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Enfoque UTE es una revista de carácter técnico-científico, que publica artículos sobre trabajos de
investigación científica y tecnológica, revisión del estado del arte en un área específica del conocimiento y
trabajos de vinculación con la comunidad en los cuales se realizaron actividades de investigación científica.
La revista abarca las áreas temáticas de las ingenierías Ambiental, de Alimentos, Automotriz, Industrial,
Informática, Mecatrónica, y de Petróleos.
Enfoque UTE está dirigida a la comunidad de docentes, investigadores, y estudiantes universitarios, de
pregrado y posgrado en general.
Enfoque UTE
Volumen 8 – Número 2
Marzo – 2017
Derecho de autor – 049110
e-ISSN: 1390-6542 (electrónico) / p-ISSN: 1390-9363 (impreso)
Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias
Universidad Tecnológica Equinoccial
http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
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Teléfono: +593-(2)-2990-800 ext.2232
Dirección: Av. Mariscal Sucre (Occidental) y Mariana de Jesús, s/n.
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Comité Editorial
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Alberto Medina León, Universidad de Matanzas, Cuba
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María Gabriela Pérez, Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
Jordi Saldo Periago, Universidad Autónoma de Barcelona, España
Neus Sanjuan, Universidad Politécnica de Valencia, España
Gabriela Vernaza Leoro, Universidad San Francisco de Quito, Ecuador
Fabián Villavicencio Abril, Universidad de las Fuerzas Armadas, Ecuador
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Sherpa / Romeo http://www.sherpa.ac.uk/romeo/search.php?issn=1390-6542
Stanford University Libraries https://searchworks.stanford.edu/view/10222186
Latinoamericana https://revistaslatinoamericanas.org/participantes/ (# 178)
CiteFactor http://www.citefactor.org/journal/index/10856
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Contenido
Implementacion de una maquina agricola de bajo costo para el proceso de desgranado de maiz seco suave originario de la sierra ecuatoriana
pp. 1 - 14
Melton Tapia, Sandra Arla, Edison Tapia
Diseno y construccion de un prototipo para la extraccion continua de aceite de la semilla Sacha Inchi con un proceso de prensado en frio
pp. 15 - 32
Nelson Ramiro Gutiérrez Suquillo, Irene Alexandra Saá Arévalo, Alexy Fabián Vinueza Lozada
Evaluacion de diferentes tratamientos fisicos en pimiento (Capsicum annuum L.) verde y rojo minimamente procesado
pp. 33 - 43
L M Rodoni, J F Massolo, A R Vicente
Influencia del sistema de minima cantidad de lubricante (MQL) en la vida de las herramientas de corte de metal duro en el fresado del acero AISI 1018
pp. 44 - 55
Diego Núñez, Byron Núñez, Henry Vaca, Maritza Ureña
Optimizacion basada en Colonia de Hormigas aplicada al problema de Planificacion de Celdas en redes de radio para sistemas de telefonia movil
pp. 56 - 65
Osmar Viera Carcache, Leonardo Vinces Llaguno, Kenya Guerrero Goyes, Fabricio Marcillo Vera
Control del pardeamiento enzimático en manzanas cortadas (Red delicious) mediante un sistema de envasado activo
pp. 66 - 77
Felipe Jadán Piedra
Aplicacion del modelo de programacion CUDA en la simulacion de la evolucion de secuencias geneticas
pp. 78 - 93
Freddy Yasmany Chávez, Daniel Gálvez Lio
Estudio de las condiciones de trabajo en bibliotecas de la ciudad de Quito y la exposicion de sus trabajadores a hongos
pp. 94 - 106
Rosa Morales Carrera, Remigio Chalán Paladínez
Rendimiento de Enfoques de Control Auto-Disparado pp. 107 - 120 Carlos Rosero, Cristina Vaca, Luz Tobar Subía, Fredy Rosero
La desnaturalización de las proteínas de la leche y su influencia en el rendimiento del queso fresco
pp. 121 - 130
Ana Mejía López, Sonia Rodas, Darío Baño
Prefacio
La edición marzo 2017 de Enfoque UTE recoge diez estudios en variados campos de las ingenierías
Agroindustrial, de Alimentos, Mecánica, Informática, Industrial y Mecatrónica.
Se seleccionaron dos artículos que describen el diseño e implementación de maquinaria agrícola. El
primero presenta una máquina para desgranar maíz, mientras que el segundo describe un prototipo
para extraer aceite de Sacha Inchi.
En el campo de la tecnología alimentaria se consideraron tres artículos, ligados en mayor o menor
medida al tema de la conservación. El primero reporta una comparación de estrategias de
conservación para pimientos, mientras que el segundo estudia aportes de un sistema de envasado
activo para manzanas. El tercer artículo profundiza en los efectos del tratamiento térmico en el
queso fresco.
También se escogió un artículo relacionado con la Mecánica, el cual estudia los efectos de ciertas
tecnologías de lubricación en el desgaste de herramientas para trabajar el metal.
La Informática está representada en este número con dos aportes; uno de ellos hace uso de técnicas
de inteligencia artificial para solucionar un problema del área de las telecomunicaciones; el otro
aporta en la computación de altas prestaciones al estudiar el multiproceso de tarjetas gráficas para
simulaciones de secuencias genéticas.
En el área del control y la automatización, se presenta un estudio de varios enfoques o técnicas
dentro del campo del control auto-disparado.
Finalmente, la seguridad industrial está representada con un estudio de riesgos y exposición a
microorganismos en bibliotecas.
No nos queda más que agradecer a nuestros colaboradores, quienes edición tras edición brindan su
gran aporte para expandir el conocimiento científico, un deber que se cumple con gusto.
Comité Editorial
Quito, marzo 2017
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/10/31 Aceptado (Accepted): 2017/03/22
CC BY-NC-ND 3.0
Implementación de una máquina agrícola de bajo costo para el proceso
de desgranado de maíz seco suave originario de la sierra ecuatoriana
(Implementation of a low-cost agricultural machine for the soft dry corn
harvesting process originating in the Andean region)
Melton Tapia1, Sandra Arla1, Edison Tapia1
Resumen:
Se ha desarrollado una máquina agrícola de tamaño compacto, bajo costo de fabricación y
operación, para la realización del proceso de desgranado del maíz seco suave originario de la
sierra ecuatoriana. El prototipo de fabricación sencilla es único para la aplicación en la especie
de maíz mencionada. El aporte principal de este desarrollo es el de proporcionar al agricultor
una herramienta sencilla que le permita tecnificar la operación de desgranado de maíz,
operación que es crítica en la etapa de cosecha.
Palabras clave: máquina; desgranado; maíz; seco suave; sierra.
Abstract:
An agricultural machine of compact size, low cost of manufacture and operation, has been
developed for the process of threshing the soft dry corn, originating from the Ecuadorian
Andean Region. The simple manufacturing prototype is unique for application in the
aforementioned corn species. The main contribution of this development is to provide the farmer
with a simple tool that allows him to technify the operation of corn harvesting, an operation that
is critical in the harvest stage.
Keywords: machine; shredded; thresh; soft dry corn; Andean Region.
1. Introducción
El Ecuador a pesar de ser un país eminentemente agrícola y exportador de materia prima, realiza
las actividades agrícolas aún de forma rudimentaria, sin que existan estudios profundos de las
necesidades agrícolas y desarrollos de soluciones que aporten al mejoramiento de la calidad de
vida de los campesinos mediante el desarrollo de maquinaria adecuada. Los países
industrializados desarrollan equipamiento y maquinaria basados en sus propias necesidades o en
intereses comerciales, dejando un vacío en el estudio de problemas que aquejan a sociedades
como la nuestra, pero cuya condición es a la vez, una oportunidad de desarrollo de tecnología
propia.
Según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), la
operación de desgrane consiste en separar los granos de la parte de la planta que los sustenta
(Wiselyn, 2011). Esta separación, efectuada manualmente o con ayuda de una máquina, se
1 Universidad de las Fuerzas Armadas, Sangolquí – Ecuador ( {metapia, smarla, egtapia} @espe.edu.ec )
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14
consigue batiendo, frotando o sacudiendo los productos con mayor o menor dificultad,
dependiendo de las variedades cultivadas, del contenido de humedad y del grado de madurez de
los granos (FAO, 2016).
1.1. Operaciones de desgrane
Las operaciones de desgrane se realizan después de la recolección y, del presecado de los
productos. Según la influencia de los factores agronómicos, económicos y sociales, se procede al
desgrane de diferentes maneras:
Desgrane a mano, con ayuda de un instrumental sencillo;
Desgrane mecánico, con ayuda de máquinas sencillas accionadas manualmente;
Desgrane mecánico, con ayuda de máquinas de motor.
1.2. Desgrane manual de maíz
Desgranado a mano: El sistema tradicional más sencillo de desgrane consiste en ejercer
una presión con los pulgares sobre los granos para conseguir que se desprendan del
carozo. Otro método de desgrane frecuente consiste en frotar dos mazorcas una contra
otra (FAO, 2016)
Ventaja: Causa poco daño al grano y permite eliminar granos dañados o infectados por
insectos
Desventaja: Proceso lento (2q/día) y de uso intensivo de mano de obra.
Desgranado en saco: las mazorcas se meten en sacos y se golpea con palos.
Ventaja: Método más rápido que el proceso a mano.
Desventaja: Ocasiona mucho grano y semilla quebrada.
Desgranadora manual de madera: desarrollada por Tropical Produsts Institute (Leonard,
1982) y consiste en empujar rotando con una mano de tal manera que avance por el
orifico con cuatro salientes, de una tabla sostenida con la otra.
Ventajas: Bajo costo y fácil manejo. (80 libras por hora).
Desventaja: Los bordes de la madera se desgastan con rapidez.
Se calcula que con ayuda de estos instrumentos un operario puede llegar a desgranar de 8 a 15
kg de maíz por hora (FAO, 2016).
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14
1.3. Desgrane del maíz con máquinas accionadas manualmente
Los desgranadores manuales, permiten un desgrane más fácil y más rápido de las mazorcas.
Existen varios modelos de estas desgranadoras; generalmente son accionadas mediante una
manivela o un dispositivo de pedal. Las operaciones de desgrane mediante desgranadores
manuales requieren en general un solo operario (FAO, 2016).
Ventajas: Desgrana alrededor de un quintal por hora, son de larga duración y fácil manejo.
Desventaja: No se encuentra fácilmente en el mercado.
1.4. Desgrane con máquinas de motor
Aun cuando son sustituidas paulatinamente por las cosechadoras, estas máquinas ocupan
todavía un lugar importante en los procesos productivos poscosecha, sobre todo gracias a su
versatilidad. La simple sustitución de algunos accesorios y unos ajustes adecuados permiten a
estas máquinas tratar diferentes categorías de granos (arroz, maíz, frijoles, girasol, etc.) (FAO,
2016).
Provistas de un tambor giratorio (con palas) y de un elemento fijo contra el cual se frota el grano,
estas máquinas están equipadas con dispositivos de sacudida, de limpieza y de ensacado del
grano. La desgranadora de motor puede requerir la intervención de dos o tres operarios.
La separación del grano de la tuza, generalmente constituye una etapa de las máquinas
cosechadoras las cuales cuentan con rodillos guías que como su nombre lo indican solo guían las
mazorcas hasta los rodillos desgranadores. La geometría y estado de movimiento relativo de los
rodillos desgranadores son las dos condiciones necesarias para que se concrete la separación del
grano de la mazorca. La Arrancadora desgranadora (cosechadora específica de maíz) se
diferencia de las cosechadoras de cereales en el cilindro desgranador y el cónico, situados en
posición longitudinal en la máquina, el cilindro tiene barras helicoidales provistas de aristas vivas o
bien de dientes radiales dispuestos igualmente en hélice (Valero, 2000).
El principal problema que debe resolver el mecanismo que realice el desgranado del maíz es la
diferencia del diámetro a lo largo de la longitud por su forma cónica, así como la diferencia de
diámetro de las mazorcas dentro de la misma variedad del maíz suave seco en la región Sierra en
las provincias de Bolívar Cotopaxi Azuay según la Agenda Zonal Zona 3.
El Instituto Ecuatoriano de Normalización clasifica al choclo por su tamaño en la Norma Técnica
Ecuatoriana (INEN, 1991), como se resume en la Tabla 1.
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Tabla 1. Clasificación del choclo por su tamaño
Tipo
(Tamaño)
Diámetro
ecuatorial (cm)
Longitud
(cm)
I (grande) ≤ 7.0 ≥ 20.1
II (mediano) 4-6.9 10-20
III (pequeño) ≥ 3.9 ≤ 9.9
Incorporar a este mecanismo el dispositivo que resuelva estas diferencias geométricas constituye
uno de los retos de este diseño, máquinas como la Penagos DM 2 implementa un “sistema
presiona tuza” con un resorte helicoidal que permite ajustar la entrada del sistema de
alimentación, al tamaño de la mazorca (Penagos, 2015).
Los rendimientos dependen del tipo de máquina, de la naturaleza y del grado de madurez de los
granos, de la habilidad de los operarios y organización del trabajo, y pueden oscilar entre 100 y
5000 kg/h.
La humedad del grano seco blando debe ser del 12 % para que los granos no queden adheridos
a las tuzas (Agenda Zonal 3, 2015).
1.4.1 Sistemas de desgrane
Dada la relevancia que tiene el sistema de desgrane del cual depende la calidad del maíz
después de desgranado obliga estudiar los ya utilizados en procesos eficientes (Desgrana-Matic
s.f).
Desgranador con dientes de espiga
Logra desprender el grano de la tuza por impacto y fricción, efectos producidos por la velocidad
del cilindro y la separación existente entre el cilindro y el cóncavo de entrada y salida; la fricción
es inversamente proporcional a la distancia entre el cilindro y el cóncavo (Figura 1).
Desgranador de platinas helicoidales
Realiza un desgranado similar al anterior, solo que las espigas son remplazadas por platinas
dispuestas en forma helicoidal, cuenta con un tambor estático con agujeros y una parrilla con
barras paralelas. Mediante fricción de la mazorca con el tambor estático se da el desgrane, el
impacto es muy bajo. La fricción es inversamente proporcional a la distancia existente entre el
tambor dinámico y el estático.
Desgranador Bar Escofina (cilindro desgranador dentado)
Es una bombardera abierta de tambor con cuatro frentes, bastidor opuesto en la posición opuesta,
marcos de hierro fundido en el eje. Cada barra escofina se adjunta con 175 dientes de metal. La
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parte cóncava que se encuentra bajo el bombardeo del tambor es de chapa de acero curvada con
agujeros perforados elípticos. La separación de la mazorca y del grano quebrado se produce es
ocasionada por los flujos mixtos de material en el tamiz de agitación en el cóncavo, con el fin de
separar los desechos se hace pasar el grano por el tamiz de peldaño y aquellos son tomados por
el aspirador. La tasa de flujo de aire es ajustada por dos aberturas a los lados del ventilador.
Desgranador dientes de clavija
Desgranadora dientes de clavija. Cinco filas de clavijas están soldadas en el bombardeo
superficie del tambor. Dos filas con 6 dientes, el resto tiene 7 dientes, hay un diente largo de
cada fila. Disposición de los dientes fijos detrás de los que ya están en paralelo al eje. Las
demás partes y el rendimiento de desgranadora dientes son similares a la desgranadora Raps bar
pero la desgranadora de diente tiene mayor eficiencia de escofina desgranadora (Figura 4).
1.4.2 Sistema de alimentación
El sistema de alimentación es el encargado de hacer llegar las mazorcas a los rodillos guías y
rodillos desgranadores, puede ser de accionamiento manual o de accionamiento mecánico como
trasportadores de banda, transportadores de cangilones o tornillos sin fin.
1.5. Máquinas desgranadoras en el Ecuador
Un alto porcentaje de maíz producido en el Ecuador es cosechado en forma manual, tal es el caso
del maíz que se produce en la Sierra (1 vez al año). El ciclo básico empleado por los recolectores
de maíz en la región Andina, consiste en: sujetar la mazorca y deshojar la misma desde la cresta
hacia la base, una vez deshojado se toma entre los dedos índice y pulgar, y con el pulgar de la
otra mano se desgrana, en lo cual el recolector emplea un 80% del tiempo total utilizado en el ciclo
de recolección.
Dados estos análisis se han desarrollado investigaciones que buscan mejorar la eficiencia de la
recolección, incrementando la productividad y tiempo invertido en esta actividad.
Estudiantes de la Universidad de las Fuerzas Armadas, desarrollaron en el año 2015 un
dispositivo de accionamiento mecánico a base de fuerza centrífuga, con el cual se incrementó el
rendimiento en un 40% con relación a la cosecha tradicional; sin embargo, se presentaba un alto
porcentaje de maíz roto superando el 30% del total que era muy elevado con respecto al
desgranamiento manual.
En un estudio del año 2016 en la misma universidad se diseñó y construyó un dispositivo para
mejorar las prácticas de cosecha manual, utilizando cuatro rodillos cónicos de caucho que son
impulsados por 4 motores AC de ¼ HP, para desprender todos los granos de una mazorca por
medio de fricción en aproximada 6 segundos en promedio. Con esta herramienta se logró
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desprender los granos con alta eficiencia, con un rendimiento de hasta 40 Kg/h, y un porcentaje
menor al 3% de maíces rotos.
La necesidad de proveer al pequeño agricultor de un equipo de bajo costo, accesible a su poder
adquisitivo que sea de fácil manejo, operación sencilla y dimensiones adecuadas al espacio físico
del que disponen, es el problema a resolver que se propone esta investigación.
Este prototipo portátil ha sido desarrollado mediante la utilización de materiales al alcance de
todas las personas; ayuda a mejorar los procesos de cosecha en la región andina, y cumple con
todos los estándares exigidos para dicha actividad.
2. Metodología
Para desarrollar el equipo se siguió la metodología de desarrollo de productos como proceso
genérico (Ulrich K, Eppinger S, 2013) que propone los pasos siguientes:
Identificación de la oportunidad
Desarrollo de conceptos
Diseño a nivel sistema
Diseño de detalle
Pruebas y refinamiento
La metodología propuesta garantiza que el desarrollo tenga un mínimo riesgo de fracaso técnico y
de mercado pues aborda el estudio de las necesidades para la concepción de las especificaciones
y el desarrollo. En la etapa de desarrollo de conceptos, la metodología sugiere que se propongan
una serie de alternativas previo a la selección de la mejor de ellas, que las mismas tengan una
retroalimentación de los usuarios con la finalidad de refinar las especificaciones previo al
desarrollo del prototipo final. Durante todo el desarrollo se realizan estudios de sistemas similares,
análisis comparativos de costos y desarrollo de prototipos enfocados que demuestren la utilidad
de las propuestas como paso previo al ensamble del prototipo final.
A base de los estudios de los equipos existentes en el mercado en aplicaciones similares, a los
análisis de costos de maquinaria desarrollada de manera estándar y personalizada y de las
pruebas realizadas para determinar la efectividad de los mecanismos y materiales propuestos, se
desarrolló el sistema de desgrane que presenta innovaciones en la parte técnica, económica y de
utilización.
3. Resultados
En la Figura 1 se muestra el concepto desarrollado para la aplicación. El equipo está compuesto
por cinco sistemas funcionales de operación, estos son:
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14
a) Sistema de alimentación
b) Sistema de guiado
c) Sistema de desgrane
d) Sistema de soporte
e) Sistema de separación
f) Sistema eléctrico
g) Sistema de control
Figura 1. Esquema del equipo
Los sistemas son de tipo modular de ranura (Ulrich K, Eppinger S, 2013) por lo que pueden
acoplarse o desacoplarse fácilmente.
El equipo trabaja por la acción de 4 rodillos de tipo doble cono que cuentan con un sistema de
potencia independiente para cada uno de ellos.
Sistema de Alimentación
El sistema de guiado consiste en una tolva de alimentación a manera de pirámide truncada
invertida, la misma que debido a su forma y dimensiones y modo de acoplamiento permite el
ingreso del material al sistema de guiado y desgrane.
La pirámide es de acero A 36 de 1 mm de espesor y de (200 x 200 mm) en la base y de (110 x
110 mm.) en el cono truncado. Estas dimensiones permiten que la mazorca pueda soltarse en la
tolva y se dirija verticalmente de forma directa hacia los rodillos. La dimensión del cono truncado
es de fundamental importancia para que el producto a procesar se guíe hacia los rodillos. En
pruebas realizadas con dimensiones distintas a las expuestas, se comprobó que la mazorca no
encajaba en el espacio entre conos para ser guiado y procesado.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14
Sistema de guiado
En la Figura 2 se observa la disposición de los rodillos de trabajo. Esta disposición es la
innovación que presenta el trabajo desarrollado, pues la forma, materiales y disposición de los
rodillos, permiten que este único trozo físico que corresponde al conjunto de los rodillos y motores,
realice las funciones de guía y proceso; se elimina con ello la necesidad de un sistema de corte
que poseen los equipos comerciales, lo cual permite que el equipo sea compacto, por tanto de
bajo peso y de menor costo debido a la menor cantidad de materiales y sistemas de potencia que
emplea.
Figura 2. Vista superior del equipo
Los rodillos son de caucho vulcanizado de dureza shore A 60, tienen la forma y dimensiones
mostradas en la Figura 3. Estas dimensiones y ángulo del doble cono, permiten la fricción de todo
el perímetro del rodillo con la mazorca.
Figura 3. Dimensiones del rodillo
Cada uno de los rodillos tiene su propio sistema motriz compuesto por un motor AC de 600 RPM,
100 W de potencia, 1,5 A, 120 V, 50/60 HZ. Se colocó un motor por cada rodillo debido a que
mediante este diseño el prototipo redujo su costo respecto a la opción de utilizar menos motores y
un sistema de transmisión de potencia y velocidad.
En la Figura 2, se muestra la disposición de los rodillos en el momento de captación del producto.
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Los rodillos que se observan, giran en sentidos opuestos, esto hace que la mazorca que llega
impulsada por la fuerza de gravedad, sea captada por el primer par de rodillos, inmediatamente
sea guiada al segundo par y que en este proceso de captación y guía, debido al rozamiento,
deslizamiento y velocidad de los rotores, los granos se desprendan de la tuza.
Debido a que las dimensiones de las mazorcas son variadas (INEN, 1991), es necesario disponer
de un mecanismo que permita el guiado y paso de las mismas al sistema de desgrane. Para
conseguir este objetivo, se desarrolló un sistema de guías del conjunto rodillo – eje – motor, para
un lado del mecanismo de desgrane. En el otro lado los 2 pares de rodillos permanecen estáticos.
El sistema de guiado consiste en una placa a la que se acopla un rodamiento que soporta el eje
del rodillo y esta placa se mueve a lo largo de una guía. Un resorte permite la apertura y cierre de
las placas de soporte. En la Figura 4 se muestra el funcionamiento del sistema.
Figura 4. Sistema de guiado de rodillo
La constante del resorte utilizado es de 55 N/m. En caso de resortes con constantes de menor
valor, el sistema no lograba desprender los granos debido a que la fricción es directamente
proporcional a la constante del resorte debido a la fuerza que ejerce el rodillo sobre el producto.
En el caso de constantes de valores mayores al expuesto, las mazorcas no logran vencer la
fuerza del resorte y provocan un atascamiento y/o la rotura de granos.
Debido a la característica del producto procesado y al grado de secado del mismo, se hace
posible que todos los granos se desprendan de la mazorca.
Sistema de desgrane
El sistema de desgrane está compuesto por el conjunto de rodillos que no solo funcionan como
guías, sino que además cumplen la función de elementos deshojadores. Los factores de mayor
importancia en el proceso de desgranado de este sistema son: La velocidad de rotación de los
rodillos, la distancia fija entre rodillos y el ángulo del doble cono. La velocidad de rotación para
desarrollar el proceso de manera efectiva es de 500 RPM, la distancia entre los ejes de los rodillos
es de 80 mm y el diámetro mayor de los mismos es de 75 mm.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14
La fricción generada entre el caucho y los granos, provoca el desprendimiento de los mismos; el
primer par de rodillos atrapa la mazorca, la desgrana en un 50% y por acción de la fuerza de
rozamiento mas la gravedad, pasa al siguiente par de rodillos que son los que terminan el
proceso.
Sistema de soporte
El sistema de soporte fue desarrollado pensando en una doble función del mismo, es decir
sujeción de los elementos físicos que desarrollan las funciones de alimentación, guía y desgrane y
a la vez la integración de un sistema de separación de los granos de la tuza.
El sistema de soporte fue desarrollado con perfil angular de acero A36, que igualmente tiene una
estructura modular que permite la separación del resto de sistemas del equipo.
Sistema de separación
El sistema de separación que se encuentra adaptado a la estructura de soporte consiste en una
malla de alambre de 1 x 1 pulgadas (un orificio por pulgada) que permite el paso del grano e
impide el paso de la tuza.
Sistema eléctrico
El sistema eléctrico hace referencia a los componentes que permitirán a los motores AC, realizar
los movimientos rotacionales que efectuaran la función de separación del grano de maíz de la
tuza, así como el desplazamiento del mismo a través de los cilindros, este circuito eléctrico
permitirá regular la velocidad de rotación de los motores dependiendo del tipo de maíz a
desgranar, para este control se ha realizado un circuito con un potenciómetro que controla el paso
de corriente a través de la variación de resistencia regulando así la fuerza necesaria para el
desgranado de maíz.
En la Figura 5, se muestra el circuito electrónico que nos permite controlar la velocidad del motor,
este cuenta con un potenciómetro, el cual se encuentra denotado por R3, como se puede
observar en la Figura 6; además está compuesto por un tiristor TRIAC y un DIAC que tiene por
función asistir al TRIAC los cuales junto con el potenciómetro permite controlar la corriente.
La etapa final del circuito cuenta con capacitores cerámicos que tienen la función de filtrar el ruido
producido por los sobre picos de corriente/voltaje.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14
Figura 5. Circuito de control de velocidad para los motores AC
Sistema de control
El sistema de control que se propone para esta máquina controlar el paro de la máquina cuando
en esta exista un tipo de problema como es el atascamiento de una mazorca de maíz, lo cual se
podrá controlar con la utilización de un sensor de corriente, una tarjeta de control de software y
hardware libre permitiendo de esta manera que el sistema sea autónomo en cuanto a riesgos
eléctricos que podrían afectar a la máquina; para ello se realizan modificaciones de ámbito
electrónico lo cual será añadido a las sistemas mecánicos y eléctricos.
Figura 6. Circuito de control con sensores de corriente
El circuito de control propuesto consta de cuatro sensores de corriente ACS712ELCTR – 30A-T,
las salidas analógicas de los sensores estarán conectados a las entradas analógicas de la tarjeta
de control (ARDUINO); por las cuales se pretende medir la corriente de los motores, permitiendo
de esta manera detectar cuando el motor está consumiendo mayor corriente de la normal; y
también consta de cuatro relés de voltaje de activación de la bobina de 5V, con capacidad 10A y
120V AC. Estos relés estarán conectados en un circuito normalmente cerrado, lo cual permite que
los actuadores trabajen de forma normal y permite también la desactivación de los motores por
medio de la tarjeta de control cuando en los rangos de corriente superen a los establecidos; este
incremento de consumo de corriente por uno de los cuatro motores o en su defecto los cuatro
motores se han detenido por atascamiento de una mazorca de maíz entre los rodillos de desgrane
explicando el incremento significativo de corriente por los motores
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El sensor ACS712ELCTR-30A-T, trabaja en un rango de -30A a 30ª, con una sensibilidad de
66mV. De este sensor se obtiene un valor de 2,5V cuando la corriente por el actuador es de 0A,
incrementando de manera proporcional de acuerdo a la sensibilidad del sensor, se obtiene una
relación lineal entre voltaje del sensor y la corriente; esta relación para el voltaje se describe en la
ecuación 1.
𝑉 = 𝑚𝐼 + 2.5 [𝑉] (1)
Siendo:
V: voltaje del sensor
m: la sensibilidad del sensor
I: corriente
La relación para la corriente se describe en la ecuación 2.
𝐼 =𝑉−2.5
𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 [𝐴] (2)
Las ecuaciones 1 y 2, permitirán realizar el código de control para la tarjeta Arduino.
En el circuito de potencia de la Figura 7, se cuenta con los cuatro actuadores AC, los cuales
realizarán el desprendimiento de los granos de maíz, estos actuadores regalan su velocidad de
acuerdo a un potenciómetro uncido estratégicamente para variar sus revoluciones.
Figura 7. Circuito de potencia
Terminología en los circuitos
R_MSI: relé motor superior izquierdo
R_MSD: relé motor superior derecho
R_MII: relé motor inferior izquierdo
R_MID: relé motor inferior derecho
FASE: Línea de tensión alterna para alimentación de los actuadores
F_MSI: continuación del circuito normalmente cerrado para el motor superior izquierdo
F_MSD: continuación del circuito normalmente cerrado para el motor superior derecho
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F_MII: continuación del circuito normalmente cerrado para el motor inferior izquierdo
F_MID: continuación del circuito normalmente cerrado para el motor superior derecho
MSI: activación de la bobina del motor superior izquierdo
MSD: activación de la bobina del motor superior derecho
MII: activación de la bobina del motor inferior izquierdo
MID: activación de la bobina del motor inferior derecho
Ground: tierra del circuito de control
C_MSI: corriente del motor superior izquierdo
C_MSD: corriente del motor superior derecho
C_MII: corriente del motor inferior izquierdo
C_MID: corriente del motor inferior derecho
SF_MSI: salida de la fase del motor superior izquierdo
SF_MSD: salida de la fase del motor superior derecho
SF_MII: salida de la fase del motor inferior izquierdo
SF_MID: salida de la fase del motor inferior derecho
Fuente: alimentación de los sensores a 5V
Neutro: punto común entre los actuadores de corriente alterna
Como resultado de las pruebas realizadas al equipo con una muestra de 50 mazorcas de maíz se
obtuvo como resultado un 100% de mazorcas desgranadas y aproximadamente 0,2% de
porcentaje de granos rotos.
