un control independiente en la amplitud de la tensión para el semiciclo positivo y negativo de la onda de salida en CA, con el objetivo de lograr a voluntad un nivel de CD introducido en la señal de alterna. Se ingresan perturbaciones de tensión en la entrada del convertidor y se producen variaciones en la carga con el objetivo de probar la robustez del sistema de control propuesto. El control se implementa en un microcontrolador AVR Atmega164PA y se prueba de manera práctica. Finalmente, se expone una comparación de los resultados obtenidos de manera experimental con las simulaciones realizadas en SCILAB5. Palabras clave: Convertidor Buck CD-CA, modos deslizantes, control dual.

1. Ingeniero Electrónico, Profesor Depto. Eléctrica y Electrónica, Investigador. Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE, Quito, Ecuador, [email protected]

2. Ingeniero Mecánico, Profesor Depto. Energía y Mecánica, Investigador. Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE, Quito, Ecuador, [email protected]

3. Ingeniero Automática, Ph.D., Profesora-investigadora Depto. Automática. Instituto Politécnico José Antonio Echeverría, Habana, Cuba, [email protected]

4. Ingeniero Electrónico, Ph.D., Profesor-investigador CIPEL. Instituto Politécnico José Antonio Echeverría, Habana, Cuba, [email protected]

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ABSTRACT

This paper presents the design and implementation proposal of a dual sliding mode control for a Buck DC-AC converter. The candidate sliding surfaces were set out according to the demands of the application and, through a logic activation of the semiconductor keys (MOSFETs), independent control of the voltage amplitude for the positive and negative half cycles of the output wave in AC was obtained, in order to reach a specific level of DC introduced into the AC signal. Voltage disturbances were entered into the converter input and load variations were generated in order to test the robustness of the proposed control system. The control was implemented on a microcontroller AVR Atmega164PA and practically tested. Finally, a comparison of the results obtained experimentally and those obtained through simulations in SCILAB5 was made.

Keywords: DC-AC Buck Converter, sliding mode control, double control.

INTRODUCCIÓN

Los sistemas físicos tienen varias representaciones que permiten definir de una manera aceptable su comportamiento dinámico [1]. La necesidad de realizar un control por modos deslizantes surge debido a la característica primordial de los convertidores estáticos de ser sistemas de estructura variable [2], lo que se traduce como la variación de su comportamiento en función del estado de la llave semiconductora (conducción o no conducción).

El convertidor Buck permite transformar una tensión de entrada fija en una de salida regulada, con la particularidad de que aquella nunca será mayor a la tensión de entrada. Adicionalmente, esta magnitud siempre estará relacionada con el ciclo de trabajo D cuando el modo de operación es continuo. Para un convertidor reductor ideal se plantea que, cuando el ciclo de trabajo es del 50%, la magnitud de la salida será la mitad de la de entrada. La particularidad del convertidor propuesto de ser inversor se produce debido

a la presencia del puente H completo, que permite cambiar la tensión continua en alterna [3]. El modo deslizante cumple la función de controlar el sistema mediante una lógica de conmutación de la llave semiconductora que se manipula en función de las ecuaciones diferenciales que caracterizan al sistema. Este puede ser presentado como la aplicación de una señal de control conmutando a una alta frecuencia, idealmente infinita, que conducirá la respuesta del sistema (trayectoria del comportamiento del régimen de estructura variable) hacia una superficie S=0 denominada superficie de deslizamiento y, una vez alcanzada esta, debe mantenerse la trayectoria el resto del tiempo. De esta manera se pueden definir según [4-5] dos comportamientos en bucle cerrado:

• Modo de alcanzabilidad: Durante el cualla trayectoria de estado se mueve hacia la superficie de conmutación y la alcanza.

• Mododeslizante:Eselcomportamientoenel que la trayectoria del estado se encuentra deslizando sobre la superficie.


Jaime Ayala Taco, Roberto Gutiérrez, Susset Guerra Jiménez, Alexander Fernandez Correa


Los estados de conmutación de los MOSFET permiten realizar dos funciones específicas que son:

• La conversión de tensión continua aalterna, tomando en cuenta que la tensión alterna tiene una frecuencia de 60Hz para la aplicación propuesta.

• El controlador por modo deslizante, queconmuta a una frecuencia máxima de 30 kHz y que permite tener una variación en tensión positiva y negativa.

En la literatura [6-7] se ha planteado el análisis de estabilidad y el empleo del controlador por modos deslizantes puros en aplicaciones de electrónica de potencia. Afsharian Zadeh et al. [8] presentan un controlador integral-derivativo deslizante para un convertidor Buck, con el que se obtienen resultados prometedores en cuanto a simulación. Finalmente, Yue et al. [9] proponen un control por modos deslizantes para un convertidor Buck, con el objetivo de alimentar una carga a potencia constante y verificar su robustez frente a variaciones en la carga.

La aplicación que se propone en el presente artículo establece la posibilidad de controlar de manera independiente las amplitudes positiva y negativa de la señal de CA de salida, con el objetivo de introducir un nivel de continua durante cierto número de ciclos en la carga. Esta señal puede ser empleada como perturbación del sistema con propósitos de identificación paramétrica sin alterar la frecuencia de operación de la planta.

1. EL CONVERTIDOR BUCK CD-CA

Este tipo de convertidor proporciona una tensión de salida regulada inferior a la de

entrada. El estudio se realiza cuando el sistema se encuentra en estado continuo (modo de conducción continua, MCC), es decir, se realiza tomando en cuenta que la bobina siempre se mantiene cargada, nunca se descarga completamente, por lo que la corriente que pasa por la bobina siempre es mayor que 0 A [10]. La conmutación de los MOSFET del puente H es la que da origen al convertidor Buck. Como se observa en la Figura 1, el sentido de la corriente está dado por dos momentos de conmutación que son:

• Positivo:seproducecuandoelMOSFETQ3se encuentra desactivado y Q2 actúa como un diodo para el sentido positivo.

• Negativo: se produce cuando el MOSFETQ1 se encuentra desactivado y, en este caso, Q4 actúa como diodo, dando lugar a la tensión negativa en la carga.

Figura 1. Puente completo en configuración H.

Tomando en cuenta este tipo de conmutación, se obtiene la configuración típica de un convertidor Buck positivo y negativo. El sentido de la corriente depende propiamente del momento de conmutación de los MOSFET. Para el diseño y modelado del convertidor se propone que el sentido de la corriente sea positivo (en dirección de las agujas del reloj) y se toma como referencia que el MOSFET Q2 se

94

comporta como un diodo, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Convertidor Buck.

El sistema de estructura variable permite que la bobina trabaje siempre en estado continuo, como se observa en las Figuras 3 y 4. En el primer periodo, el MOSFET Q1 se encuentra en conducción (estado ON), en el que la bobina se energiza por medio de la fuente E y el segundo periodo ocurre cuando el MOSFET Q1 se desactiva y la bobina transmite la energía a la carga por medio del diodo D [3].

Figura 3. Estado u=0 en el convertidor.

Figura 4. Estado u=1 en el convertidor.

Las formas de onda del comportamiento deseado del convertidor se presentan en la Figura 5.

Figura 5. Formas de onda resultantes del convertidor.

Partiendo de las mismas, se obtienen las ecuaciones que describen la corriente y la tensión aplicables a este convertidor, cuando T=TON⟹T=D.T [10].

(1)

(2)

(3)

(4)

Conociendo el valor de la corriente en el inductor, se obtiene la ecuación (5).

(5)




De las formas de onda de la Figura 5 surge el análisis para TON=D.T, donde D es el ciclo de trabajo, y se reemplaza el valor de la tensión del inductor de (1) en (5) para obtener la corriente.

(6)

Se realiza la integral para △t[0-D.T] y se obtiene:

(7)

En relación con la Figura 4 se obtienen las siguientes ecuaciones cuando T=Toff⇒T=(1-D)T

(8)

(9)

De las formas de onda de la Figura 5, se realiza el análisis para Toff=(1-D)T y se reemplaza el valor de la tensión del inductor de (8) en (5).

(10)

Al realizar la integral para (10) se obtiene:

(11)

Cuando el convertidor se encuentra trabajando en régimen permanente se obtiene la siguiente relación:

(12)

Cuando se despeja V0 de (12) se obtiene:

(13)

La ecuación (13) es la que representa la tensión de salida(V0) en función de la de entrada (E) que es directamente proporcional al ciclo de trabajo (D), sin depender de ningún otro elemento del esquema. Para el análisis se han considerado despreciables las pérdidas asociadas a los elementos del circuito, por lo que:

(14)

Se reemplaza el valor V0 de (13) en (14) y al despejar IE se consigue:

(15)

Esto significa que, en el modo de conducción continua, el convertidor reductor es equivalente a un transformador, en el que la relación de transformación será D. Para el diseño del inductor se despeja L en (7) y se obtiene:

96

(16)

Se conoce que el teorema de valor medio es:

(17)

Y además el valor de T=1/fs . Entonces, se reemplazan (17) y (13) en (16) y se consigue:

(18)

En (18) se reemplaza el valor de la Il de (15) y se consigue la relación en la bobina en función de la resistencia de carga, ciclo de trabajo y frecuencia de conmutación [10].

(19)

La ecuación (19) es la que servirá para el cálculo del valor del inductor. Si se supone que la componente ondulatoria de la corriente por la carga es muy pequeña y despreciable, entonces △il=△ic. Teniendo en cuenta que la corriente media por el capacitor es cero, en el intervalo de △t[0,t/2] la corriente media por el capacitor es (△i)/4 [11]. Conociendo el valor de la tensión en el capacitor se logra la ecuación (20).

(20)

Además se tiene que △Vc=VC-Vc (0) y se consigue △Vc de (20). Al realizar la integral para △t[0,t ⁄ 2] se obtiene:

(21)

Al reemplazar el valor de △Il de (16) en (21) y al despejar el valor del capacitor (C) se consigue:

(22)

El rizado de tensión △V0, se puede expresar de la siguiente manera:

(23)

Cuando se toma en cuenta que △V0=△Vc y se reemplaza el rizado de tensión de (23) en (22), se consigue:

(24)

2. MODO DESLIZANTE APLICADO AL CONVERTIDOR BUCK CD-CA

Para poder realizar el análisis del modo deslizante se debe partir desde el modelo matemático del convertidor Buck, tomando en cuenta las ecuaciones de estado para la tensión y la corriente. Para un sistema de estructura variable, como es el caso del convertidor, se




tienen dos estados [5]: para cuando la señal de conmutación u toma un valor alto igual a uno y otro diferente cuando u toma un valor bajo igual a cero.

Figura 6. Diagrama de circuito en estado ON.

Figura 7. Diagrama de circuito en estado OFF.

Aplicando las leyes de Kirchhoff para el circuito de la Figura 7, se obtiene la ecuación para la corriente:

(25)

Al saber que la corriente en el inductor es: ic=CVc y la corriente de salida es: I0=Vc/R, se obtiene (26) reemplazando Ic e I0 en (25):

(26)

Al despejar vc en (26), se obtiene la primera ecuación de estados en función de la derivada de la tensión del condensador:

(27)

Al aplicar las leyes de Kirchhoff para el circuito de la Figura 6, se tiene la ecuación para la tensión:

(28)

Al conocer que la tensión del inductor es: Vl=L.il’, se consigue (29) reemplazando Vl en (28) :

(29)

Cuando se despeja il’ de (29), se obtiene la segunda ecuación de estados en función de la derivada de la corriente del inductor:

(30)

Se realiza cambio de variable (vc=x1 e il=x2) y se expresan (27) y (30) en forma matricial.

(31)

98

El sistema no lineal autónomo descrito por (31) cumple: x∈X, con X⊂Rn conjunto abierto, es el vector de estados; u:Rn⟶R que define la acción de control; f y g son campos vectoriales locales suficientemente suaves y definidos en X, con g(x)≠0,∀x∈X [12-13].

Se define la función de conmutación h como una función suave h:X → R, con gradiente dh no nulo en X, llamada también superficie de deslizamiento, que se debe proponer para ser sometida a validación. Para este caso en particular se plantea:

(32)

Donde il=x2, es decir, la superficie de deslizamiento S(x) dependerá del valor de corriente de la bobina y x2ref equivale a un valor constante ingresado como consigna del comportamiento deseado del sistema.

La ley de conmutación utilizada para un convertidor Buck dependerá del signo de la superficie de deslizamiento. Es decir, si S(x) >0, la ley de control forzará al vector de estados u a ser 0 y, por el contario, si S(x) <0, la ley de control forzará al vector de estados u a ser 1, donde u+(x) siempre será diferente de u-(x) [14], por lo que:

(33)

Se dice que existe un régimen deslizante sobre la superficie de deslizamiento cuando,

como resultado de la ley de control, (33) el sistema alcanza dicha superficie (32) y se mantiene localmente en su entorno. Además, debe cumplirse que los campos vectoriales controlados (f+g.u+) y (f+g.u-) apunten local-mente hacia la superficie de deslizamiento (ver Figura 8) [15].

Figura 8. Régimen deslizante sobre una superficie de deslizamiento.

Para esto se calcula la derivada direccional o llamada derivada de Lie, que denota la derivada parcial de un campo escalar s: X → R en la dirección de un campo vectorial f(x): Rn⟶R [15].