Los dos parámetros anteriores fueron motivo de experimentación debido a que dentro de las
especificaciones objetivo, las de mayor importancia para los potenciales usuarios de los equipos
eran los mencionados.
5.- Conclusiones y Recomendaciones
Se logró el objetivo de desarrollar un equipo que cumple con los requerimientos de los
campesinos de la sierra ecuatoriana en cuanto a requerimientos de trabajo para una especie local
de maíz, en un proceso para el cual comercialmente no existe equipamiento alguno.
Mediante la adición de otro grupo de cuatro rodillos, que compartan el mismo sistema de potencia,
se podría incrementar en futuros desarrollos la capacidad de trabajo del equipo.
La efectividad y determinación de los parámetros de trabajo del equipo, especialmente velocidad
de rotación de los rodillos, que se consideró la de mayor significancia en las pruebas, depende
directamente del grado de humedad que tenga el producto a procesar.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.1 - 14
El equipo desarrollado es de fácil construcción razón por la cual podría reproducirse por aquellos
productores que lo requieran.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/10/10 Aceptado (Accepted): 2017/03/22
CC BY-NC-ND 3.0
Diseño y construcción de un prototipo para la extracción continua de
aceite de la semilla Sacha Inchi con un proceso de prensado en frío
(Design and construction of a prototype for the continuous extraction of
Sacha Inchi seed oil with a cold pressing process)
Nelson Ramiro Gutiérrez Suquillo1, Irene Alexandra Saá Arévalo1, Alexy Fabián
Vinueza Lozada1
Resumen:
Este trabajo presenta el diseño de un extractor de aceite a partir de la semilla de Sacha Inchi a
través de un mecanismo de tornillo extrusor, permite alcanzar un rendimiento máximo del 34%
mediante un proceso continuo de extracción en frío con temperaturas de trabajo inferiores a 45
°C. La temperatura es un parámetro crítico ya que al superar los 50 °C, el aceite disminuye su
valor alimenticio, por la pérdida de sus propiedades más importantes como son: el contenido
de Omega 3 (48%), Omega 6 (36%), Omega 9 (8%), digestibilidad (96%), vitamina A y E. La
metodología utilizada para el desarrollo de trabajo fue la de diseño concurrente y simultaneo de
acuerdo con las recomendaciones de National Instruments. El prototipo implementado está
compuesto por un tornillo extrusor, un dado de presión, cámara de alimentación, tamiz y filtro.
La ventaja del diseño modular es su flexibilidad, por lo que, al cambiar determinados
componentes es posible utilizar el prototipo para extraer aceite de diferentes tipos y tamaños
de semillas. Los productos resultantes son: 33.34% de aceite y un residuo sólido conocido
como Torta en un 66.66% que tiene muchas aplicaciones en el campo de la alimentación
humana y de mascotas. Debido a que se está procesando un producto alimenticio se tomó en
cuenta los requerimientos de la Norma ISO 22005 para el diseño y la implementación del
prototipo.
Palabras clave: tornillo extrusor; temperatura crítica; rendimiento; tamiz; Plukenetia volubilis
Abstract:
This work presents the design of an oil extractor from the Sacha Inchi seed with an extruder
screw mechanism allows a maximum yield of 34% through a continuous cold extraction process
at working temperatures below 45 ° C. The temperature is a critical parameter because when it
exceeds 50 ° C, the oil decreases its nutritional value by the loss of its most important
properties such as: Omega 3 (48%), Omega 6 (36%), Omega 9 (8%), digestibility (96%),
vitamin A and E. The methodology used for the development of the work was the concurrent
and simultaneous design according to the recommendations of National Instruments. The
prototype consists of the extruder screw, pressure chamber, feed chamber, sieve and filter. The
advantage of modular design is the flexibility it offers, so that when changing certain
components it is possible to use the prototype to extract oil of different types and sizes of seeds.
The products obtained from this mechanism are: 33.34% of oil and the solid residue known as
Cake in 66.66% which has many applications in the field of human food and pets. Due to the
processing of a food product, the requirements of ISO 22005 were applied for the design and
implementation of the prototype.
Keywords: Screw extruder; mechatronics; performance; sieve; Plukenetia volubilis
1 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador ( {nelson.gutierrez, saia38275, alexy.vinueza} @ute.edu.ec )
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1. Introducción
La semilla de Sacha Inchi proviene de una planta nativa de rápido crecimiento de la Amazonía de
Perú y Ecuador en alturas desde 100 m.s.n.m. en la selva baja hasta los 2000 m.s.n.m. y en la
selva alta. Esta planta requiere de abundante agua para tener un crecimiento sostenido; es mejor
si las lluvias se distribuyen en forma uniforme durante los 12 meses (850 a 1000 mm), luz,
humedad y suelos con adecuado drenaje. (Hurtado, 2013) (Valenzuela A., Valenzuela R., 2014).
En la Tabla 1 se detallan las características básicas de la semilla.
Tabla 1. Características de la semilla Sacha Inchi Nombre Científico Plukenetia volubilis Linneo
Temperatura ambiente promedio 26° C Humedad 78 %
Forma Ovalada Superficie Lisa
Tamaño de la semilla 1,5 cm alto x 2 cm de diámetro Densidad 0.82 g/cm
3
Peso de la semilla 0.8 –1.4 g
(Castaño D., Valencia M., 2012) (Gutiérrez L., Rosada L., Jiménez L., 2011)
El aceite de Sacha Inchi tiene el mayor contenido de Omega 3 (48%), Omega 6 (36%) de los
aceites provenientes de semillas oleaginosas y es de alta calidad para la alimentación, salud, uso
industrial, cosmético y medicinal (UNAD, 2013) (Valenzuela R., Barrera R., González-Astorga M.,
Sanhueza C., Valenzuela A., 2014).
Existen diferentes métodos de extracción de aceite a partir de estas semillas, el uso de estos
provocan, variaciones en el rendimiento de aceite, calidad y contenido de ácidos grasos, fibras
dietéticas totales y también contenido de antioxidantes. Entre los métodos más conocidos se
puede mencionar: (Ali N. et al, 2012)
a. Métodos mecánicos: prensado de la semilla
b. Métodos químicos: a través del uso de solventes y fluidos supercríticos:
En la Tabla 2, se resumen las principales características de los diferentes métodos de extracción.
Tabla 2. Características de métodos de extracción de aceite
MÉTODO DE EXTRACCIÓN
TÉCNICA DE EXTRACCIÓN
VENTAJAS DESVENTAJAS
Compresión de la semilla
a. Prensado en frío y almacenamiento a baja temperatura (método descontinuo)
b. Prensa de tornillo (método continuo)
Mejor conservación de los componentes antioxidantes (quercetina y miricetina)
Rendimiento bajo de extracción
Solvente Método Soxhlet, usando como solvente el Hexano
Favorece las características funcionales del aceite, tales como la retención de agua y la estabilidad de emulsión
Pérdidas de antioxidantes, también presenta un riesgo potencial de contaminación y afectación en la salud del personal por el uso de hexano
Líquido supercrítico
Utilización del CO2 en estado supercrítico
Altos rendimientos de extracción y no requiere retirar los solventes del aceite ni de la torta residual
Las instalaciones y los equipos para este tipo de instalaciones resultan más complejas y costosas
(Lafont J., et al, 2011)
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El proceso de extracción de aceite es óptimo cuando se obtiene la mayor producción a partir de
las semillas. La temperatura es un parámetro crítico, por lo que es importante no superar los 50º C
en el proceso y así conservar de este modo el equilibrio de ácidos grasos, antioxidantes propios
del aceite y sus propiedades físico-químicas (Hurtado, 2013).
Estudios realizados tanto en EEUU como en Perú (como principal productor de la semilla en el
mundo) determinaron que este resulta ser el mejor entre los aceites vegetales utilizados para el
consumo humano, debido a su composición en ácidos grasos mono y poliinsaturados (grupo de
los Omega-3) (Fanall C., Dugo L., Cacciola F., 2011).
De este tipo de ácidos grasos, el linolénico o (ω-6) y el α-linolénico (ω-3) son los más importantes
para la salud porque son cruciales en las funciones del cerebro y, también, en el crecimiento y
desarrollo del ser humano (Adrianzén N., et al, 2011).
A esto hay que añadir que en los últimos años hay una tendencia creciente al consumo de aceites
vegetales para reducir el nivel de colesterol y los riesgos de enfermedades cardiovasculares. Esto
ha motivado un aumento en la producción de la semilla en el Perú, además de países como
Colombia y Ecuador, aunque en la actualidad los métodos de extracción de aceite se realizan de
manera artesanal siendo la producción ineficiente (Chirinos O., et al, 2009).
Se han llevado a cabo varios estudios sobre las características físico-químicas y el rendimiento del
aceite a partir de estas semillas para diferentes métodos de extracción. La mayor parte de
estudios se han realizado en Perú y los aceites obtenidos se evalúan mediante estas
características, siguiendo la actual legislación peruana (NTP 151.400, 2009).
En el 2011 se realizó un trabajo de investigación con 14 muestras de la variedad Plukenetia
huayllabambana de diferentes zonas del Perú utilizando el método de prensado en frío,
obteniendo rendimientos de entre el 30 y el 43% (Chasquibol N., et al, 2011).
Se realizó una investigación acerca del efecto de la temperatura y tiempo de tratamiento térmico
de las almendras trituradas de Sacha Inchi de la variedad Plukenetia volubilis obteniendo
rendimientos de extracción del 23 al 26% y determinaron que la temperatura de tratamiento
térmico ejerce una relación directamente proporcional sobre el rendimiento del aceite, mientras
que el tiempo ejerce una relación inversa (Adrianzén N., et al, 2011).
El método de extracción con solventes constituye el más eficaz para las semillas oleaginosas con
bajo contenido de aceite (Bailey A., 2010) .
El estudio realizado en la Universidad San Francisco de Quito en el año 2012 determinó que el
rendimiento para la extracción con Hexano con la técnica de Sohhlet, es del 43.96%, con un
porcentaje de acidez del 0.7398 y un tiempo de extracción de 6 horas (Pantoja L., et al, 2012) .
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Para el caso del método mediante fluidos supercríticos, se realizó un estudio utilizando como
fluido el CO2, en condiciones de presión a 450 BAR, temperatura de 50 C y flujo de 8 ml/s con un
tiempo de extracción de 4 horas, con un rendimiento promedio del 39.42%, obteniendo aceite libre
de residuos de solventes y trazas de agua. (Dávila D., et al, 2013)
El proceso de extracción todavía se realiza de forma manual en la mayoría de casos, tomando en
cuenta que existen tareas previas a la extracción como son: el secado, la separación de la
cáscara, y la selección de la semilla (que consiste en determinar si esta cruda, normal o
quemada); se debe prevenir que la temperatura generada por la fricción no supere el límite
permitido con el fin de asegurar su valor nutricional. (Hurtado, 2013).
El prensado en frío es un proceso mecánico libre de químicos para extraer aceite de semillas y
nueces. Este método de extracción es una alternativa viable para pequeños y medianos
productores a la técnica con hexano, que es un proceso utilizado para muchos aceites
convencionales y que generalmente se usa para lograr altos volúmenes de producción y
productividad (Lafont J., et al, 2011).
2. Metodología
El proceso metodológico de diseño simultáneo y concurrente aplicado en este proyecto, considera
como factor fundamental la reducción del tiempo de desarrollo. Se define inicialmente una
estructura modular del prototipo y se dividen las tareas en subproyectos que pueden desarrollarse
en paralelo, facilitando de esta manera la fabricación de los componentes y subsistemas. (National
Intruments, 2016)
La metodología planteada por National Instruments, consiste en un conjunto de procesos que
tienen sinergia entre ellos, de esta manera se logra integrar componentes mecánicos y
electrónicos gestionados por un sistema de control lo que configura un dispositivo Mecatrónico.
Los elementos de esta metodología se pueden observar en la Figura 1:
Figura 1. Metodología (National Intruments, 2016).
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
Para cumplir con los objetivos planteados en este trabajo se realizaron los siguientes pasos:
Verificar especificaciones y restricciones técnicas del sistema de extracción, en base a las
características de las semillas.
Realizar el diseño mecánico, eléctrico y de control según las variables y necesidades del
trabajo.
Diseñar las partes que conformarán los diferentes subsistemas mecánicos de la máquina y
modelarlos en software CAD.
Dimensionar los elementos eléctricos, electrónicos y de control.
Fabricar y ensamblar las partes del sistema.
Realizar pruebas de funcionamiento en vacío y con semillas.
Requerimientos de la máquina
Los requerimientos se detallan en la Tabla 3.
Tabla 3. Requerimientos de la máquina PARÁMETRO INFORMACIÓN
Capacidad de alimentación. 20 kg. Materiales Anticorrosivos. Estructura Factor de seguridad de mínimo de 3.0 Seguridad Protecciones eléctricas y mecánicas
Velocidad de extracción Variable entre 0 y 100 RPM Mantenimiento Que brinde facilidades en el proceso de limpieza.
Operación Fácil e intuitiva Ensamble Piezas desmontables.
(Organización Internacional de Normalización, (ISO), 2016)
Restricciones del sistema
Las limitaciones que se consideran en la elaboración del estudio se detallan en la Tabla 4.
Tabla 4. Restricciones del sistema. RESTRICCIONES ANÁLISIS
Temperatura de extracción de la semilla. 45° C
Tiempo de trabajo diario. Funcionamiento continuo
Proceso de extracción. Verificar una velocidad adecuada para su extracción.
Fuerza de ruptura 1
Fuerza de 62 [KgF].
1 Fuerza obtenida por método experimental en la Universidad Tecnológica Equinoccial – Laboratorio de la
Facultad de Alimentos. Equipo: Penetro metro digital de frutas, Marca: TURONI Modelo: 53205 Digital fruit
firmness tester
Protocolo de pruebas de funcionamiento
Para realizar un análisis de seguridad en un diseño de máquina, un estudio de peligrosidad o bien
la elaboración de normas e instrucciones de uso, se han de tener presentes todos y cada uno de
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
los peligros susceptibles de ser generados por las máquinas basados en la Norma NTP 235:
Medidas de seguridad en máquinas: criterios de selección para análisis de peligro en el campo
mecánico, eléctrico y térmico (INSHT, 1989).
2.1 Diseño
De acuerdo con el estudio realizado sobre los diferentes métodos de extracción, se concluye que
el sistema más adecuado para la realización de este trabajo es la implementación del prototipo
con un mecanismo de tornillo extrusor. Se requiere entonces, dimensionar el dispositivo en
función de la fuerza necesaria para la ruptura de la semilla.
Fuerza mínima para la ruptura de semilla.
Para el cálculo de la fuerza se deberá conocer la cantidad de semilla que se pretende extraer y la
fuerza necesaria para romperla, que se define en la ecuación 1. (Hibbeler R., 2010)
(𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜)( 𝐹𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜) = 𝐹𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (1)
(𝑐𝑎𝑛𝑡)(62) = 62 [𝐾𝑔𝑓]
𝐹 = (𝑐𝑎𝑛𝑡 ∗ 62) ∗ (9,8) = 607,6 ∗ 𝑐𝑎𝑝 [𝑁]
dónde:
𝐶𝑎𝑝: Capacidad de producción del extractor de aceite [kg/hora]
El cálculo del torque de un tornillo extrusor, se detalla en la ecuación 2. (Mott, 2006)
𝑇 = 𝐹 𝑑𝑚(1+𝜋 𝜇 𝑑𝑚)
2(𝜋 𝑑𝑚−𝜇 𝐿) (2)
dónde:
𝑇 = 𝑝𝑎𝑟 𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 [𝑁𝑚]
𝐹 = 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 [𝑁]
𝑑𝑚 = 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 [𝑚]
𝜇 = 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐿 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 [𝑚]
En la Tabla 5 se presentan los coeficientes de rozamiento de acuerdo con la superficie de
contacto.
Tabla 5. Coeficiente de rozamiento VALORES DEL COEFICIENTE DE ROZAMIENTO
Superficie de contacto Estático Cinético
Metal sobre metal (secos) 0,2 0,1 Metal sobre metal (engrasados) 0,1 0,05
(Mott, 2006)
En este caso se escoge metal sobre metal (engrasado), cinético cuyo valor es:
𝜇 = 0,05 ; 𝐿 = 0,197 𝑚. ; 𝑑𝑚 = 0,04 𝑚.
Remplazando en la ecuación 2, se obtiene el torque en función de la capacidad extractora (cap):
𝑇 = 𝐹 𝑑𝑚(1+𝜋 𝜇 𝑑𝑚)
2(𝜋 𝑑𝑚−𝜇 𝐿) = 105,59 (𝑐𝑎𝑝) [𝑁 𝑚]
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A partir del torque se obtiene la potencia para el motor dada en la ecuación 3. (Hibbeler, 2011)
𝑃 =𝑇∗𝑛
63000 [HP] (3)
La potencia requerida para una capacidad de extracción de 4 [kg/h], y con una variación de la
velocidad de trabajo viene descrita en la Tabla 6.
Tabla 6. Potencia versus velocidad Velocidad de extracción Potencia
Rpm HP
20 0,29 40 0,58 60 0,87 80 1,17
100 1,45
Cuando el tornillo está sometido a comprensión generalmente hay que realizar el estudio del
comportamiento de este como columna y verificar el efecto correspondiente, además de identificar
efectos adicionales de flexión cuando exista carga excéntrica (Shigley, 2006).
Dimensionamiento del tornillo extrusor
Material
Las propiedades del acero inoxidable para el tornillo son mostrados en la Tabla 7.
Tabla 7. Propiedades mecánicas del acero AISI 304 AISI 304 Unidad [MPa]
Resistencia a la tensión (Sut) 568
Resistencia a la fluencia (Sy) 276 Módulo de elasticidad (E) 187500
(Shigley, 2006)
Relación de esbeltez
Se empleará esta relación para seleccionar el método de análisis del tornillo asemejándola a una
columna corta o larga, donde K es una constante que depende del empotramiento. Se analiza con
la ecuación 4. (Mott, 2006)
𝑅𝑒 = 𝐿𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛
⁄ = 𝐾𝐿𝑟𝑚𝑖𝑛
⁄ (4)
dónde:
𝑅𝑒 = Relación de esbeltez
𝐿 = 0.197 𝑚 (Dato de longitud para el análisis)
𝐾 = 2.1 Valor práctico para empotramiento libre. (Mott, 2006)
𝐿𝑒 = Longitud efectiva [m]
𝐿𝑒 = 𝐾𝐿 = 0.414 𝑚
Para determinar el tipo de columna, es necesario tener en cuenta los criterios de EULER para
columna larga y JOHNSON para columna corta, que se detallan a continuación: (Shigley, 2006)
Si 𝑅𝑒 > 𝐶𝑐 Columna larga
Si 𝑅𝑒 < 𝐶𝑐 Columna corta
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Constante de la columna
Se calcula mediante ecuación 5: (Mott, 2006)
𝐶𝑐 = √ 2 𝜋2𝐸
𝑆𝑦 (5)
𝐶𝑐 = √ 2 𝜋2187500 𝑀𝑝𝑎
276 𝑀𝑝𝑎= 115
Se asume columna corta, según ecuación 6: (Mott, 2006)
𝑃𝑐𝑟 = 𝐴𝑆𝑦 [1 −𝑆𝑦 (𝐾𝐿
𝑟⁄ )2
4𝜋2𝐸 ] (6)
Entonces, el esfuerzo se calcula mediante la ecuación 7: (Hibbeler, 2011)
𝜎 =𝐹
𝐴 (7)
Y, el área del tornillo se calcula utilizando la ecuación 8: (Hibbeler, 2011)
𝐴 =𝜋𝐷2
4 (8)
𝐴 =(𝜋(0.04𝑚)2)
4= 1.26 𝑥 10−3 𝑚2 = 1260 𝑚𝑚2
Remplazando en la ecuación 8, se obtiene el siguiente esfuerzo:
𝜎 = 607,7 (𝑐𝑎𝑝)[𝑁]
1260 𝑚𝑚2
𝜎 = 0,482301 (𝑐𝑎𝑝) 𝑀𝑃𝑎
Como criterio de seguridad se debe cumplir que el esfuerzo de trabajo (σ) sea inferior al límite
elástico (σe) del material del tornillo (σ<σe). (Shigley, 2006)
Es habitual trabajar con cierto margen de seguridad, por lo que se recomienda que se cumpla la
siguiente condición de factor de seguridad, mediante la ecuación 9 (Shigley, 2006).
𝜎𝑒
𝜎> 3 (9)
𝜎𝑒
𝜎=
568 MPa
0,4823 (cap) MPa
1177 (𝑐𝑎𝑝)−1 > 3
Se considera aceptable el diseño cuando se tenga un factor de seguridad con un valor mayor a 3.
Se selecciona la constante K para el cálculo de la carga crítica (𝑃𝑐𝑟):
𝐾 = 2.1 es el valor práctico para empotramiento libre. (Mott, 2006)
Entonces, para calcular la inercia se utiliza la ecuación 10: (Hibbeler, 2011)
𝐼 = 𝑟2 𝐴 (10)
𝑟 = 𝐷2⁄
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
𝑟 = 0.02 𝑚
Remplazando en la ecuación 10:
𝐼 = (0.01 𝑚)2 (1.26 𝑥 10−3 𝑚2)
𝐼 = 5.04 𝑥 10−7 𝑚4
Con la ecuación 7 se obtiene:
𝑃𝑐𝑟 = 324.4 𝐾𝑁
La relación de esbeltez con la ecuación 5 es:
𝑅𝑒 =0.414
0,02 = 20.7
Si 𝑅𝑒 < 𝐶𝑐 → Columna corta
20.7< 115 → si cumple condición
Datos entrada para el tipo de tornillo de una sola entrada mostrada en la Figura 2.
Figura 2. Tornillo extrusor de una sola entrada (Groover, 2010).
𝜃𝑛 = 20° (á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛) (Shigley, 2006)
𝜓 = 16° (á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒) (Shigley, 2006)
𝐿 = 197 𝑚𝑚 (𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒)
𝐷 = 60 𝑚𝑚 (𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜)
𝑑𝑐 = 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙
𝑤𝑐 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙
𝑤𝑓 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑑𝑎
Se define el factor 𝐿/𝐷 (relación entre longitud y diámetro del tornillo). Las relaciones pueden
variar entre 3 a 30 (Groover, 2010).
Con la ecuación 11 se encuentra el paso (𝑝) del tornillo: (Groover, 2010)
tan 𝜓 =𝑝
𝜋𝐷 (11)
𝑝 = 54 𝑚𝑚
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Generalmente el tornillo tiene un paso cuyo valor por lo general se acerca al del diámetro D
(Groover, 2010).
Para el cálculo de la profundidad del canal (𝑑𝑐) se utiliza la ecuación 12: (Groover, 2010)
𝑑𝑐 = 0.6866𝑝
2 (12)
𝑑𝑐 = 18 𝑚𝑚
En la Figura 3 se puede observar el proceso de maquinado del tornillo extrusor.
Figura 3. Maquinado del tornillo extrusor
Para el cálculo de los soportes horizontales de la estructura se lo considera como viga, como se
observa en la Figura 4.
Figura 4. Datos de la viga
Según catálogo los datos del material son: (IPAC, 2016)
Recubrimiento: Negro o Galvanizado
Norma de calidad: ASTM A 500 Gr. A, B ó C
Norma de Fabricación: NTE INEN 2415
Espesores: Desde 1,50 a 6,00 mm
Inercia: 0.58 cm4
Peso por longitud: 0.83 Kg/m
La longitud del soporte es de 1.24 𝑚, 𝑊1 = 65 𝐾𝑔/𝑚, 𝐻 = 0.62 𝑚
Con estos datos se obtienen los diagramas de fuerza cortante y momento flector de la viga
como se muestra en la Figura 5.
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Figura 5. Diagrama de fuerza cortante y momento flector.
Se obtienen así los esfuerzos máximos en los puntos A y B de:
𝜎𝐴 = 30 𝑀𝑝𝑎 𝜎𝐵 = 10 𝑀𝑝𝑎
Debido a que la potencia para el motor es de 1.45 𝐻𝑝 dado en la Tabla 5, es necesario para el
funcionamiento adaptar un motor con la siguiente característica: (Drivesystems, 2015)
SK 30 - 90L/4 (4 polos)
Potencia: 1.5 Hp
Velocidad husillo: 75 rpm
Torque: 191 Nm
En la Figura 6 se muestra el tornillo, la cámara de extracción (tipo tamiz) y el prototipo completo
del extractor de aceite con todos sus componentes:
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
Figura 6. Prototipo del extractor de aceite, a. Tornillo extrusor, b. Tamiz, c. Mecanismo completo
3. Resultados
Pruebas de funcionamiento del prototipo
Bajo la Norma NTP 235: Medidas de seguridad en máquinas: criterios de selección (INSHT,
1989). Se realiza el análisis del funcionamiento en vacío y con carga de semilla para la extracción
de aceite en el campo mecánico, eléctrico y térmico descrito en la Tabla 8.
Pruebas de extracción
Las pruebas de funcionamiento del prototipo se realizaron en la ciudad de Quito en condiciones
ambientales promedio de temperatura 15°C y humedad relativa del 50%. Se utilizaron muestras
de 20 Kg de semillas de diferente procedencia a velocidades de 20 y 80 rpm. En la Tabla 9 se
pueden observar los parámetros más relevantes para la ejecución de los ensayos.
Como resultado de las pruebas se obtuvo la temperatura en el interior del mecanismo para cada
una de las muestras que alimentaron el dispositivo a velocidades del tornillo de 20 y 80 rpm. Los
datos se pueden observar en la Figura 7.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
Tabla 8. Estudio de peligrosidad en el prototipo Campo de Análisis
Tipos de peligro *Probabilidad que produzca daño
**Gravedad Medidas de seguridad
Observaciones
MECÁNICO
Aplastamiento SÍ Alto <1> + Prevención intrínseca
Cizallamiento NO Medio <2> ++ Protección Corte SÍ Medio <2> ++ Protección
Enganche SÍ Bajo <3> +++ Advertencias Atrapamiento NO Bajo <3> + Prevención
intrínseca Impacto SÍ Medio <2> ++ Protección
Fricción-Abrasión SÍ Bajo <3> +++ Advertencias Proyección de fluido SÍ Bajo <3> + Prevención
intrínseca
ELÉCTRICO
Cortocircuitos SÍ Alto <1> ++ Protección
Choque eléctrico SÍ Alto <1> +++ Advertencias
TÉRMICO
Quemaduras NO Bajo <3> +++ Advertencias Incendios SÍ Alto <1> +++ Advertencias
* La probabilidad de producirse un daño está relacionada con la exposición al peligro (frecuencia de acceso y permanencia en la zona peligrosa), así como con la facilidad de desencadenarse un fallo. **La gravedad de los daños puede variar en función de numerosos factores que se debe intentar prever. Se considerará siempre el daño más grave previsible. + Evitar el mayor número posible de peligros o bien reducir los riesgos, eliminando convenientemente ciertos factores determinantes, en el diseño de la máquina. ++ Resguardos y defensas (encierran, o evitan el acceso a los puntos peligrosos). Dispositivos de protección (protegen puntos peligrosos descubiertos totalmente, o de muy fácil acceso (apertura y cierre). +++ Instrucciones técnicas. Libro de instrucciones. Indicaciones de implantación. Mantenimiento y métodos. Planos y esquemas. Marcas y signos -Indicando puntos peligrosos o advertencias. <1> Evitan o reducen al máximo el peligro, fundamentalmente por diseño. <2> Protegen contra los peligros que no es posible evitar o reducir por diseño. <3> Advierten e informan a los usuarios de los peligros, complementariamente a las anteriores, cuando no cabe protección total.
Tabla 9. Datos y condiciones de las pruebas Datos Condiciones de las pruebas
Horario de pruebas De 8h00 a 11h00
Temperatura ambiente Promedio de 15 º C Humedad ambiente Promedio de 50%
Tamaño de la semilla Promedio entre 1,5 cm de alto x 2 cm de diámetro
Origen de la semilla La Maná, San Miguel de los Bancos, Santo Domingo y Amazonía ecuatoriana
Proceso de secado No se realiza Ambiente de almacenamiento de la semilla Seco
Medición de temperatura en el tornillo Sensor Termopar TIPO K (±1°C)
Figura 7. Temperatura en el interior del dispositivo en función de la velocidad del tornillo.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
Durante los ensayos realizados se efectuaron mediciones de la masa del aceite extraída así como
la de la torta que es el residuo sólido granulado del proceso. Los datos se organizaron para
velocidades determinadas en los requerimientos como se muestra en la Figura 8 y Figura 9.
a. b. Figura 8. a) Masa de aceite extraído, b) Torta residual para diferentes muestras
a. b. Figura 9. a) Porcentaje de aceite extraído, b) Torta residual para diferentes velocidades
4. Discusión
En la Figura 7 se puede observar que al aumentar la velocidad de rotación del tornillo, aumenta la
temperatura dentro de la cámara de extracción en un 70%. Esto se debe a que se produce mayor
fricción entre la semilla y el tornillo. Lo cual valida experimentalmente el modelo matemático de la
fuerza de fricción descrito en el efecto Stribeck que está representado en la ecuación 13.
𝑓𝑓 = 𝑏�� + 𝑓𝑐 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑜 (��) + 𝑓𝑒 (13)
dónde:
b: coeficiente de fricción viscosa
fc: coeficiente de fricción de Coulomb
fe: coeficiente de fricción estática
��: velocidad
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
Con respecto a la masa de aceite extraído con el dispositivo, se puede apreciar en la Figura 8,
que esta aumenta en función de la velocidad del tornillo. Esto se puede justificar ya que la
temperatura se incrementa de acuerdo con este parámetro, lo cual provoca la disminución de la
viscosidad del fluido.
La viscosidad es un efecto del movimiento molecular en el interior del aceite, algunos fluidos
tienen una alta dependencia de su viscosidad con la temperatura, de tal manera que un pequeño
incremento puede dar como efecto un gran cambio. La dependencia es exponencial y se puede
llegar a variaciones de hasta el 10% por cada grado centígrado modificado; la expresión más
común es la de Arrhenius en la ecuación 14.