(34)

Por lo tanto, considerando (31) se presentan los siguientes resultados parciales:

(35)




La región de convergencia se encuentra definida por (36), que se presenta en la Figura 9 [13].

(36)

(37)

Figura 9. Región de convergencia.

Al conocer que el sistema conmuta a una alta velocidad idealmente infinita, se tiene un sistema discontinuo en todo el rango de tiempo. Para obtener una solución óptima se dispone del método del Control Equivalente (ueq) [14], que consiste en reconocer que Ṡ(x)=0 es condición necesaria para confinar la trayectoria de estados a la superficie de deslizamiento S(x)=0. Esto se observa en la Figura 10.

Con base en lo expuesto, la condición de invariancia de la superficie de deslizamiento S(x) estará dada por (37), y se obtendrá directamente el control equivalente mediante (38).

Figura 10. Método del control equivalente.

(38)

Por lo tanto, se puede decir que la condición suficiente para que exista un modo deslizante local en la superficie de deslizamiento es que se encuentre bien definida la u [12].

(39)

El criterio de estabilidad usado para el análisis es el método directo de Lyapunov, debido a que permite analizar el sistema en su totalidad. Para ello, se considera la cantidad escalar definida por (40) como semipositiva (mayor o igual que cero), que representa cierta «energía» instantánea del error con respecto a la variedad S, que se iguala a cero sobre la misma [16].

(40)

100

Una estrategia recomendable para alcanzar, desde una vecindad de S, la condición deseable h(x)=0 es ejercer acciones de control u ∈ [0,1], que resulten en un decrecimiento estricto de ε(x) respecto al tiempo. Esto se logra influyendo sobre el sistema, de tal manera que la tasa de variación de ε(x) respecto al tiempo sea estrictamente negativa [16]. Entonces, considerando (33) se obtiene la función de energía representada por (40).

(41)

Al reemplazar (35) y (38) en (41) y considerando u=1 y S=-S se obtiene la función de energía.

(42)

Realizando lo propio y considerando u=0 y S=S se obtiene:

(43)

Si se considera que los miembros de (42) y (43) todo el tiempo tienen valores positivos y que la tensión de entrada E siempre es mayor que uno, entonces se puede asegurar que la función de energía (40) hace asintóticamente estable al sistema (31) sobre la superficie de deslizamiento S propuesta (32), confirmando su validez [13].

3. LÓGICA DE FUNCIONAMIENTO PARA UN OFFSET

El offset de tensión (Voffset) en la carga se obtiene mediante un protocolo de

conmutación para los MOSFET, de tal manera que se pueda tener un punto referencial o set point controlado para el ciclo positivo y un set point controlado para el ciclo negativo de manera independiente.

La configuración en puente H, Figura 1, permite tener 2 brazos que a su vez forman los 2 semiciclos de la señal CA (f=60 Hz), por lo que se ha divido a esta sección en 2 partes: semiciclo positivo comprendido entre [0-8.33] ms y semiciclo negativo comprendido entre [8.33-16.66] ms.

3.1. SEMICICLO POSITIVO

El semiciclo positivo ocurre cuando el transistor MOSFET Q3 está desactivado. El esquema de funcionamiento en estas condiciones se presenta en la Figura 11.

Figura 11. Puente H semiciclo positivo.

Como se conoce, el convertidor Buck es un circuito de estructura variable [17]. Según sea la conmutación de los MOSFET se obtienen los dos estados del sistema, que son: a) cuando la bobina se energiza, Figura 6, y b) cuando la bobina entrega energía, Figura 7. Para obtener la configuración típica de un convertidor Buck, Figura 2, es necesario aplicar un protocolo de




conmutación para el encendido y apagado de los MOSFET del semiciclo positivo.

• El primer estado se produce cuando labobina se energiza, es decir, los MOSFET Q1 y Q4 estarán activados (ON) y por consecuencia los MOSFET Q2 y Q3 no lo estarán.

• El segundo estado se produce cuandola bobina entrega energía, es decir, los MOSFET Q2 y Q4 estarán activados (ON) y por consecuencia los MOSFET Q1 y Q3 no lo estarán.

La activación y desactivación de los transistores MOSFET forman el protocolo de conmutación para el semiciclo positivo, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Lógica de conmutación semiciclo positivo.

Q1 Q2 Q3 Q4

ON OFF OFF ON

OFF ON OFF ON

Para este semiciclo, los MOSFET Q1 y Q2 conmutan inversamente a una frecuencia no mayor a 30 kHz, como se observa en la Figura 13. La amplitud de la tensión del semiciclo positivo depende propiamente del tiempo de carga y descarga del inductor. Es decir, si el MOSFET Q1 está un mayor tiempo encendido con relación a Q2, la bobina se carga por un mayor intervalo y la tensión es superior. Por el contrario, si el MOSFET Q1 se encuentra un menor tiempo encendido con relación a Q2, la bobina se carga por un instante pequeño y la tensión es inferior.

El control de modo deslizante del semiciclo positivo se propone para la conmutación de los MOSFET Q1 y Q2.

3.2. SEMICICLO NEGATIVO

El semiciclo negativo ocurre cuando el transistor MOSFET Q1 está desactivado. El esquema de funcionamiento en estas condiciones se presenta en la Figura 12.

Figura 12. Puente H semiciclo negativo.

El ciclo negativo de la Figura 12 se analiza de la misma manera que el ciclo positivo, tomando en cuenta los dos estados del circuito de estructura variable:

• El primer estado se produce cuando labobina se energiza, es decir, los MOSFET Q3 y Q2 estarán activados (ON) y por consecuencia los MOSFET Q1 y Q4 no lo están.

• El segundo estado se produce cuando labobina transmite, es decir los MOSFET Q2 y Q4 estarán activados (ON) y por consecuencia los MOSFET Q1 y Q3 no lo estarán.

La activación y desactivación de los transistores MOSFET forman el protocolo de conmutación para el semiciclo negativo, como se muestra en la Tabla 2.

102

Tabla 2. Lógica de conmutación semiciclo negativo.

Q1 Q2 Q3 Q4

OFF ON ON OFF

OFF ON OFF ON

Para este caso, Q1 y Q2 no cambian de estado, Q3 y Q4 estarán conmutando a una frecuencia no mayor a 30 kHz. Es decir que según el ciclo de trabajo que tengan los MOSFET Q3 y Q4 depende la amplitud de la tensión en el semiciclo negativo, tomando en cuenta que conmutan inversamente como se muestra en la Figura 13.

El control por modo deslizante del semiciclo negativo se propone para la conmutación de los MOSFET Q3 y Q4.

La unión del funcionamiento de los semiciclos positivo y negativo permite obtener el protocolo de conmutación de Voffset.

El protocolo de conmutación de los MOSFET depende propiamente del funcionamiento individual de cada uno de ellos, y su frecuencia varía entre 30 kHz y 60 Hz, además de su ciclo de trabajo.

Para obtener un offset de tensión (Voffset) hay que tomar en cuenta que set point del semiciclo positivo debe ser diferente al del semiciclo negativo, es decir que el ciclo de trabajo debe ser diferente para los dos casos. Para obtener un offset positivo es necesario que el set point de tensión del semiciclo positivo sea mayor al del negativo y para obtener un offset negativo se necesita todo lo contrario.


Figura 13. Lógica de conmutación de V_offset.



4. SIMULACIÓN

La simulación se realiza utilizando el paquete SCILAB 5. Para obtener una respuesta en el tiempo de las variables de tensión y corriente se ejecutan dos scripts.

• El primero es el programa que define losparámetros propios del convertidor Buck, esdecir,L=1mH,E=50V,R=200Ω,yC=2, 6 uF.

• Elsegundoeselprogramadelcontroladoren el que las variables de estado se acercarán a la superficie de deslizamiento S y se mantienen al llegar al estado permanente. Es necesario recalcar que la frecuencia de conmutación depende del control por modos deslizantes [11].

La simulación se realiza para un medio periodo, tomando en cuenta que el semiciclo negativo es similar.

En la Figura 14a se observa la respuesta de la corriente, que llega al valor deseado que, en

este caso, es de 2 A y luego se mantiene en este valor. El controlador de modo deslizante es robusto y, como se observa en la Figura 14a, el sistema alcanza la superficie de deslizamiento en una forma casi inmediata. En el proceso de simulación no se ha empleado una frecuencia infinita, ya que la misma es imposible dadas las limitaciones de los semiconductores, por lo que es notable en la Figura 14b la presencia de una histéresis de corriente, comúnmente conocida como chattering [14]. En la implementación se ha adoptado una estrategia de limitación por banda para reducir el efecto de este fenómeno.

Para el proceso de implementación, es necesario depender de la variable de tensión que se encuentra reflejada con la variable de corriente, tomando en cuenta que la planta siempre es la misma.

La Figura 15a muestra la respuesta transitoria de la tensión que, al igual que la corriente, alcanza su valor deseado y se desliza sobre

Figura 14. Corriente en el inductor con el control de modo deslizante.

(a) Respuesta Transitoria Corriente. (b) Histéresis de la corriente.

104Jaime Ayala Taco, Roberto Gutiérrez, Susset Guerra Jiménez, Alexander Fernandez Correa

(a) Respuesta transitoria de la tensión controlada. (b) Histéresis de tensión.

Figura 15. Corriente en el inductor con el control de modo deslizante.

Figura 16. Circuito convertidor Buck implementado

dicho valor. En el caso de la tensión, esta alcanza un valor aproximado de 28 V. Es posible afirmar, entonces, que el sistema se puede controlar por tensión de una forma indirecta en función de la corriente.

5. IMPLEMENTACIÓN

El diseño de los circuitos electrónicos implementados se realizó en tres etapas y cada una se construyó en una tarjeta electrónica diferente.



La primera corresponde a la construcción del puente H y la carga, es decir, de la planta o circuito de potencia.

Figura 17. Circuito interfaz de potencia implementado

La segunda etapa es la construcción del circuito electrónico (IR2130) que controla los transistores MOSFET (IRF1310N), los

Figura 18. Circuito de control implementado.

106

cuales forman parte integral del circuito de potencia. La tercera etapa implica la construcción del circuito de control, que produce el protocolo de conmutación para los MOSFET. Aquí se encuentra el microcontrolador AVR Atmega164PA y, además, los filtros de tratamiento de la señal de sensado de tensión por medio de un transformador con relación 10:1 y el sensor de intensidad ACS712.

Adicionalmente se emplea un reóstato de 0 a 440Ω,1.8Acomocargadelsistema.

6. RESULTADOS

6.1. PRIMERA PRUEBA

El punto referencial o set point es una corriente circulante en el inductor de 0.034 A, para una tensión en la salida de 12.1 V.

6.1.1 Simulación

Se observa en la Figura 19a que se alcanza el punto de estabilidad de la corriente en el inductor alrededor de 0.034 A y con un rango de histéresis entre [0.029-0.041] A, aproximadamente. En tensión, la estabilización se produce en 12.1 V.

6.1.2 Funcionamiento práctico

Una vez colocado en el programa desarrollado en el microcontrolador el valor referencial de 0.034 A para una tensión en la salida de 12.1 V, se enciende el sistema controlado y se obtiene la imagen de la Figura 19b, la cual muestra una estabilización de la corriente y tensión de 0.031 A y 11.3 V, respectivamente.

6.1.3 Cálculo de errores

• Corriente:

(44)

• Tensión:

(45)

6.2. SEGUNDA PRUEBA

El punto referencial o set point es una corriente circulante en el inductor de 0.235 A, para una tensión en la salida de 31.3 V.

6.2.1 Simulación

Se observa en la Figura 20a que se alcanza el control de la corriente en el inductor alrededor de 0.235 A y con un rango de histéresis entre [0.215-0.255] A, aproximadamente. En tensión, la estabilización se produce alrededor de 31.3 V.

6.2.2 Funcionamiento práctico

Una vez colocado en el programa del microcontrolador el valor referencial de 0.235 A para una tensión en la salida de 31.3 V, se enciende el sistema controlado y se obtiene la imagen de la Figura 20b, la cual muestra una estabilización de la corriente y tensión de 0.228 A y 30 V, respectivamente.




(b) Funcionamiento Práctico

Figura 19. Sistema controlado a 0.034 A y 12.1 V.

(a) Simulación

108Jaime Ayala Taco, Roberto Gutiérrez, Susset Guerra Jiménez, Alexander Fernandez Correa

(a) Simulación

(b) Funcionamiento Práctico

Figura 20. Sistema controlado a 0.235 A y 31.3 V.



6.2.3 Cálculo de errores

• Corriente:

(46)

• Tensión:

(47)

6.3. ANÁLISIS DE ERRORES

Los errores se presentan debido a que en la simulación se trabaja con valores ideales de capacitancia, inductancia y resistencia. Todos estos elementos tienen una tolerancia, además de una pérdida de energía transformada en calor. Además de ello, no se han considerado las pérdidas de conmutación en las llaves semiconductoras. El error promedio en la tensión del capacitor es 5.45%. Esto se produce por 2 aspectos: primero, por la tensión de polarización de los diodos, que para el caso del semiconductor FR307 es 1.2 V y, en segundo lugar, por la resistencia parásita que se encuentra en serie al inductor L.

El error promedio en la corriente que circula por el inductor es 5.67%. Esto se debe al rizado de carga y descarga de la bobina que produce una histéresis en la corriente. Este efecto, al ser filtrado y rectificado en el proceso de sensamiento, impide tener un dato exacto que represente su magnitud real.

Al aplicar una perturbación para el caso de funcionamiento con un set point de 0.235 A sobre la resistencia de carga (±20% de su valor nominal de operación de 200 Ω), la variaciónen la corriente de salida prácticamente es imperceptible, es decir, el control de modo deslizante actúa óptimamente a perturbaciones en la carga. Conforme se presenta en la Figura 21 para el caso de una carga de 180 Ω, seobtiene una tensión de 27.2 V en la salida, lo que corresponde a una corriente en estado estable de 0.228 A, prácticamente igual al de la prueba de funcionamiento presentada en la Figura 20b.

7. CONCLUSIONES

La característica más significativa del control de modo deslizante es su robustez a estímulos externos, lo que se demostró experimentalmente al producir variaciones físicas en la resistencia de carga y la tensión de entrada.

Para la elección de la superficie de deslizamiento se probaron algunas superficies candidatas, pero se debe tomar en consideración una superficie que cumpla con las condiciones de existencia, transversalidad y cumpla con los criterios de estabilidad por el método de Lyapunov.

El offset de tensión se puede obtener al invertir los ciclos de trabajo de los dos semiciclos de la onda alterna, es decir, cuando el ciclo de trabajo del semiciclo positivo sea del 70%, el ciclo de trabajo del semiciclo negativo es del 30%. Esto significa que la tensión positiva es mayor que la tensión negativa y, por esta razón, existe un offset de tensión. Este cambio del ciclo de trabajo se realiza en el protocolo de conmutación.

110

El hecho de tener un puente H no significa que cada brazo conmuta completamente inverso al otro, en este caso, cada MOSFET conmuta de una manera única y esto es debido al protocolo de conmutación propuesto.

Para el diseño del convertidor fue necesario tomar en cuenta dos aspectos importantes: primero, que el convertidor es un reductor y, segundo, que actúa a la vez como filtro pasa bajos para eliminar la señal del control por modos deslizantes. Esta señal se encuentra en un rango de 1 kHz a 30 kHz. El filtro pasa bajos se realiza con la finalidad de obtener únicamente la señal de 60 Hz requerida como parte de la aplicación.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen las facilidades prestadas en el laboratorio de Control Industrial, así como el equipamiento instrumental de la Universidad

Figura 21. Variación en la carga R=180 Ω.

de las Fuerzas Armadas - ESPE del Ecuador que han servido de soporte para el desarrollo del presente trabajo.


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EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL SERVICIO PERCIBIDA EN ENTIDADES BANCARIAS A TRAVÉS DE LA ESCALA SERVQUAL

EVALUATION OF PERCEIVED SERVICE QUALITY IN BANKS USING THE SERVQUAL SCALE

Roxana González Álvarez1

Fecha de recepción: 19 de Noviembre de 2014Fecha de aprobación: 16 de Marzo de 2015

Referencia: R. González Álvarez. (2015). Evaluación de la calidad del servicio persivida en entidades Bancarias a través de la escala Servqual. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 25 (1), pp. 113 - 135

RESUMEN

El presente trabajo se realizó en una sucursal bancaria en la provincia de Cienfuegos, Cuba, durante los últimos tres trimestres del año 2013 con el objetivo fundamental de evaluar y mejorar la calidad percibida con un enfoque de gestión por procesos y mejora continua. Para ello, se diseñó e implementó un procedimiento para la evaluación de la calidad percibida de los servicios bancarios basado en la escala multidimensional Servqual. Para la recopilación de información se utilizaron técnicas tales como: entrevistas, tormenta de ideas, revisión de documentos, trabajo con expertos, trabajo en equipo y observación directa. Se hizo uso de herramientas clásicas de la calidad y de gestión de procesos, así como la técnica 5W y 1H, y la metodología de Proceso Esbelto. Como resultados fundamentales de la investigación se identificaron las principales brechas de insatisfacción en la calidad del servicio a partir de las percepciones de los clientes, así como la obtención de una calificación global de la calidad del servicio. Se determinó que para las 22 declaraciones del cuestionario Servqual las percepciones de los clientes no superan las expectativas. Las brechas con menor índice de calidad son aquellas que se relacionan con el tiempo de servicio, por lo que se propone un conjunto de acciones que contribuyan a la mejora de la calidad percibida.

Palabras claves: Calidad de servicio, gestión por procesos, mejora continua, metodología Servqual, servicios bancarios.

1. Ingeniera Industrial, M.Sc. en Ingeniería Industrial, Mención Calidad, Profesor Asistente. Universidad de Cienfuegos, Cienfuegos, Cuba, [email protected]

114

ABSTRACT

The research presented in this paper was developed in a banking branch in the province of Cienfuegos, Cuba, during the last three quarters of 2013, with the main objective of evaluating and improving the perceived quality while focusing on process management and continuous improvement. For this purpose, a procedure to evaluate the perceived quality of banking services based on in the multi-dimensional Servqual scale was designed and implemented. Data collection was accomplished by the use of different techniques, such as interviews, brainstorming, review of documents, working with experts, teamwork and direct observation. Classical tools of quality and process management were used, as well as the 5Ws and 1H technique, and the methodology of Lean Process. The results of the research led to the identification of the main gaps of dissatisfaction with the service quality from the perceptions of customers, as well as to the completion of an assessment of overall service. It was determined that for the 22 statements of the Servqual questionnaire, customer perceptions did not exceed expectations. The gaps with lower quality index are those related to the length of service, for which a set of actions that contribute to improving the perceived quality are proposed.

Keywords: Banking services, continual improvement, process management, service quality, Servqual methodology.

INTRODUCCIÓN

Un servicio bancario es la actividad que desarrollan las entidades financieras como empresas de servicios; es decir, todas aquellas acciones que se establecen para servir a los clientes [1]. Los servicios bancarios son complejos al combinar aspectos tangibles (pagos, retiros, depósitos y papelería) y aspectos intangibles (sensación de seguridad, capacidad de respuesta y responsabilidad de los funcionarios) [2], y se caracterizan por sufrir rápidos cambios en su ambiente [3], algunos gracias a la tecnología, y que, relacionados con la información, resultan ser cada vez más importantes [4].

La globalización ha llevado a dichas instituciones a ser competitivas con inversión tecnológica e innovación como estrategias de diferenciación para asegurar la fidelidad

de sus clientes [5], pero estas son de fácil transferencia, e incluso superadas por la competencia [6]. Es por ello que estas instituciones deben enfatizar en lo intangible del servicio, que agrega valor para desarrollar y mantener sus ventajas competitivas, si se toma en cuenta que “los servicios son lo único que los bancos pueden vender, son la única manera de ser diferentes” [7]. Además, los productos bancarios son básicamente los mismos por lo que el único elemento que permite lograr diferenciación es la calidad del servicio con la que ofrecen sus productos a su cartera de clientes.

La calidad del servicio se define de manera general como una evaluación de la calidad desde la percepción de los clientes, donde estos comparan el servicio que esperan con las percepciones del servicio que ellos reciben. Toda calidad es percibida por alguien [8-9].




Este hecho señala la importancia de centrarse en el cliente, como único juez y evaluador de la calidad del servicio, cuyos criterios deben considerarse para garantizar la mejora continua de los procesos. La orientación al cliente es un elemento crítico, puesto que este es activador en materia de servicio. Dada su demanda es que dichos procesos se realizan, está presente en la producción, los recibe y evalúa según criterios personales en el tiempo en que se efectúan.

La mayoría de las investigaciones en el sector bancario en relación a la temática que aquí se aborda se han fundamentado en el uso o adaptación de escalas ampliamente validadas como el Servqual [10-11] y el Servperf [12-13] o en definir las dimensiones de la calidad del servicio y construir un modelo para medirla y luego mejorarla [14-15]. También se han realizado estudios teniendo en cuenta el modelo de la imagen de Grönroos en combinación con la escala Servqual [16].

De todos estos modelos, el Servqual ha sido el método de investigación más nombrado y utilizado tanto en el mundo académico como empresarial [17]. Esta metodología entiende la calidad del servicio como una función de la discrepancia entre las expectativas de los consumidores sobre el servicio que van a recibir y sus percepciones sobre el servicio prestado por la organización [14].

De esta manera, el Servqual permite determinar lo que desean los clientes de la organización y lo que perciben encontrar, así como las brechas de insatisfacción específicas y el orden de los vacíos de calidad, desde el más grave y urgente hasta el menos grave [14].

Pese a que se identifican en la literatura consultada una gran variedad de estudios relacionados con la calidad del servicio en las instituciones bancarias, se carece de procedimientos que orienten la acción de evaluación de forma sistemática para la mejora de la calidad percibida con un enfoque a procesos y de mejora continua. Socializar las prácticas que están siendo desarrolladas y de resultados positivos en relación con esta temática es la principal intención de la investigación que se presenta, considerando el diseño y aplicación de un procedimiento para la evaluación de la calidad percibida de los servicios bancarios.


El procedimiento para la evaluación de la calidad percibida de los servicios bancarios se fundamenta en la escala multidimensional Servqual propuesta por Parasuraman, Berry y Zeithaml [18] y toma como base los procedimientos para la medición de la calidad percibida de Díaz y Pons [19], Moreno [20] y Curbelo [21]. La propuesta introduce la gestión por procesos y el ciclo de mejora continua Planificar-Hacer-Verificar-Actuar basándose en el procedimiento de gestión de procesos propuesto por Beltrán, Carmona, Carrasco, Rivas y Tejedor [22], elementos que no se identifican en estudios anteriores y que contribuyen a la mejora de la calidad y del valor percibido por el cliente.

La propuesta está dirigida a:

• Describir y documentar el proceso deservicio bancario objeto de estudio.

• Obtenerunacalificaciónglobaldelacalidaddel servicio.

• Determinar las principales brechas de

116

insatisfacción en la calidad del servicio según las percepciones de los clientes.

• Proponer un conjunto de accionesencaminadas a la mejora del proceso de servicio en las que se evalúa la calidad percibida a partir de la aplicación de un conjunto de técnicas y herramientas para el mejoramiento continuo.

• Comparar el desempeño de las diversassucursales bancarias desde la percepción de los clientes.

Un elemento a destacar es que el procedimiento toma en cuenta la participación de los trabajadores en la búsqueda y propuesta de acciones de mejora. Este hecho permite que el personal entienda su papel en el logro de las metas y que se sienta parte de este proceso para ir creando una cultura de calidad. Otro elemento a destacar es que considera la capacitación del equipo de trabajo para garantizar el adecuado uso de herramientas y técnicas que contribuyen a la evaluación de la calidad percibida de los servicios bancarios. Además da la posibilidad de que cada cliente del banco opine del servicio que recibe teniendo en cuenta diferentes criterios, de modo que considere que sus opiniones son en realidad escuchadas para mejorar la calidad de los servicios, lo que puede percibir a su regreso a la institución bancaria o por referencia de otros clientes.

El procedimiento concibe los siguientes principios:

• Enfoque a procesos: Las institucionesbancarias deben seguir el enfoque por procesos. La descripción del proceso de servicios que evaluará el cliente es el punto de partida para entender y visualizar de manera global en qué consiste el mismo dejando clara su trayectoria desde el inicio hasta el fin.

• Enfoque a servicios: El procedimiento esaplicable a organizaciones netamente de servicios, en particular se orienta a las instituciones bancarias.

• Enfoque a clientes: Los clientes de losservicios de las instituciones bancarias serán responsables de evaluar la calidad del servicio y, en función de su percepción, se identificarán oportunidades de mejora para garantizar un incremento de la calidad de servicio percibida.

• Enfoque basado en hechos para la tomade decisión: Las propuestas de acciones para la mejora de los procesos de servicios bancarios estarán basadas en los resultados de la evaluación de la calidad percibida.

• Mejora continua: Al enfocar las mejorasse tiene en cuenta la retroalimentación permanente a la organización para garantizar que los clientes de las instituciones bancarias se mantengan satisfechos. El objetivo primero y fundamental es mejorar para dar al cliente el mayor valor agregado, mediante una mejora continua y sistemática de la calidad percibida.

• Participación del personal: El personal,a todos los niveles, es la esencia de una organización, y su total compromiso posibilita que sus habilidades sean usadas para el beneficio de la organización. Un sistema exitoso de mejoramiento continuo requiere descansar en la habilidad de los miembros de una organización para reconocer oportunidades de mejoramiento. En resumidas cuentas, las personas son la fuente del mejoramiento.

• Enfoque sistémico: Cualquiera de losservicios en que se aplique el procedimiento se integra al sistema bancario, como tal su relación con otras partes componentes del mismo queda declarada al efectuar la evaluación de la calidad percibida.




• Aplicabilidad: El procedimiento quedalo suficientemente detallado y con las herramientas necesarias para su aplicación en instituciones bancarias, lo que permitirá comparar el desempeño de las diversas sucursales e incluso con la competencia.

• Adaptabilidad: El procedimiento esadaptable a cualquier servicio de los que se brindan en una institución bancaria.

• Pertinencia: El procedimiento estádiseñado para una aplicación constante en instituciones bancarias que garantice conocer el estado de opinión de los clientes sobre los servicios que recibe.

• Flexibilidad:Elprocedimientoesflexibleencuanto a las herramientas que se proponen para la consecución de cada una de las etapas y pasos.