𝜂 = 𝐴 𝑒𝐵/𝑇 (14) (IUPAC, 2014)
Dónde:
𝜂: viscosidad
A y B: constantes del material de estudio
T: temperatura absoluta
Entonces, al disminuir la viscosidad del aceite, este fluye de mejor manera, lo cual permite que se
mueva con mayor facilidad en la superficie inferior de la cámara de extracción lo que da como
resultado que aumente la cantidad de fluido extraído.
Como subproducto del proceso de extracción se obtiene la llamada Torta, en la Figura 8 se puede
observar la masa de este residuo como resultado del proceso de extracción. Esta Torta constituye
un residuo sólido granulado de la semilla que también puede ser aprovechado en el ámbito
alimenticio para humanos y animales. Debido a que tanto el aceite como la torta provienen de la
semilla, se puede apreciar que al aumentar la extracción de aceite disminuye la cantidad de torta y
viceversa. Por lo cual la relación entre estos dos productos permite cuantificar el rendimiento del
prototipo como se puede observar en la Figura 9. Hay que indicar que el promedio de extracción
de aceite a 20 rpm es de 21.7% y a una velocidad de 80 rpm es de 33.4%, lo cual lleva
nuevamente a apreciar la importancia de la temperatura en el proceso de extracción.
Otro factor de importancia en el rendimiento del proceso de extracción, es la procedencia de la
semilla; el mayor rendimiento se observa con semillas provenientes de La Maná, con un valor de
23.2% para 20 rpm y 34.3% para 80 rpm.
5. Conclusiones y Recomendaciones
El prototipo implementado cumple con los requerimientos de la Norma ISO 22005 “Trazabilidad
en la producción y la cadena de alimentos. Principios generales y guía para el diseño y desarrollo
del sistema”. (ISO, 2016).
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.15 - 32
El diseño de la máquina se realizó en función de la capacidad de producción, de tal manera que
una mayor capacidad implica un tornillo de mayor diámetro.
El trabajo del prototipo a velocidades de 20 y 80 rpm, no superó en ninguna prueba la temperatura
crítica de 45±1°C, por lo cual 80 rpm es la velocidad recomendable para la extracción, y permite
obtener el mayor rendimiento dentro de los rangos de temperatura para mantener intactas las
características y propiedades físico-químicas del aceite.
Debido a que el diseño del prototipo es modular, es posible construir dados de presión con
diferentes diámetros para poder realizar extracción de aceite con diversos tipos y tamaños de
semilla.
La Torta residual del proceso de extracción puede tener aplicaciones en el sector alimenticio como
masa para galletas o alimento de mascotas entre otras, por lo que es importante removerla del
prototipo con cuidado para evitar que se contamine.
Es recomendable realizar la limpieza de la cámara de extracción después de cada carga, con el
fin de evitar que se obstruyan los agujeros del tamiz por la solidificación de la torta residual.
Es importante tomar en cuenta la humedad de la semilla, para garantizar una buena calidad de
aceite. Por lo que se recomienda implementar un secador de semillas para realizar un proceso de
preparación que garantice la uniformidad y el valor adecuado de este parámetro de cada carga.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2017/01/15 Aceptado (Accepted): 2017/03/23
CC BY-NC-ND 3.0
Evaluación de diferentes tratamientos físicos en pimiento (Capsicum
annuum L.) verde y rojo mínimamente procesado
(Evaluation of different physical treatments in minimally processed
green and red pepper (Capsicum annuum L.))
Rodoni LM1,2, Massolo JF1 y Vicente AR1,2
Resumen:
Este trabajo compara tres estrategias de conservación complementarias a la refrigeración para
pimiento mínimamente procesado en ambos estados de madurez. Frutos de pimiento verde y rojo
se procesaron en bastones y se sometieron a los siguientes tratamientos: A) inmersión en agua
(45 ºC, 3 min) (TT), B) radiación UV-C (20 kJ m-2) (UV) o C) almacenamiento en atmósfera
modificada (AM). Otro grupo de bastones fue dejado sin tratamiento como control. Los bastones
se almacenaron a 5 ºC durante 12 d. Se evaluaron el deterioro, la incidencia de podredumbre
blanda y la tasa respiratoria de los bastones durante el almacenamiento. Los TT y UV lograron
reducir el deterioro de los bastones verdes y rojos, y la tasa respiratoria a los 7 d del
almacenamiento fue menor en los frutos tratados. Sin embargo, se encontró una respuesta
dependiente del estado de madurez en el caso de las AM. Si bien los tres métodos fueron
beneficiosos para mantener la calidad en frutos rojos, los mejores resultados se encontraron con
los TT y UV, principalmente debido a que la AM tuvo menor control de la podredumbre blanda
hacia el final del almacenamiento.
Palabras clave: Madurez; calidad; podredumbre; almacenamiento; presiones parciales
Abstract:
This work evaluates three different conservation methods for red and green fresh-cut peppers.
Red and green fruit were processed into sticks and treated as follows: A) water batch immersion
(45 ºC, 3 min) (TT), B) UV-C radiation (20 kJ m-2) or C) modified atmosphere storage (AM). Other
group of pepper sticks were left untreated (control). The sticks were stored at 5 ºC during 12 d.
Fruit decay, soft-rot and respiratory rate were evaluated during storage. The three treatments
were effective to reduce sticks deterioration and the treated fruit evidenced lower respiratory
rate at 7 d of storage with respect to control. While the three methods were beneficial to maintain
quality, in the red sticks the best results were found with TT and UV, mainly because the AM had
less control of the soft-rot at the end of storage. In green sticks all the treatments were equally
effective.
Keywords: maturity; quality; decay; storage; partial pressures
1 Centro de Investigación y Desarrollo en Criotecnología de Alimentos - Universidad Nacional de La Plata,
La Plata – Argentina ([email protected]) 2 Laboratorio de Investigación en Productos Agroindustriales - Universidad Nacional de La Plata, La Plata –
Argentina ([email protected])
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
1. Introducción
El mercado de vegetales en Argentina está predominantemente dominado por el producto fresco.
Sin embargo, los productos mínimamente procesados (MP) han ganado terreno en diferentes
países, por lo cual es posible que esta tendencia pueda replicarse en nuestra región,
especialmente en las grandes ciudades (Arienzo et al, 2013). Este hecho se ve favorecido en
parte por la creciente demanda de los consumidores en busca de un producto práctico, listo para
consumir y de mínima o nula preparación (James y Ngarmsak, 2011), y además por la correlación
que se ha encontrado entre una dieta rica en vegetales y la prevención de ciertas enfermedades
degenerativas (Liu, 2003).
Debido a que el daño mecánico incrementa la tasa respiratoria, la pérdida de peso y el ataque
microbiano, los MPs son mucho más perecederos que sus contrapartes enteras (Viña, 2001). Es
por este motivo que deben mantenerse en refrigeración, pero aun en esta condición su vida útil no
supera los 7-10 días (Singh y Alam, 2012). El empleo de cloro como sanitizante químico es el
método más difundido de sanitización, ya sea como cloro gaseoso o hipoclorito (Fan et al., 2008).
Sin embargo, actualmente su utilización ha sido restringida en algunos países ya que pueden
dejar residuos en los alimentos (Silveira et al., 2008; James y Ngarmsak, 2011). Esta situación es
crítica en MPs listos para consumo que no se someten a una etapa de lavado posterior. En tal
sentido el empleo de tecnologías limpias que no dejen residuos y que sean eficaces en mejorar la
conservación de los productos refrigerados es motivo de numerosas investigaciones.
El pimiento es una baya hueca que puede cosecharse en estado de desarrollo tanto verde como
rojo (Fernández Lozano et al., 1997). Los frutos de pimiento son no climatéricos (Cantwell, 2013),
y pueden almacenarse a 7-10 ºC por 2 o 3 semanas sin sufrir daño por frío (Paull, 1990). El fruto
procesado puede almacenarse a 5 ºC dado que el deterioro por microorganismos se manifiesta
antes del daño por frío (González-Aguilar et al., 2004). Las AC/AM en frutos enteros no otorgan
marcados beneficios (Mercado et al., 1995), sin embargo, el almacenamiento del fruto procesado
en AC (5 KPa O2, 5 kPa CO2) (Rodoni et al., 2015a) o AM (1 KPa O2, 10-15 kPa CO2) (González-
Aguilar et al. 2004) sí ha resultado beneficioso. Los tratamientos de shock térmico son de utilidad
para conservar la firmeza de pimientos enteros y procesados. La inmersión en agua a 45 ºC por 3
min es la mejor combinación para mantener la firmeza de bastones de pimiento (Rodoni et al.,
2016), mientras que en fruto entero se necesitan tratamientos más intensos para lograr un efecto
similar (Sgroppo y Pereyra, 2009). Por último, tratamientos UV-C de 10 kJ m-2 luego del procesado
han reducido la podredumbre manteniendo la integridad de tejidos en bastones verdes (Rodoni et
al., 2012) y rojos (Rodoni et al., 2015b). Sin bien cada una de las estrategias antedichas ha sido
evaluada por separado, no hay bibliografía que compare la eficacia de los tratamientos en forma
conjunta.
35
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
El objetivo de este trabajo fue comparar entre sí las tecnologías de almacenamiento en AM, los
tratamientos de shock térmico y los tratamientos con UV-C de forma tal de dilucidar si alguno de
los tratamientos es más efectivo y si dicha efectividad depende del estado de madurez de los
frutos.
2. Materiales y métodos
2.1. Material vegetal y procesamiento
Se emplearon pimientos (Capsicum annuum L.) tipo Lamuyo en estado de madurez rojo y verde,
obtenidos en el Mercado Regional de la ciudad de La Plata, Buenos Aires. Los frutos se
trasladaron inmediatamente al laboratorio donde se eliminaron aquellos que presentaron daño
mecánico o defectos. Los pimientos seleccionados se lavaron con agua corriente 3 minutos.
Posteriormente se eliminaron el pedúnculo y las semillas y se trozaron en bastones de 5 x 1 cm
que fueron rápidamente enfriados a 4 °C. Los bastones se dividieron en cuatro grupos, uno fue
dejado como control y los demás se sometieron a las siguientes condiciones de tratamiento.
2.2. Tratamiento UV-C
Los bastones se trataron en un banco de irradiación ultravioleta dotado con 12 lámparas UV-C
(254 nm, TUV G30T8, 30W, Philips Argentina). Se llevó a cabo un tratamiento de radiación de
20,0 kJ m-2 (10,0 kJ m-2 en el lado interno del pericarpio y 10,0 kJ m-2 en la zona externa) (Rodoni
et al., 2015b). Para el tratamiento en ambos lados los frutos fueron colocados con el lado interno
hacia arriba y luego rotados. La dosis de UV-C se midió con un radiómetro (Cole-Palmer
Instrument Company, Vernon Hills, IL, Estados Unidos).
2.3. Tratamiento térmico
Los bastones fueron sumergidos en un baño con agua termostatizada con agitación. Los bastones
se trataron a 45 °C por 3 min (Rodoni et al., 2016). Luego del tratamiento los bastones fueron
sumergidos en agua a 2 °C para asegurar un rápido enfriamiento. Después del tratamiento los
bastones fueron secados con aire forzado por 10 minutos.
2.4. Envasado en atmósfera modificada (AM)
Se utilizó una película con un coeficiente β (Permeabilidad CO2/Permeabilidad O2) cercano a 2,
que permitiera, ajustando las variables posteriores, obtener atmósferas con niveles de entre 5-7
kPa CO2 y 5-10 kPa O2. De esta forma se utilizó una película RD-106 (Cryovac), con
permeabilidad al O2 de entre 8.500 – 15.000 mL O2 m-2 d-1 atm-1 y permeabilidad al CO2 entre
22.000–26.000 mL CO2 m-2 d-1 atm-1 y 15 µm de espesor.
Para determinar la cantidad de producto óptimo se prepararon envases con la película
seleccionada a los que se le colocaron diferentes cantidades de bastones de pimiento rojo o verde
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
(75 g; 100 g; 150 g; 200 g; 250 g y 300 g) preparados como se indicó en 2.1. Los envases fueron
termosellados (Lipari Serie CC400, Argentina), obteniéndose un área de intercambio total de 270
cm2. Se prepararon cuatro envases para cada condición y estado de madurez. Las presiones
parciales gaseosas en el interior de los envases fueron monitoreadas durante el almacenamiento
a 5 °C utilizando un analizador de gases (Servomex Serie 5200, Reino Unido) provisto de un
sistema de muestreo que se inyectó en las bolsas a través de un septum autoadhesivo. De este
modo se determinó que el sistema desarrollado tuviese una aproximación aceptable a la condición
atmosférica indicada anteriormente. Además se tuvo en cuenta que el equilibrio no demandara
muchos días en establecerse y que a su vez no se llegara a anaerobiosis. La cantidad de
bastones seleccionada fue de 200 g para ambos estados de madurez.
2.5. Almacenamiento
Tanto los bastones control como los tratados con UV o TT (200 g) se colocaron en bandejas de
PVC perforadas. Otro grupo de bastones se colocó en los envases de AM. Los envases se
almacenaron a 5 °C por 7 o 12 días. Se prepararon 20 envases para cada tiempo de
almacenamiento. Las presiones parciales de O2 y CO2 en los envases de AM se monitorearon
como se indicó anteriormente.
2.6. Índice de deterioro y podredumbre blanda
Durante el almacenamiento se determinó, para los bastones individuales, un índice de deterioro
utilizando una escala de 5 niveles (0=sin deterioro visible; 1=deterioro incipiente; 2=deterioro leve;
3= deterioro moderado 4=altamente deteriorado). Los atributos considerados fueron la
deshidratación, el ataque de hongos y bacterias, la presencia de exudado y la pérdida de
turgencia. Se calculó un índice de deterioro (ID) según:
ID = Ʃ (Nivel de daño × Número de bastones en ese nivel)
Número total de bastones
Se registró también el porcentaje de bastones con signos de podredumbre blanda. Los bastones
fueron individualmente evaluados (n=150) por cada tratamiento, estado de madurez o tiempo de
almacenamiento. Se analizaron 10 envases por cada tiempo de almacenamiento, estado de
madurez y tratamiento.
2.7. Tasa respiratoria
La producción de CO2 se midió con un sensor IR de dicho gas (ALNOR Compu-flow, Modelo
8650). Bastones de pimiento pesando aproximadamente 150 g se colocaron en un recipiente
hermético y se registró la cantidad de CO2 acumulado a 5 °C. Se efectuaron 3 determinaciones y
los resultados se expresaron como mg de CO2 kg-1 h-1.
37
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
2.8. Análisis estadístico
Los datos se analizaron por ANOVA con el paquete InfoStat versión 2010 (Grupo Infostat, FCA,
Universidad Nacional de Córdoba, Argentina). Las medias fueron entonces comparadas con un
test de Fisher a P<0,05.
3. Resultados
En la Figura 1 se muestra la evolución de O2 y CO2 durante el almacenamiento a 5 °C en los dos
estados de madurez ensayados. El CO2 dentro de los envases ascendió a un valor del orden de 3
kPa en el primer día de almacenamiento, mientras que el O2 se redujo cerca de 7 kPa. El
equilibrio se alcanzó tanto para frutos rojos como verdes a los 3 días de almacenamiento. En
pimiento rojo el equilibrio se alcanzó aproximadamente en 7,5 kPa O2 y 7,5 kPa CO2. Por su parte,
los frutos verdes se equilibraron cerca de 9,5 kPa de O2 y 6,0 kPa de CO2.
Figura 1. Evolución del A) O2 y B) CO2 dentro de los envases durante el almacenamiento a 5
°C de pimiento rojo y verde fresco cortado durante 12 d. Envases de AM para pimiento rojo y
verde (C). Se muestran las barras de error estándar (n=x).
En la Figura 2 se muestran los índices de deterioro (ID) para los bastones verdes y rojos control,
almacenados en AM o sometidos a tratamientos con radiación UV (20 kJ m-2) o TT (inmersión en
agua a 45 °C, 3 min). A los 7 días, los frutos tratados mostraron menor deterioro que el control en
ambos estados de madurez. Las diferencias se mantuvieron durante todo el período de
almacenamiento. En frutos verdes los tres tratamientos fueron igualmente eficaces en la
disminución del ID. En los bastones verdes a los 12 días del almacenamiento los tres tratamientos
llegaron a reducir a una tercera parte el deterioro con respecto al control (Figura 2). En frutos
Tiempo a 5 ºC (d)
0 2 4 6 8 10 12
CO
2 (
kP
a)
0
2
4
6
8
10
Verde
Rojo
O2 (
kP
a)
0
5
10
15
20Verde
Rojo
A
B
C
38
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
rojos, si bien todos los tratamientos limitaron marcadamente el deterioro, se observó una mejor
respuesta por parte del TT y de radiación UV. A los 12 días, el tratamiento de UV redujo 70 % el
ID, seguido por el TT y la AM con 60 y 40 % respectivamente (Figura 2).
Figura 2. Índice de deterioro de bastones de pimiento verde y rojo, almacenados en AM,
tratados con radiación UV (20 kJ m-2
) o tratados térmicamente (TT, 45 °C, 3 min) y
almacenados a 5 °C por 7 y 12 d. Las letras distintas indican diferencias en un test de Fisher
con un nivel de significancia de P<0,05.
La mayor eficacia de los TT y UV en fruto rojo se evidenció claramente cuando se evaluó la
incidencia de podredumbre blanda (Figura 3). En pimiento verde, y al igual que se describió para
el ID, los tres tratamientos fueron igualmente eficaces para la reducción de podredumbre blanda.
Figura 3. Podredumbre blanda en pimiento rojo y verde fresco cortado almacenado en AM,
tratado con radiación UV (20,0 kJ m-2
) o tratado térmicamente (TT, 45 °C, 3 min) y almacenado
a 5 °C por 7 y 12 d. Las letras distintas indican diferencias en un test de Fisher con un nivel de
significancia de P<0,05.
0 7 12
Po
dre
du
mb
re b
lan
da
(%
)
0
20
40
60
Control
AM
UV-C
TT
0 7 12
Po
dre
du
mb
re b
lan
da
(%
)
0
15
30
45Control
AM
UV-C
TT
B
a
bc
a
b
cd
A
Tiempo a 5 °C (d)
e
cde
d
ab
cd
cde
de
bc
bc
d
39
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
Figura 4. Apariencia en pimiento verde y rojo fresco cortado almacenado en AM, tratado con
radiación UV (20,0 kJ m-2
) o tratado térmicamente (TT, 45 °C, 3 min) y almacenado a 5 °C por
12 d. Las flechas azules indican zonas dañadas (podredumbre blanda o maceración).
Los datos de tasa respiratoria de los frutos luego de los 7 días de almacenamiento muestran que
la AM fue eficaz para reducir la tasa respiratoria y que esto ocurrió no solo en pimiento verde sino
también en frutos rojos (Figura 5).
Figura 5. Tasa respiratoria en pimiento rojo (A) y verde (B) fresco cortado almacenado en AM,
tratado con radiación UV (20,0 kJ m-2
) o tratado térmicamente (TT, 45 °C, 3 min) y almacenado
a 5 °C por 7 d. Las letras distintas indican diferencias en un test de Fisher con un nivel de
significancia de P<0,05.
Tasa r
esp
irato
ria
(mg
CO
2 k
g-1
h-1)
5
12
19
26
Tasa r
esp
irato
ria
(mg
CO
2 k
g-1
h-1)
5
12
19
26Control
AM
UV-C
TT
a
Verde
a
b
c
b
Rojo
b
a
b
A B
40
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
4. Discusión
En cuanto al envasado en AM, para los dos estadios se lograron presiones parciales de O2 y CO2
relativamente cercanas al óptimo (Rodoni et al., 2015a). Esta diferencia seguramente se debió a la
menor actividad respiratoria de los frutos menos maduros (Figura 5). En ese sentido, los envases
de pimiento verde aceptarían o bien una película con una permeabilidad algo menor o bien un
incremento de la masa de frutos para poder descender un poco más el nivel de O2 (Rodríguez-
Félix et al., 2005, Kader, 2007). De todos modos, los frutos verdes se benefician más por un
incremento en la concentración de CO2 que por una disminución en la de O2 (Rodoni et al.,
2015a). En fruto rojo la AM no llegó a niveles de CO2 tan altos como 10 kPa o de O2 menores a 5
kPa, que son los que, aun encontrándose dentro de las condiciones de AM comúnmente
recomendadas para pimiento (Farber et al., 2003), pueden ejercer un efecto negativo en este
estado de madurez (Rodoni et al., 2015a). En fruto rojo se evidenció claramente la mayor eficacia
de los TT y UV cuando se evaluó la incidencia de podredumbre blanda (Figura 3). En pimiento
verde, y al igual a lo descrito para el ID, los tres tratamientos fueron igualmente eficaces para
reducir la podredumbre blanda.
La diferencia observada entre la eficacia de la AM entre frutos verdes y rojos podría deberse a
priori a diversos factores. En primer término podría atribuirse la menor acción en frutos maduros a
una menor acumulación de CO2 y a un descenso más moderado de O2 con un consecuente
menor efecto fisiológico. De todos modos, este no fue el caso, puesto que fueron los frutos rojos
los que lograron atmósferas con mayor nivel de CO2. La diferencia entre ambos estados de
madurez tampoco se debió a que en los envases de frutos rojos se hayan alcanzado valores de
CO2 u O2 que puedan provocar algún daño (Cantwell, 2013). Además, a mayor tiempo de
establecimiento del equilibrio menor es la eficacia en el control de la maduración y la senescencia.
Como se mencionó anteriormente, este proceso demandó 3 días, que es un tiempo no
despreciable, si se tiene en cuenta la corta vida útil de los MP (Viña, 2001). Si bien es cierto que el
tiempo para el establecimiento del equilibrio fue similar para fruto verde y rojo, es probable que el
retraso en la llegada a esta condición sea menos favorable en frutos ya maduros cuyos tejidos son
menos firmes y más susceptibles a la podredumbre. En tal sentido, para pimientos rojos, resultaría
importante poder llegar antes a la atmósfera deseada. Esto podría lograrse mediante el desarrollo
de AM activa, ya sea por inyección de 5 kPa CO2 desde el inicio, o bien por empleo de sachets
absorbedores de O2 dentro del envase que permitan bajar más rápidamente los niveles de O2
hasta valores que retrasen el deterioro.
5. Conclusiones
Los resultados confirmaron que la aplicación de AM, los TT y UV pueden ser considerados de
utilidad para reducir el deterioro de pimientos frescos cortados. En frutos verdes, las tres
metodologías ensayadas mostraron una eficacia similar. En el caso de frutos rojos, se obtuvieron
41
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.33 - 43
mayores beneficios con los TT y UV. Los menores efectos en el caso de las AM ensayadas en
pimiento rojo podrían atribuirse al retraso en el establecimiento del equilibrio. Si bien este
fenómeno fue común para frutos verdes y rojos, la pérdida de beneficios como consecuencia del
retraso en lograr el equilibrio en los sistemas de AM pasiva es más marcada en pimiento maduro,
por ser más susceptible a la podredumbre blanda ya desde el inicio del almacenamiento. Si se
deseara mejorar los efectos de la AM, podría establecerse un sistema de AM activa,
especialmente en pimiento rojo.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2017/01/31 Aceptado (Accepted): 2017/03/25
CC BY-NC-ND 3.0
Influencia del sistema de mínima cantidad de lubricante (MQL) en la
vida de las herramientas de corte de metal duro en el fresado del acero
AISI 1018
(Influence of minimum quantity of lubricant (MQL) on tool life of carbide
cutting tools during milling process of steel AISI 1018)
Núñez Diego1, Núñez Byron1, Vaca Henry1, Ureña Maritza1
Resumen:
Hoy en día, la alta productividad del mecanizado es un tema importante para obtener
beneficios económicos en la industria. Este propósito podría alcanzarse con mayores
velocidades de corte y avance. Sin embargo, el comportamiento inherente produce altas
temperaturas en la interfaz de la herramienta de corte / pieza de trabajo. Muchos fluidos de
corte han sido desarrollados para controlar la temperatura en el proceso y aumentar la vida de
la herramienta. El objetivo de este trabajo es comparar el desgaste de la herramienta de
fresado de insertos de metal duro con diferentes sistemas lubricantes/refrigerantes: Sistema
Tradicional por Inundación y el Sistema de Mínima Cantidad de Lubricante (MQL). Los valores
de desgaste de las herramientas de corte se evaluaron de acuerdo con la norma ISO 8688-1
1989. Los resultados experimentales mostraron que el uso del MQL reduce significativamente
el desgaste de la herramienta (aproximadamente 40%) en el fresado de acero AISI 1018 en
condiciones industriales de corte.
Palabras clave: Fluidos de corte; mínima cantidad de lubricante; vida de las herramientas;
fresado
Abstract:
Nowadays, high productivity of machining is an important issue to obtain economic benefits in
the industry. This purpose could be reached with high cutting velocity and feed rate. However,
the inherently behavior produce high temperatures in the interface of couple cutting
tool/workpiece. Many cutting fluids have been developed to control temperature in process and
increase tool life. The objective of this paper is to compare the carbide milling tool wear using
different systems cutting fluids: flood and minimum quantity of lubrication (MQL). The values of
carbide milling cutting tool wear was evaluate according with the standard ISO 8688-1 1989.
The experimental results showed that using MQL reduces significantly (about 40%) tool wear in
milling AISI 1018 steel at industrial cutting conditions.
Keywords: Cutting fluids; minimum quantity of lubrication; tool life; milling
1 Universidad Técnica de Ambato, Ambato – Ecuador ( {df.nunez, whvaca, me.urena} @uta.edu.ec )
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
45
1. Introducción
Hoy en día el mecanizado juega un papel importante en la industria de la fabricación mecánica. Es
quizá el proceso de fabricación más versátil en el cual la forma, el tamaño y el acabado superficial
deseados se consiguen mediante la eliminación del exceso de materiales en forma de pequeñas
virutas. El componente que elimina el material en exceso a través de contacto mecánico directo se
conoce como herramienta de corte y la máquina que proporciona el movimiento relativo necesario
entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte se denomina comúnmente máquina
herramienta. Este movimiento relativo durante el mecanizado provoca una gran deformación
plástica en la pieza de trabajo. Durante dicha deformación, casi el 99% de la energía alimentada a
la máquina herramienta se convierte en calor. Cuando se mecanizan materiales ferrosos y otros
materiales de alta resistencia, se generan altas temperaturas en la zona de corte, lo que provoca
la disminución de la resistencia, desgaste más rápido y finalmente la falla de la herramienta
(Sharma, Tiwari, & Dixit, 2016).
Muchas soluciones para conseguir un aumento en la vida de las herramientas han estado dirigidas
al uso de diferentes fluidos de corte para disminuir la temperatura en la interfaz de corte pieza –
herramienta, (Morales, Zamora, Beltran, López K, López R, 2016) esta disminución produce
menor desgaste lo que significa mayor vida útil de la herramienta de corte (Attanasio, Gelfi,
Giardini, & Remino, 2006). El uso de estos fluidos pueden producir problemas en la salud e
incrementar el costo de la producción. Se reporta que los fluidos lubricantes representan entre el
7% y el 17% del costo total de producción en la industria automotriz, alcanzando hasta un 20% en
aquellos materiales difíciles de mecanizar (Pereira, Rodríguez, Fernández-Abia, Barreiro, & López
de Lacalle, 2016). Solo en el 2005 se usaron 38 millones de Tm de fluidos de corte en el mundo
para procesos de mecanizado, de los cuales aproximadamente el 85% son fluidos a base de
petróleo. Se indica también un incremento en su utilización del 1.2% hasta el año 2015; sin
embargo, existen posibles efectos derivados de su uso como son: contaminación del aire, aguas
subterráneas, suelos, agricultura, alimentos, además de su potencial irritante y alérgico
(Shashidhara & Jayaram, 2010).
Como alternativas a estos fluidos contaminantes se han realizado investigaciones con lubricantes
sintéticos, sólidos y los denominados aceites vegetales. Actualmente las leyes medioambientales
cada vez más restrictivas exigen una búsqueda de fluidos lubricantes con características
biodegradables (Fox & Stachowiak, 2007). En 2007 se proyectó un incremento en el uso de este
tipo de fluidos del 7% al 10% en el mercado de Estados Unidos debido a que se ha demostrado
que los aceites vegetales son una fuente renovable y viable como lubricantes de corte
(Shashidhara & Jayaram, 2010).
Sin embargo, los esfuerzos no solo se han encaminado a la búsqueda de fluidos de corte no
contaminantes, sino también a tratar de eliminar las grandes cantidades de fluido utilizado en el
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
46
método tradicional de mecanizado (inundación). Dentro de las nuevas técnicas de mecanizado
están las de mecanizado en seco o casi seco, donde una mínima cantidad de lubricante (MQL) es
esparcido justo en la interfaz de corte lo cual garantiza un buen grado de lubricación, pero el nivel
de enfriamiento sigue siendo menor que el método tradicional, aunque la evacuación de la viruta
se ve mejorada por el flujo de aire utilizado para pulverizar el fluido de corte (Attanasio, Gelfi,
Giardini, & Remino, 2006). Para solventar este inconveniente nuevas alternativas se han
planteado; como es el mecanizado criogénico, que ha disminuido notablemente la temperatura de
contacto en la zona de corte, aunque ninguna de las técnicas actuales resulta una solución
efectiva cuando se trata de materiales difíciles de mecanizar muy comunes en las aplicaciones
actuales de ingeniería (Shokrani, Dhokia, & Newman, 2012).
Numerosos estudios han demostrado la efectividad del MQL en el mecanizado de materiales
ferrosos usando aceites vegetales, alcoholes ésteres, lubricantes sintéticos y lubricantes sólidos a
escala nanométrica, para aumentar la vida de las herramientas de corte y mejorar la calidad
superficial de la pieza (Paturi, Maddu, Maruri, & Narala, 2016) (Uysal, Demiren, & Altan, 2015).
Además se ha demostrado una reducción del 95% del consumo de fluido de corte en relación al
método tradicional por inundación y se ha resaltado la importancia de la ubicación de la boquilla
dispensadora del fluido en el proceso de fresado (López de Lacalle, Angulo, Lamikiz, & Sánchez,
2006).
En la presente investigación, mediante el uso de la norma ISO 8688-1, se compara la vida de las
herramientas de corte de metal duro utilizando dos sistemas de lubricación para el proceso de
fresado del acero AISI 1018, se empleó el método tradicional por inundación con aceite de corte
de emulsión y el método de mínima cantidad de lubricante MQL con fluido lubricante vegetal.
2. Materiales y Métodos
2.1. Máquina herramienta, pieza de trabajo y herramientas de corte
Todos los ensayos fueron de desbaste en fresado frontal, se realizaron según la norma ISO 8688-
1 1989 y se llevaron a cabo en un centro de mecanizado CNC vertical de 3 ejes (KIA V25P). El
material utilizado en el fresado frontal de la pieza de trabajo fue un acero al carbono AISI 1018 de
sección rectangular de 37 x 70 mm y una longitud de 300mm. La composición química y las
propiedades mecánicas del acero AISI 1018 se listan en las tablas 1 y 2, respectivamente.
Tabla 1. Composición química del acero AISI 1018.
Elemento C Mn P S
% min. 0.15 0.60 - -
% max. 0.20 0.90 0.04 0.05
Tabla 2. Propiedades mecánicas típicas del acero AISI 1018.
Resistencia a la tracción (MPa)
Límite de Fluencia (MPa)
Módulo de Young (GPa)
Elongación (%)
Dureza (HB)
440 370 200 20 126
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
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El dispositivo portaherramientas fue de 63mm de diámetro con capacidad para cinco insertos
(SANDVIK / FMA01-063-A22-SE12-05). Los insertos de metal duro fueron de la serie P del tipo
SANDVIK / YBG 202 SEET12T3-DR con un recubrimiento de TiAlN.
2.2. Lubricantes y configuración experimental
Los experimentos se llevaron a cabo usando dos sistemas de lubricación-refrigerante, el primero
por inundación tradicional y el segundo por el sistema de mínima cantidad de lubricante MQL. El
lubricante utilizado en el proceso de inundación fue TRICUT 2000 W/S con caudales de
alimentación de 3.5 l/min y 6.5 l/min para velocidades de corte de 200 m/min y 360 m/min,
respectivamente, de acuerdo con la recomendación de la norma ISO 8688-1:1989; este es un
aceite soluble con aplicaciones multipropósito ideal para el mecanizado de metales, tanto ferrosos
como no ferrosos. En el MQL se trabajó con un caudal de 480ml/h y una presión de salida de
2bars (Cervantes, 2014) (Dropsa, 2016). En este sistema se utilizó un aceite vegetal COOLUBE
2210EP, este tipo de aceite es 100% biodegradable y no produce niebla o malos olores,
ofreciendo un agradable ambiente de trabajo a los operadores. El equipo de MQL utilizado y el
detalle del componente de mezclado se muestran en la Figura 1.
Figura 1. Equipo de MQL utilizado para el proceso de fresado frontal y el detalle del componente de
mezclado aire/aceite vegetal.
Las condiciones de corte con las cuales se llevaron a cabo los experimentos se detallan en la
Tabla 3.
2.3. Medición del desgaste y determinación de la vida útil de la herramienta de corte
El deterioro de la herramienta de corte fue evaluado acorde con la norma ISO 8688-1:1989
mediante la medición del desgaste de flanco VB (ver ilustración de la Tabla 4), donde además se
estable el criterio de inutilidad de la herramienta de acuerdo con el tipo de desgaste generado en
la experimentación, dicho criterio se presenta en la Tabla 4. Con los ensayos realizados se tomó
el criterio de desgaste Uniforme y Normal debido a que se extiende con un ancho constante en la
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
48
parte efectiva del filo de corte principal; por lo tanto, la inutilidad de la herramienta se presenta
cuando el desgaste VB alcanza un de valor de 0.35mm
Tabla 3. Condiciones de corte.
Ítem Descripción
Herramienta de corte SANDVIK, Cinco insertos de metal duro : YBG 202 SEET12T3-DR Recubrimiento: TiAlN Portaherramienta : SANDVIK / FMA01-063-A22-SE12-05
Operación Fresado Frontal
Velocidad de corte (Vc) 200 m/min y 360 m/min
Avance por diente (fz) 0.15mm/diente
Profundidad de pasada axial (ap) 1.2mm
Profundidad de pasada radial (ar) 37.8mm
Condiciones de enfriamiento / lubricación
Método Inundación
Aceite emulsión TRICUT 2000 W/S Caudal = 3.5l/min para Vc=200m/min Caudal = 6.5l/min para Vc=360m/min
Método MQL Aceite vegetal COOLUBE 2210EP(DROPSA) Caudal =480ml/h; Presión de salida = 2bars
Tabla 4. Desgaste de flanco según la Norma ISO 8688-1:1989 y establecimiento del criterio de inutilidad.
La medición precisa del valor de desgaste de flanco VB se realizó mediante un microscopio
electrónico de barrido SEM (TESCAN VEGA3). El proceso de medición se realizó con
interrupciones en el proceso de fresado a intervalos de 5 minutos hasta llegar al criterio de
desgaste máximo (0.35mm). El desgaste de flanco es el más común para determinar la vida útil de
la herramienta.
3. Resultados y Discusión
Debido a sus muy buenas características: bajo coeficiente de desgaste, alta dureza y un
comportamiento estable frente a la temperatura, el recubrimiento Nitruro de Aluminio y Titanio (Ti
AlN) mejora en gran medida la vida de los insertos de metal duro.
En la Tabla 5 se muestran los resultados del desgaste de flanco VB para velocidades de corte de
360 m/min (a) y 200m/min (b) bajo los dos métodos de lubricación: Inundación (emulsión) y
mínima cantidad de lubricación (MQL). Mediante interpolación lineal se determinó que el desgaste
máximo establecido por la norma ISO 8688-1:1989 de 0.35mm se alcanza para el caso del MQL a
los 24.76 min.y 46,76 min, respectivamente y para el caso de inundación a los 15.38 min y a los
Des
ga
ste
de
fla
nc
o
Descripción del deterioro
de la herramienta
Deterioro de la herramienta
Criterio, mm Ilustración
S N L
VB Desgaste del Flanco
1 Uniforme 0,2 0,35 0,5
2 No uniforme 0,9 1,2 1,5
3 Localizado 0,8 1 1,2
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
49
33.69 min, respectivamente, lo cual indica un incremento de tiempo de vida útil de alrededor del
40% cuando se utiliza el sistema de lubricación por MQL.
En general, el espesor del recubrimiento de la herramienta de corte es muy pequeño. Si esta fina
capa se deteriora la calidad del mecanizado no disminuye ya que las herramientas sin
recubrimiento realizan bien su función hasta llegar al criterio de desgaste establecido. Sin
embargo, cuando el recubrimiento es removido, el sustrato contacta directamente con la pieza de
trabajo y el desgaste se acelera en la herramienta lo que disminuye su vida útil. (Zhang, Li, &
Wang, 2012)
Tabla 5: Valores del desgaste de flanco VB a intervalos de (a) Velocidad de corte Vc =360 (m/min) y (b) Velocidad de corte Vc =200
(a)
Vc =360 (m/min)
MQL Inundación Disminución del desgaste de
flanco VB al usar MQL sobre Inundación (%)
Tiempo de Mecanizado (min)
Desgaste de flanco VB (mm)
5 0,07785 0,15400 49,4
10 0,13457 0,20100 33,0
15 0,23671 0,3399 30,4
20 0,27277 0,47170 42,2
25 0,35457 0,68025 47,9
PROMEDIO 40.6
(b)
Vc =200 (m/min)
MQL Inundación Disminución del desgaste de flanco VB al usar MQL sobre
Inundación (%)
Tiempo de Mecanizado
(min)
Desgaste de flanco VB (mm)
5 0,05928 0,11798 49,8
10 0,07398 0,13593 45,6
15 0,11273 0,17601 36,0
20 0,14047 0,21666 35,2
25 0,16307 0,23677 31,1
30 0,18418 0,28372 35,1
35 0,22920 0,37331 38,6
40 0.27507 - -
45 0,33230 - -
50 0,38268 - -
PROMEDIO 38,8
La Figura 2 ilustra la evolución del desgaste de flanco VB en función del tiempo de mecanizado
para las velocidades de corte de 200m/min y 360m/min, bajo los dos sistemas de
lubricación/refrigeración, inundación Figura 2 (a) y MQL Figura 2 (b). Esta propagación del
desgaste resulta una herramienta muy útil para conocer la vida de las herramientas de corte. Los
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
50
resultados obtenidos muestran que el desgaste es significativamente afectado por las condiciones
de corte, en particular por la velocidad de corte ya que se acelera para velocidades más altas,
esto se presume debido al incremento de temperatura en la interfaz herramienta - pieza. Se
evidencia además la presencia de tres zonas: la primera que corresponde a un desgaste
preliminar, la segunda a un desgaste constante y una tercera zona, mucho más visible en el caso
de inundación, donde se acelera el deterioro, conocida como zona de desgaste severo la cual
corresponde a la última etapa cerca al fallo de la herramienta.
(a)
(b)
Figura 2. Evolución del desgaste de flanco en el tiempo para el caso de sistema de lubricación por: (a)
inundación y (b) MQL. (Núñez, 2016)
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
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Una comparativa de la evolución del desgaste de flanco entre la inundación y el MQL se observa
en la Figura 3 (a) para una velocidad de corte de 200 m/min y en la Figura 3 (b) para una
velocidad de corte de 360 m/min. Se muestra una disminución del desgate de flanco VB en el
caso de sistema MQL lo cual implica el aumento de la vida útil de la herramienta, estos resultados
son muy similares a los obtenidos por (Dhar, Kamruzzaman, & Ahmed, 2006).
(a)
(b)
Figura 3. Comparativa del desgaste de flanco en el tiempo entre el sistema de lubricación por inundación y
MQL. (a) Vc = 200m/min y (b) Vc=360 m/min. (Núñez, 2016)
Otro aspecto importante que diferencia al desgaste entre la inundación y el MQL se observa en la
Tabla 6, donde los datos del desgaste se acompañan con las imágenes tomadas del microscopio
electrónico de barrido, las mismas indican una uniformidad en el desgaste producido por el
sistema de MQL mientras que para el sistema de inundación al encontrarse mayor cantidad de
partículas abrasivas en la interfaz de contacto pieza / herramienta se ve un desgaste menos
uniforme. Esto se presume que es debido a que la inundación no es capaz de evacuar la viruta
adecuadamente de la zona de corte.
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
52
Tabla 6: Ilustraciones del desgaste de flanco VB a Vc =360 (m/min) tomadas a intervalos de 5min.
Tiempo
(min)
Inserto: SEET12T3-DR Grado: YBG202 Serie: P
Proceso: Fresado frontal Vc = 360m/min
INUNDACIÓN MQL
5
D1 D2 D3 PROMEDIO
158,38 152,45 149,79 153,54
D1 D2 D3 PROMEDIO
77,80 79,22 78,21 78,41
10
D1 D2 D3 PROMEDIO
206,94 202,36 198,79 202,70
D1 D2 D3 PROMEDIO
133,63 134,71 133,92 134, 09
15
D1 D2 D3 PROMEDIO
284,87 275,91 280,66 280,55
D1 D2 D3 PROMEDIO
236,07 237,94 235,54 236, 51
20
D1 D2 D3 PROMEDIO
476,22 444,74 488,28 469,75
D1 D2 D3 PROMEDIO
273,81 272,36 271,22 272, 46
Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.44 - 55
53
4. Conclusiones y Recomendaciones
La presente investigación experimental permite concluir:
- El rendimiento del sistema de lubricación - enfriamiento por Mínima Cantidad de Lubricante
(MQL) aumentó en un rango del 30% al 50% respecto al sistema tradicional por
Inundación debido a los siguientes beneficios: reduce el desgaste de flanco evaluado
según la norma ISO 8688-1:1989 y mejora la vida de las herramientas de corte de metal
duro.
- El sistema MQL reduce el consumo de herramientas de corte en los procesos productivos
y puede extender los límites de velocidad de corte, además fomenta el uso de aceites
amigables con el ambiente.
- El desgaste de flanco VB disminuyó en alrededor de un 40% con el sistema MQL respecto
al sistema de Inundación.
- Los resultados obtenidos muestran que el desgaste es significativamente afectado por las
condiciones de corte, en particular por la velocidad de corte ya que se acelera para
velocidades más altas, esto se presume debido al incremento de temperatura en la interfaz
herramienta – pieza.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.56 - 65
http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2017/01/28 Aceptado (Accepted): 2017/03/25
CC BY-NC-ND 3.0
Optimización basada en Colonia de Hormigas aplicada al problema de
Planificación de Celdas en redes de radio para sistemas de telefonía
móvil
(Applying Ant Colony Optimization to the Problem of Cell Planning in
Mobile Telephone System Radio Network)
Osmar Viera Carcache1, Leonardo Vinces Llaguno1,2, Kenya Guerrero Goyes1, Fabricio Marcillo
Vera1
Resumen:
En este trabajo se presenta una propuesta computacional para la solución del problema de
Planificación de Celdas. La importancia de dicho problema en el área de las
Telecomunicaciones lo impone como un referente en la búsqueda de nuevos métodos de
optimización. Por la complejidad del problema, en este trabajo se utiliza una relajación discreta
del mismo y se propone un modelo matemático para la aplicación de la Meta-heurística
Optimización basada en Colonia de Hormigas (ACO). Para el análisis de los resultados se
seleccionaron 5 instancias del problema de diferentes tamaños y se aplicó el algoritmo Sistema
de Hormigas (AS). Lo resultados muestran que la propuesta explora de manera eficiente el
espacio de búsqueda, encontrando la solución óptima a cada instancia con un costo
computacional relativamente bajo. Estos resultados son comparados con 3 alternativas
evolutivas de referencia internacional que han sido aplicadas a las mismas instancias de
estudio, constatándose una mejora significativa por parte de nuestra propuesta.
Palabras clave: problema de planificación de celdas; optimización basada en colonia de
hormigas, telecomunicaciones, optimización combinatoria, meta-heurísticas.
Abstract:
This paper presents a computational proposal for the solution of the Cell Planning Problem. The
importance of this problem in the area of Telecommunications imposes it as a reference in the
search for new methods of optimization. Due to the complexity of the problem, this work uses a
discrete relaxation and proposes a mathematical model for the application of the Meta-heuristic
Ant Colony Optimization (ACO). For the analysis of the results, 5 instances of the problem of
different sizes were selected and the Ants System (AS) algorithm was applied. The results show
that the proposal efficiently explores the search space, finding the optimal solution for each
instance with a relatively low computational cost. These results are compared with 3
evolutionary alternatives of international reference that have been applied to the same study
instances, showing a significant improvement by our proposal.
Keywords: cell planning problem; ant colony optimization; telecommunications; combinatorial
optimization; meta-heuristics.
1Universidad Técnica Estatal de Quevedo, Quevedo – Ecuador ( {oviera, lvinces, kguerrero, fmarcillo}
@uteq.edu.ec ) 2Instituto Tecnológico Superior “Honorable Consejo Provincial de Pichincha”, Quito - Ecuador
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
57
1. Introducción
Nuestra generación es testigo de la gran revolución de las telecomunicaciones, solo comparable
con la gran revolución industrial. Los avances en las comunicaciones en los últimos años han sido
realmente importantes, al punto que lograron transformar la forma de vida de las personas,
vivimos en un mundo totalmente interconectado donde el flujo y volumen de información es cada
vez mayor. Por lo que es vital hoy en día poder contar con una infraestructura de
telecomunicaciones moderna, eficiente y dinámica.
Dentro de los sistemas de comunicaciones, los sistemas móviles han sido de los más
desarrollados y los que más rápido han crecido. Estos sistemas se caracterizan por la gran
cantidad de usuarios que soportan, por el uso eficiente del espectro y la amplia cobertura. Su
funcionamiento se basa en el uso de sistemas celulares (Mouly & Pautet, 1992), donde la
disponibilidad del servicio está garantizada por la distribución sistemática de las estaciones bases
situadas en la región geográfica que se desea cubrir y la forma en que se utilice la frecuencia.
A partir de la segunda generación el crecimiento de los sistemas móviles fue realmente
impresionante. Las redes 2G o GSM(Global System for Mobile Communications) (Mouly & Pautet,
1992) (Ayuso, Ceña, Fernández, Millán, & Saturnina Torre, 1999) llegaron a representar más del
75% de la infraestructura móvil a nivel mundial, debido al éxito y la gran acogida, hoy esta
tecnología convive con nuevas generaciones tecnológicas como 3G, 3.5G y 4G.
Entre los problemas más frecuentes en los sistemas móviles se encuentra como diseñar la red
que garantice una máxima cobertura. Este problema de optimización supone, entre otras tareas
de planificación, seleccionar las localizaciones donde instalar las Estaciones Base (BTSs) que
garanticen la cobertura de toda el área. Conocidos en la literatura como: Planificación de celdas
(Automatic Cell Planning, ACP) ( Zhao, Wang, Wang, & Wu, 2014) está siendo estudiados para
escenarios muy diversos (Wang, Zhao, & Wang, 2015) (Ghazzai, Yaacoub, Alouini, Dawy, & Abu-
Dayya, 2016) (Wang & Chuang, 2015) (Xu, Saad, Zhang, Xu, & Zhou, 2015).
Estos problemas caen en la categoría de NP-complejos por lo que han sido sujeto a un gran
número de propuestas de solución. Entre los modelos más estudiados se encuentran las Meta-
heurísticas Evolutivas (Bäck, Hammel, & Schwefel, 1997) (Cano, Herrera, & Lozano, 2003), las
cuales utilizan el principio de la evolución de las especies para explorar espacios de búsqueda
complejos. En (Luna Valero, 2008) se pueden encontrar las propuestas de optimización evolutiva
más relevantes para este problema.
Además, los algoritmos basados en Inteligencia Colectiva (Bonabeau, 1999) (Engelbrecht, 2006)
tales como la Optimización basada en Enjambre de Partículas (PSO) y la Optimización basada en
Colonia de Hormigas (ACO) representan otro grupo de modelos computacionales utilizados para
resolver problemas de optimización complejos. Específicamente ACO se basa en la tarea que
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
58
realizan las hormigas naturales para encontrar sus alimentos y fue introducido a principio de los 90
para solucionar problemas discretos.
Esta meta-heurística ha sido aplicada al diseño de redes de radio de los sistemas de telefonía
móvil, específicamente al problema de asignación de frecuencias, como se muestra en ( Zhuma &
Puris, 2015), donde los autores proponen una alternativa de solución conocida como Colonia de
Hormigas en dos Etapas y cuyos resultados mostraron la eficiencia de la propuesta. Sin embargo,
en la revisión bibliográfica realizada no se encontró ninguna investigación que abordara la
solución del problema de Planificación de Celdas.
Por tal motivo, en este trabajo se presenta una propuesta de la Optimización basada en Colonia
de Hormigas para la solución del problema de Planificación de Celdas, utilizando un modelo
discreto donde el objetivo es obtener una cobertura máxima con la menor cantidad de antenas. El
algoritmo propuesto es probado con varias instancias del problema y comparado con 3 algoritmos
evolutivos referentes en el estado del arte.
2. Metodología
Para el desarrollo de este trabajo se realizó una extensa búsqueda bibliográfica ubicando los
principales aportes en la solución del problema de Planificación de Celdas. Los resultados
mostraron que dicho problema ha sido ampliamente estudiado con Meta-heurísticas Evolutivas y
donde se evidenció la ausencia de estudios con algoritmos basados en Colonia de Hormigas.
A partir de estos resultados, se realizó una modelación matemática para aplicar la meta-heurística
ACO a una variante relajada y discreta del problema de Planificación de Celdas, basándonos en
estudios realizados de la aplicación de algunos algoritmos ACO al problema de Cubrimiento de
Conjuntos. Este problema representa una generalidad del problema de Planificación de Celdas
por lo que resultó de mucha importancia su análisis.
Por último, seleccionamos 4 algoritmos evolutivos referentes en el estado del arte para probar en
un ambiente competitivo, la calidad de nuestra propuesta. Los algoritmos seleccionados son de
diferentes naturalezas y formas de exploración.
3. Resultados y Discusión
En este capítulo se describe una forma discreta de Planificación de Celdas, la forma de aplicar las
Optimización basada en Colonias de Hormigas, así como el estudio comparativo con otros
algoritmos del estado del arte.
3.1 Problema de Planificación de celdas. Definición y estructura
Este problema también conocido como Diseño de Redes de Radio (RND) se describe como un
problema de cobertura cuyo objetivo es establecer los lugares donde colocar las antenas logrando
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
59
que brinden el máximo de cobertura a una zona determinada, con la menor cantidad de antenas
posibles. Para resolver dicho problema, es necesario un estudio previo que identifique los lugares
donde se pueden colocar las antenas, conocidos como Ubicaciones Candidatas (Available
Location Sites, ALS) así como tener en cuenta las características de los tipos de antenas
existentes.
Por la complejidad de este problema real, la mayoría de los autores (Calégari, Guidec, Kuonen, &
Kobler, 1997) han empleado una forma discreta y relajada que contempla una rejilla cuadrada de
287 x 287 sectores identificados por coordenadas (𝑖, 𝑗), donde existen un conjunto de ALS e igual
número de transmisores. Cada trasmisor cubre un área cuadrada de 41 x 41 sectores, donde el
cubrimiento total se puede lograr con 49 trasmisores distribuidos regularmente en grupos de 7 x 7.
La Figura 1 muestra un ejemplo de una rejilla de 10 x 10, donde las casillas identificadas con el
número 2 representan las ubicaciones candidatas.
Por su parte la Figura 2 muestra en la escena a) lo que sucede cuando se ubica una antena en
una de las localizaciones candidatas y el área que cubre. La ubicación de una antena es
representada por el número 3 y cubre de manera total un área de 5 x 5 celdas (identificadas por el
número 1). La escena b) presenta un ejemplo, donde aún no se ha cubierto toda la rejilla, debido
a una mala asignación de las antenas. Y finalmente la escena c) presenta la solución óptima a
este problema, donde se puede observar un cubrimiento total de la rejilla con el número mínimo
de antenas.
Figura 2. Ejemplos de cubrimiento a) cobertura de una antena; b) cobertura no óptima con 4 antenas; c)
solución óptima lograda con 4 antenas.
3.2. Optimización basada en Colonia de Hormigas
Figura 1. Rejilla de 10 x 10 celdas con 10 ALS distribuidos.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
60
Los algoritmos basados en Colonia de Hormigas representan una alternativa de solución para
problemas de optimización discretos. Se inspiran en el comportamiento de la Hormigas naturales
específicamente en la forma en la que encuentran sus alimentos. Para aplicar estos algoritmos, es
necesario modelar el problema como un grafo 𝐺 = (𝑁, 𝐴), donde 𝑁 representa el conjunto los
estados del problema y 𝐴 el conjunto de arcos que definen la posibilidad de cambiar de estado.
Para encontrar la solución al problema, los algoritmos ACO dependen de un conjunto de 𝑚
hormigas artificiales que son inicialmente asignadas de forma aleatoria a un estado del grafo.
Luego, cada una de ellas se mueve por los arcos, utilizando una función probabilística que
depende de la deseabilidad del estado y la información heurística del mismo. El recorrido de cada
hormiga termina cuando hayan construido una solución. La deseabilidad de los estados depende
de un valor numérico que representa los rastros de feromona y determina de forma proporcional
cuantas hormigas han seleccionado dicho estado. Este proceso se ejecuta hasta que se ha
alcanzado una condición de terminación.
Entre los algoritmos ACO, el Sistema de Colonia de Hormigas (Ant Colony System, ACS) es de
los más referenciados. Se diferencia de los demás algoritmos en que utiliza una función de
transición de estado seudo-aleatoria, para lo cual el algoritmo incorpora un nuevo parámetro
𝑞0 ∈ [0,1], que establece un compromiso entre la exploración de nuevas conexiones y la
explotación de la información disponible hasta el momento. De manera que si 𝑞 ≤ 𝑞0 se aplica la
expresión (1) seleccionándose el nodo que mayor valor obtenga.
𝑗 = 𝑚𝑎𝑥𝑗∈𝑁𝑖
𝑘 {𝜏𝑖𝑗 ∗ 𝜂𝑖𝑗𝛽
} (1)
En caso contrario 𝑞 > 𝑞0 se aplica la siguiente expresión probabilística:
𝑝𝑖𝑗𝑘 =
(𝜏𝑖𝑗) ∗ (𝜂𝑖𝑗)𝛽
∑ (𝜏𝑖𝑗) ∗ (𝜂𝑖𝑗)𝛽𝑗∈𝑁𝑖
𝑘
𝑠𝑖 𝑗 ∈ 𝑁𝑖𝑘 (2)
En estas funciones, 𝜏𝑖𝑗 representa la cantidad de feromona en el arco (𝑖, 𝑗) y 𝜂𝑖𝑗 la función
heurística que evalúa la calidad de transitar del estado 𝑖 al 𝑗.
Otro de los aspectos que caracteriza al algoritmo ACS es la actualización en línea paso a paso de
los rastros de feromona (ver ecuación (3)). Esta actualización se aplica luego que cada hormiga
incorpora un nuevo estado y el objetivo es disminuir la feromona para propiciar la exploración de
nuevos estados.
𝑡𝑖𝑗 ← (1 − Φ) ∗ 𝑡𝑖𝑗 + 𝑡0 (3)
Donde 𝑡0 representa el valor inicial de la feromona y Φ ∈ [0; 1] es otro parámetro que favorece el
decremento de la feromona.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
61
Por último, el algoritmo realiza una actualización global de los rastros de feromona, involucrando
solamente los estados que conforman la mejor solución encontrada hasta el momento
(𝑆𝑚𝑒𝑗𝑜𝑟−𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙) y su calidad. La expresión se presenta en la expresión (4)
𝜏𝑖𝑗 ← (1 − 𝑝) ∗ 𝜏𝑖𝑗∀𝑎𝑖𝑗 ∈ 𝑆𝑚𝑒𝑗𝑜𝑟−𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 (4)
3.3 Modelo de aplicación
Para aplicar el algoritmo ACS al problema de Planificación de Celdas, este se define como un
grafo totalmente conexo, donde los nodos determinan las posibles locaciones candidatas y las
soluciones se representan a partir de 3 vectores 𝑉𝑖 𝑉𝑗 𝑦 𝑆𝑘. Donde 𝑉𝑖 contiene las coordenadas 𝑖
de las ALS, 𝑉𝑗 las coordenadas 𝑗 y por su parte 𝑆𝑘 es un vector binario cuyo valor 1 representa la
asignación de una antena en la ALS correspondiente. La Figura 3 muestra lo que sería la
representación matemática de la solución planteada en la escena c) de la Figura 2.
Por su parte, la función heurística que se establece como base de la expresión probabilística que
utiliza la hormiga para cambiar de estado, se define a partir de la expresión (5) donde 𝐶𝑗 determina
la cantidad de celdas no cubiertas que se pueden cubrir si se asigna una antena en el ALS j-ésimo
y 𝑃 representa el conjunto de locaciones que aún no tienen antena.
𝐻𝑗 = 1 −1
1 + 𝐶𝑗, 𝑗 ∈ 𝑃 (5)
Se puede observar que el valor de 𝐻𝑗 es más alto en aquellas ubicaciones donde de asignarse
una antena cubriría la mayor cantidad de sectores.
De manera general la Figura 4 presenta el algoritmo ACO aplicado para el caso de estudio.
3.4 Estudio experimental
Para el estudio experimental se utilizan 5 instancias del problema, compuestas por 149, 199, 249,
299 y 349 ALS y el objetivo es encontrar el cubrimiento total con un conjunto de 49 antenas (7 x
7).
Figura 3. Representación matemática de la escena c) de la Figura 2.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
62
Los parámetros del algoritmo utilizados para los experimento fueron el resultado de un
refinamiento previo de los mismos (por razones de espacio, no fueron incluidas en este trabajo).
La Tabla 1 presenta los valores de los mismos y su descripción.
Algoritmo: Fase de inicialización: cantidad de hormigas, m contador de ciclos, nc=0
solución global, Lglobal=
matriz de feromona, t=t0 cargar matriz del escenario, M Fase de exploración: Repetir Para cada hormiga k de m hacer seleccionar un ALS de forma aleatoria asignar a la memoria de la hormiga k calcular su cubrimiento en M Fin_para Miestras alguna hormiga no haya cubierto a M hacer seleccionar un ALS según ecuación (1) y (2) asignar a la memoria de la hormiga k calcular el nuevo cubrimiento de M actualizar feromona paso a paso ecuación (3) Fin_mientras Para cada hormiga k de m hacer Obtener la solucion encontrada Lk
Si Lk < Lglobal entonces Lglobal= Lk Fin_para evaporar feromona en t actualizar feromona en t utilizando Lglobal según ecuación (4) Hasta encontrar solución óptima Devolver Lglobal Fin_Algoritmo
Figura 4. Algoritmo ACS para el problema de Planificación de Celdas.
Tabla 1. Valores de los parámetros del algoritmo.
Parámetro Valor Descripción
β 3 Peso de la función heurística en la solución
m 10 Cantidad de hormigas
p 10 Constante de evaporación global de la feromona
q0 0.9 Factor de exploración
ϕ 0.1 Constante de evaporación local de la feromona
La Figura 5 presenta la cantidad de iteraciones utilizadas para encontrar la solución óptima, en 10
ejecuciones independientes del algoritmo ACS para las diferentes instancias del problema.