• Consistencia lógica: El procedimiento searticula de una forma lógica que permite cumplir con los principios anteriores, por lo

que está compuesto de etapas y pasos, en los que se cohesionan criterios relacionados con calidad percibida, su evaluación y mejora.

• Aprendizaje: En su concepción, elprocedimiento contempla la creación de un equipo de trabajo y su capacitación en temáticas relacionadas con la calidad del servicio y su medición, la gestión por procesos y las técnicas a aplicar.

Cada uno de estos principios hace que la propuesta que se especifica en esta investigación tenga características particulares en comparación con otras analizadas.

El procedimiento se muestra en la Figura 1. Este se estructuró metodológicamente en cuatro etapas y trece pasos. Para cada una de las etapas se declaran los objetivos a cumplir y las posibles herramientas a utilizar.

Figura 1. Procedimiento para la evaluación de la calidad percibida de los servicios bancarios.

118

Etapa I: Organización del trabajo

Objetivos: 1. Caracterizar la institución bancaria objeto

de estudio.2. Conformar un equipo de trabajo. 3. Dar capacitación al equipo de trabajo

encargado de tomar las decisiones relativas al estudio de calidad de servicio percibida que se realiza.

Herramientas:• Entrevistas.• Revisióndedocumentos.• Reunionesparticipativas.• Mapageneraldeprocesos.

Paso 1. Caracterización de la institución bancaria

En este paso se recopila toda la información necesaria referente a la institución bancaria objeto de estudio de manera que se puedan conocer sus principales características.

Paso 2. Formación de un equipo de trabajo

El equipo de trabajo debe estar integrado por un grupo de expertos conocedores del tema e interesados en el mismo, de forma tal que aporten información precisa, participen en todas las etapas de la investigación, y puedan tomar las decisiones convenientes. Se deberá para ello calcular el número de expertos necesarios y para su selección utilizar los siguientes criterios:

• Conocimientodeltemaatratar.• Capacidadparatrabajarenequipoyespíritu

de colaboración.• Añosdeexperienciaenelcargo.• Vinculacióndirectaalaactividad.

Se debe calcular además el coeficiente de com-petencia para cada uno de ellos según la meto-dología de Cortés e Iglesias [23] con el objetivo de asegurar que los expertos que se consulten puedan aportar criterios significativos respec-to al tema objeto de estudio. Se seleccionan aquellos expertos que tengan un coeficiente de competencia entre medio y alto.

Paso 3. Capacitación al equipo de trabajo

Se debe realizar una capacitación al equipo de trabajo para que sus miembros conozcan y entiendan de manera colectiva los principales elementos relacionados con la calidad de los servicios y los modelos para su medición, la gestión por procesos, así como las herramientas a utilizar. Este paso facilita la correcta ejecución de la evaluación.

Paso 4. Información a todos los niveles de los objetivos del estudio

Dado que las instituciones bancarias son organizaciones netamente de servicios y tomando en cuenta las características diferenciales de este sector, se debe lograr una participación activa de los trabajadores, puesto que ellos son los actores sociales de los procesos que se desarrollan en la organización. Muchos de ellos tienen contacto directo con los clientes (personal en contacto), de manera que pueden aportar criterios de mejora efectivas que contribuyan a elevar el nivel de calidad del servicio percibido por el cliente. Se debe realizar una reunión con los trabajadores de las áreas implicadas o con todos los de la organización en dependencia del alcance del estudio y de las características de esta, donde se explique la necesidad de su participación activa en el mismo, buscando compromiso y




contribución con su desarrollo exitoso. Se les dan a conocer los objetivos que se persiguen, que pueden rediseñarse o ampliarse a partir de la retroalimentación.

Etapa II: Selección y descripción del proceso de servicio bancario a analizar

Objetivo: Documentar el proceso de servicio bancario objeto de estudio.

Herramientas:• Dinámicasdeequiposdetrabajo.• Revisiónyanálisisdedocumentos.• Entrevistas.• Métododeexpertos.• DiagramadePareto.• Reunionesparticipativas.• Observacióndirecta.• DiagramaSIPOC.• Diagramadeflujo.• Fichadeproceso.

Paso 5. Selección del proceso de servicio bancario objeto de estudio

El equipo de trabajo es el encargado de seleccionar el proceso de servicio bancario objeto de estudio mediante el uso de técnicas como el método de expertos o el diagrama de Pareto a partir de los resultados de auditorías, encuestas, quejas de clientes, entre otros.

Paso 6. Descripción del proceso de servicio bancario

Este paso incluye la descripción de las actividades y de las características del proceso. El producto final esperado de este paso de descripción del proceso es un documento

que permite entender y visualizar de manera global en qué consiste el mismo. El mapeo del proceso facilita la visualización de cada una de las operaciones y actividades involucradas, de manera aislada o interrelacionadas. Este flujo detallado deja clara la trayectoria de la actividad desde su inicio hasta su conclusión.

Etapa III: Medición y análisis de la calidad de servicio bancario percibida por el cliente

Objetivo: Determinar el estado actual de la calidad de servicio bancario percibida por el cliente.

Herramientas:• Revisióndelaliteratura.• Cuestionarios.• Entrevistas.• Estadísticadescriptiva.• Análisisdefiabilidad.• Prueba Mann-Whitney para comparar

medianas.

Paso 7. Diseño o selección del instrumento a utilizar para medir el nivel de calidad de servicio percibido

El equipo de trabajo es el encargado de diseñar o seleccionar el instrumento más adecuado para medir el nivel de calidad de servicio percibido. Se recomienda la utilización del Cuestionario Servqual. Mediante el trabajo con expertos se adapta y ajusta dicho cuestionario a las características de las instituciones bancarias. El mismo tiene como objetivo general conocer el nivel de calidad percibida que se presenta con respecto a los servicios bancarios. Todas las declaraciones que se encuentran en el cuestionario están enunciadas en sentido positivo en relación con la calidad del servicio.

120

Cuenta con tres apartados acompañados de las instrucciones para responderlo: datos generales, evaluación de la calidad percibida de servicios bancarios y sugerencias.

El apartado «Evaluación de la calidad percibida de servicios bancarios» consta a su vez de tres partes, que se deben aplicar en dos momentos diferentes de tiempo. La primera parte capta las expectativas de los clientes y debe ser aplicada antes de recibir el servicio que ofrece el banco; la segunda, evalúa la importancia que tienen cada una de las cinco dimensiones del servicio (elementos tangibles, fiabilidad, capacidad de respuesta, seguridad y empatía). y la tercera evalúa la percepción de los clientes sobre la calidad del servicio brindado por la institución bancaria y debe aplicarse después que el cliente haya recibido el servicio ofrecido por el banco. Tanto para expectativas como para percepciones se utiliza una escala tipo Likert de dimensión siete donde (1) significa estar totalmente en desacuerdo y (7) estar totalmente de acuerdo con una declaración dada.

Paso 8. Aplicación del instrumento de medición de calidad de servicio percibida

En este paso se aplica el instrumento de medición seleccionado o diseñado. Para ello, se debe calcular el tamaño de muestra necesario y determinar el tipo de muestreo a utilizar.

Paso 9. Procesamiento de la información y análisis estadístico de los resultados de la medición de calidad de servicio percibido

El procesamiento de las encuestas se realiza con la ayuda de programas estadísticos como el SPSS Versión 19.0 y el Statgraphics Centurion. Una vez procesada la información,

se analizan los resultados obtenidos con vistas a identificar oportunidades de mejora. Según Parasuraman, Berry y Zeithaml [18], la puntuación de Servqual se define como:

Puntuación de Servqual = Percepciones del servicio-Expectativas del servicio (1)

• PuntacióndeServqual=0Existecalidadenel servicio.

• Puntación de Servqual > 0 Existe unexcelente o extraordinario nivel de calidad.

• PuntacióndeServqual<0Existedéficitofalta de calidad (calidad deficiente).

Etapa IV: Mejoramiento continuo del proceso de servicio bancario objeto de estudio

Objetivo: Gestionar la mejora del proceso de servicio bancario objeto de estudio mediante la propuesta de acciones de mejora, su implantación y seguimiento.

Herramientas:• Controlestadísticodeprocesos.• Diagramacausa-efecto.• MétodoDelphi.• 5Wy1H.• Metodologíadeprocesoesbelto.• Diseñodeexperimentos.• Tormentadeideas.• Benchmarking.

En esta etapa del procedimiento se pretende, a partir de los resultados de la evaluación de la calidad percibida obtenidos en la etapa anterior, proponer acciones para la mejora del proceso de servicio bancario objeto de estudio, implantarlas y dar seguimiento, utilizando para ello el ciclo de mejora continua. Esta etapa se compone a su vez de los siguientes pasos:




Paso 10. Planificar

El paso de planificación implica establecer qué se quiere alcanzar (objetivos) y cómo se pretende alcanzar (planificación de las acciones). Esta etapa se puede descomponer, a su vez, en las siguientes actividades:

1. Identificación y análisis de la situación.2. Establecimiento de las mejoras a alcanzar

(objetivos).3. Identificación, selección y programación de

las acciones.

Paso 11. Hacer

En este paso se lleva a cabo la implantación de las acciones planificadas según la etapa anterior.

Paso 12. Verificar

En este paso se verifica la efectividad de las acciones para alcanzar las mejoras planificadas (objetivos).

Paso 13. Actuar

En función de los resultados de la comprobación anterior, en este paso se realizan las correcciones necesarias (ajuste) o se convierten las mejoras alcanzadas en una forma estable de ejecutar el proceso (actualización).

2. RESULTADOS Y ANÁLISIS

A continuación se muestran los resultados del estudio realizado en cada una de las etapas y pasos del procedimiento diseñado, tomando como objeto de estudio una sucursal bancaria perteneciente al Banco Popular de Ahorro (BPA).

2.1. Etapa I: Organización del trabajo

Paso 1: Caracterización de la institución bancaria

En la sucursal bancaria se realizan como promedio 1945 operaciones diarias. Tiene a su favor que cuenta con una localización privilegiada, pues se encuentra ubicada en el mismo centro de la ciudad de Cienfuegos, Cuba, donde es de fácil acceso para los clientes de cualquier tipo. La sucursal distingue claramente dos grupos de clientes que forman sus segmentos: la banca particular que la constituyen las personas independientes y la banca estatal que la constituyen las empresas o instituciones que solicitan los servicios de la sucursal. Ha de destacarse que esta institución bancaria mantiene su orientación hacia el segmento de particulares, comenzando apenas a prestar atención al sector corporativo.

Como principal resultado de este paso se obtiene una caracterización general de la organización donde:

• Seelaboraelmapageneraldeprocesosconlas siguientes clasificaciones: estratégicos, claves y de apoyo. Se identifican dos procesos claves: el de caja y el comercial, siendo estos los que garantizan directamente el cumplimiento de la misión de la organización.

• Sedescribeelfuncionamientodelasucursaly del flujo de clientes: De este análisis se concluye que el 26% de los clientes pasan al área comercial y el 74% lo hacen al área de caja.

• Se identifican los principales productos yservicios que ofrece.

• Se realiza un análisis de las quejas emitidas por los clientes por insatisfacciones en la calidad del servicio correspondientes a

122

los últimos tres trimestres del año 2013: se evidencia un incremento significativo en el número de quejas con 6, 11 y 21, respectivamente. No obstante y según los directivos de la sucursal, en la mayoría de las ocasiones el cliente insatisfecho tiende a no expresar su insatisfacción de forma espontánea. Mediante el uso del Diagrama de Pareto, quedan estratificadas las quejas por mala calidad en el servicio y se concluye que la mayoría de estas están relacionadas con la demora del servicio y el exceso de tiempo de espera en la fila, que representaron el 31.58% y 21.05% del total, respectivamente. Las quejas referidas al espacio limitado (15.79%) y máquinas bloqueadas (13.16%) complementan la representación del 80% de las quejas de los clientes. Además, en la planeación estratégica de la organización se evidencia, como una de las debilidades identificadas a partir del análisis DOFA (Debilidades-Oportunidades-Fortalezas-Amenazas), que el servicio brindado no siempre tiene la calidad requerida debido al desconocimiento de las causas que inciden en las insatisfacciones de los clientes, con base en el hecho de que la organización no sabe cómo medirlas.

Lo anterior corrobora la necesidad de evaluar las percepciones que tienen los clientes sobre el servicio brindado por la sucursal, de modo que se puedan identificar las principales brechas de insatisfacción en la calidad del servicio, con el objetivo de proponer acciones encaminadas a la mejora de la calidad de los procesos de servicio bancario.

Paso 2: Formación de un equipo de trabajo

Con el objetivo de formar el equipo de trabajo se calcula el número de expertos necesarios,

que resulta ser 8. Luego se elabora una lista de posibles candidatos a partir de los criterios establecidos en el diseño del procedimiento y del análisis realizado por la directora de la sucursal, quien tiene 15 años de experiencia en el sector:

1. Un profesor de la carrera de Ingeniería Industrial de la Universidad de Cienfuegos.

2. Un estudiante de la carrera de Ingeniería Industrial de la Universidad de Cienfuegos.

3. Directora de la sucursal 4822.4. Gerente Comercial.5. Gerente de Efectivo.6. Gerente de Contabilidad.7. Gerente de Recuperación.8. Un trabajador de reconocido prestigio.