En la instancia 149 se puede observar como el algoritmo describe casi una línea recta
interpretándose como un alto grado de convergencia, debido a que representa la instancia más
pequeña de las utilizadas. En los otros casos, como las instancias van aumentando de tamaño, se
puede apreciar como los cambios en la gráfica van siendo más abruptos. Este resultado es
totalmente consistente con el aumento de la complejidad de los escenarios de prueba utilizados.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
63
Para el estudio comparativo se tomaron los resultados de 3 algoritmos evolutivos SA, CHC y
dssGA8 presentados en (Alba, Molina, & Nebro, 2011) donde utilizaron las mismas instancias
descritas en este trabajo.
Para las comparaciones se tuvo en cuenta que la estrategia ACO es un modelo constructivo que
realiza sucesivas evaluaciones parciales de la función objetivo para decidir el próximo movimiento.
Por tal motivo, se utilizó una función que transforma la cantidad de iteraciones utilizadas por el
algoritmo, en cantidad de evaluaciones de la función objetivo. Para ello se aplicó la expresión (6).
𝐶𝑒 = 𝑚 ∗ 𝐶𝐼 (6)
Donde 𝑚 determina la cantidad de hormigas y 𝐶𝐼 la cantidad de iteraciones promedio necesarias
para alcanzar la solución óptima en cada instancia cuyos valores se presentaron en la figura 5.
Como se puede apreciar en la Tabla 2 hay una disminución considerable de la cantidad de
evaluaciones de la función objetivo por parte de la propuesta ACS. Su comportamiento es
significativamente mejor que los otros algoritmos evolutivos y representa un resultado a considerar
si se tiene en cuenta la importancia de reducir el costo computacional de los algoritmos.
Tabla 2. Comparación de los resultados obtenidos por diferentes estrategias.
Instancias SA CHC dssGA8 ACS
149 8,68E+04 3,03E+04 7,86E+05 1,72E+02
199 1,97E+05 7,86E+04 1,47E+06 2,32E+02
249 3,34E+05 1,49E+05 2,48E+06 2,66E+02
299 6,38E+05 2,29E+05 3,00E+06 2,83E+02
349 8,11E+05 3,80E+05 4,71E+06 3,19E+02
Figura 5. Cantidad de iteraciones en 10 ejecuciones independientes del algoritmo ACO.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
64
Para comprobar estos resultados, se aplicó un test no paramétrico de Friedman con un valor de
significancia de 0.05, donde el valor obtenido por el test (0.00018) fue menor que el respectivo
valor de significancia, por lo cual se encontraron diferencias significativas en los resultados. Para
estudiar cada caso en particular, se aplicó el test de comparaciones múltiples de Holms, tomando
como muestra de control el algoritmo ACS y aplicándose comparaciones sucesivas con cada uno
de los restantes algoritmos. La tabla 3 muestra valor-p\alpha, donde alpha representa el patrón de
comparación en cada caso y su valor depende de la cantidad de comparaciones ejecutadas. Se
puede apreciar que en todos los casos el valor-p obtenido por el test es menor que su respectivo
valor de alpha, por tal motivo se rechaza la hipótesis nula de igualdad de media en cada caso y se
concluye que las diferencias existentes son significativas a favor del algoritmo ACS.
Tabla 3. Comparación de los resultados obtenidos por diferentes estrategias.
dssAG8 SA CHC
ACS 2.38E-07\0.016666 1.43E-04\0.025 0.0022\0.05
4. Conclusiones
En el transcurso de la presente investigación se obtuvo un modelo computacional que permite
aplicar la meta-heurística ACO al problema de planificación de celdas. El planteamiento de un
modelo discreto del mismo fue fundamental, ya que hizo posible una representación matemática
de los resultados acorde con las necesidades del algoritmo de optimización seleccionado.
Además, se desarrolló una variante del algoritmo Sistema de Colonia de Hormigas utilizando una
función heurística que estimula la selección de los ALS que incorporen mayor cubrimiento a la
solución. Los estudios se realizaron a partir de 5 instancias del problema con diferentes
dimensiones, conociéndose en todos los casos la solución óptima (49 ALS) y cuyo objetivo fue
minimizar el costo computacional (cantidad de iteraciones). En los resultados se pudo observar
una taza de convergencia bastante estable en las 10 ejecuciones independientes que se
realizaron; esto es inversamente proporcional a la dimensión de las instancias. Además, se realizó
un estudio comparativo con 3 de los principales modelos evolutivos presentes en el estado del
arte donde se pudo corroborar que aunque todas las propuestas ejecutadas fueron capaces de
encontrar el valor óptimo en cada instancia, los resultados alcanzados por la propuesta ACS
redujo de manera considerable el costo computacional de la búsqueda. Este resultado avala la
necesidad de seguir profundizando en la aplicación de la meta-heurística ACO al problema de
planificación de celdas.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.56 - 65
65
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.66 - 77 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/04/25 Aceptado (Accepted): 2017/03/27
CC BY-NC-ND 3.0
Control del pardeamiento enzimático en manzanas cortadas (Red
delicious) mediante un sistema de envasado activo
(Enzymatic browning control in cut apples (Red delicious) through a
system of active packaging)
Felipe Jadán Piedra1
Resumen:
Entre los mecanismos de deterioro que tienen lugar en frutas y hortalizas frescas sometidas a
un proceso de corte, destaca el pardeamiento enzimático, consecuencia de la actividad de la
enzima polifenoloxidasa (PPO), sobre, los compuestos fenólicos que se liberan por rotura
celular. En este trabajo se planteó la posibilidad de limitar la actividad de la enzima (PPO)
presente en esta variedad de manzana mediante una tecnología de envasado activo, con
materiales que incorporan agentes antioxidantes activos contra la polifenoloxidasa. Se
desarrollaron películas del copolímero etileno-alcohol Vinílico (EVOH) con combinaciones de
ácido ascórbico, y 4-hexilresorcinol. Dichas películas se utilizaron como recubrimiento de
rodajas de manzana y se registró la evolución de color de las mismas y la actividad enzimática,
así como la cinética de liberación de los agentes a medios simulantes de alimentos. En todos
los casos, los resultados mostraron una mejora de estabilidad del color y reducción de la
actividad enzimática de la manzana. La película con un 10% de agente antioxidante en la
relación 3/1 de 4-hexilresorcinol/ácido ascórbico, fue la más eficiente.
Palabras clave: Polifenoloxidasa; 4-hexilresorcinol; ácido ascórbico.
Abstract:
Enzymatic browning is one of the most relevant mechanisms of deterioration that take place in
fresh-cut fruit and vegetables, as a consequence of the activity of the polyphenol oxidase
enzyme on the phenolic compounds release after cellular lysis . This work is focused on the
reduction of these enzymatic activity by an active packaging technology, which make use of a
material that incorporates antioxidant active agents. Thus, films of ethylene-vynil alcohol
copolymer (EVOH) containing a typical food antioxidant, such as ascorbic acid and a
polyphenol oxidase-inhibiting agent, the 4-hexylresorcinol have been developed and used to
wrap apple slices. The evolution of color, the enzymatic activity and the kinetic of agents
release to food simulants were monitored. The results showed an improvement of apple slice
color stability and a reduction of the enzymatic activity. The film with 10 % of agents in 3/1 ratio
(4-hexylresorcinol/ascorbic acid) provided the best results.
Keywords: Polyphenoloxidase., 4-hexylresorcinol., ascorbic acid.
1 Universidad Técnica de Manabí, Portoviejo – Ecuador, ([email protected])
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1. Introducción
Las frutas y hortalizas son alimentos perecederos. Cuando no están sujetos a procesos de
conservación, en muy poco tiempo presentan cambios físiológicos que acortan su vida útil, como
consecuencia de la acción de microorganismos y de la actividad metabólica propia. Los productos
vegetales frescos se deterioran rápidamente al cortarlos debido a los daños provocados sobre los
tejidos, tales como el ennegrecimiento de las células al descomponerse la membrana celular, y los
constituyentes del protoplasma (Lee, 2014). Los indicadores de deterioro más apreciables son los
cambios de textura y de color, así como la contaminación microbiológica (Landim, APM, et al,
2016).
La alteración del color de la superficie cortada es un problema observado en diferentes productos
vegetales entre estos: lechuga, repollo de col, melocotón, manzana (Bae, et al, 2015; Paillart, et
al, 2016; Chukwan, et al, 2017; Cárdenas-Pérez et al, 2017). Estos cambios de color superficial se
atribuyen a un proceso de pardeamiento enzimático por el cual los compuestos fenólicos son
oxidados hasta formas quinónicas, mediante reacciones catalizadas por enzimas denominadas
genéricamente polifenoloxidasas (PPO) (Quevedo et al, 2016).
Al ser la PPO de catalizar reacciones de oxidación de compuestos polifenólicos en presencia de
oxígeno molecular, se debe tratar de controlar dicha oxidación para evitar la acción de estos
precursores en las reacciones de pardeamiento que ocurren en los procesos de posrecolección y
manipulación, por lo cual se ha estudiado la posibilidad de incorporar dos antioxidantes en
diferentes concentraciones y combinaciones como agentes de control efectivo en la oxidación
polifenólica.
Una alternativa a la incorporación directa de los antioxidantes sobre la fruta es la utilización de
tecnologías de envasado activo con materiales con capacidad antioxidante. El Reglamento de la
Comunidad Europea (CE) No 450/2009 (CE, 2009) define como materiales activos los diseñados
para incorporar intencionadamente componentes que liberarán sustancias en el alimento
envasado o en su entorno o absorberán sustancias del alimento o de su entorno con objeto de
prolongar la vida útil o mejorar el estado del alimento envasado. Con esta idea, un material activo
antioxidante incorpora aditivos antioxidantes en un material polimérico que permita su liberación
controlada y progresiva para incorporarse al alimento envasado evitando su oxidación.
En este trabajo se propone un sistema de envasado activo antioxidante para el control del
pardeamiento enzimático en manzanas cortadas utilizando el 4-Hexilresorcinol y el ácido
ascórbico como agentes de conservación.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.66 - 77
68
2. Materiales y métodos
Fueron utilizadas manzanas de la variedad Red Delicious, adquiridas en un supermercado local.
Se seleccionaron frutos con similar forma, tamaño y grado de madurez. Se almacenaron en una
cámara de refrigeración a 4 °C hasta su uso.
El copolímero etileno alcohol vinílico (EVOH), que se utilizó tuvo una concentración del 29%
molar de etileno proporcionado en forma de granza por The Nippon Synthetic Chemical Company
(Nippon Gohsei), Japón).
Antioxidantes: 4-Hexilresorcinol (Sigma, Barcelona) y Ácido Ascórbico (Panreac, Barcelona).
Tampones fosfato sódico 0,2 M pH 7 y 6,5; catecol 0,1M (Sigma, Barcelona); Tritón X-100 al 0.5%
(p/v) (Roche, Barcelona); polivinilpirrilidona al 4% (p/v) (Scharlau, Barcelona); 1-propanol
(Panreac, Barcelona).
2.1 Color
El color de las rodajas de manzana se determinó con un colorímetro Kónica Minolta CM 3500d. La
medida se realizó frente a un blanco estándar, sobre una máscara de medición de 8 mm,
obteniendo los resultados en el espacio CIE L*a*b* y utilizando como referencia observador 10° e
iluminante D65. Las muestras se cortaron con un diámetro de 3mm, se midieron por triplicado
realizando tres medidas en posiciones diferentes en cada muestra de manzana.
2.2 Actividad enzimática
La actividad enzimática de la polifenoloxidasa se evaluó por espectrofotómetría UV/Vis utilizando
un equipo Agilent 845X (Barcelona, España), de acuerdo con la metodología expuesta por Espín
et al (1995). Para ello, se preparó el extracto crudo, homogenizando 50 g de pulpa de manzana
pelada con 100 mL de buffer fosfato sódico 0,2 M a pH=7 en un ultra-Turrax T-18 (IKA, Scaufen,
Alemania). Se centrifugó el homogenizado a 18.000 x g a 4 °C durante 30 minutos en una
centrifuga Solvall RC-5B (Alemania) y el sobrenadante se separó con un filtro Whatman Nº1
(Whatman, Gran Bretaña). El extracto enzimático se mantuvo congelado a -80 °C hasta el
momento de su análisis.
Para efectuar el análisis, se adicionaron 2,7 mL de catecol 0,1 M a 0,3 mL del extracto anterior y
se midió el cambio de absorbancia a 420 nm durante unos 5 min, determinando la pendiente del
tramo lineal. Los resultados se expresaron como unidades de actividad enzimática, que se define
como el cambio de absorbancia a 420 nm por minuto y por gramo de tejido extraído.
2.3 Preparación de las películas activas
Con objeto de determinar las concentraciones más adecuadas de los dos agentes antioxidantes
en estudio, se efectuaron experiencias recubriendo rodajas de manzana con películas de EVOH
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.66 - 77
69
con concentraciones del 3, 5 y 10% de los agentes en la relación 3/1, 1/1 y 1/3 HR/AA, y se siguió
la evolución del color de las manzanas durante 4 días almacenadas a 4 C.
Se prepararon películas de EVOH con incorporación de 4-hexilresorcinol (HR) y ácido ascórbico
(AA) en las siguientes proporciones respecto al peso de polímero puro: 2,5% RES / 7,5% AA
(denominada 1:3 10%), 5% HR / 5% AA (denominada 1:1 10%), 7,5% HR / 2,5% AA (denominada
3:1 10%) y 3,75% HR / 1,25% AA (denominada 3:1 5%).
Para la preparación de las películas se partió de EVOH 29 en granza. En cada película fueron
tomados 4 g de granza que se disolvieron en 26,6 g de una mezcla de propanol/agua 1:1 a reflujo
con agitación constante; se enfrió la disolución hasta a unos 40 C, para luego adicionar los
agentes HR y AA en las cantidades correspondientes a cada muestra. Tras una breve
homogenización, se vertió la disolución sobre una placa de vidrio con una varilla de extensión de
100 μm de paso y se secó la película formada en un túnel de aire caliente durante 15 minutos.
Tras el enfriado, se separó y almacenó la película en un desecador, hasta su uso.
2.4 Evaluación de la actividad de las películas
Con objeto de evaluar el efecto de las películas activas desarrolladas para el control del
pardeamiento enzimático, se prepararon rodajas de 3 mm de espesor, las cuales fueron
recubiertas en ambas caras con las películas a evaluar. Se prepararon cuatro muestras con cada
película, colocándolas en una bandeja de poliestireno expandido de 25x15x1 cm que se cubrió
con película de PVC estirable para limitar la deshidratación de la manzana durante la experiencia.
Las bandejas se almacenaron durante 4 días en refrigeración a 4 C efectuando controles
analíticos diarios de color y actividad enzimática.
2.5 Liberación de los antioxidantes de las películas
La cinética de liberación de los antioxidantes, desde las diferentes películas desarrolladas, se
evaluó mediante ensayos de liberación a partir de las películas en contacto con varios medios
utilizados habitualmente como simulantes de alimentos: etanol al 95%, etanol al 10% y ácido
acético al 3%. Para efectuar las experiencias se sumergieron muestras de films de 6 cm2 (relación
6 dm2/L de acuerdo con la legislación vigente en la Unión Europea) en 10 mL de cada simulante
en tubos Sovirel de 20 mL cerrados y envueltos en papel aluminio para evitar la degradación de
los agentes activos por la acción de la luz. A las 2, 4, 6, 10, y 24 h se extrajeron muestras de cada
película y simulante, midiendo la concentración de 4-hexilresorcinol y ácido ascórbico por
espectroscopia UV-Vis a 280 y 250 nm, respectivamente (condiciones obtenidas mediante
experiencias previas).
3. Resultados y discusión
Para el desarrollo de las películas activas se seleccionaron inicialmente los materiales copolímero
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.66 - 77
70
de etileno alcohol vinílico (EVOH) y polialcohol vinílico (PVOH), polímeros solubles en agua o
mezclas hidroalcohólicas de fácil extensión y secado y compatibles con los agentes antioxidantes
a ensayar, 4-hexilresorcinol (HR) y ácido ascórbico (AA). Mediante experiencias previas, se
descartaron las películas de PVOH por perder su integridad al contacto con la manzana. Así
mismo, se estudió si existía algún efecto sinérgico entre HR y AA, concluyendo que la
incorporación conjunta en películas de EVOH con ambos antioxidantes protegió mejor las rodajas
de manzana, como puede verse en la Figura 1, donde se evidencia que las muestras con 4-
hexilresorcinol + ácido ascórbico presentaban una apariencia general mejor a las 5 h de su
preparación. En todas las muestras se observó que el tejido superficial de la manzana cambió de
color, pasando a una tonalidad marrón, lo que correspondió a los aumentos en los valores de a* y
b* (Figura 2). De acuerdo con estos resultados, las mejores mezclas fueron las tres que contenían
un 10% de antioxidantes y la que tenía un 5% en la relación 3:1 HR/AA.
Figura 1. Efecto de los diferentes tratamientos aplicando ácido ascórbico y 4 hexilresorcinol en
combinación a las 5 h.
En consecuencia, se prepararon por “casting” cuatro películas de EVOH con las siguientes
concentraciones de antioxidantes HR/AA, 1:3 10%, 1:1 10%, 3:1 10% y 3:1 5%, así como
películas sin adición de antioxidantes como control. Con estas películas se envasaron rodajas de
manzana, determinando los cambios de color de las rodajas de manzana, la actividad de la PPO
presente en las mismas y la liberación de los agentes antioxidantes desde las películas durante 4
días en almacenamiento a 4 C.
3.1 Color
En la Figura 2 se muestra la evolución de los tres parámetros de color del espacio CIE lab
medidos en la superficie de las rodajas de manzana para cada tratamiento. Como puede verse
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.66 - 77
71
por la evolución de la coordenada L*, las muestras redujeron ligeramente su luminosidad con el
tiempo de almacenamiento, no obstante, las muestras envasadas con las películas activas
presentaron un menor descenso de L* que la muestra sin recubrimiento (aire-control), si bien las
diferencias entre tratamientos solo fueron significativas (p<0,05) tras 4 días de almacenamiento y
únicamente para la muestra 3:1 al 5%.
Figura 2. Evolución de los parámetros de color L*, a* y b*, en rodajas de manzana sin
tratamiento (aire-control), con separadores de EVOH, empleando los antioxidantes 4-
hexilresorcinol, y ácido ascórbico almacenados en bandejas a 4 C.
En cuanto a la coordenada a*, se observó que la muestra control presentó un aumento continuado
del valor de esta coordenada desde -2 hasta 5, indicativo de tonalidades rojas (Figura 2). En
cambio, las películas activas consiguieron mantener un valor constante de a* durante los 4 días
de almacenamiento, significativamente diferente (p<0.05) durante todo el almacenamiento
respecto a la muestra sin tratamiento.
En cuanto a la coordenada b*, las manzanas presentaron inicialmente un tono amarillo, que
aumentó de forma notable en la muestra envasada al aire (Figura 2). Respecto a las muestras con
películas activas, el valor de esta coordenada permaneció más estable durante el
almacenamiento, significativamente menor que la muestra control, aunque sin diferencias entre
los tratamientos.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.66 - 77
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3.2 Actividad enzimática de la Polifenoloxidasa
El proceso mediante el cual se llega a producir la reacción de pardeamiento empieza con el corte
en la superficie del tejido, momento en que se desestructura la célula y se produce la liberación de
los componentes. La compartimentación celular es interrumpida produciéndose la mezcla de
sustratos y enzimas, iniciándose las reacciones que dan lugar a compuestos activos que de otra
manera no tendrían lugar. El pardeamiento enzimático puede ser controlado a través de métodos
físicos y químicos, a menudo empleados en combinación. La tecnología más ampliamente
utilizada en la práctica es el envasado en atmósferas modificadas (Min et al, 2017). Pero también
se han propuesto tratamientos térmicos mínimos o no térmicos alternativos como son las altas
presiones hidrostáticas (Linlin, et al, 2016).
Musetti et al., 2015 ha estudiado el control del pardeamiento enzimático de manzanas Red
Delicious con 4-hexilresorcinol y metil jasmonato; utilizó ciclodextrinas como medio de inclusión,
así como la combinación de tratamientos con el ácido alfa lipoico junto con el hexanal y el ácido
ascórbico obteniéndose un control sobre la respiración celular y en consecuencia sobre el
pardeamiento enzimático. La modificación de la atmósfera en el envase y un pretratamiento con
antioxidantes también ha sido propuesto por Cortellino, G., Gobbi, S., Bianchi, G., Rizzolo, A.,
2015 para alargar el tiempo de vida media en cortes de manzanas frescas, observándose efectos
positivos en las características sensoriales de la fruta.
La determinación de la actividad enzimática se realizó con el propósito de verificar la efectividad
de los tratamientos en la inhibición de la actividad de la enzima; ya que a menor actividad
polifenólica mayor efectividad del tratamiento y, por tanto, mayor vida útil del producto.
Este análisis se realizó a los 0, 2 y 4 días de almacenamiento a 4 C en rodajas de manzana; las
mismas mantuvieron el contacto por ambas caras con las diferentes películas ensayadas.
La Figura 3 recoge el efecto de los tratamientos y el tiempo de almacenamiento en la actividad de
la polifenoloxidasa, expresada como variación de absorbancia a 420 nm por min y gramo de
tejido. En la muestra control mantenida en aire-control, puede observarse que los valores de
actividad enzimática se mantuvieron prácticamente constantes durante el período de
almacenamiento ensayado. Para los tratamientos con antioxidantes, en todos los casos se
observó una gran reducción de actividad a los 2 días de almacenamiento (p<0,05), aumentando
ligeramente a los 4 días de exposición. Los mejores resultados se obtuvieron con los materiales
1:1 al 10%, y 3:1 al 10%, que son aquellos que contenían las concentraciones mayores de 4-
hexilresorcinol, con actividades enzimáticas significativamente inferiores a las del resto. Por el
contrario, la muestra 1:3 10%, presentó un aumento de actividad polifenoloxidasa a los 4 días
sobre el control (p<0.05). Quizás, en esta muestra hay un exceso de ácido ascórbico, que
entonces podría presentar actividad prooxidadante, según lo informado por otros autores
(Pshenichnyuk et al, 2016).
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Para determinar si las cantidades de 4-hexilresorcinol y ácido ascórbico incorporadas en las
películas eran suficientes para desarrollar una actividad inhibidora de la acción enzimática de la
polifenoloxidasa, se calcularon las cantidades presentes en una película de EVOH de superficie
similar a la de contacto con la rodaja de manzana, y se adicionaron dichas cantidades
directamente en el buffer fosfato sódico (0,2 M de pH 7), simulando una liberación total e
inmediata de los agentes hacia el alimento. La Tabla 1 resume los resultados obtenidos para cada
muestra, y la correspondiente a una muestra sin agentes (aire-control); como puede observarse,
la PPO resultó completamente inhibida para todas las muestras que contienen los agentes en
estudio.
Figura 3. Efecto de los diferentes tratamientos y del tiempo de almacenamiento en la actividad
de la polifenoloxidasa.
Tabla 1. Estimación de la actividad inhibidora de la actividad polifenoloxidasa en manzana
(como variación de absorbancia a 420 nm por min y gramo de tejido) de los antioxidantes si se
diera su liberación total e instantánea en el medio de extracción.
La diferencia observada entre este último ensayo y la exposición de la manzana a las películas de
EVOH desarrolladas puede explicarse por dos causas, una liberación parcial y lenta de los
agentes hacia la manzana o una difusión lenta de los agentes en el interior de la rodaja de
manzana, o bien una combinación de ambas. El efecto matriz y la interacción de la misma con los
agentes es en, principio, descartable ya que en ambos casos se incluye la manzana en el ensayo.
3.3 Liberación de los agentes antioxidantes
Se estudió la cinética de liberación de los agentes desde las diferentes películas desarrolladas
mediante ensayos de liberación. Los resultados obtenidos, a partir de las películas en contacto
0
2
4
6
8
10
0 2 4
Act
ivid
ad e
nzi
mát
ica
( Δ
ab
s *m
in/g
tej
ido
)
AIRE
3:1 (10%)
3:1 (5%)
1:1 (10%)
1:3 (10%)
Tiempo (días)
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.66 - 77
74
con varios medios utilizados habitualmente como simulantes de alimentos se indican a
continuación: En la Figura 4 se observan los resultados correspondientes a la liberación de ácido
ascórbico en ácido acético al 3%, medio simulante de alimentos ácidos.
Figura 4. Liberación del ácido ascórbico en las diferentes películas activas, utilizando como
medio simulante ácido acético al 3%. Cada punto corresponde a la media obtenida de tres
repeticiones.
Como puede verse, con todos los materiales se observa el mismo perfil de liberación, que
corresponde al de una función exponencial que crece hasta un máximo. El mismo resultado se
obtuvo para el resto de simulantes. En todos los casos parece alcanzarse el valor máximo de
migración después de las 6 h de exposición.
La Figura 5 recoge los valores medidos experimentalmente para la liberación de 4-hexilresorcinol
en el mismo simulante. Como puede verse en la figura (al igual que en el resto de simulantes), la
liberación de 4-hexilresorcinol, sigue el mismo perfil que la de ácido ascórbico, si bien parece ser
ligeramente más lenta, alcanzándose el estado estacionario a las 10 h de ensayo.
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0 5 10 15 20
mg
AA
/mL
Horas
1:3 (10%)
1:1 (10%)
3:1 (10%)
3:1 (5%)
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.66 - 77
75
Figura 5. Liberación del 4- hexilresorcinol en las diferentes películas activas, utilizando como medio
simulante ácido acético al 3%. Cada punto corresponde a la media obtenida de tres repeticiones.
Asimismo, se evaluó la proporción de los agentes que se libera en cada simulante. Las figuras 6 y
7 muestran los resultados obtenidos para el ácido ascórbico y el 4-hexilresorcinol,
respectivamente.
Como puede observarse en la Figura 6, el porcentaje de ácido ascórbico liberado del
originalmente contenido en las diferentes películas varía alrededor del 40%, con la excepción de
las películas 3:1 al 5% en ácido acético para la que se supera el 90% de liberación. Respecto al 4-
hexilresorcinol, la liberación alcanza prácticamente la extracción para las películas con menor
contenido en este agente. Para las películas 3:1 al 10 y 5 %, la liberación es menor,
especialmente en ácido acético y alcohol 10%, donde probablemente el 4-hexilresorcinol sea
menos soluble.
Figura 6. Porcentaje de ácido ascórbico liberado en los distintos simulantes respecto al
contenido de las películas desarrolladas.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 5 10 15 20 25 30
mg
HR
/mL
Horas
3:1 (10%)
1:1 (10%)
3:1 (5%)
1:3 (10%)
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Figura 7. Porcentaje de 4-hexilresorcinol liberado en los distintos simulantes respecto al
contenido en las películas desarrolladas.
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Los resultados mostraron que la película con un 10% de agentes antioxidantes en la relación 3/1
de 4hexil-resorcinol/ácido ascórbico fue la que presentó los mejores resultados.
El estudio de la cinética de liberación de los agentes a medios simulantes de alimentos acuosos,
alimentos ácidos y alimentos grasos reveló que la liberación de ácido ascórbico es mayor en
simulantes ácidos, mientras que no se observan diferencias en la liberación de 4-hexilresorcinol
en los diferentes medios simulantes ensayados.
En todos los casos se observa una mejora de estabilidad en el color de la manzana y una
reducción de la actividad polifenoloxidasa, sin embargo, se debería tratar de disminuir aún más la
concentración de los diferentes antioxidantes, incorporando otros, cuyo origen no es la síntesis
química tales como los flavonoides.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.78 - 93 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2017/01/19 Aceptado (Accepted): 2017/03/27
CC BY-NC-ND 3.0
Aplicación del modelo de programación CUDA en la simulación de la
evolución de secuencias genéticas
(Application of the CUDA programming model in the simulation of
genetic sequences evolution)
Fredy Yasmany Chávez1, Daniel Gálvez Lio1,2
Resumen:
La simulación resulta un poderoso enfoque en el estudio de la evolución molecular de
secuencias genéticas y su divergencia a lo largo del tiempo; existen diferentes procedimientos
de simulación de la evolución molecular, pero todos ellos poseen alta complejidad
computacional, y en la mayoría de los casos las secuencias genéticas poseen gran tamaño,
aumentando los tiempos de ejecución de las implementaciones de estos procedimientos. A
partir de esta problemática, en este trabajo se describe una propuesta de modelo de
paralelización utilizando la tecnología CUDA y los resultados de esta propuesta se comparan
con su equivalente secuencial.
Palabras clave: simulación; evolución molecular; Markov; programación paralela; CUDA
Abstract:
Simulation is a powerful approach in the study of the molecular evolution of genetic sequences
and their divergence over time; there are different procedures for the simulation of molecular
evolution, but all of them have high computational complexity, and in most cases the genetic
sequences have large size, increasing the execution time of the implementations of those
procedures. Based on this problem, this paper describes a proposal of parallelization model
using CUDA technology and the results of this proposal are compared with its sequential
equivalent.
Keywords: simulation; evolution model; Markov; parallel programming; CUDA
1. Introducción
La simulación es un enfoque sumamente útil en la realización de estudios y en la validación de
teorías o programas cuando los métodos de análisis conocidos son complejos o los modelos son
analíticamente intratables; el desarrollo explosivo de los medios de cómputo en los últimos años
ha permitido la aplicación de este poderoso enfoque de estudio a diferentes áreas de
conocimiento. Una de estas áreas favorecidas es la biología molecular, en especial los estudios
sobre evolución molecular y procesos evolutivos, posibilitando la realización de experimentos
virtuales que imitan estos procesos biológicos con el objetivo de estudiar sus propiedades,
centrándose fundamentalmente en la reconstrucción de las relaciones evolutivas entre las
especies, y en investigaciones sobre los mecanismos y fuerzas del proceso evolutivo. El proceso
de simular la evolución molecular no solo posee alta complejidad computacional, en la gran
1 Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Santa Clara – Cuba ([email protected])
2 Universidad Metropolitana del Ecuador, Quito – Ecuador ([email protected])
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
79
mayoría de los casos, las bases de datos de secuencias genéticas constituyen grandes
volúmenes de datos, por lo cual se impone la necesidad de buscar nuevos métodos o tecnologías
que permitan obtener buenos resultados, pero en tiempos de ejecución razonables.