El cálculo del coeficiente de competencia se realiza siguiendo el método de Cortés e Iglesias [23] mediante la aplicación de un cuestionario donde se le pide a cada experto autoevaluar en una escala de 0 a 10 sus conocimientos sobre la calidad de los servicios y evaluar la influencia de las seis fuentes de argumentación que establecen los autores en una escala de alto, medio y bajo.

Para el cálculo del coeficiente de competencia se utiliza la fórmula:

K comp.= 1 (Kc+Ka) (2)

Donde: Kc: Coeficiente de conocimiento. Se obtiene multiplicando la autovaloración del propio experto sobre sus conocimientos del tema en una escala del 0 al 10, por 0.1.Ka: Coeficiente de argumentación. Es la suma de los valores del grado de influencia de cada una de las fuentes de argumentación (Ver Tabla 1).



2


Se considera que:

• La competencia del experto es alta si Kcomp > 0.8

• Lacompetenciadelexpertoesmediasi0.5<Kcomp≤0.8

• La competencia del experto es baja si Kcomp≤0.5

La Tabla 2 muestra el cálculo del coeficiente de competencia para los ocho miembros del equipo de trabajo. Se observa que todos se

encuentran en el rango de clasificación entre alta y media, lo cual se considera adecuado. Este equipo participa en todas las etapas de la investigación y toma las decisiones referentes a la evaluación y mejora de la calidad percibida del servicio bancario.

Paso 3: Capacitación al equipo de trabajo

En este paso se realiza una capacitación a los miembros del equipo de trabajo con el

Tabla 1. Valores del grado de influencia de las fuentes de argumentación.

Fuentes de Argumentación Alto Medio Bajo

Análisis teóricos realizados por usted 0.3 0.2 0.1

Experiencia obtenida 0.5 0.4 0.2

Trabajos de autores nacionales que conoce 0.05 0.04 0.03

Trabajos de autores extranjeros que conoce 0.05 0.04 0.03

Conocimientos propios sobre el estado del tema 0.05 0.04 0.03

Su intuición 0.05 0.04 0.03 Fuente: Cortés e Iglesias, 2005.

Tabla 2. Coeficiente de competencia de los expertos.

Expertos Kc Ka Coeficiente de competencia

Calificación de la competencia

1 0.9 0.3+0.5+2(0.04)+0.05+0.04=0.97 0.935 Alta

2 0.6 0.2+0.5+0.03+3(0.04)=0.85 0.725 Media

3 0.9 0.2+0.5+0.04+3(0.05)=0.89 0.895 Alta

4 0.7 0.3+0.5+0.03+0.04+0.05+0.04=0.96 0.83 Alta

5 0.8 0.3+0.5+0.03+0.04+0.05+0.04=0.96 0.88 Alta

6 0.7 0.2+0.5+0.04+0.03+0.04+0.05=0.86 0.78 Media

7 0.8 0.2+0.4+4(0.04)=0.76 0.78 Media

8 0.7 0.2+0.5+3(0.05)+0.04=0.89 0.795 Media

124

objetivo de que conozcan y entiendan de manera colectiva los principales elementos relacionados con la calidad de los servicios y los modelos para su medición, la gestión por procesos, así como las herramientas y técnicas a emplear. Para ello se realizan cuatro sesiones de trabajo en forma de talleres. Ha de destacarse que la Directora de la sucursal es graduada de Ingeniería Industrial, lo cual constituye una ventaja en todo este proceso.

Paso 4: Información a todos los niveles de los objetivos del estudio

Se informa a los empleados de todos los niveles sobre la realización del estudio y los objetivos que se persiguen con el mismo. Se explica la necesidad de la participación activa de los trabajadores en la investigación buscando el compromiso y contribución de todos para un desarrollo exitoso. Se da a conocer el equipo de trabajo en reuniones con los trabajadores de la sucursal y los beneficios a obtener con la investigación que se realiza.

2.2. Etapa II: Selección y descripción del proceso de servicio bancario a analizar

Paso 5. Selección del proceso de servicio bancario objeto de estudio

Para la selección del proceso de servicio bancario objeto de estudio, el equipo de trabajo decide inicialmente estratificar las quejas recibidas en los últimos tres trimestres del año 2013, clasificándolas en quejas referentes a los servicios de caja y aquellas relativas a los servicios del área comercial. De este análisis se concluye que alrededor del 80% de las quejas corresponden a los servicios del área comercial.

Se realiza además un análisis de Pareto con el objetivo de identificar en cuáles servicios de esta área se identifican la mayor cantidad de quejas, y se observa que el 66.67% de las quejas están relacionadas con el servicio de solicitud, otorgamiento y entrega de créditos. Además, este servicio del área comercial es el más demandado por los clientes representando el 52.08% del total de los servicios solicitados durante el tercer trimestre del año 2013. Dichos resultados se muestran en la Figura 2. Este análisis evidencia que los esfuerzos se deben centrar en este servicio.

Figura 2. Diagramas de Pareto para quejas del área comercial y para servicios de esta área solicitados en el

tercer trimestre del año 2013.




Paso 6. Descripción del proceso de servicio bancario

En este paso se procede a la documentación del subproceso de Solicitud, Otorgamiento y Entrega de Créditos. Como resultados de este paso se obtiene lo siguiente:

• DiagramaSIPOC(Supplier, inputs,process,outputs, customer).

• Fichadeproceso.• Diagramadeflujo“quién-qué”.• Indicadores: Para determinar los

indicadores del subproceso objeto de estudio se realiza un método Delphi por rondas en el que quedan establecidos los siguientes indicadores según orden de importancia: nivel de calidad del servicio, tiempo de ciclo y porcentaje de quejas y reclamaciones de clientes. A partir de ello se elaboran las fichas de los indicadores como una vía para formalizarlos. Los patrones

de referencia se determinan por consenso y se relacionan con una escala cualitativa ordinal (Excelente, adecuado e insuficiente) asociando esta a una escala Likert de tres niveles para evaluar de manera integral el proceso. Una vez determinado el orden de importancia de los indicadores a través del método Delphi, los expertos establecen en consenso el peso para cada indicador en la evaluación del proceso. La Tabla 3 muestra un resumen de los indicadores.

2.3. Etapa III: Medición y análisis de la calidad de servicio bancario percibida por el cliente

Paso 7. Diseño o selección del instrumento a utilizar para medir el nivel de calidad de servicio percibida

Como se comentó anteriormente, se selecciona el cuestionario Servqual para medir el nivel de calidad de servicio percibido en las

Tabla 3. Principales características de los indicadores.

126

instituciones bancarias. Se tomará como caso de estudio específicamente las percepciones de los clientes del Subproceso de Solicitud, Otorgamiento y Entrega de Créditos.

Paso 8. Aplicación del instrumento de medición de calidad de servicio percibida

Para el estudio que se realiza se define como población (N) la cantidad de clientes que visitaron la sucursal para recibir el servicio de Solicitud, Otorgamiento y Entrega de Créditos en el segundo semestre del año 2013, y que asciende a 630. Por tanto, el modo de cálculo a utilizar para determinar el tamaño de muestra necesario es para población finita (<100 000) y varianza desconocida. Los parámetros tenidos en cuenta se muestran en la Tabla 4. El total de clientes a encuestar es de 84. Como tipo de muestreo a utilizar se selecciona el muestreo aleatorio simple, se encuestan aleatoriamente clientes que reciben este servicio en la sucursal durante el mes de enero de 2014.

Paso 9. Procesamiento de la información y análisis estadístico de los resultados de la

medición de calidad de servicio percibida por el cliente

El procesamiento de los cuestionarios se realiza con la ayuda del Software Estadístico SPSS Versión 19.0. Para probar la fiabilidad del instrumento se emplea el coeficiente Alpha de Cronbach. La Tabla 5 muestra los valores del coeficiente Alpha de Cronbach para cada una de las dimensiones del cuestionario y para la propia escala en su conjunto.

La fiabilidad del instrumento se considera adecuada, puesto que todos los valores del Alpha de Cronbach se encuentran por encima de 0.7.

Análisis de las percepciones de los clientes

Para este análisis se toman en cuenta únicamente las percepciones de los clientes y se considera en desacuerdo a los encuestados que marcaron del 1 al 3 en la escala Likert de 7 niveles, indiferente (ni de acuerdo ni en desacuerdo) a los que marcaron 4 y de acuerdo a los que marcaron del 5 al 7. Las

Tabla 4. Datos para la determinación del tamaño de muestra.

Tabla 5. Alfa de Cronbach para el cuestionario Servqual en su conjunto y por dimensiones.




mayores insatisfacciones de los clientes están relacionadas con el tiempo de servicio, donde más del 80% de los encuestados manifestó estar en desacuerdo con la rapidez del servicio que se presta en la sucursal. Lo anterior corrobora lo obtenido en el diagrama de Pareto en el paso 1 del procedimiento donde la principal queja de los clientes se relaciona con la demora del servicio. En orden le siguen las insatisfacciones relativas al planteamiento «la sucursal bancaria realiza bien el servicio la primera vez», donde el 44.9% de los encuestados manifestó estar en desacuerdo.

Análisis de expectativas y percepciones

Para verificar si existen diferencias estadísticamente significativas entre las expectativas de los clientes y sus percepciones en relación al servicio objeto de estudio se utiliza la Prueba W de Mann-Whitney (Wilcoxon) para comparar medianas. La Tabla 6 muestra de manera general las pruebas de hipótesis planteadas. Esto se realiza para cada

una de las 22 declaraciones con ayuda del Software Estadístico Statgraphics Centurion.

Los resultados del análisis estadístico se muestran en la Tabla 7 donde se concluye que existen diferencias estadísticamente significativas entre las expectativas de los clientes y sus percepciones por declaraciones y se concluye, además, que para todos los casos las expectativas superan las percepciones dado que el valor-P es menor que el nivel de significación α=0.05. Este hecho evidencia que existe un insuficiente nivel de calidad del servicio.

Para calcular la puntuación Servqual como se muestra en (1) y determinar las brechas existentes entre expectativas y percepciones se utilizó el promedio de los valores obtenidos para cada uno de los 22 atributos. Las principales brechas de insatisfacción identificadas en la calidad del servicio para cada una de las cinco dimensiones del cuestionario Servqual se muestran en la Tabla 8.

Tabla 6. Prueba W de Mann-Whitney para verificar diferencias estadísticamente significativas entre expectativas y percepciones.

128

Tabla 7. Resumen estadístico de la aplicación del cuestionario Servqual.




De manera general puede afirmarse que en ninguno de los casos las percepciones sobrepasan las expectativas. Las principales brechas se encuentran en los atributos relacionados con la duración del tiempo de servicio y cuyas declaraciones se muestran a continuación:

• Los empleados de la sucursal bancariaofrecen un servicio rápido y de calidad a sus clientes según sus necesidades (-3.94).

• Cuandolasucursalbancariaprometehaceralgo en cierto tiempo, lo cumple (-3.88).

• Lasucursalbancariaconcluyeelservicioenel tiempo acordado (-3.77).

• Lasucursalbancariarealizabienelserviciola primera vez (-2.61).

Análisis por dimensión y nivel global de calidad del servicio

Para determinar la importancia que tienen cada una de las dimensiones del cuestionario Servqual en la evaluación global de la calidad del servicio se le solicita al cliente encuestado

que ordene las cinco dimensiones utilizando una escala del 1 al 5 de acuerdo con la importancia que tenga para éste, donde 5 se considera como más importante y 1 menos importante. Para este análisis se utiliza la moda como parámetro estadístico, lo cual se muestra a continuación:

• Elementostangibles(Moda:1).• Fiabilidad(Moda:5).• Capacidadderespuesta(Moda:4).• Seguridad(Moda:3).• Empatía(Moda:2).

Una vez determinado el orden de importancia, el equipo de trabajo establece en consenso el peso para cada dimensión. Esta ponderación se realiza distribuyendo 100 puntos entre las cinco dimensiones, para luego recalcular los valores de expectativas y percepciones para cada dimensión y, una vez realizado esto, volver a calcular la brecha utilizando los puntajes ponderados. En la Tabla 9 se muestran las brechas existentes entre las expectativas y las percepciones para cada una de las dimensiones

Tabla 8. Principales brechas de insatisfacción en la calidad del servicio por dimensión.

130

que presenta el cuestionario Servqual en su versión original y ponderada.

Se observa en ambos casos que las percepciones no superan las expectativas, es decir, las expectativas no fueron alcanzadas. En la versión original se identifica como dimensión más crítica la Fiabilidad con una brecha de -2.35, seguida por la Capacidad de Respuesta (-1.51). Las dimensiones menos críticas son Elementos Tangibles y Seguridad, ambas con una brecha de -0.82. No obstante, las percepciones en ambas dimensiones están todavía por debajo de las expectativas. En el caso de la versión ponderada, igualmente se obtienen como dimensiones más críticas la Fiabilidad y la Capacidad de Respuesta. Se identifica en este caso como la dimensión menos crítica los Elementos Tangibles, seguida de la Empatía.

Por último se calcula un índice global de calidad de servicio a partir de la realización de una media de los valores medios, tanto de las expectativas como de las percepciones de cada una de las dimensiones, cuyos resultados se muestran en la Tabla 7 antes mencionada, donde se aprecia que es de -1.27 para la versión original y en el caso de la versión ponderada de -33.1. Este indicador, al ser negativo, evidencia

que las expectativas del cliente no están siendo cubiertas por la percepción que este tiene del servicio que se le está brindando. A medida que este indicador se acerque a cero (al venir de un valor negativo), puede entenderse que la percepción del servicio se va acercando a las expectativas que el cliente tiene.