Una solución a este problema es el uso de la programación paralela, específicamente se aborda el
uso de la tecnología CUDA, que dado su alto desempeño se hace cada vez más interesante para
acelerar aplicaciones científicas en diversas ramas, entre ellas la Biología Computacional y la
Bioinformática. CUDA (Compute Unified Device Architecture) es una plataforma de computación
paralela y un modelo de programación inventado por NVIDIA (“CUDA Zone | NVIDIA Developer,”
2011; Nvidia, 2011; NVIDIA, 2015) permite aumentos impresionantes en el rendimiento del
computador al aprovechar las unidades de procesamiento gráfico (GPU) alojadas en la tarjeta
gráfica. Actualmente se reportan varias aplicaciones de esta tecnología en el área de la
Bioinformática: en el análisis de genes en microarreglos y alineación de secuencias (Yongchao
Liu, Schmidt, & Maskell, 2012), simulación de sistemas biológicos y búsqueda de secuencias en
bases de datos (Y Liu, Wirawan, & Schmidt, 2013), entre otras aplicaciones disponibles en el sitio
para desarrolladores de NVIDIA (“CUDA Zone | NVIDIA Developer,” 2011), (Hwu, 2012), (Schatz,
Trapnell, Delcher, & Varshney, 2007), (Manavski & Valle, 2008).
El uso de CUDA en cualquier ordenador puede convertirlo en un “superordenador" ya que
potencia de forma importante el trabajo de los numerosos procesadores que están alojados en el
núcleo de su tarjeta gráfica. El hecho de que el procesamiento de los datos se realice en paralelo
hace que la velocidad de ejecución sea 400 veces superior a la de un ordenador sin este software
(Claver, Sanjuan, & Arnau, 2007).
En este artículo, a partir de la problemática presentada, y con el objetivo de reducir los tiempos de
ejecución del proceso de simulación de la evolución molecular de secuencias genéticas, se
plantea un modelo de paralelización utilizando la tecnología CUDA y se analiza la efectividad de
su implementación computacional.
2. Materiales y Métodos
Procedimientos de simulación basados en la técnica de Markov
Para la realización de simulaciones de la evolución molecular de secuencias genéticas han sido
utilizados diferentes métodos de Markov (Weber, 2012), (Link & Eaton, 2012), dadas las
capacidades de este tipo de simulación para representar procesos estocásticos y la divergencia
genética a lo largo del tiempo. Todos estos métodos clásicos (Yang, 2006) requieren como
entradas un árbol filogenético con una longitud de una rama específica, una secuencia genética
de raíz, y un modelo Markoviano de la evolución molecular. La simulación es realizada por cada
rama del árbol filogenético, empezando por la raíz y terminando en las puntas de las hojas.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
80
Tiempo de espera evolutivo
En (Counsell, 2005) se plantea que un proceso de Markov de tiempo continuo, determina el
tiempo de espera evolutivo entre las sustituciones, o sea, el período que el sitio se mantiene en el
estado i, y que este es distribuido exponencialmente con el parámetro |q*ii|. Dado que este último
es la tasa de sustitución de un nucleótido determinado i, es fácil construir una variable aleatoria de
distribución exponencial a partir de la otra uniformemente distribuida entre 0 y 1 (u) utilizando la
ecuación 1:
𝑡 = −1
|𝑞∗𝑖𝑖|
log𝑒(𝑢) [1]
Sea T el conjunto representado por los tiempos transcurridos para cada sitio de la secuencia,
durante cada paso de la simulación, y t el tiempo de espera generado utilizando dicho número
aleatorio. Si se cumple que t > T entonces se mantendrá el sitio en su estado actual, de lo
contrario, ocurre una sustitución nucleotídica. Cuando t < T, o sea, que va a ocurrir una mutación,
el nucleótido de remplazo es seleccionado de acuerdo con la cadena de Markov de tiempo
discreto D* = {d*ij} definida por la ecuación 2:
𝑑∗𝑖𝑗 = {
0, 𝑖 = 𝑗𝑞∗
𝑖𝑗
𝑞∗𝑖𝑖
, 𝑖 ≠ 𝑗} [2]
El nucleótido sustituto, se obtiene igualmente generando un número aleatorio, distribuido
uniformemente entre 0 y 1. Si este número aleatorio es menor que d, el nucleótido 1 sustituye al
nucleótido i. De lo contrario, si el número aleatorio es menor que d*i1 + d*i2, el nucleótido 2
sustituye al i. Este proceso se repite hasta que se encuentre el nucleótido de sustitución. Por el
hecho que se cumple que: ∑ d∗ij = 1j , siempre se encontrará un nucleótido de sustitución, y dado
que d∗ii = 0, el nucleótido sustituido no será el mismo.
Cadena de salto
En este método se ignoran los tiempos de espera (exponenciales con media 1/|q*ii|) entre
transiciones, la secuencia de los estados constituirá una cadena de Markov de tiempo discreto,
con matriz de transición que se muestra en la ecuación 3:
𝑀 =
[ 0
𝑞𝐴𝐶
𝑞𝐴
𝑞𝐴𝐺
𝑞𝐴
𝑞𝐴𝑇
𝑞𝐴𝑞𝐶𝐴
𝑞𝐶0
𝑞𝐶𝐺
𝑞𝐶
𝑞𝐶𝑇
𝑞𝐶𝑞𝐺𝐴
𝑞𝐺
𝑞𝐺𝐶
𝑞𝐺0
𝑞𝐺𝑇
𝑞𝐺𝑞𝑇𝐴
𝑞𝑇
𝑞𝑇𝐶
𝑞𝑇
𝑞𝑇𝐺
𝑞𝑇0 ]
[3]
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
81
Tanto el método de los tiempos de espera evolutivo, como la cadena de salto, pueden ser
aplicados a toda la secuencia (todos los sitios en lugar de uno), con tasa de sustitución igual a la
sumatoria de las tasas en todos los sitios, y con un tiempo de espera hasta que una sustitución
ocurra en cualquier sitio de toda la secuencia, que sigue una distribución exponencial de media
igual a la inversa de la tasa total, para cada uno de los sitios de la secuencia.
Metropolis-Hasting (MH)
Este último método es “conocido como el más popular de la familia de métodos Markov Chain
Monte Carlo, y comúnmente usado para la evolución de secuencias” (Andrieu & Doucet, 2010;
Cornebise & Peters, 2009). MH consiste básicamente en generar un nuevo valor candidato x*
dado el valor actual x, de acuerdo con la probabilidad de distribución propuesta q(x*|x). La
probabilidad de aceptación que la cadena de Markov se mueva hacia x* está dada por la ecuación
4, en el cual p(x) es la distribución invariante definida en x:
p(x, x∗) = min {1,p(x∗)q(x |x∗)
p(x)q(x∗ |x)} [4]
Existen varios algoritmos prácticos interpretados como casos especiales o extensiones de este
método, cuya principal diferencia es la especificación de la probabilidad de distribución propuesta
q(x*|x). Es necesario destacar, que las probabilidades de distribución y mutación deben ser
determinadas para un nuevo estado, siempre que ocurra una mutación de nucleótido, o que el
valor candidato x* sea aceptado acorde con la probabilidad previamente definida para el nuevo
nucleótido. Por el contrario, si la cadena de Markov se mantiene en el estado actual con el mismo
valor nucleotídico, no existirá la necesidad de cambiar las probabilidades de distribución y
mutación de la base en ese sitio.
Los métodos de tiempo de espera evolutivo y de cadena de salto poseen la ventaja de no requerir
el cálculo de la matriz de probabilidades P(t) sobre el tiempo t requerida por MH, puesto que, tanto
la matriz de transición para la cadena de salto como los tiempos de espera, se especifican en su
totalidad por la matriz de tasas instantáneas Q* definida por el modelo evolutivo Markoviano
seleccionado para la simulación de la evolución molecular de las secuencias. Los tres métodos
descritos con anterioridad no son los únicos posibles, de hecho, estos tres procedimientos en la
práctica son comúnmente combinados dando lugar a nuevos.
Simulación basada en el método de MH y el tiempo de espera
Mediante la estimación del tiempo de espera evolutivo se evalúa la ocurrencia o no de una
mutación en un sitio determinado. Dado el tiempo evolutivo T transcurrido en cada paso de la
simulación, si t < T, o sea, que hay un cambio de nucleótido en el sitio dado, se aplica el método
de MH de forma repetitiva hasta que un nuevo nucleótido de sustitución sea encontrado.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
82
Simulación basada en el tiempo de espera y la matriz de transición
Mediante el proceso de simulación del tiempo de espera se determinan los nucleótidos que
cambiarán, de la misma forma que en el procedimiento anterior. En caso que haya cambio de
nucleótido, se buscará el nucleótido de remplazo mediante la matriz de transición de la cadena de
salto, de la siguiente manera: al suponer que i es el nucleótido de partida ocupado en el sitio dado
(el estado actual del proceso es i), a partir de la matriz de tasas de sustitución Q*, se obtiene la fila
correspondiente a ese nucleótido. Los valores en esta fila constituyen una cadena de Markov de
tiempo discreto D* = {d*ij}, cuya definición fue descrita con anterioridad.
Simulación basada en el método de MH con repetición
Mediante el uso de MH se determinará el cambio de nucleótido en cada sitio de la secuencia.
Posteriormente, mediante la matriz de probabilidades de sustitución P(t), se obtendrá la fila
correspondiente al nucleótido ocupado en el sitio dado, esta fila es el vector de distribución de
probabilidades de ese nucleótido y se denota por p. Para saber si ocurre la mutación del
nucleótido actual i, se genera un número aleatorio con distribución uniforme entre 0 y 1 llamado u.
Si se cumple que u < p(i), no ocurrirá cambio en el sitio dado, en caso contrario, se buscará un
nucleótido de sustitución diferente al nucleótido actual mediante la aplicación repetitiva del método
MH, garantizando el cambio del proceso a un nuevo estado.
Simulación basada en el método de MH sin repetición
Este procedimiento no examina si una mutación ocurre o no en un sitio determinado. El método de
MH se aplica una sola vez para cada sitio de la secuencia, y el nucleótido puede cambiar su valor
a otro diferente o mantenerse en su estado actual, según el valor devuelto por MH. Si MH retorna
una base igual que la actual en el sitio dado, se dice que no hay mutación. De otro modo, el
nucleótido ancestral se remplaza por el nuevo.
Modelos Markovianos de la evolución molecular
Para estimar el número real de sustituciones entre secuencias relativamente alejadas en el
proceso evolutivo, se necesita un modelo probabilístico que describa los cambios entre
nucleótidos. Las cadenas continuas de Markov son la herramienta más usada con este propósito
(Yang, 2006), donde normalmente se asume que cada sitio de la secuencia evoluciona de forma
independiente. Las sustituciones en cada sitio en particular son descritas mediante una cadena de
Markov, que tiene como estados las bases nucleotídicas. La imposición de algunas restricciones
en las tasas de sustitución entre nucleótidos lleva a diferentes modelos. En la literatura (Yang &
Rodríguez, 2013), han sido diversos los modelos de Markov propuestos para la evolución de las
secuencias, y se han desarrollado también, varias técnicas para estimar experimentalmente los
parámetros de dichos modelos de Markov mediante el análisis de secuencias reales observadas.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
83
Según Yang (Yang, 2006), de forma general, los modelos evolutivos describen el modo y la
probabilidad que una secuencia de nucleótidos cambie a otra secuencia de nucleótidos homóloga
a lo largo del tiempo. Estos modelos describen para cada uno de los sitios de la matriz, la
probabilidad que se produzca el cambio de un nucleótido a otro a lo largo de las ramas de un
árbol filogenético dado.
Los modelos de evolución de nucleótidos se definen matemáticamente mediante dos clases de
parámetros que determinan el cambio:
1) Frecuencia de cada nucleótido: parámetro que mide la frecuencia de cada nucleótido en la
matriz de datos. En los modelos evolutivos más sencillos, toma una misma frecuencia para
los cuatro nucleótidos (πA = πC = πG = πT = 0.25), sin tener en cuenta la frecuencia de
aparición de los mismos en la matriz de datos; En el caso de los modelos más complejos
asume que las frecuencias asociadas a cada uno de los nucleótidos son diferentes y son
calculadas a partir de los datos (πA ≠ πC ≠ πG ≠πT).
2) Tipos de sustituciones y sus correspondientes tasas de sustitución (rate parameters): las
tasas de sustitución se representan con las tasas relativas de cambio de un nucleótido a otro
para una posición de un tiempo t0 a un tiempo t1. Así, cada posición de la matriz de tasas de
sustitución tendrá una probabilidad asociada de cambio para cada unidad de tiempo (unidad
de distancia evolutiva). Los modelos más sencillos asumen una misma tasa relativa para
todas las sustituciones posibles, mientras que los más complicados asumen una tasa relativa
diferente para cada tipo de sustitución. A partir de estas tasas relativas se calcula la tasa
media de sustitución (μ). La matriz de tasas más general de un modelo de Markov tiene solo
el requisito de que los elementos no diagonales son positivos y la suma de cada fila es cero.
Modelo de programación en CUDA
La programación en CUDA está basada en tres abstracciones básicas: una jerarquía de grupos de
hilos, otra de tipos de memoria y barreras de sincronización. La estructura que conforma la
jerarquía de hilos que se ejecutan en el dispositivo NVIDIA (device) se agrupan, en tres
elementos: mallas, bloques e hilos. Una malla está conformada por múltiples; un bloque está
formado por un grupo de hilos, y el hilo es la unidad elemental, a continuación, en la Figura 1 se
muestra esta jerarquía.
Como el dispositivo NVIDIA (tarjeta gráfica) está colocado en una computadora se establece un
modelo “híbrido” para la programación en el que se combina el código del programa principal que
se ejecuta en la CPU de la computadora anfitrión (host) y las llamadas a funciones que se
ejecutan en el dispositivo NVIDIA (device). El proceso comienza en un programa que se ejecuta
en la CPU anfitriona y este programa a su vez invoca funciones que se ejecutarán paralelamente
por varios hilos en la GPU, conocidas como funciones kernel, especificando para cada una de
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
84
ellas la configuración de ejecución que define la dimensión de la malla de bloques (dimGrid) y la
cantidad de hilos por bloques (dimBlock) con que será ejecutada la función kernel en la GPU.
Figura 1. Jerarquía del lote de hilos (Tomado de (Nvidia, 2011))
Los hilos que se ejecutan en un dispositivo CUDA tienen acceso a múltiples espacios de memoria:
global, local, compartida, textura y registros. Cada hilo tiene un espacio de memoria local privado;
a su vez, cada bloque de hilos posee memoria compartida visible solo a todos los hilos del bloque
y con la misma duración de vida que el bloque. Todos los hilos ejecutados por una función kernel
tienen acceso a la misma memoria global. Los espacios de memoria global, constante y de textura
son persistentes a diferentes activaciones de funciones kernels en la misma aplicación. El trabajo
de estos hilos puede ser sincronizado mediante directivas de bloqueo, lo cual posibilita la
coordinación entre estos; sin embargo, hilos agrupados en diferentes bloques no pueden
comunicarse entre sí.
La estructura general de una aplicación CUDA incluye los pasos siguientes:
1) El computador (CPU) anfitrión ejecuta el cuerpo principal del programa (main())
2) Se reserva memoria dentro del dispositivo GPU
3) Se copian los datos del CPU anfitrión al dispositivo GPU
4) El CPU anfitrión llama a la función kernel del GPU
5) El dispositivo GPU ejecuta el código de manera paralela
6) Se copian los resultados de vuelta a la memoria del CPU anfitrión
7) Se libera la memoria reservada dentro del dispositivo GPU
8) Repetir los pasos del 2 al 7 tantas veces como sean necesarios para la solución del problema
Debido a los tiempos relativamente grandes de retardo (latencia) y al bajo ancho de banda en las
transferencias de memoria entre la computadora anfitrión y el dispositivo GPU, es recomendable
dividir la aplicación, de tal manera que cada componente de hardware haga únicamente el trabajo
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
85
que mejor realiza. El uso del GPU es solamente recomendado si (Nvidia, 2011), (Sánchez,
Carbajal, Cortés, & Fernández, 2012):
La complejidad de las operaciones a realizar en la GPU justifica el costo de mover datos
desde y hacia el dispositivo GPU. Se deben minimizar las transferencias y mantener en
GPU los datos tanto tiempo como sea posible.
La aplicación realizará una misma operación sobre numerosos datos al mismo tiempo en
paralelo, mediante operaciones simples que son asignadas a múltiples hilos.
Los tipos de variables y arreglos utilizados, y su tamaño, son congruentes con los patrones
de memoria y las instrucciones aritméticas de la GPU, garantizando su buen desempeño.
Tomando en cuenta estas consideraciones, resulta sumamente importante determinar que partes
del proceso de simulación que se desea implementar usando CUDA deben ser paralelizadas y
cuáles no.
Proceso general para simular la evolución de secuencias
A modo general, el proceso de simulación de la evolución molecular de secuencias genéticas se
realiza mediante los pasos algorítmicos descritos a continuación:
Paso 1: Especificar la cantidad de descendientes que pudiera tener cada
ancestro.
Paso 2: Generar una secuencia mutante aplicando la técnica de Markov
seleccionada, a partir de la secuencia ancestral.
Paso 3: Eliminar los codones de parada existentes en las secuencias mutantes
obtenidas.
Paso 4: Clasificar la secuencia recién creada a través de la secuencia de
aminoácidos sintetizada. Si coincide con uno de los alelos de la
población, se aumentará el contador de este en 1; de lo contrario,
se agregará la mutante a la población como una nueva clase. En ambos
casos, la cantidad total de secuencias de la población se incrementa
en 1.
Paso 5: Calcular la distribución de probabilidad de la población actual.
Paso 6: Tomar la secuencia mutante generada como el nuevo ancestro y volver
el algoritmo al paso 2 si la cantidad de descendientes no se ha
acabado; de lo contrario, moverse al paso siguiente.
Paso 7: Seleccionar el nuevo ancestro entre las secuencias de la población
actual, si el número de ancestros no se ha terminado, el algoritmo
vuelve al paso 1; de otro modo, ir al paso siguiente.
Paso 8: Terminar el algoritmo.
Al realizar un análisis de este proceso y de las consideraciones abordadas con anterioridad para
el uso de CUDA, se identificaron como procedimientos a ser paralelizados la mutación (Paso 2), y
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
86
la clasificación de las secuencias (Paso 4). Acorde a esta valoración el esquema de paralelización
propuesto para la simulación de la evolución de secuencias es el que se muestra en la Figura 2.
Paralelización de las mutaciones
Los sitios de una secuencia genética mutan de forma independiente, es decir, que las mutaciones
que ocurran en uno de ellos no influyen en las que puedan ocurrir en otros sitios de la secuencia.
Figura 2. Esquema general de paralelización de la simulación.
Esta independencia facilita notablemente el proceso de paralelización; y dadas sus características
se aplicó la técnica SIMD (Single Instructions Multiple Data), que permite conseguir paralelismo a
nivel de datos y consiste en aplicar una misma operación sobre un conjunto de datos, en nuestro
caso secuencias genómicas, y con una organización en donde una única unidad común de control
despacha las instrucciones a diferentes unidades de procesamiento. Todas estas reciben la
misma instrucción, pero operan sobre diferentes conjuntos de datos.
Como el proceso de mutar un sitio es invariable y solo interesa la base nitrogenada del ancestro,
entonces se programa dicho procedimiento como una operación y al aplicarlo a más de un sitio
durante la ejecución se obtiene la paralelización. En la implementación en CUDA de este
esquema se realiza un kernel para el proceso de mutar una generación de secuencias. Las
secuencias se modelan como arreglos de tipo char, pues solo se cuenta con 4 bases. Esta
variante posee un menor consumo en memoria, pero el procesamiento de un sitio necesita de más
operaciones debido a la necesaria conversión de la base a una codificación numérica. En una
implementación secuencial, si necesitamos obtener 10 descendientes el proceso debe de
ejecutarse 10 veces, pues se obtiene solamente una mutación en cada iteración del algoritmo. Por
su parte la implementación paralela del algoritmo logra esta tarea en un solo paso, generando de
una vez todas las mutaciones deseadas para cada uno de los ancestros de una generación, en la
Figura 3 se muestra gráficamente el proceso de mutación paralelizado.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
87
La sincronización de los hilos se logra utilizando _syncthreads(), una función propia de CUDA;
esta sincronización resulta necesaria para el cálculo de los elementos del procedimiento evolutivo
seleccionado (matriz Q* de tasas de sustitución, matriz P(t) de probabilidades de transición, o
matriz
Figura 3. Proceso de mutación paralelizado por sitio.
de transición M) que en el esquema de paralelización propuesto se realiza en el hilo con índice 0
de cada bloque, y por tanto los demás hilos del bloque deben esperar a que este hilo coloque su
resultado en memoria compartida para poder comenzar el proceso mutacional. Aunque esta forma
de obtener los elementos del procedimiento seleccionado contiene divergencia entre los hilos de
un bloque, la rapidez con la que se producen los accesos a la memoria compartida por parte de
los hilos conduce a un menor consumo temporal.
Algoritmo paralelo para realizar las mutaciones en cada hilo
Entrada: arreglo de ancestros A, arreglo para almacenar las mutaciones M, número de
ancestros nag, número de descendiente por cada ancestro ndv, número de sitios N, y otros
elementos necesarios según procedimiento implementado (ej. frecuencias de aparición F,
alpha1, alpha2, beta, etc.).
Salida: Mutaciones almacenadas en R.
1: Reservar en memoria compartida arreglo P, Q, o M; 2: tid ← id_hilo + id_Bloque * size_Bloque; 3: while (tid < N) do 4: for (i ← 0 hasta nag) do 5: pos ← i * nag + tid; 6: c ← A[pos]; 7: old ← convert_base(c, 0);
8: j ← 0;
9: repeat
10: if (id_hilo == 0) then 11: computeMatrix(P, pos, …); //calcular P, Q o M según caso 12: end if 13: Sincronizar_Hilos; 14: u ← U(0, 1); 15: v ← U(0, 1); 16: // Mutar acorde al procedimiento elegido. En este ej. MH 17: mutation(P, old, new, u, v, F); 18: r ← convert_base(new, 1); 19: R[ i*N*ndv + N*j + tid] ← r; 20: old ← new; 21: j++;
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
88
22: until (j < ndv) 23: end for 24: tid ← tid + size_Malla * size_Bloque; 25: end while
Paralelización de la clasificación de las mutaciones mediante sus proteínas
El proceso de clasificación, se llevaba a cabo con el objetivo de detectar cuando dos secuencias
distintas sintetizan una misma proteína. De forma secuencial se hace comparando cada secuencia
obtenida con cada una de las secuencias almacenadas, tomando en cuenta tanto las mutaciones
generadas como las secuencias iniciales. En la versión paralela del algoritmo se han utilizado
algunas estrategias en función de lograr mayor nivel de paralelización durante la ejecución
paralela del algoritmo siguiente:
Algoritmo paralelo para clasificar las mutaciones
Entrada: aminoácidos de las mutaciones R, aminoácidos de los ancestros A, índices I,
num_sitios, nag, ndv
Salida: Arreglo de índices (I) con valores de las clasificaciones.
1: codons ← num_sites/3;
2: tot_seqs ← nag * ndv;
3: tid ← id_hilo + id_Bloque * size_Bloque;
4: while (tid < tot_seqs) do
5: if (I[tid] == -100) then
6: flag ← false; i ← 0;
7: while (!flag && i < nag) do
8: for (j ← 0; j < codons; j ← j + 1) do
9: if (A[i * codons + j] != R[tid * codons + j]) then
10: break;
11: end if
12: end for
13: if (j == codons) then
14 flag ← true;
15: if (I[tid] == -100) then
16: I[tid] ← i;
17: end if
18: end if
19: i ← i + 1;
20: end while
21: if (!flag && I[tid] = -100) then
22: i ← tid + 1;
23: while (i < tot_seqs) do
27: for (j ← 0; j<codons; j ← j + 1) do
28: if (R[tid * codons + j] != R[i * codons + j]) then
29: break;
30: end if
32: end for
33: if (j == codons && I[i] == -100) then
34: I[i] ← nag + tid;
35: end if
36: i ← i + 1;
37: end while
38: end if
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89
39: end if
40: tid ← tid + size_Malla * size_Bloque;
41: end while
Para lograr una adecuada paralelización de este procedimiento de clasificación se ha utilizado un
arreglo de índices (I), el cual tendrá una posición por cada una de las secuencias obtenidas en
una generación, por lo cual su longitud será igual a (nag * ndv), estará inicializado con −100
en todas sus posiciones y se almacenará en la memoria global. En los índices de este arreglo se
tendrá −100 en caso de que la correspondiente secuencia no sintetice una proteína obtenida
anteriormente, un valor del intervalo [0, nag − 1] si la misma produce una proteína igual que
algunas de las correspondientes a los ancestros o el mismo estará en el intervalo [nag, nag +
nag * ndv −1] si la proteína se corresponde con algunas de las mutaciones que se generaron
junto con ella en la actual generación.
En el algoritmo paralelo se asigna un hilo a cada una de las secuencias, diferente a como se
paralelizaron las mutaciones, en las cuales un hilo era responsable de la mutación de un sitio
dentro de la secuencia. Luego que el hilo conoce que mutación le corresponde entonces realiza la
comparación entre su respectiva secuencia y todos los ancestros, si la misma no es clasificada
por ningún ancestro se procede a compararla con cada una de las mutaciones que se obtuvieron
de forma posterior a ella, buscando las que ella clasifica. En el proceso se actualiza la información
contenida en el arreglo, como este se encuentra en la memoria compartida y es escrito y leído por
los hilos de forma simultánea, entonces constituye una sección crítica y se hace uso de un
semáforo para realizar tanto las lecturas como las escrituras de forma atómica.
3. Resultados y Discusión
Para evaluar el desempeño del modelo de paralelización propuesto, se decidió implementar el
procedimiento de simulación Metrópolis Hastings sin repetición en dos aplicaciones: una
secuencial y una paralela, utilizando la tecnología CUDA. Estas aplicaciones fueron desarrolladas
empleando el lenguaje de programación C/C++ y se utilizó el Netbeans 7.4 como IDE de
desarrollo, sobre la versión 7.3 del sistema operativo Debian.
Los experimentos se realizaron sobre dos computadoras con 3 GB de memoria RAM y un
microprocesador Intel Core 2 Quad modelo Q8200, cada una de ellas cuenta con una tarjeta de
video NVIDIA, cuyas especificaciones se muestran en la Tabla 1. Como se puede observar, la
primera de las dos tarjetas posee una mayor capacidad de cómputo puesto que contiene el
cuádruple de núcleos CUDA que la segunda.
Tabla 1. Especificaciones de las tarjetas gráficas.
Procesador Arquitectura Memoria Núcleos
GeForce GT 630 GK107 2048 MB 192
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
90
GeForce GT 610 GF119 1024 MB 48
Las bases de secuencias genómicas fueron obtenidas del sitio NCBI (National Center for
Biotechnology Information) que se encuentra accesible en la URL:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/FLU/Database/nph-select.cgi?go=database, donde están
disponibles de forma totalmente libre y gratuita. Los experimentos se realizaron sobre dos bases
de casos (GenBank datasets). La primera de ellas contiene un alineamiento de secuencias de la
variante H3N2 (archivo FASTA_H3N2.fas), conformada por un conjunto de 198 secuencias cada
una con 1765 sitios, con la presencia de gaps en 73 de ellos. El segundo alineamiento se
compone de 2451 secuencias de la variante H1N1 (archivo FASTA_USA.fas), con 1803 sitios
dentro de los cuales podemos encontrar 830 gaps. Sobre estos gaps se realizó un proceso
alineamiento múltiple empleando la herramienta Clustal Omega (clustalo), que puede descargarse
desde http://www.clustal.org/omega/.
Se planificaron varias pruebas con el objetivo de verificar las ventajas que nos proporciona CUDA
en cuanto al tiempo de ejecución. Los parámetros de las pruebas se tomaron de forma tal que el
número de ancestros por generación (nag) varía su valor en el intervalo entero [2, 5], la cantidad
de descendientes por ancestro (ndv) debe tomar uno de los valores {1000, 1500, 2000, 2500,
3000} y el número de generaciones (ngen) se establece en dependencia de la base de secuencias
que se estén procesando (en los experimentos realizados se toma el valor 1 y 2). El resultado de
las pruebas son mutaciones de las secuencias genéticas obtenidas de la simulación de la
evolución y almacenadas en un archivo con formato FASTA (.fas).
En la Tabla 2 se muestran los resultados obtenidos de simular la evolución molecular de los virus
H3N2 y H1N1, donde la columna Mutaciones es el total de mutaciones obtenidas en cada
experimento, y la columna Tiempo es el tiempo de ejecución dado en segundos para cada
experimento; con los valores de los parámetros de simulación que se indican en la Tabla 2 para
las variables: número de generaciones virales generadas en cada simulación (ngen), número de
ancestros para obtener una generación (nag), y el número de descendientes por cada ancestro
(ndv).
Tabla 2. Resultados de la simulación
Experimento
H3N2 mutaciones obtenidas con
nag = 5, ndv = 1000
H1N1 mutaciones obtenidas con
nag = 4, ndv = 2000
Mutaciones Tiempo Mutaciones Tiempo
(ngen=1)
Secuencial 3751 2949.65 6002 3682,25
GT 630 4750 4.29 8000 4,95
GT 610 4750 10.07 8000 11,25
(ngen=2)
Secuencial 5327 4943.70 12003 14445,17
GT 630 9500 13.4 14048 14,64
GT 610 8581 29.92 8539 34,61
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.78 - 93
91
En la tabla anterior es apreciable la notoria diferencia de tiempos de ejecución que existe entre la
implementación secuencial y la de nuestro modelo de paralelización, evidencia de la reducción de
tiempo del modelo propuesto. En la representación gráfica (Figura 4) de estos resultados también
se puede apreciar que con el aumento del número de secuencias a procesar se hace aún mayor
la diferencia entre ambas implementaciones, mostrando un mayor factor de ganancia de la versión
paralela.