2.4. Etapa IV: Mejoramiento continuo del proceso de servicio bancario objeto de estudio

Paso 10. Planificar

Identificación y análisis de la situación

Las acciones de mejora se enfocan hacia las principales brechas de insatisfacción identificadas en la calidad del servicio percibido por el cliente, las cuales se relacionan, como se comentó anteriormente, con la duración del tiempo de servicio. Para investigar las causas por las cuales no se ofrece un servicio rápido al cliente se utiliza el diagrama causa-efecto, específicamente el de estratificación de causas puesto que es un método gráfico que permite relacionar el problema con todas las causas que posiblemente lo generan. Para ello se acude al equipo de trabajo y se realizan además

Tabla 9. Brechas según dimensiones del cuestionario Servqual.




entrevistas no estructuradas a trabajadores, directivos y algunos clientes de la sucursal.

Para obtener un orden de prioridad entre las causas se utiliza el método Delphi, donde se determina que existe comunidad de preferencia entre los expertos con un coeficiente W de Kendall de 0.789, lo cual se considera adecuado. Atendiendo a este resultado se identifican como principales oportunidades de mejora las siguientes:

• Noserealizanestudiosdeidentificacióndeflujo de valor.

• No se selecciona, evalúa y capacita porcompetencias.

• Excesivacargamental.

Establecimiento de las mejoras a alcanzar

A partir de la identificación de las principales oportunidades de mejora se procede al diseño de un plan mediante el uso de la técnica 5W y 1H. En este plan de mejora queda precisada la meta que se espera alcanzar con dicho plan y el responsable general. Además se establecen qué acciones se llevarán a cabo, quiénes las implantarán, qué métodos o técnicas se utilizarán para ello, por qué es necesario realizar esas acciones de mejora, dónde y cuándo se realizarán.

Para este caso en particular se define como meta: Disminuir el tiempo desde que se realiza la solicitud del crédito hasta su otorgamiento y entrega, y se define como responsable general a la directora de la sucursal. Las principales acciones de mejora que se proponen son:

1. Realizar un estudio para identificar actividades del proceso que no son necesarias.

2. Realizar un estudio de carga mental.3. Realizar un estudio para la identificación,

reglamentación, evaluación y certificación de las competencias laborales de trabajadores involucrados en el proceso.

Realizar un estudio para identificar las actividades del proceso que no son necesarias

Con el objetivo de identificar las actividades dentro del proceso que no agregan valor y que no son necesarias, se aplica la metodología de Proceso Esbelto descrita por Gutiérrez y De la Vara [24]. La Tabla 10 muestra las actividades que se dan a lo largo del Subproceso de Solicitud, Otorgamiento y Entrega de Créditos, clasificadas en: agrega valor de acuerdo a la percepción del cliente, muda 1 o muda 2 y estimación del tiempo que consume cada actividad. Las mudas implican eliminar o perder tiempos, movimientos y errores en un proceso. Las mudas tipo 1 son las que no crean valor pero que actualmente son necesarias para el desarrollo del servicio y las mudas tipo 2 son aquellas que no crean valor de acuerdo al cliente y que pueden y deben ser eliminadas.

Para la estimación del tiempo de cada actividad se realiza un cronometraje. Como muestra inicial se toman treinta observaciones en cada actividad y luego se realiza el cálculo del número total de observaciones a realizar a partir de las treinta primeras según el criterio de Marsán [25]. Para la verificación del supuesto de normalidad de los datos para cada una de las actividades del proceso se hace uso de la prueba Kolmogorov-Smirnov. Para todos los casos se cumple que el valor-P es mayor que α=0.05, hecho que evidencia que los datos provienen de una distribución normal con 95% de confianza.

Para verificar la estabilidad de los datos se utilizan gráficos de control de individuales,

132

los cuales son útiles para detectar cambios tanto en la media como en la dispersión del proceso. Del análisis de las cartas de control de individuales para cada una de las actividades del proceso se puede concluir que existe regularidad estadística, así como baja dispersión de los datos dado que todos los puntos se encuentran dentro de los límites de control y no se observan patrones especiales. El procesamiento de los datos se realiza con el paquete de programa Statgraphics Centurion para todos los casos.

A modo de ejemplo se muestra en la Figura 3 la prueba Kolmogorov-Smirnov y el gráfico

de control correspondiente a la actividad 6 “Solicitud de referencia”.

Con la ayuda del equipo de trabajo y la realización de un profundo análisis de cada una de las actividades del proceso, se toma la decisión de eliminar la actividad 6 clasificada como Muda 2, la cual no crea valor para el cliente y no es necesaria. La solicitud de referencia se considera Muda 2 dado que esta actividad se realiza para corroborar la veracidad de lo establecido en la planilla entregada por el cliente, en la cual en uno de sus apartados la entidad empleadora debe informar al banco todos los descuentos que tiene el trabajador. Ha

Tabla 10. Clasificación y tiempo de duración de las actividades.

Figura 3. Prueba de bondad de ajuste y gráfico de control de individuales para la actividad 6.




de destacarse que cuando se realiza el análisis del crédito o de riesgo por parte de los gestores de negocio, estos están obligados a verificar la información contenida en la planilla en lo que se refiere a la capacidad de pago del cliente y de los fiadores, de manera que se realiza la misma verificación dos veces. Otro aspecto importante a destacar es que la actividad de solicitud de referencia se realiza en presencia del cliente y de los fiadores, lo que genera demoras en el servicio. Todo lo anterior evidencia la necesidad de eliminar dicha actividad, cuya duración es como promedio de 40 min.

Una vez propuestas las acciones de mejora se procede a su implantación (Paso 11) para luego verificar la efectividad de las mismas (Paso 12). Para ello se recomienda evaluar el proceso a través de los indicadores propuestos. En función de los resultados de la comprobación anterior se realizan las correcciones necesarias (ajuste) o se convierten las mejoras alcanzadas en una forma estabilizada de ejecutar el proceso (actualización) (Paso 13).

3. CONCLUSIONES

El procedimiento diseñado para la evaluación de la calidad percibida de los servicios bancarios compuesto de cuatro etapas y trece pasos garantiza la evaluación y mejora de la calidad percibida mediante la escala Servqual, con un enfoque de gestión por procesos y mejora continua, haciendo uso de diversas herramientas.

La implementación del procedimiento en el Servicio de Solicitud, Otorgamiento y Entrega de Créditos permitió identificar las principales brechas de insatisfacción en la calidad del servicio percibido por los clientes, resultados que facilitaron la toma de decisiones para

proyectar acciones de mejora orientadas a elevar la calidad del mismo.

La evaluación de la calidad percibida evidenció que para las 22 declaraciones del cuestionario Servqual, las percepciones de los clientes no superaban las expectativas y las brechas con menor índice de calidad se relacionaban con el tiempo de servicio. En relación con esto, el índice global de calidad de servicio mostró un deficiente nivel de calidad en el servicio al tomar valores negativos tanto para la versión original (-1.27) como para la ponderada (-33.1), donde las dimensiones más críticas son la Fiabilidad y la Capacidad de Respuesta.

Se propuso un conjunto de acciones encaminadas a la mejora en función de las principales brechas de insatisfacción identificadas en la calidad del servicio. Se destaca la realización de un estudio para identificar actividades que no agregan valor y que no son necesarias mediante la metodología de proceso esbelto, lo que permitió la disminución del tiempo de servicio en 40 minutos como promedio.

La gestión de la calidad de los servicios bancarios desde la percepción de los clientes constituye una manera de conseguir la satisfacción de estos, objetivo permanente en organizaciones de este tipo, al considerarse la calidad del servicio como antecedente de la satisfacción.


[1] González, Z. (2001). El reto de la calidad del servicio financiero en la Comunidad Autónoma de Canarias. Santa Cruz de Tenerife, Canarias: Ed. Fundación FYDE-Caja Canarias.

134

[2] Cobra, M. (2002). Marketing de servicios: Estrategias para el turismo, finanzas, salud y comunicación (2 Ed.). P. 255. Recuperado de http://umecit.metabiblioteca.org/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=40.

[3] Dávila, J.A. y Flórez, M. (2008). Calidad del servicio percibida por clientes de entidades bancarias de Castilla y León y su repercusión en la satisfacción y lealtad de la misma. PECVNIA. Revista de la Facultad de Ciencias Económicas y Empresariales de la Universidad de León (7), 105-128.

[4] Shih-Y. y Fang-K. (2006). Effects of Network Quality Attributes on Customer Adoption Intentions of Internet Banking. Total Quality Management Journal, 17 (1), 61-77.

[5] Skowron, L. y Kristensen, K. (2012). The impact of the recent banking crisis on customer loyalty in the banking sector: Developing versus developed countries. Total Quality Management Journal, 24(6), 480 – 497.

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[10] Karatepe, O.M., Yavas, U. y Babakus, E. (2005). Measuring Service Quality of Banks: Scale Development and Validation. Journal of Retailing and Consumer Services, 12(5), 373-383.

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[20] Moreno, M. (2010). Procedimiento para la medición de la calidad percibida, mejoramiento y control de los servicios de Desoft S.A. Aplicación en la División Desoft Villa Clara. En V Taller de Calidad en las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones. La Habana, Cuba.

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[24] Gutiérrez, P. y De la Vara, R. (2007). Control Estadístico de la Calidad y Seis Sigma. México, D.F.: Ed. McGraw-Hill, p. 636.

[25] Marsán, J., Cuesta, A., García, C. y Padilla, C. (2011). Organización del trabajo. Estudios de tiempos. La Habana, Cuba: Ed. Félix Varela.

136

INDICE DE AUTORES

Página

APERADOR CHAPARRO WILLIAM ................................................................................................ 5AYALA TACO JAIME ........................................................................................................................... 91BALAGUERA MANUEL I. ................................................................................................................. 17CABALLERO GÓMEZ JOSÉ LUIS .................................................................................................... 5CHINGA PANTA CARLOS ANÍBAL ................................................................................................... 27ESCOBAR JOHN WILLMER .................................................................................................................. 77FERNANDEZ CORREA ALEXANDER .............................................................................................. 91FERNÁNDEZ WILMAR D. .................................................................................................................. 17FUENTES MOLINA NATALIA ............................................................................................................ 43GONZÁLEZ ÁLVAREZ ROXANA ...................................................................................................... 113GONZÁLEZ CABO PIERRE ANDRÉS ................................................................................................ 27GUERRA JIMÉNEZ SUSSET ............................................................................................................. 91GUTIÉRREZ ROBERTO ...................................................................................................................... 91GUZMÁN DURÁN PABLO ANDRÉS ................................................................................................ 5HINCAPIÉ ZEA JUAN DAVID ............................................................................................................... 77MANTILLA GONZÁLEZ JUAN MIGUEL ........................................................................................... 61MARÍN LEAL JULIO CÉSA ................................................................................................................. 27MUÑOZ RODRÍGUEZ ALEJANDRO ................................................................................................ 61PACATEQUE JEISON D. ..................................................................................................................... 17PUERTO MIGUEL S. ........................................................................................................................... 17REYES FREDY ..................................................................................................................................... 17RONDÓN MICHAEL FERNANDO ................................................................................................ 61SABOGAL CARDONA ORLANDO ANTONIO ................................................................................. 77SANTA CHÁVEZ JHON JAIRO ............................................................................................................. 77VELÁSQUEZ FERRÍN ABRAHAN ISAAC ........................................................................................ 27VIZCAINO MENDOZA LISSETTE ...................................................................................................... 43ZAMBRANO RODRÍGUEZ LUZ MARÍA ........................................................................................... 27


TÍTULO DEL ARTÍCULO EN ESPAÑOL

PAPER TITLE

Nombre autorTítulo profesional, Título de posgrado (si posee), Cargo que desempeña actualmente,

Institución de trabajoCiudad, País,

Correo electrónco

Fecha de recepción: 00000Fecha de aprobación: 00000

RESUMEN

Este documento proporciona los principales lineamientos para la preparación de su artículo a ser sometido en la Revista Ciencia e Ingeniería Neogranadina. El título del artículo se debe escribir centrado, en mayúscula sostenida y negrilla, se escribe en español (letra Arial 20) y en inglés (letra Arial 16), su propósito es indicar claramente la naturaleza del tema tratado. El número máximo de autores es de seis y se coloca uno debajo del otro (letra Arial 10) en orden de importancia a la contribución realizada en la investigación. El resumen es de máximo 250 palabras, se escribe en español y en inglés, y busca describir el problema tratado, la metodología, y los resultados y conclusiones de mayor relevancia. Se redacta en tercera persona y no se mencionan datos, fórmulas, símbolos y referencias de figuras o tablas que aparezcan en el texto.

Palabras Clave: Componentes; Formato; Estilo; Palabras para revisión bibliográfica (Mínimo tres palabras, máximo diez. Útiles para la indización del artículo).

ABSTRACT

The author must be careful with the redaction of Title, Abstract and Keywords. We encourage the author to make review the text by a native English speaker.

Keywords: Component; Formatting; Style; Key words for bibliographic search (at least three words).