Figura 4. Mutaciones generadas respecto al tiempo
4. Conclusiones y Recomendaciones
Se propone un modelo de paralelización en CUDA de la simulación de la evolución de secuencias
genéticas que combina la estructura general de una aplicación CUDA con el diseño paralelo de
los dos procedimientos más complejos identificados dentro de la simulación. En la paralelización
del procedimiento de mutación se utiliza la estrategia de asignarle a cada hilo una base
nitrogenada de un aminoácido para calcularle sus posibles mutaciones y en el caso del
procedimiento de clasificación se le asigna a cada hilo todo el aminoácido para ser clasificado.
Los resultados experimentales muestran que el modelo paralelo propuesto al ser implementado
ofrece un mejor desempeño que la implementación secuencial. Con el aumento del número de
secuencias a procesar aumenta significativamente el tiempo de ejecución de la versión
secuencial, sin ser significativo este aumento de tiempo en la versión paralela.
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0
5000
10000
H3N2 (1gen)
H1N1 (1gen)
H3N2 (2gen) H1N1 (2
gen)
2949.65 3682.25 4943.7
14445.17
4.29 4.95
13.4 14.64
10.07 11.25
29.92 34.61
Tiem
po
(s)
Mutaciones Generadas
Secuencial Paralelo 1 Paralelo 2
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.94 - 106 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2016/10/26 Aceptado (Accepted): 2017/03/28
CC BY-NC-ND 3.0
Estudio de las condiciones de trabajo en bibliotecas de la ciudad de
Quito y la exposición de sus trabajadores a hongos
(Study of the working conditions in libraries of Quito city and the
exposure of its workers to fungi)
Rosa Morales Carrera1, Remigio Chalán Paladínez1
Resumen:
El objetivo fue establecer los determinantes de riesgo en los trabajadores de bibliotecas de la
ciudad Quito, debido a su exposición a hongos. Se recolectaron datos sobre condiciones de
infraestructura y organización del trabajo, medidas de temperatura, humedad relativa,
iluminación y ventilación. Se determinó la carga microbiana de hongos en aire, superficies de
bienes documentales y guantes de manipuladores; en 5 bibliotecas de la Universidad
Tecnológica Equinoccial, sede Quito. Se encontró que la temperatura y humedad relativa de
los ambientes son adecuadas. El sistema de ventilación es deficiente y facilita acumulación de
polvo en los bienes documentales. Los trabajadores desconocen procedimientos de prevención
de riesgos. La contaminación microbiana es baja en el aire y alta en los guantes de los
manipuladores; en los libros la carga microbiana tiene relación directa con la cantidad de polvo
acumulado. Se caracterizaron géneros de hongos patógenos oportunistas, alergénicos, como:
Cladosporium, Aspergillus y Penicillium, entre otros. En conclusión, el riesgo biológico por
exposición a hongos es moderado, determinado por: falta de ventilación y programas de
conservación preventiva de los bienes documentales, planes de mantenimiento de
instalaciones y capacitación en seguridad y riesgos del trabajo. La vía de exposición es por
contacto con el material contaminado.
Palabras clave: biblioteca; exposición; riesgo biológico; carga microbiana; bienes
documentales.
Abstract:
The aim was to establish the risk determinants of the library workers in Quito city, due to fungi
exposure. Data were collected on infrastructure conditions and work organization,
measurements of temperature, relative humidity, lighting and ventilation. The microbial load of
fungi in air, surfaces of documentary goods and gloves of manipulators was determined; In 5
libraries of the Equinoctial Technological University, Quito. The research showed the
temperature and relative humidity of the library environments is suitable. The ventilation system
is not appropriate, so it promotes dust accumulation on physical archives, It was also evidenced
that workers do not know about any risk prevention procedures. The microbial contamination in
the air is low and it is high in the handlers’ gloves; in the books surface microbial load has a
direct relationship with the amount of accumulated dust. Some types of pathogenic opportunistic
allergenic fungi, like: Cladosporium, Aspergillus and Penicillium, among others were identified.
In conclusion, the biological risk due to fungi exposure is moderate because the exposure
mechanism is through contact with the physical archives and the fungi presence is determined
by the lack of an adequate ventilation system, physical archives preventive conservation
programs, facility maintenance plans and safety and work risk training.
Keywords: library; exposure; biological risk; microbial load; physical archives.
1 Universidad Tecnológica Equinoccial, Quito – Ecuador ( {rmorales, rchalan} @ute.edu.ec )
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.94 - 106
95
1. Introducción
Las bibliotecas con frecuencia funcionan en sitios que tienen condiciones ambientales
inadecuadas, principalmente humedad relativa, temperatura y ventilación, que sumadas a un
escaso o incorrecto mantenimiento, proporcionan condiciones óptimas para el desarrollo de
microorganismos (Valentín, 2004), tomando en cuenta que los bienes documentales están
constituidos principalmente por papel y sustancias orgánicas que son fuentes de nutrientes para
los hongos (Villalba, Milkán y Sánchez, 2004).
La manipulación de los libros y documentos contaminados provoca la formación de bioaerosoles,
lo que significa que en los ambientes internos los microorganismos se encuentren suspendidos en
la atmósfera, siendo muy lenta su velocidad de sedimentación (Dante, Silva y Oliver, 2003;
Borrego y García, 2012).
El Sistema de Bibliotecas de la Universidad Tecnológica Equinoccial sede Quito, está conformado
por cuatro bibliotecas: General y de Posgrados (sede Matriz); Facultades y Medicina (campus
Occidental).
En cada una de las instalaciones se realizaron los siguientes estudios: (I) evaluación de la
organización del trabajo: por turnos, descripción de la tarea, frecuencia de movimiento de los
libros, conocimientos sobre Seguridad e Higiene del trabajo, frecuencia de limpieza de
instalaciones y de bienes documentales, (II) evaluación de condiciones de trabajo que incluyen:
infraestructura, condiciones termo-higrométricas (temperatura, luz, humedad relativa), iluminación
en cada sitio, mantenimiento (limpieza); y (III) determinación de la carga biológica y
caracterización los géneros de hongos presentes en los bienes documentales, en las manos de
los trabajadores y en el aire.
El objetivo de esta investigación fue estudiar los determinantes de riesgo biológico y la exposición
a hongos en estos centros de trabajo, para determinar el nivel de riesgo para los trabajadores y
diseñar las acciones preventivas a adoptarse.
2. Metodología
La población es el Sistema Integrado de Bibliotecas de la Universidad Tecnológica Equinoccial.
a) Muestra de aire: las bibliotecas fueron zonificadas en área de libros (dividida en zonas según su
tamaño), salas de lectura, puestos de trabajo, oficinas de control y corredores aledaños, en la
Figura 1 se puede observar, como ejemplo, la zonificación de las bibliotecas Facultades y
Medicina para el muestreo.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.94 - 106
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Figura 1. Puntos de Muestreo Biblioteca Facultades y Biblioteca Medicina
b) Muestra de bienes documentales: el cálculo de la muestra se realizó considerando como
universo el total de bienes documentales en cada biblioteca y se utilizó la fórmula 1:
1 qpkNe
Nqpkn
**))1(*(
***22
2
N = tamaño de la población
k = 1,96 constante a un nivel de confianza del 95%
e = margen de error, 5%
p = 5 % probabilidad de textos que poseen la característica del estudio
q = 95 % probabilidad de textos que no poseen la característica del estudio
n = tamaño de la muestra
En la Tabla 1 se presentan los cálculos del tamaño de muestra para cada biblioteca.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.94 - 106
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Tabla 1. Tamaño de muestra de bienes documentales
Biblioteca
Facultade
s
Biblioteca
Medicina
Biblioteca General Biblioteca
Posgrados
Procesos
técnicos libros y tesis
Hemeroteca revistas, CD's, planos
N = 14026 3700 38348 1520 1493 870
k = 1,96 1,96 1,96 1,96 1,96 1,96
e = 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
p = 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05
q = 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
n = 73 n = 72 n =73 n =70 n =70 n =67
El tamaño de la muestra se aproximó a 75 bienes documentales para repartir equitativamente el
estudio en tres zonas.
2.1. Métodos, Técnicas e Instrumentos de la Investigación
La evaluación de la organización del trabajo se realizó utilizando como método el análisis de los
datos recogidos a través de una encuesta a los bibliotecarios; se tuvieron en cuenta los siguientes
aspectos: edad, sexo, número de trabajadores, horario de trabajo, turnos, movimiento de los
bienes documentales, limpieza de las instalaciones y los bienes documentales, descripción de la
tarea y conocimientos sobre seguridad e higiene del trabajo. La evaluación de las condiciones de
trabajo tuvo 3 fases.
2.1.1. Infraestructura de los locales de trabajo
La valoración se llevó a cabo utilizando el método de la observación directa, a través de
inspecciones a cada una de las bibliotecas y departamentos que conforman el Sistema de
Bibliotecas de la Universidad Tecnológica Equinoccial, los datos fueron recogidos según una guía
de observación elaborada tomando en cuenta los siguientes aspectos: ubicación geográfica, año
de adquisición o construcción del edificio, uso para el que fue construido, área que ocupa la
Biblioteca, esquema de distribución y organización de las áreas, materiales de construcción,
material de las estanterías, tipo de iluminación, tipo de ventilación y presencia de focos de
humedad.
El análisis de los resultados de la evaluación de la organización del trabajo y de la infraestructura
contribuyó para la planificación del muestreo, ya que permitió identificar condiciones de exposición
altas y bajas, los posibles focos de contaminación, estimar la posibilidad de generación de
aerosoles e identificar zonas con diferente concentración y composición de los aerosoles.
2.1.2. Medición de las condiciones medioambientales termo-higrométricas e iluminación
Esto se efectuó mediante el registro de temperatura, humedad relativa e intensidad lumínica que
se realizó en intervalos de 1 hora por un período de 8 meses, colocando data loggers de marca
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Onset HOBO modelo U12-12; para el registro de ventilación se utilizó un anemómetro de marca
KESTREL modelo K4500 en las áreas de libros, puestos de trabajo (counters entrega – recepción
de libros) y salas de lectura en cada una de las bibliotecas. Como áreas de control se
seleccionaron corredores, salas de profesores, aulas y oficinas del Director del Sistema.
2.1.3. Evaluación Higiénica para Agentes Microbiológicos
Evaluación de aire
El muestreo se realizó según la nota técnica NTP 608 del Instituto Nacional de Seguridad e
Higiene del Trabajo español (INSHT), las muestras se recolectaron en la situación más adversa en
cada una de las bibliotecas, 3 no aleatorias para una estimación del intervalo de confianza de la
media (Hernández, 2002).
Aislamiento y caracterización, las muestras se recolectaron por sedimentación en placas con Agar
Sabouraud - cloranfenicol, colocadas a 1 metro de altura y expuestas por 1 hora. Temperatura y
tiempo de incubación: 25oC por 7 días. Se realizó el análisis morfológico macroscópico de las
colonias de hongos en base al cual se clasificaron y aislaron. Estas fueron caracterizadas en base
al análisis morfológico microscópico a partir de un frotis y tinción con azul de lactofenol.
Cuantificación, la toma de muestra se realizó por filtración con bomba de vacío, capacidad de
filtración de aire 85L/min, utilizando una membrana Microclar de Acetato de celulosa de 0,22 um;
las membranas fueron colocadas en cajas Petri con Agar Sabouraud-cloranfenicol. Temperatura y
tiempo de incubación: 25oC por 7 días. La concentración de hongos en el aire se expresó en
unidades formadores de colonia por metro cúbico de aire (UFC/m3) y se calculó usando la
Fórmula 2:
2
100.minmin3 utoporairedelitrosutosentiempo
totalescoloniasdeN
m
UFC
Evaluación en superficie (bienes documentales)
La toma de muestra se realizó siguiendo los lineamientos de la nota NTP 608 del INSHT; se
establecieron exposiciones promedio, la selección de la muestra (bienes documentales) fue
aleatoria. El área de libros se zonificó de acuerdo con el tamaño de cada biblioteca.
La recolección de la muestra para análisis microbiológico se realizó mediante el método de
hisopado en seco, en un área total de 200 cm2 por tipo de bien documental; 75 libros por biblioteca
y en cada uno se muestrearon 50 cm2 en la pasta, 50 cm2 en la contrapasta, 50 cm2 entre hojas y
50 cm2 parte superior del libro. Los 76 discos compactos (CD) se muestrearon grupos de cuatro,
50 cm2 en la superficie de cada estuche.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.94 - 106
99
Los hisopos para su traslado al laboratorio se introdujeron en tubos de ensayo que contenían 1 ml
de agua peptonada.
Se realizó una dilución 10-1, sembró 0,1 ml por extensión en agar Sabouraud-cloranfenicol, se
incubó a 25oC por 7 días y se calculó el número de UFC/cm2, utilizando la Fórmula 3.
3 ))()(1,0(
º22 smuestreadocmdilucióndefactor
totalescoloniasdeN
cm
UFC
Se realizó el análisis morfológico macroscópico para la clasificación y aislamiento de cepas y el
análisis morfológico microscópico por tinción con azul de lactofenol para la caracterización de los
géneros fúngicos.
Evaluación en guantes de manipuladores
En la toma de muestras de bienes documentales participaron 5 personas y se realizó utilizando
guantes quirúrgicos, los mismos que fueron muestreados mediante hisopado antes de empezar el
trabajo, para establecer el blanco y al final del muestreo por zonas en cada biblioteca, para
establecer la transferencia de la contaminación microbiológica de los bienes documentales al
manipulador. El área de muestreo fue de 50 cm2 en la palma de cada mano por hisopado en
húmedo. El procedimiento de traslado, incubación, cuantificación y caracterización fue el descrito
en evaluación de bienes documentales.
3. Resultados
En cuanto a la Infraestructura de los locales en los cuales funcionan las Bibliotecas se encontró
que en el área de libros la ausencia de ventilación facilita la acumulación de polvo en los bienes
documentales; esta acumulación es mayor en las zonas de baja circulación de libros
principalmente en la Biblioteca General y en la bodega de libros antiguos. En las salas de lectura
la ventilación se realiza a través de sistemas de aire acondicionado y ventanas de acuerdo con el
requerimiento de los usuarios, no se observa acumulación de polvo. Los puestos de trabajo son
una zona de transición que separa la sala de lectura del área de libros, con condiciones
ambientales compartidas.
Con respecto a la Organización del Trabajo se determinó que la horas de mayor movimiento de
bienes documentales son de 10h00 a 12h00 y de 15h00 a 17h00, en donde los trabajadores que
laboran de lunes a viernes presentan mayor probabilidad de exposición. Las Bibliotecas
Facultades y Medicina presentan mayor frecuencia de movimiento de bienes documentales, por
consiguiente los bibliotecarios que allí laboran tienen mayor probabilidad de exposición a los
agentes biológicos.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.94 - 106
100
La limpieza de las instalaciones se realiza en pisos diariamente por medio de barrido y trapeado y
en estanterías con una periodicidad mensual utilizando un limpión seco. Los bienes documentales
no se limpian y no se cuenta con un plan de mantenimiento de los mismos.
La mayoría de trabajadores no usan equipos de protección individual (EPI), no han recibido
capacitación sobre medidas de seguridad, no conocen las normas sobre seguridad y salud del
trabajo y no conocen el reglamento de seguridad de la Universidad.
El análisis de la tarea (Figura 2) demuestra que en los eventos generados en cadena, los bienes
documentales pueden contaminarse con microorganismos por efecto de la manipulación y por lo
tanto pueden ser el vehículo de exposición con el cual los trabajadores tienen contacto
permanente.
Figura 2. Flujograma de la tarea
La evaluación de las Condiciones Termo-Higrométricas e Iluminación arrojó los siguientes
resultados: El registro de ventilación fue cero en todas las bibliotecas evaluadas, lo cual facilita el
depósito y acumulación de polvo conjuntamente con microorganismos y esporas. La Humedad
Relativa y temperatura promedio así como los máximos y mínimos en cada biblioteca se pueden
observar en la tabla 2.
Tabla 2. Valores de % Humedad Relativa y Temperatura
BIBLIOTECA
% HUMEDAD RELATIVA TEMPERATURA oC
PROMEDIO MÁX MÍN PROMEDIO MÁX MÍN
Facultades 37.68 ± 1.95 40.05±5.72 35.68± 1.76 20.72 ±0.51 21.29± 2.78 19.92±1.85
Medicina 39.40 ± 1.20 40.63±0.22 38.23 ± 3.92 22.20±0.30 22.49±1.96 21.90±2.81
Posgrados 37.79 ± 1.11 38.57±5.71 37.00 ± 3.40 20.40±0.85 21.00±1.10 19.80±3.10
General 42.49 ± 4.88 47.57±0.92 35.71 ± 3.88 20.58±0.47 21.41±0.74 20.06±0.54
Rececpción de solicitud del
bien documental
Retiro del bien documental de la
estantería y llenado de la ficha
Entrega al usuario
Recepción del bien
documental
Colocar el bien
documental en la
estantería
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101
La Biblioteca General que se encuentra en el edificio antiguo es la que tiene el mayor valor de
humedad relativa y asociado a la acumulación de polvo que presenta tiene el % de riesgo más
alto, es importante mencionar que los mínimos corresponden a la zona de libros y los máximos a
la zona salas de lectura.
Los valores de iluminación registrados presentaron variaciones extremas entre 170 y 10 lux,
debido a que se tienen 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad En las oficinas y áreas de lectura
la iluminación es insuficiente.
Los géneros de hongos caracterizados fueron: Absidia, Alternaria, Aspergillus, Botrytis,
Cladosporium, Epidermophyton, Fusarium, Gliocadium, Mucor, Penicillium, Pullularia, Rhizopus,
Sporularia, Talaromyces, Trichothicium, Ulocladium. Los géneros que se encontraron con mayor
frecuencia y estuvieron distribuidos en todas las bibliotecas tanto en libros como en aire y guantes
de manipuladores fueron Cladosporium, Penicilium, y Aspergillus.
En cuanto a la distribución de la carga biológica total de hongos en el aire, se encontraron
diferencias entre las zonas dentro de cada biblioteca, evidenciándose el nivel más alto en los sitios
en que el número de personas presentes es mayor, como en las salas de lectura, la sala de
profesores y el aula, estas dos últimas tomadas como zonas de control, con excepción de la
Biblioteca General y de Procesos Técnicos, en las cuales la mayor concentración fue en la
Hemeroteca y en la reserva de libros antiguos respectivamente, como se puede ver en la Tabla 3.
Tabla 3. Sitios con carga microbiológica alta en aire
BIBLIOTECA SITIO UFC/m3 HONGOS
FACULTADES SALA DE LECTURA 18,4 ± 2,4
MEDICINA SALA DE LECTURA 10,2 ± 1,7
FACULTADES Y DE MEDICINA CORREDOR LATERAL 10,2 ± 2,96
ZONA CONTROL
MÓDULO DE PROFESORES DE CIENCIAS EXACTAS
5,1 ± 2,7
GENERAL HEMEROTECA 22,8 ± 4,1
POSGRADOS SALA DE LECTURA 6,8 ± 2,4
PROCESOS TÉCNICOS BODEGA LIBROS ANTIGUOS 18,6 ± 1,2
ZONA CONTROL AULA B 35 B. SEDE MATRIZ 5,5 ± 1,8
La mayor carga biológica de hongos en bienes documentales como se observa en la tabla 4, está
en las zonas que tienen mayor acumulación de polvo, observándose una relación directa entre los
dos factores; la de mayor riesgo es la de almacenamiento de CD y planos de la Biblioteca
General.
La carga microbiológica de hongos en los guantes de los manipuladores, en un tiempo promedio
de manipulación de 1 hora 30 minutos, llegó a valores de 350 UFC/ cm2.
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Tabla 4. Sitios con carga microbiológica alta en superficie de bienes documentales
BIBLIOTECA SITIO UFC/cm2 HONGOS
FACULTADES ZONA 3 (tesis) 11,4
MEDICINA ZONA 3 3
GENERAL ZONA CD´s 26,6
POSGRADOS Estantería del fondo 1,2
PROCESOS TÉCNICOS BODEGA LIBROS ANTIGUOS 9,2
3. Discusión
El nivel de acumulación de polvo debido a la falta de ventilación y de un programa de
mantenimiento de instalaciones y bienes documentales en algunas zonas de las bibliotecas y
principalmente en la Biblioteca General es crítico y puede generar un grave daño tanto para los
bienes como para los trabajadores. Según Borrell et al. (2004) y Guerrero et al. (2004), la limpieza
debe realizarse periódicamente en pisos, estanterías, ventanas y paredes, de acuerdo con el nivel
de acumulación de polvo que se dé en cada sitio. La limpieza de bienes documentales es parte
del plan de conservación preventiva de bienes documentales, tiene dos instancias: la limpieza de
rutina que debe ser diaria mediante aspiración y la limpieza periódica libro a libro con brocha y
aspiración (Guerrero, et al., 2004; y Cid, 2008).
En cuanto a medidas de Seguridad, la normativa legal vigente a nivel mundial indica que se deben
elaborar programas de capacitación e información a los trabajadores sobre seguridad y
prevención de riesgos laborales, estos conocimientos le permiten al trabajador adoptar medidas
para prevenir accidentes de trabajo y enfermedades profesionales.
Humedad Relativa y Temperatura (figuras 3 y 4), están por debajo de los valores que Totora, et al
(2007) indica como idóneos para el crecimiento de microorganismos (HR 65 – 70 % y
Temperatura 25 – 40°C). Las condiciones existentes ayudan a controlar la proliferación de hongos
y son favorables para la conservación de bienes documentales con soporte en papel, Caneva et al
(1991) y Borrell et al (2004) recomiendan valores entre 45% y 55% de Humedad Relativa y
temperaturas entre 16°C y 21°C.
Borrell et al, (2004) recomienda una intensidad de luz de entre 50 y 200 lux para evitar daños en
los documentos con soporte en papel; los valores registrados en las horas de claridad están
dentro de estos parámetros pero los valores de oscuridad están bajo los límites recomendados y
contribuirían al desarrollo de hongos si las condiciones de humedad relativa aumentaran. En las
zonas de lectura la iluminación es insuficiente de acuerdo con los parámetros de confort visual
500 lux según la norma DIN 5035.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.94 - 106
103
Figura 3: Resultados de % de Humedad Relativa en las Bibliotecas
Figura 4: Resultados de Temperatura en las Bibliotecas
Los géneros de hongos identificados en los bienes documentales y en el aire interior de las
bibliotecas son celulolíticos (Martín, 2014), fueron consistentes con los encontrados en
investigaciones realizadas en bibliotecas a nivel de Latinoamérica (Medina, et al 1999); (Matheus,
et al. 2011); (Bueno, Silva, Oliver, 2003) y (López, et al. 2011) y los enunciados en las notas NTP
del INSHT. Los géneros de hongos Cladosporium, Penicillium y Aspergillus fueron los
0
10
20
30
40
50
60
70
BIBLIOTECA POSGRADOS
ZONA CONTROL MATRIZ
PROCESOS TÉCNICOS
BIBLIOTECA GENERAL
ZONA CONTROL
OCCIDENTAL
BIBLIOTECA MEDICINA
BIBLIOTECA FACULTADES
% H
.R.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
BIBLIOTECA POSGRADO
ZONA CONTROL
MATRIZ
PROCESOS TÉCNICOS
BIBLIOTECA GENERAL
ZONAS CONTROL
OCCIDENTAL
BIBLIOTECA MEDICINA
BIBLIOTECA FACULTADES
TEM
PER
ATU
RA
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104
predominantes. Pertenecen al grupo 2 de la clasificación presentada por la OMS según el grado
de peligrosidad. Son agentes patógenos oportunistas que pueden causar enfermedades
importantes en vías respiratorias y digestivas, si las condiciones inmunológicas de los
bibliotecarios decaen, también pueden desarrollar sensibilidad de tipo alérgico por la exposición
continua (OMS, 2005).
La concentración microbiológica de la fracción cultivable presente en el polvo expresada en
UFC/cm2 fue mayor en las zonas de baja circulación de los documentos en las cuales el peligro es
potencial.
El movimiento que se realiza de los libros diariamente no produce aerosoles en cantidades
suficientes como para contaminar el ambiente. La mayor concentración en aire determinada para
hongos 22,8 ± 4,1 UFC/m3, valores que están bajo del rango considerado aceptable (300 a 500
UFC/ m3) y más aún de 10000 UFC /m3 que es el valor que indica contaminación nota NTP 299
del INSHT (Martí, M.1991). Por consiguiente el ambiente de las bibliotecas estudiadas se
considera no contaminado.
El análisis de relación en cuanto a la carga biológica presente en aire, superficie libros y manos,
permitirá identificar la vía de exposición y al mismo tiempo determinar el nivel de riesgo existente
(Figura 5).
Figura 5 Relación carga biológica de Hongos
La carga microbiológica de hongos en el aire y en la superficie de los bienes documentales es
baja, no así la determinada en los guantes de los manipuladores, lo cual indica que la vía de
exposición es por contacto con objetos contaminados, en este caso los bienes documentales son
el vehículo de transmisión por la cantidad de polvo acumulado en su superficie.
0
100
200
300
400
LIB
RO
SU
FC/c
m2
GU
AN
TES
MA
NIP
ULA
DO
RES
UFC
/cm
2
ZON
A L
IBR
OS
UFC
/m3
ZON
A C
OU
NTE
RS
UFC
/m3
SALA
S D
E LE
CTU
RA
UFC
/m3
ZON
AS
CO
NTR
OL
UFC
/m3
CO
RR
EDO
RES
UFC
/m3
AIRE
FACULTADES
MEDICINA
B. GENERAL
POSTGRADOS
PROCESOSTÉCNICOS
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4. Conclusiones
Las determinantes de riesgo de la exposición a hongos en el Sistema Integrado de Bibliotecas de
la Universidad Tecnológica Equinoccial son la falta de: un adecuado sistema de ventilación, un
programa de conservación preventiva de los bienes documentales, un programa de
mantenimiento de las instalaciones y un programa de capacitación en Seguridad y Riesgos del
Trabajo a los bibliotecarios.
Existe transferencia de los microorganismos entre libros, aire y trabajadores, el nivel de riesgo es
medio en la Biblioteca General y en la oficina de Procesos Técnicos, bajo en las Bibliotecas de:
Medicina, Posgrados y Facultades.
La vía de exposición al riesgo biológico es por contacto con el material contaminado.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.107 - 120 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2017/01/19 Aceptado (Accepted): 2017/03/28
CC BY-NC-ND 3.0
Rendimiento de Enfoques de Control Auto-Disparado
(Performance of Self-Triggered Control Approaches)
Carlos Rosero1, Cristina Vaca1, Luz Tobar Subía1, Fredy Rosero1
Resumen:
El control auto-disparado produce secuencias de muestreo no periódico que varían según
varios de factores de diseño relacionados con la estabilidad y el rendimiento del sistema a ser
controlado. Dentro de este marco, recientemente han sido desarrollados dos enfoques dirigidos
a minimizar un costo cuadrático, considerando un rendimiento óptimo y persiguiendo el mismo
objetivo de control; cada una de ellos sigue una regla de muestreo diferente. Un enfoque se
basa en mantener el valor de control actual tanto tiempo como sea posible, mientras que un
umbral de rendimiento óptimo no se traspase. El otro enfoque se basa en la generación de una
señal de control a trozos que se aproxima a una señal de control óptima continua, sujeta a
determinadas limitaciones. Este artículo presenta un estudio comparativo entre los dos
enfoques, proporcionando una percepción útil para la realización de futuras investigaciones.
Como métricas de interés, el rendimiento de control y la utilización de recursos fueron
considerados, y para evaluarlos, se hizo uso del intervalo de muestreo promedio y del costo
normalizado. Se demostró que el diferente espacio de búsqueda de cada enfoque plantea un
desafío para diseñar un marco de comparación equitativo, y que ambos enfoques superan al
muestreo periódico.
Palabras clave: procesamiento en tiempo real; reglas de muestreo; control óptimo; control
manejado por eventos; regulador cuadrático lineal.
Abstract:
The self-triggered control produces non-periodic sampling sequences that vary depending on
design factors related to stability and performance of the controlled system. Within this
framework, two approaches aimed at minimizing a quadratic cost have been developed
recently, considering an optimal performance and pursuing the same control objective; each
approach follows a different sampling rule. One approach is based on maintaining the current
control value as long as possible, while an optimal performance threshold is not passed. The
other approach is based on the generation of a piecewise control signal, which approximates a
continuous optimal control signal subject to certain constraints. This article presents a
comparative study between the two approaches, providing a useful insight for conducting future
research. Control performance and resource utilization were considered as metrics of interest
and to evaluate them, the average sampling interval and the standardized cost were taken into
account. It was shown that the different search space of each approach poses a challenge to
design an equitable framework of comparison, and that both approaches exceed the periodic
sampling.
Keywords: real-time computing; sampling rules; optimal control; event-driven control; linear
quadratic regulator.
1 Universidad Técnica del Norte, Ibarra – Ecuador ( {cxrosero, cvaca, lmtobarsubia, farosero} @utn.edu.ec )
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
108
1. Introducción
En la actualidad, los controladores son implementados usando sistemas computacionales en los
cuales la tarea de control comparte recursos de procesamiento y red con otras tareas. El muestreo
periódico establece que la tarea de control se debe ejecutar (disparar) en función del tiempo, es
decir, cada vez que el período de muestreo se cumple, incurriendo a menudo en la
sobreutilización de recursos (Astrom, 1999). Sin embargo, los esquemas no periódicos de
muestreo pueden ser más efectivos que los periódicos, al balancear el rendimiento de control en
lazo cerrado (calidad de control) en función de la utilización de recursos (Gommans, 2015).