138

INTRODUCCIÓN

Este título no se numera, se escribe centrado, con mayúscula sostenida y en negrilla. Abarca los siguientes aspectos: justificación del problema a tratar, antecedentes del tema o problema, contribución del trabajo desarrollado, conceptos fundamentales y organización del artículo.

1. PARTES DEL MANUSCRITO

Todo artículo debe cumplir con el siguiente contenido: partes preliminares, cuerpo del manuscrito y parte final.

1.1 PARTES PRELIMINARES

Las partes preliminares incluyen el título, los datos de los autores, resumen en español e inglés y las palabras clave en español e inglés, como se describen en los puntos citados anteriormente.

1.2 CUERPO DEL MANUSCRITO

El cuerpo del manuscrito incluye la introducción, materiales y métodos, resultados y discusión, y conclusiones.

Materiales y métodos puede incluir la descripción de metodologías aplicadas, explicación de conceptos y teoría extendida para la realización de la investigación, desarrollo de pruebas y protocolos, dependiendo del tipo de artículo desarrollado (Artículo de Investigación, Artículo de Reflexión, Artículo de Revisión, Artículo Corto), y la temática desarrollada.

Los resultados y análisis se exponen de forma clara y ordenada precisando los puntos más importantes. Se pueden incluir tablas, dibujos, fotografías y esquemas que soporten el escrito. En el análisis se deben explicar y comentar los datos presentados y validar o rechazar hipótesis generadas, comparando con trabajos publicados anteriormente sobre el mismo tema.

Las conclusiones cierran de forma concreta y trascendente el trabajo realizado, destacando el cumplimieno de los objetivos planteados.

1.3 PARTES FINALES

Las partes finales constan de agradecimieno (opcional) y referencias bibliográficas.


2. PRESENTACIÓN DEL DOCUMENTO

El documeno debe estar escrito en este formato, no debe exceder 20 páginas, tamaño A4. Debe trabajarse en Word, con letra Arial 12, a espacio sencillo. Las gráficas, táblas, fotografías e imágenes deden estar estrictamente en escala de grises.

El documento se redacta en tercera persona.

No deben ser sometidos a la revista artículos que hayan sido publicados previamente, estén en consideración en otra revista o evento.

2.1 TÍTULOS, SUBTÍTULOS Y SECCIONES

Los títulos de las partes principales del artículo deben ir numerados (a escepción de la Introducción, Agradecimientos y Referencias), se escriben en mayúscula y negrilla (p.e., 1. MATERIALES Y MÉTODOS)

Los subtítulos o componentes de los partes principales van numerados en la margen izquierda, en negrilla y mayúscula (p.e., 1.1 MATERIALES USADOS)

Las secciones de los subtitulos van numerados en la margen izquierda, en negrilla, y con la primera letra en mayúscula y las demás en minúscula (p.e., 1.1.1 Proporción de las mezclas). No se usan nomencladores de cuarto nivel, en su lugar se usan viñetas. Se recomienda elaborar párrafos de transición entre títulos seguidos.

2.2 ECUACIONES, TABLAS Y FIGURAS

2.2.1 EcuacionesLas ecuaciones se deben escribir con editor de ecuaciones, centradas y numeradas consecutivamente entre paréntesis, como se muestra en (1). Al insertar símbolos o ecuaciones en el texto, escríbalos en letra cursiva. Defina los símbolos usados en la ecuación antes de ponerla en el texto o inmediatamnte después. Al llamar la ecuación en el texto use “(1)” o “Ecuación (1)” si está comenzando una frase. (1)

2.2.2 Tablas y figurasTodas las figuras y tablas deben ir centradas y ser referenciadas en el texto después de citarlas. En el caso de las figuras, la numeración, descripción y fuente debe ir escrita en la parte inferior de la Figura, en letra Arial 10, como se muestra en la Fig. 1.

140

Figura 1. Fases del proceso general de producción de cuero.

Fuente: Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca, 2000.

Las figuras deben estar en formato PostScript (PS), Encapsulated PostScript (.EPS), Tagged Image File Format (.TIFF), Portable Document Format (.PDF), o Portable Network Graphics (.PNG), con una resolución mínima de 300dpi o 300ppp. Debe asegurar que las imágenes, fotos o gráficas ubicadas en el texto sean claras.

En el título de los ejes de las Figuras, al tener una magnitud, ponerla entre paréntesis (e.j., Longitud (cm)). Usar el sistema internacional SI para las unidades.

En el caso de las tablas, la numeración y descripción se debe colocar en la parte superior, mientras que la fuente se coloca en la parte inferior de la tabla, letra arial tamaño 10 puntos, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Peso especifico de las adiciones.

Fuente: Sánchez de Guzmán, 2005.

3. INSTRUCCIONES FINALES E INFORMACIÓN GENERAL

Los autores deben enviar al correo electrónico [email protected] el artículo de dos maneras: una copia debe incluir los datos de los autores y agradecimientos, y la segunda copia omite la anterior información. Junto con las copias del artículo, los autores deben enviar diligenciado el Formato de Transferencia de los Derechos Patrimoniales, en el que garantizan que el artículo es original, no infringe otros derechos de autor, no viola cualquier otro derecho de terceros, no ha sido publicado en ninguna otra parte, y no está siendo considerado en otras revistas o congresos.

Los autores deben enviar como mínimo cuatro pares con mágister o doctorado, incluyendo información de nombres completos, entidad de trabajo, teléfono y/o celular, e-mail, y que hayan


publicado sobre el tema en los últimos dos años. Si embargo, el editor se reserva el derecho de la selección de pares, y los nombres de los mismos son desconocidos para los autores.

El proceso de arbitraje empieza en el comité editorial, el cual revisa la temática y pertinencia, previo al envío a pares. El concepto definitivo del artículo puede ser:

Aceptado con revisiones mínimas.Aceptado con revisiones significativas y segunda revisión.Rechazado por temática.Rechazado por calidad.

Cuando el concepto emitido por ambos pares no coincide respecto a la aceptación o no del artículo, se busca el concepto de un tercer par. El editor envía a los autores las observaciones emitidas por los pares, y por su lado, el autor devuelve al editor el artículo corregido junto con una carta en la que relaciona correcciones y respuestas a las observaciones sobre el artículo. En caso de requerirlo, se devuelve a segunda revisión por pares para aceptación definitiva. Una ve aprobado el artículo con sus cambios, éste es enviado a revisión de estilo.

4. CONCLUSIONES

Este título se numera con números arábigos, se escribe centrado, con mayúscula sostenida y en negrilla. Se deben sacar las conclusiones con base a los objetivos planteados.

AGRADECIMIENTOS

Este título se debe escribir centrado, con mayúscula sostenida, negrilla y sin numeración. Después de las conclusiones se colocan los reconocimientos a personas, instituciones, proyectos, fondos, becas de investigación, etc. que apoyaron el desarrollo de la investigación.

REFERENCIAS

Este título se escribe centrado, con mayúscula sostenida, negrilla y sin numeración.

Las referencias bibliográficas se citan en el texto en orden de aparición con el número entre paréntesis cuadrado [1]. Si se cita más de un texto en el mismo punto del documento se usa [1-3].

Para las referencias tenga en cuenta:

Libros de autores corporativos: Nombre de la institución u organismo. (Año de publicación). Título. Ciudad: Editorial.

142

[1] American Psychological Association. (1998). APA Manual (4 Ed.) Washington. D.C. APA.

Libros: Iniciales nombres y apellido del autor(es). (Año de publicación). Título. Lugar de edición. Editorial. Páginas consultadas.

Nota: En caso de haber varios autores, éstos deben ir separados por coma.

[2] García Márquez G. (1984). Cien años de Soledad. Bogotá. Oveja Negra. 347 p.

Tesis y trabajos de grado: Apellidos e iniciales del nombre del(los) autor(es). Título de la Tesis (tipo de trabajo: Trabajo de Grado, Tesis de Maestría, Tesis Doctoral). (Año de publicación dentro de paréntesis). Facultad, Departamento o Área, Institución. Lugar. Número de páginas.

[3] Garzón Gonzáles, N.A., y Machuca Mojica P.P. Dosificación del relleno fluido con arena triturada y su caracterización en estado fresco (Trabajo de Grado). (2004). Facultad de Ingeniería, Universidad Militar Nueva Granada. Bogotá. 143 p.

Artículos de revista: Apellido, iniciales nombre del(los) autor(es). (Año de publicación). Título. En: Nombre de la revista, Volumen (fascículo), Páginas.

[4] Jofré, C. (1998). Rellenos con morteros y hormigones fluidos de baja resistencia controlada. En: Rutas, Vol.67 (2), pp. 5-21.

Textos tomados de una página web: Apellido, iniciales nombre del autor(es). (Fecha). Título.

En: URL (día, mes, año).

[5] Martínez Villa A., (2002). Morteros fluidos de densidad controlada. En: http://www.icc.ucv.cl/hormigon/mortero.doc (2 noviembre del 2006).


TÍTULO DO ARTIGO

Título del artículo (em Espanhol)

Nome dos autores.Estudos de graduação, Estudos de pós-graduação, Nome do departamento,

Instituição dos autoresCidade, País,

e-mail dos autores


ABSTRACT

This document provides a guide for preparing their contributions for the Ciencia e Ingeniería Neogranadina Journal. The Title has to be written in capital letter 20 point bold Arial font and centered at the top of the first page, having a maximum length of 15 words and clearly indicating the paper main topic, avoiding data, formulas, abbreviations and symbols.

A maximum of six authors is permitted appearing in consecutive order accordingly to the relevance of their contribution to the paper, and have to be written in 10 point Arial font.

The abstract should contain a maximum of 250 words and have to be written in both English and Spanish. The abstract should present the addressed problem, the methodology, the main results and relevant conclusions. The abstract should not include data, formulas, abbreviations, symbols, citations or references to figures and tables that appear in the text.

Keywords: Component; Formatting; Style; Key words for bibliographic search (a minimum of 3 words is required and a maximum 10 words is permitted. The keywords facilitates the bibliographical search in the information databases).

RESUMO

O resumo e as palavras-chave devem ser escritos em português e espanhol. Recomenda-se que os autores realizem a revisão do texto, para garantir que o conteúdo seja claro e possua uma boa estrutura gramatical. Por favor, considere que erros gramaticais podem causar rejeição do artigo.

144

Palavras-chave: Componentes; Formato; Estilo; Palavras para revisão bibliográfica (Mínimo de três palavras, máximo de dez)

INTRODUÇÃO

Este título não deve ser numerado, a escrita deve ser feita em negrito e centralizada utilizando caixa alta. A introdução deve incluir os seguintes itens: uma descrição e justificativa sucinta do problema apresentado, o contexto, os trabalhos correlatos e a contribuição do artigo.

1. APRESENTAÇÃO DO ARTIGO

Os artigos devem cumprir com os seguintes requisitos:

1.1 SEÇÃO PRELIMINAR

A seção preliminar inclui o título, as informações dos autores, o resumo em inglês e português, e as palavras chave.

1.2 CORPO DO ARTIGO

O corpo do artigo é composto pelas seguintes subseções: Introdução, Materiais e Métodos, Resultados, e Conclusão.

A subseção “Materiais e Métodos” apresenta os materiais, técnicas ou metodologias utilizadas para as amostras, variáveis, instrumentação e medidas, assim como protocolos necessários para a pesquisa. O conteúdo desta subseção depende da natureza da pesquisa desenvolvida.

Os “Resultados” devem ser apresentados de forma clara e suportados por dados, figuras, diagramas e outros meios necessários de acordo com o problema. A análise deve reforçar a importância dos resultados e as contribuições para a área de estudo e pesquisa.

A “Conclusão” deve apresentar os principais resultados e ressaltar a importância dos resultados da pesquisa.

1.3 SEÇÃO FINAL

A seção final do artigo é composta pelos agradecimentos (item opcional) e as referências bibliográficas.


2. FORMATAÇÃO DO DOCUMENTO

O documento deve ser escrito utilizando este modelo, e não deve superar 20 páginas do tamanho carta (21 cm x 25 cm). Por favor, utilize a fonte Arial com tamanho de 12 pontos e espaço simples entre parágrafos. As imagens, tabelas, fotos e outros materiais gráficos devem ser apresentados em escala de cinza obrigatoriamente.

Por favor, evite encaminhar artigos que estão sob processo de publicação ou revisão em outros periódicos ou conferências.

2.1 TÍTULOS, SUBTÍTULOS E SEÇÕES

Todas as seções devem estar numeradas com exceção da “Introdução”, os “Agradecimentos” e as “Referências”. Esses títulos devem ser centralizados e com Arial em negrito utilizando caixa alta (ex.: 1. MATERIAIS E MÉTODOS).

Todos os subtítulos devem ser numerados e justificados à esquerda fazendo uso de caixa alta e em negrito (ex.: 1.1 METODOLOGIA).

Os subtítulos são numerados e justificados à esquerda e em negrito (ex.: 1.1.1 Componentes). Por favor, evite mais níveis na lista. Caso seja necessário, faça uso dos marcadores.

Lembre que é recomendável escrever parágrafos de transição entre títulos e subtítulos.

2.2 EQUAÇÕES, TABELAS E FIGURAS

2.2.1 EquaçõesAs equações devem se escrever utilizando um editor de equações e apresentadas utilizando uma numeração consecutiva na forma (1). Os símbolos e expressões matemáticas utilizadas nos parágrafos devem ser apresentados em itálico. Os símbolos das equações e as variáveis devem ser descritas antes ou imediatamente após serem apresentadas. Para chamar e citar as equações no texto, são aceitas as formas “(1)” ou “Equação (1)”.

(1)

2.2.2 Tabelas e FigurasAs tabelas e figuras devem estar centralizadas e apresentadas após sua citação no texto. As legendas devem ser organizadas de forma consecutiva de acordo com seu posicionamento no documento.

146

A localização das legendas é sob a imagem e o texto deve ser escrito em Arial com tamanho de 10 pontos, conforme apresenta a Fig. 1.

Figura 1. Módulo de aquisição de dados.Fonte: Lina Peñuela, 2014.

As figuras devem ser submetidas em algum dos seguintes formatos: PostScript (PS), Encapsulated PostScript (.EPS), Tagged Image File Format (.TIFF), Portable Document Format (.PDF), ou Portable Network Graphics (.PNG), com resolução mínima de 300 dpi. Por favor, lembre-se da importância de utilizar imagens de alta qualidade, que permitam o claro entendimento do seu trabalho.

Quando for necessário, as magnitudes podem ser expressas em parêntese (ex.:, Volume (ml)) utilizando as unidades do SI.

As legendas das tabelas devem ser apresentadas antes da tabela e no centro utilizando a fonte Arial com tamanho de 10 pontos. Lembre-se de identificar os autores dos dados, caso os mesmos não sejam de sua autoria ou propriedade, como apresenta a Tabela 1.

Tabela 1. Frequência VS Amplitude

Fonte: Os autores

3. INSTRUÇÕES FINAIS E INFORMAÇÃO GERAL

Os autores são convidados a submeter suas contribuições junto com o formulário de direitos autorais ao e-mail [email protected]. Todos os autores devem assinar o formulário, garantindo a originalidade do trabalho, que o mesmo não infringe outros direitos autorais dos próprios autores ou outras fontes, e que o artigo não tenha sido publicado ou submetido para publicação em outros meios.


Os autores estão convidados a propor pelo menos quatro revisores por pares (peer reviewers) que possuam mestrado ou doutorado com pelo menos duas publicações em jornal.

O processo de revisão inicia no momento do recebimento do formulário de direitos autorais e segue os seguintes passos: Avaliação pelo Comitê para verificar a qualidade científica e relevância do artigo; caso aprovado, serão escolhidos os revisores para dar sequencia ao processo de avaliação “double blinded”. Após a revisão, o autor será notificado com uma das seguintes mensagens:

Aceito, com poucas observações.Aceito, com observações relevantes.Rejeitado.

Caso seja aceito, o Editor encaminhará aos autores uma copia dos comentários para que sejam efetuadas as mudanças necessárias. Uma vez que artigo tenha a aprovação final, ele será encaminhado para a revisão de formatação.

4. CONCLUSÃO

O título desta seção deve ser escrito em números arábigos, em negrito, centralizado e em caixa alta. As conclusões devem ser baseadas nos objetivos apresentados e nos resultados obtidos dentro do contexto do problema.

AGRADECIMENTOS

O título desta seção deve estar centralizado e em negrito, utilizando caixa alta sem numeração. Nesta seção, os autores agradecerão o suporte de instituições e pessoas durante o desenvolvimento da pesquisa.

REFERÊNCIAS

O título desta seção deve estar centralizado e em negrito, utilizando caixa alta sem numeração. As referências devem ser citadas no decorrer do texto e de forma consecutiva entre colchetes (ex.: [1]). No caso de citar várias fontes bibliográficas, o formato [1-3] pode ser utilizado.

Para mais informações, por favor, leve em conta os seguintes exemplos:

Livros de autores corporativos: Nome da instituição ou organismo. (Ano). Título. Cidade: Editorial:

[1] American Psychological Association. (1998). Publication Manual of the APA (Fourth Ed.). Washington, D.C.: APA.

148

Livros: Autores [Sobrenome (vírgula), primeira letra do nome (ponto)]. (Ano de publicação). Título. Lugar de publicação. Editorial. Páginas de referência.

Nota: Quando houver vários autores, esses são separados por virgule.

[2] García Márquez G. (1984). One hundred years of Solitude. Bogotá. Oveja Negra. 347 p. Tese e trabalhos de grado: Sobrenome do autor, primeira letra do nome do autor. Título.

(Ano de publicação). Faculdade, Departamento, Instituição. Cidade. Número de páginas ou volume.

[3] Garzón Gonzáles N.A., and Machuca Mojica P.P. Dosage of fluid refill with crushed sand and its fresh feature. Degree Project. (2004). Engineering Faculty, Militar Nueva Granada University. Bogotá. 143 p.

Artigos de periódico: Sobrenome do autor, primeiras letras do nome do autor. (Ano de publicação). Título. Em: Nome do periódico, Volume, Páginas de publicação.

[4] Jofré C., (1998). Refill with mortar and concrete fluid of low controlled resistance. En: Rutas, Vol.67 (2), pp. 5-21.

Páginas web: Sobrenome do autor, primeira letra do nome do autor. (Última atualização, ano). Título. Em: endereço da página (dia, mês, ano).

[5] Martínez Villa A., (2002). Mortar fluid of controlled density. In: http://www.icc.ucv.cl/hormigon/mortero.docn (November 2th, 2006).


PAPER TITLE

PAPER TITLE (Spanish)

Author’s name.B.S. Studies, Posgraduate Studies , Dep. name of organization,

Author’s institutional affiliationCity, Country,

Author’s e-mail


ABSTRACT

This document provides a guide for preparing their contributions for the Ciencia e Ingeniería Neogranadina Journal. The Title has to be written in capital letter 20 point bold Arial font and centered at the top of the first page, having a maximum length of 15 words and clearly indicating the paper main topic, avoiding data, formulas, abbreviations and symbols.

A maximum of six authors is permitted appearing in consecutive order accordingly to the relevance of their contribution to the paper, and have to be written in 10 point Arial font.

The abstract should contain a maximum of 250 words and have to be written in both English and Spanish. The abstract should present the addressed problem, the methodology, the main results and relevant conclusions. The abstract should not include data, formulas, abbreviations

Keywords: Component; Formatting; Style; Key words for bibliographic search (a minimum of 3 words is required and a maximun 10 words is permitted. The key words facilitates the bibliographical search in the information databases).

RESUMEN

Es necesario escribir el resumen en inglés y español, al igual que las palabras clave. Se recomienda a los autores tener especial cuidado con la redacción en inglés, de manera que el artículo sea claro y presente una estructura gramatical adecuada. Errores gramaticales pueden ser causa del rechazo de su artículo.

150

Palabras clave: Componentes; Formato; Estilo; Palabras para revisión bibliográfica (Mínimo tres palabras, máximo diez. Útiles para la indización del artículo).

INTRODUCTION

This title should not be numbered, it is written in bold and centered using capital letters. The introduction includes the following aspects: description and a brief justification of the addressed problem, background and related literature, relevance and contribution of the problem, fundamental concepts, and the contribution presentation.

1. PRESENTATION OF THE MANUSCRIPT

Articles should meet the following requirements:

1.1 PRELIMINARY SECTION

The preliminary section includes title, author’s information, written abstract in English and Spanish, and the key words. 1.2 BODY OF THE MANUSCRIPT

The body of the manuscript is composed of the following subsections: introduction, materials and methods, results, and discussions.

Materials and methods subsection describes the materials, th techniques or the applied methodologies, with samples, variables, measurement instruments and protocols used during the research. The contents of this subsection depends on the nature of the research.

The results should be clearly presented and supported by data, figures, photos, diagrams and other necessary elements with their corresponding explanations accordingly to the presented problem. The analysis should present the strengths of the results and the contributions in the field of study.

Discussions should summarize the main results and highlight the importance of the research results.

1.3 FINAL SECTION

The final section includes the acknowledgments (optional) and references.


2. FORMATTING THE DOCUMENT

The document must be written using this template, and it should not exceed 20 letter sized pages (21.5 cm x 25 cm). Please use Arial font at 12 points and single spaced paragraphs. Greyscale tables, graphics, pictures and images are mandatory.

Please avoid submitting contributions that are under publication or peer reviewed process on other journals or conferences.

2.1 TITLES, SUBTITLES AND SECTION

All main titles (Sections) should be numbered with exception of the Introduction, Acknowledgements and References. These titles must be centered and written Arial using bold and capital letters (i.e., 1. MATERIALS AND METHODS).

All Subtitles (Subsections) are numbered and aligned to the left using bold capital letters (i.e., 1.1 METHODOLOGY).

The subtitle sections are numbered and aligned to the left using bold letters (i.e., 1.1.1 Component proportions). Avoid further heading levels and if necessary please use bulleted lists.

It is recommended to use transition paragraphs between subtitles and subtitle section.

2.2 EQUATIONS, TABLES AND FIGURES

2.2.1 EquationsEquations should be written with any equation editor and presented through consecutive numbers written within parentheses, as in (1). Equations, symbols and mathematical expressions written in paragraphs have to be presented in italic. The equation symbols and variables must be described before or immediately after the equation is presented. To cross reference the equation within the paper use “(1)” or “Equation (1)” when beginning a sentence.

(1)

2.2.2 Tables y figuresTables and figures must be centered and they have to be presented after their corresponding citation in the text. Figures and tables caption must be organized consecutively according to their placement within the document.

152

Figure captions are positioned under the image using Arial font at 10 points as presented in Fig. 1.

Figure 1. Acquisition and signal processing Module.

Source: Lina Peñuela, 2014.

Figures must be submitted in one of the following formats: PostScript (PS), Encapsulated PostScript (.EPS), Tagged Image File Format (.TIFF), Portable Document Format (.PDF), or Portable Network Graphics (.PNG), with a minimum resolution of 300dpi. Please remember the importance of clear and readable images for your contribution; the author is responsible for submitting high quality figures.

When required, variable magnitudes can be expressed within parentheses (i.e., Volume (ml)) using the SI units.

Table captions must appear above the table and centered using Arial font at 10 points. Remember to give credit to the authors by placing the source below de table as presented in Table 1.

Table 1. Frequency vs Amplitud

Source: The authors.

3. FINAL INSTRUCTIONS AND GENERAL INFORMATION

Authors are invited to send their contribution and the Copyright form to [email protected]. In the Copyright from all authors must sign ensuring the novelty of the paper, non-infringement of any other copyright from the authors or third parties, or has not been published elsewhere or submitted for publishing to any other printing or electronic media.


Authors are encouraged to provide at least four peer reviewers with Masters or Doctoral degrees with journal publications during the last two years, for increasing our scientific community.The review process commences once the Copyright form is received. The reviewing process is composed of the following procedures: Committee assessment on the quality and relevance of the contribution; if approved peers are selected from a database for double blinded reviewing process. From the process the author may be notified with one of the following results:

Accepted, with minor changes.Accepted, with relevant changes and second review. Rejected

When accepted, the Editor sends the authors a copy of the reviews for improving and correcting the contribution accordingly to the reviewer’s comments. When the article has the final approval, it is sent to style review.

4. CONCLUSIONS

This title is written in Arabic numbers, bold and centered using capital letters. The conclusions should be based on the presented objectives and obtained results within the context of the problem.

AKNOWLEDGMENTS

This title should be centered and bold, using capital letters without numeration. In this section authors may acknowledge any recognitions to people, institutions, projects, funds, research scholarships, etc. that supported the development of the research.

REFERENCES

The title should be centered and written with bold capital letters without numbers. References must be cited through the text consecutively within brackets (i.e., [1]), and if required several references may be cited using the form [1-3].

For references please take into account the following directions:

Books of Corporative Authors: Name of the institution or organism. (Year). Title. City: Publisher.

[1] American Psychological Association. (1998). Publication Manual of the APA (Fourth Ed.) Washington, D.C.: APA.

154

Books: Authors [last names with the first capital letter (comma), initial of the name (dot)]. (Year of publication). Title. Publishing place. Publisher. Reference pages.

Note: If several authors, they are separated with semicolon.

[2] García Márquez G.. (1984). One hundred years of Solitude. Bogotá. Oveja Negra. 347 p.

Thesis and Degree Projects: Author’s last name(s) and first capital letter of the name(s). Title, subtitle, degree project (if required). (Year). Faculty, Department or Area, Institution. City. Number of pages.

[3] Garzón Gonzáles N.A., and Machuca Mojica P.P. Dosage of fluid refill with crushed sand and its fresh feature. Degree Project. (2004). Engineering Faculty, Militar Nueva Granada University. Bogotá. 143 p.

Articles from any Magazine: Author’s last name(s), first capital letters of the name(s). (Publishing Year). Title. In: Name of the magazine, volume (fascicle), and pages taken from the relevant magazine.

[4] Jofré C., (1998). Refill with mortar and concrete fluid of low controlled resistance. En: Rutas, Vol.67 (2), pp. 5-21.

Texts taken from a webpage: Author’s last name(s), name(s). (Last update year). Title. In: address of the webpage from where text was taken (day, moth, and year).

[5] Martínez Villa A., (2002). Mortar fluid of controlled density. In: http://www.icc.ucv.cl/hormigon/mortero.docn (November, 2th, 2006).

Documents

Volumen 25-1