Dos tipos de aproximaciones que abandonan el paradigma de control periódico son el control
disparado por eventos (ETC, Event-Triggered Control) y el control auto-disparado (STC, Self-
Triggered Control), (Heemels, 2012). El primero es reactivo y requiere de la ejecución de la tarea
de control cuando algún estado de la planta sobrepasa cierto valor de umbral (Arzén, 1999). El
segundo calcula previamente cuándo será la próxima vez que la tarea de control se debe ejecutar
(Velasco, 2003). Tanto ETC como STC se componen de dos elementos: un controlador con
realimentación que calcula la entrada de control, y un mecanismo de disparo que determina
cuándo debe actualizarse de nuevo esta entrada de control.
El presente artículo se centra en analizar reglas para muestreo aplicadas en STC, direccionadas a
producir secuencias de entradas de control con costo menor o igual que el costo óptimo, el cual
corresponde al mínimo dado por el regulador cuadrático lineal (LQR, Linear Quadratic Regulator)
de tiempo discreto (Astrom, 1997). El problema de la regla para muestreo óptimo ha sido
recientemente abordado en (Rabi, 2008), (Velasco, 2011), (Meng, 2012), (Molin, 2013), (Bini,
2014), (Gommans, 2014) y (Velasco, 2015), cuya contribución ofrece formulaciones factibles en
diferentes entornos, a la vez que identifica posibles limitaciones en términos de optimalidad,
tratabilidad computacional y/o aplicación práctica. Sin embargo, dentro de la literatura existente,
no se encuentra un marco comparativo o una metodología para evaluar sus propiedades.
Para superar esta limitación el presente trabajo considera dos enfoques de STC, (Gommans,
2014) y (Velasco, 2015), con el objetivo de identificar los aspectos claves que una metodología de
comparación debe tener en cuenta para la evaluación del rendimiento. La contribución de este
trabajo consiste en presentar un análisis comparativo de las dos aproximaciones, donde el
rendimiento de control y la utilización de recursos son las principales métricas de interés. Además,
el equilibrio inherente entre rendimiento y utilización es la base para establecer la metodología
utilizada en el análisis comparativo de desempeño. Los resultados obtenidos a través de
simulaciones revelan sus posibles beneficios y limitaciones, a la vez que permiten extraer
lineamientos para el diseño futuro de nuevas reglas de muestreo óptimo.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
109
El resto del documento está estructurado de la siguiente manera. La Sección 2 presenta la base
teórica necesaria para comprender los dos enfoques de control; muestra las pautas a seguir para
desarrollar el análisis comparativo. La Sección 3 ilustra numéricamente la evaluación de
rendimiento y muestra la discusión de los resultados. Finalmente, la Sección 4 concluye el
manuscrito.
2. Metodología
En adelante, la aproximación en Gommans (2014) llamada control cuadrático lineal auto-
disparado (Self-Triggered Linear Quadratic Control) se citará como STLQ. La aproximación en
Velasco (2015), llamada control auto-disparado inspirado en muestreo óptimo (Optimal-Sampling-
Inspired Self-Triggered Control), se mencionará como OSIST.
Ambos enfoques de STC consideran un sistema lineal continuo invariante en el tiempo (LTI,
Linear Time-Invariant), regido por
{�� = 𝐺𝑥 + 𝐻𝑢
𝑥(0) = 𝑥0 (1)
donde 𝑥 ∈ ℝ𝑛 es el vector de estados y �� ∈ ℝ𝑚 es el vector de señales de entrada, 𝐺 ∈ ℝ𝑛×𝑛 y
𝐻 ∈ ℝ𝑛×𝑚 son matrices que describen la dinámica del sistema, y 𝑥0 es el vector de estados
iniciales.
Una diferencia fundamental entre STLQ y OSIST, consiste en que el primero contempla el trabajo
bajo condiciones de ruido. Sin embargo, el estudio desarrollado a través de este artículo no lo
considera, ya que ambos enfoques presentan contribuciones comparables para el caso de
condiciones ideales.
La señal de entrada de control continua 𝑢 en (1) está limitada a ser constante a trozos,
𝑢(𝑡) = 𝑢𝑘 , ∀𝑡 ∈ [𝑡𝑘−1, 𝑡𝑘), (2)
donde 𝑢𝑘 ∈ ℝ𝑚 es la entrada de control en tiempos discretos 𝑘 ∈ ℕ , y 𝑡𝑘 ∈ ℝ simboliza los
instantes de muestreo. El patrón de muestreo está representado por los valores que separan dos
instantes consecutivos llamados intervalos de muestreo 𝜏𝑘 . Los instantes de muestreo y los
intervalos de muestreo están relacionados entre sí a través de
{𝑡𝑘 = 𝑡0 + ∑ 𝜏𝑖, 𝑡0 = 0, 𝑘 ≥ 1 𝑘−1
𝑖=0
𝜏𝑘 = 𝑡𝑘+1 − 𝑡𝑘 (3)
El problema óptimo LQR de horizonte infinito en tiempo continuo contempla la búsqueda de una
señal de entrada que minimiza la función de costo
𝐽 = ∫ (𝑥𝑇𝑄𝑥+𝑢𝑇𝑅𝑢)∞
0𝑑𝑡 (4)
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
110
considerando las matrices 𝑄 ∈ ℝ𝑛×𝑛 positiva semidefinida, y 𝑅 ∈ ℝ𝑚×𝑚 positiva definida. Para el
control LQR de horizonte infinito en tiempo discreto, se pueden usar formas discretas conocidas
(Astrom, 1997).
En el muestreo periódico se tiene 𝜏𝑘 = 𝜏 para todos los 𝑘, donde 𝜏 es el período de muestreo. A
través de técnicas de discretización usuales (Astrom, 1997), y considerando
Φ(𝜏) = 𝑒𝐺𝜏, (5)
Γ(𝜏) = ∫ 𝑒𝐺(𝜏−𝑡)𝑑𝑡𝐻,𝜏
0 (6)
la dinámica (1) puede ser descrita por el sistema LTI en tiempo discreto
{𝑥𝑘+1 = Φ(𝜏)𝑥𝑘 + Γ(𝜏)𝑢𝑘
𝑥(0) = 𝑥0 (7)
donde 𝑥𝑘 = 𝑥(𝑡𝑘) es el estado muestreado en 𝑡𝑘 . La ecuación (4) puede describirse como un
problema óptimo LQR de horizonte infinito en tiempo discreto,
𝐽𝜏 = ∑ (𝑥𝑘𝑇𝑄𝜏𝑥𝑘 + 2𝑥𝑘
𝑇𝑆𝜏𝑢𝑘 + 𝑢𝑘𝑇𝑅𝜏𝑢𝑘)∞
0 (8)
con las matrices 𝑄𝜏 ∈ ℝ𝑛×𝑛 positiva semidefinida, 𝑅𝜏 ∈ ℝ𝑚×𝑚 positiva definida y 𝑆𝜏 ∈ ℝ𝑛×𝑚, todas
obtenidas a través de discretizaciones conocidas (Astrom, 1997).
2.1. Enfoques de control auto-disparado
En STLQ y OSIST, tanto la regla de muestreo como la entrada de control a trozos se resuelven
minimizando el costo LQR. La regla de muestreo genera intervalos de muestreo 𝜏𝑘 según el
estado muestreado 𝑥𝑘 y un conjunto de parámetros. La entrada de control consiste en una
ganancia calculada para trabajar durante el intervalo 𝜏𝑘 y depende además del estado muestreado
𝑥𝑘.
2.1.1. Control Cuadrático Lineal Auto-Disparado (STLQ)
Esta aproximación presenta una regla de muestreo inspirada en el problema clásico LQR de
tiempo discreto que busca mantener constante cada entrada de control durante el mayor número
de pasos posible, ampliando así cada intervalo de muestreo, y garantizando un rendimiento de
control (Gommans, 2014). Esta garantía de rendimiento se da en términos de una función de
costo LQR de tiempo discreto; las muestras se activan de acuerdo con una degradación
permisible, especificada en el costo LQR y limitada por un intervalo de muestreo mínimo dado.
La regla de muestreo puede ser descrita a través de una notación diferente a la original, así
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
111
𝜏𝑘 = max {𝜏𝑐 ∶= 𝑐𝜏𝑚𝑖𝑛, 𝑐 ∈ ℕ+|min𝑢
[𝐽𝜏𝑐(𝑢, 𝜏𝑚𝑖𝑛)] ≤ 𝛽𝑥𝑘
𝑇𝑃𝜏𝑚𝑖𝑛𝑥𝑘}, (9)
considera una función de costo
𝐽𝜏𝑐(𝑢, 𝜏𝑚𝑖𝑛) = ∫ (𝑥𝑇𝑄𝑥 + 𝑢𝑅𝑢 )𝑑𝑡 + 𝑥𝑘+1
𝑇 𝑃𝜏𝑚𝑖𝑛𝑥𝑘+1
𝜏𝑐
0. (10)
El cálculo de 𝜏𝑘 en (9) busca maximizar el intervalo de muestreo actual 𝜏𝑐 (múltiplo del intervalo de
muestreo mínimo 𝜏𝑚𝑖𝑛 dado) durante el cual se aplica una señal de control constante 𝑢. El valor
específico de 𝑢 debería incurrir en un costo (10) menor que 𝛽 veces el costo mínimo que
obtendría un controlador periódico LQR de tiempo discreto, con intervalo de muestreo 𝜏𝑚𝑖𝑛, donde
𝛽 ≥ 1. En (9), 𝑃𝜏𝑚𝑖𝑛 es la única solución semidefinida positiva a la ecuación algebraica discreta de
Riccati (DARE, Discrete Algebraic Ricatti Equation) del costo cuadrático discreto (8) para 𝜏𝑚𝑖𝑛
periódico. El primer sumando en (10), el término integral, es el costo cuadrático en tiempo
continuo (4) sobre el intervalo de muestreo actual. El segundo sumando en (10), es el costo al
suponer que las muestras restantes, después del intervalo de muestreo actual, se realizan
periódicamente con 𝜏𝑚𝑖𝑛.
Además, esta aproximación sugiere que la señal de control, para un intervalo de muestreo dado
𝜏𝑘, es descrita por
𝑢𝑘 = arg min 𝑢
[𝐽𝜏𝑐(𝑢, 𝜏𝑚𝑖𝑛)]. (11)
En el documento original (Gommans, 2014) se proporciona una expresión alternativa para (11)
que tiene una forma estándar de retroalimentación lineal de estados 𝑢 = 𝑍(𝜏𝑘 , 𝜏𝑚𝑖𝑛)𝑥𝑘 donde la
ganancia 𝑍(∙) cambia en cada ejecución del controlador. Sin embargo, por propósitos de
comparación, la expresión dada en (11) ha sido considerada la más adecuada.
2.1.2. Control Auto-Disparado Inspirado en Muestreo Óptimo (OSIST)
Establece una regla de muestreo que genera entradas de control de tal manera que la señal de
control a trozos resultante, se aproxima a la entrada de control LQR de tiempo continuo,
proporcionando un muestreo más denso cuando la señal de control exhibe más variación. La
garantía de rendimiento se da en términos de densidad de muestreo, definida como el número de
muestras a lo largo de un intervalo de tiempo (véase (Bini, 2014)). Las muestras se disparan de
acuerdo con la derivativa de la entrada de control LQR de tiempo continuo y tienen como límite
superior un valor máximo dado.
La regla de muestreo se sintetiza como
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112
𝜏𝑘 = 𝜏𝑚𝑎𝑥1
𝜏𝑚𝑎𝑥𝜂
|𝑍(𝐺+𝐻𝑍)𝑥𝑘|𝛼+1 (12)
donde 𝜏𝑚𝑎𝑥 es el límite superior para los intervalos de muestreo, 𝜂 determina la densidad de la
secuencia de muestreo (pequeños valores de 𝜂 producirán instantes de muestreo más densos, es
decir muestras más frecuentes, y viceversa). El término 𝑍 es la ganancia óptima de
retroalimentación en tiempo continuo, obtenida al minimizar el costo cuadrático continuo (4). El
parámetro 𝛼 ≥ 0 determina la distribución del conjunto de muestras, permitiendo la aparición de
más muestras cuando la derivativa de la entrada de control LQR en tiempo continuo es mayor.
Véase (Bini, 2014) para una discusión sobre los ajustes del parámetro 𝛼.
Además, este enfoque sugiere que la señal de control a trozos a ser aplicada en (2) para un
intervalo de muestreo dado 𝜏𝑘, es descrita por
𝑢𝑘 = arg min 𝑢
[𝐽𝜏𝑘(𝑢, 𝜏𝑘)] (13)
que es la señal de control óptima a trozos que se aplicaría al suponer un muestreo periódico
con 𝜏𝑘. La señal de control en (13) también puede expresarse usando una forma estándar de
retroalimentación lineal 𝑢 = 𝑍(𝜏𝑘) 𝑥𝑘 donde la ganancia 𝑍(∙) cambia en cada ejecución del
controlador y corresponde a la ganancia de retroalimentación óptima en tiempo discreto,
encontrada al minimizar el costo (8) para un período de muestreo 𝜏𝑘.
2.2. Análisis de rendimiento
STLQ se centra en ampliar los intervalos de muestreo, acepta cierta degradación en los costos y
enfatiza la utilización de recursos. Además, OSIST se enfoca en producir una señal de control a
trozos para imitar la entrada de control óptima continua y da importancia al rendimiento de control.
En la Tabla 1 se agrupan las ecuaciones (14) y (15) tomadas desde (Gommans, 2014), y las
ecuaciones (16) y (17), desde (Velasco, 2015). Se usan para resumir las directrices de diseño,
tanto para las reglas de muestreo 𝜏𝑘, como para la entrada de control a trozos 𝑢𝑘. A través de
estas se pueden identificar los parámetros que afectan el funcionamiento en términos de
utilización de recursos y rendimiento de control.
Tabla 1. Reglas de muestreo y entradas de control por trozos
STLQ OSIST
𝜏𝑘 = ℳ(𝑥𝑘 , 𝜏𝑚𝑖𝑛, 𝛽) (14) 𝜏𝑘 = ℳ(𝑥𝑘 , 𝜏𝑚𝑎𝑥, 𝜂, 𝛼) (16)
𝑢𝑘 = 𝑍(𝜏𝑘 , 𝜏𝑚𝑖𝑛)𝑥𝑘 (15) 𝑢𝑘 = 𝑍(𝜏𝑘)𝑥𝑘 (17)
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
113
2.2.1. Condición inicial e intervalo de muestreo promedio
En STLQ se señala que en ausencia de ruido (caso bajo análisis), cualquier condición inicial a lo
largo de un segmento {𝛾𝑥 | 𝛾 > 0}, conducirá a una misma secuencia de intervalos de muestreo.
Dado que la ganancia del controlador es óptima, la dinámica dominante oscilará, lo que significa
que los estados saltarán a través de diferentes rayos. Esto producirá un patrón de muestreo
oscilatorio que para una ejecución suficientemente larga tendrá el mismo período promedio,
independientemente de la condición inicial. Para una caracterización extendida de las secuencias
de muestreo véase (Velasco, 2009).
En la regla de muestreo de OSIST en (12), en estado de equilibrio (𝑥𝑘 = 0), los intervalos de
muestreo son lo más largos posible (𝜏𝑘 = 𝜏𝑚𝑎𝑥 ). La tendencia consiste en obtener intervalos
largos a medida que la dinámica de lazo cerrado se aproxima al equilibrio, así, si el estado inicial
ya proporciona un intervalo largo, existe una alta probabilidad que la secuencia trabaje en el tope
superior de valores. Por lo tanto, pueden alcanzarse intervalos de muestreo promedio más
grandes.
El estado inicial más adecuado será el que para OSIST proporcione el período promedio más
corto; el tiempo de ejecución deberá ser lo suficientemente largo como para permitir que ambos
enfoques pongan al sistema de lazo cerrado en equilibrio.
2.2.2. Parámetros de muestreo
Con el fin de asegurar una comparación equitativa, es necesario que STLQ y OSIST generen
intervalos de muestreo con límites inferior y superior. En la regla de muestreo (14), STLQ tiene un
límite inferior 𝜏𝑚𝑖𝑛, mientras que en (16), OSIST un límite superior 𝜏𝑚𝑎𝑥. Por lo tanto, los intervalos
de muestreo generados por STLQ deberían ser limitados en valor máximo, y los generados por
OSIST, en valor mínimo.
En (14), 𝜏𝑚𝑖𝑛 también especifica la granularidad temporal del espacio de búsqueda para 𝜏𝑐 (véase
(9)), limitando el conjunto de valores posibles que 𝜏𝑘 puede tomar. Sin embargo, esta limitación no
se cumple para (16) donde 𝜏𝑘 puede tomar cualquier valor menor que 𝜏𝑚𝑎𝑥. Así, se debe ajustar
un valor pequeño para 𝜏𝑚𝑖𝑛 en la configuración del experimento.
Es necesario considerar que un intervalo de muestreo corto proporciona mejor rendimiento de
control (menor costo), mientras que un intervalo de muestreo largo permite menor demanda de
recursos (menor utilización). Alternativamente se puede usar el intervalo de muestreo promedio ℎ
como una métrica de utilización de recursos, considerando
ℎ =1
𝑛∑ 𝜏𝑘
𝑛−1𝑘=0 , (18)
donde 𝑛 es el número de intervalos de muestreo en un período de tiempo determinado. Mediante
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
114
la aplicación de restricciones en este valor, se evita distorsionar la operación original de cada regla
de muestreo, con el fin de obtener resultados aptos para la comparación.
En (14), considerando que cuando se tiene un muestreo periódico cada 𝜏𝑚𝑖𝑛 existe un costo
óptimo discreto, el factor de escalamiento 𝛽 especifica una degradación permitida con respecto a
este costo. Se ajusta así un grado de suboptimalidad en términos de rendimiento de control, pero
intrínsecamente, también se configura la demanda de recursos del controlador auto-disparado.
Por lo tanto, al permitir una mayor degradación ( 𝛽 más grande) se obtiene un espacio de
búsqueda más amplio para 𝜏𝑐, el cual termina con intervalos de muestreo más largos.
El factor de densidad 𝜂 en (16), regula la frecuencia de muestreo y consecuentemente afecta la
utilización de recursos. Considerando que un muestreo más denso (𝜂 más pequeño) implica la
producción de una señal de control a trozos más cercana a la óptima continua, 𝜂 especifica un
grado de suboptimalidad en términos de rendimiento de control.
El parámetro de diseño 𝛼 en (16), permite realizar un ajuste extra en el rendimiento de control.
Esta variable ajusta el muestreo de tal manera que se pueden producir más muestras ante una
mayor variación de la derivada de la entrada de control óptimo continuo (Bini, 2014); para 𝛼 = 0 se
obtiene un muestreo periódico.
2.2.3. Señales de Control
Una vez calculado el intervalo de muestreo actual 𝜏𝑘, la entrada de control a trozos 𝑢𝑘 generada
por (15) o (17), difiere solamente en la ganancia 𝑍(·) que se aplica. En la expresión de control
para STLQ (11), la ganancia se calcula suponiendo que el resto de muestras después de la
muestra actual, será igual a 𝜏𝑚𝑖𝑛. En el control de OSIST (13), se supone que el resto de muestras
será igual a la muestra actual 𝜏𝑘.
3. Resultados y Discusión
Esta sección ilustra numéricamente varias cuestiones discutidas en la Sección 2. Sobre una planta
conocida, se aplican los criterios enunciados para evaluar el rendimiento de los dos enfoques de
control auto-disparado. Además se presentan los resultados de este análisis comparativo.
3.1. Planta
La planta considerada es un sistema LTI que tiene la forma de (1) y consiste en un circuito
electrónico doble integrador, tal como se describe en Astrom (1997). Su dinámica se representa a
través de
𝐺 = [0 10 0
], 𝐻 = [01
]. (19)
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115
El costo (4) se caracteriza por las matrices de ponderación
𝑄 = [20 00 0.01
], 𝑅 = [0.05], (20)
cuyos valores han sido elegidos para obtener gráficas lisas. En una función de costo LQR, la
matriz Q define los pesos en los estados mientras que la matriz R especifica los pesos en la
entrada de control. Se puede consultar Murray (2006) para mayor información sobre el ajuste de
estas matrices.
A continuación, en las Figuras 1 y 2 se observa el rendimiento de STLQ y OSIST respectivamente.
Las gráficas de tallo en azul (Stems) representan las secuencias de muestreo. En el eje-x se
encuentran representados los instantes en que cada muestreo se realiza durante el experimento,
mientras que en el eje-y, la longitud de los tallos ilustra la magnitud de cada instante de muestreo
𝜏𝑘. Además, las gráficas en rojo exhiben la evolución de los estados 𝑥[1] y 𝑥[2] del sistema en
(19). Estas representaciones en particular, son curvas paramétricas (con 𝑡𝑘 como parámetro) que
trazan la trayectoria de cada particular solución (𝑥[1], 𝑥[2]), cuando el tiempo del experimento t se
encuentra dentro del rango 0 < t < ∞.
3.2. Evaluación de rendimiento
En la Figura 1 se ilustra la secuencia oscilante de muestreo de la respuesta natural obtenida con
STLQ dada una condición inicial arbitraria (𝑥0[1], 𝑥0[2]) = (10 cos (π
4) , 10 sen (
π
4)), un intervalo de
muestreo mínimo 𝜏𝑚𝑖𝑛, y un conjunto de parámetros de diseño 𝛽. Se observa el alcance que tiene
𝛽 sobre la utilización de recursos: valores más pequeños de 𝛽 producen patrones de muestreo
más densos (mayor utilización), y viceversa, como se enunció en la Sección 2.2.2. Este mismo
efecto de utilización se puede advertir a través de la métrica de intervalo de muestreo promedio ℎ
en (18). Además, los retratos de fase ilustran la convergencia de los estados de la planta hacia el
punto de equilibrio (𝑥[1], 𝑥[2]) = (0,0), indicando estabilidad del sistema a pesar de las diferentes
densidades del muestreo.
La Figura 2 muestra el patrón de muestreo (que primero oscila y luego se estabiliza) de la
respuesta natural obtenida a través de la estrategia OSIST, considerando la misma condición
inicial que la usada para evaluar STLQ (Figura 1), un intervalo de muestreo máximo 𝜏𝑚𝑎𝑥, un
parámetro de distribución de muestras 𝛼, y un conjunto de valores de densidad de la secuencia de
muestreo 𝜂 . Es evidente que el valor del parámetro 𝜂 influye en la utilización de recursos,
produciendo muestreos más densos cuando su valor es menor, como se mencionó en la Sección
2.2.2. Además, el muestreo promedio ℎ es más pequeño para muestreos más densos,
corroborando un mayor uso de recursos. En cuanto a los retratos de fase, se puede observar que
los estados convergen al punto de equilibrio indistintamente de las secuencias de muestreo,
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
116
confirmando la estabilidad del sistema. Es importante distinguir que conforme los estados tienden
al equilibrio, el muestreo tiende a 𝜏𝑚𝑎𝑥.
Figura 1. Intervalos de muestreo en STLQ para 𝜏𝑚𝑖𝑛 = 0.005𝑠 y 𝛽 ∈ {1.001, 1.005, 1.01}
Figura 2. Intervalos de muestreo en OSIST para 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0.4s , 𝛼 = 0.67 y 𝜂 ∈ {0.5, 1.0, 1.5}
En la Figura 3 se analiza el impacto del estado inicial sobre el desempeño de cada enfoque,
considerando al intervalo de muestreo promedio como función de la orientación inicial de los
estados (véase la Sección 2.2.1). Cada aproximación estabiliza la planta ante diferentes
condiciones iniciales expresadas en términos de magnitud constante y orientación variable (se
muestran solo ángulos dentro del intervalo [0, 𝜋] ya que la segunda mitad del círculo es simétrica
con respecto a la primera mitad). Si se observa la Figura 3, se obtiene menor utilización (mayor
muestreo promedio) para el intervalo de orientaciones [1.5, 2], en las dos reglas de muestreo.
Enfoque UTE, Mar.2017, pp.107 - 120
117
Finalmente, tanto en STLQ como en OSIST el intervalo de muestreo promedio depende de la
condición inicial.
Figura 3. Efecto de la orientación de estado, en STLQ (azul), con 𝜏𝑚𝑖𝑛 = 0.005s, 𝛽 = 1.005, y en OSIST
(rojo), con 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0.4, 𝜂 = 1.5 y 𝛼 = 0.67 para OSIST
La Figura 4 muestra el impacto que tienen 𝛽 y 𝜂 en el rendimiento de control. Para ello se utiliza
como métrica el costo normalizado, definido como
𝐽𝑁 =𝐽𝜏−𝐽∞
𝐽∞ , (21)
donde 𝐽∞ es el costo LQR mínimo del sistema en tiempo continuo (4), y 𝐽𝜏 es el costo discreto en
(8) pero con intervalos de muestreo variables. En la misma Figura 4, la línea negra corresponde al
costo obtenido a través del control LQR periódico en tiempo discreto, para diferentes períodos de
muestreo. Como puede observarse, el desempeño del controlador periódico disminuye a medida
que el período de muestreo aumenta. La curva en azul corresponde a STLQ y la curva en rojo a
OSIST, para diferentes parámetros 𝛽 y 𝜂 respectivamente, con configuraciones y estados iniciales
arbitrarios. Si se tiene en cuenta que 𝛽 y 𝜂 indican la densidad de la discretización, se evidencia
que para valores pequeños, ambos enfoques proporcionan tanto intervalos de muestreo promedio
cortos (mayor utilización), como menores costos. Las dos aproximaciones superan al caso
periódico.
Un posible espacio para investigar dentro del enfoque STLQ (Gommans, 2014) consistiría en,
cumpliendo la misma restricción en el costo, no solo considerar el intervalo de muestreo actual,
sino más de un intervalo de muestreo. Además, una nueva alternativa podría explorar si la
ocurrencia de intervalos cortos de muestreo adicionales, mejoraría el costo sin poner en riesgo la
utilización. Lo anterior se enuncia considerando que ampliar los intervalos de muestreo tanto
como sea posible, no es una garantía para lograr un costo mínimo.
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118
Figura 4. Efecto del factor de escala 𝛽 en STLQ (azul) para 𝜏𝑚𝑖𝑛 = 0.005s y 𝛽 ∈ {1.001, 1.002, . . . , 1.020}, y
efecto del factor de densidad 𝜂 en OSIST (rojo) para 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0.4s, 𝛼 = 0.67 y 𝜂 ∈ {0.75, 0.80, . . . , 1.7}
En OSIST (Velasco, 2015), dado que el costo normalizado bordea cero (Figura 4), y que el
algoritmo para ajustar los parámetros de diseño todavía está incompleto, investigaciones futuras
podrían explorar el efecto que estos parámetros ejercen sobre el costo. La sencillez de la regla de
muestreo (12) facilita su implementación, pero introduce un grado de suboptimalidad cuando se
utiliza la aproximación de primer orden de la dinámica de lazo cerrado. Por lo tanto, en estudios
posteriores, podría considerarse el uso de aproximaciones de orden superior.
Como trabajo futuro sería factible la formulación de una búsqueda de los ajustes de control que
minimicen el costo sujeto a una restricción en demanda de recursos (común para los dos
enfoques). Se puede considerar al intervalo promedio de muestreo como una restricción
adecuada, utilizando condiciones iniciales que proporcionen al menos un intervalo promedio
similar entre las dos aproximaciones.
4. Conclusiones y Recomendaciones
Se ha presentado un análisis comparativo de dos enfoques de control auto-disparado que siguen
principios de diseño distintos. Este estudio ha demostrado que: ambos tienen un desempeño que
supera al del muestreo periódico y queda campo por explorar en la formulación de métricas y
condiciones de trabajo aplicables en su evaluación conjunta.
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Enfoque UTE, V.8-N.2, Mar.2017, pp.121 - 130 http://ingenieria.ute.edu.ec/enfoqueute/
e-ISSN: 1390‐6542 / p-ISSN: 1390-9363
Recibido (Received): 2017/01/31 Aceptado (Accepted): 2017/03/29
CC BY-NC-ND 3.0
La desnaturalización de las proteínas de la leche y su influencia en el
rendimiento del queso fresco
(Denaturation of milk proteins and their influence on the yield of fresh
cheese)
Ana Mejía-López1, Sonia Rodas1, Darío Baño1
Resumen:
Para determinar la desnaturalización que sufren las proteínas de la leche por los efectos del
tratamiento térmico en la pasteurización y establecer su influencia en el rendimiento del queso
fresco fabricado, se hicieron 20 producciones a escala de laboratorio y 40 producciones en
planta. Se empleó leche cruda y tratada a 65 °C por 30 minutos, 72 °C por 15 segundos y a
ebullición por 2 segundos, y se cuantificó la proteína en la leche para calcular el porcentaje de
desnaturalización. En el queso se determinó el contenido de humedad y se cuantificó la
cantidad de queso obtenido. Los datos fueron procesados mediante análisis de medias de
Tukey. Los resultados a nivel de laboratorio reflejaron que el incremento de temperatura
provocó mayor desnaturalización de las proteínas, un mayor rendimiento y un aumento de
humedad en el queso en relación al obtenido con la leche cruda. Sin embargo,
estadísticamente los resultados demostraron que el tratamiento térmico sí influye en la
desnaturalización de las proteínas pero no en el rendimiento del queso. Los resultados
obtenidos en la investigación en fábrica revelaron que a temperatura de 65 y 72 °C el
rendimiento disminuye con relación a la producción con leche cruda, pero estadísticamente no
presenta diferencias significativas en el rendimiento para leche pasteurizada a 65 °C por 30
minutos y la leche cruda, concluyendo que la pasteurización a diferentes temperaturas
desnaturalizan la proteína pero no influye en el rendimiento del queso fresco elaborado.
Palabras clave: queso fresco; desnaturalización; tratamiento térmico; leche
Abstract:
To determine the denaturation of milk proteins by the effects of heat treatment on pasteurization
and to establish their influence on the yield of the fresh cheese manufactured, 20 laboratory-
scale controlled trials and 40 plant productions were made. Crude and treated milk was used at
65 ° C for 30 minutes, 72 ° C for 15 seconds and boiled for 2 seconds, and the protein was
quantified in milk to calculate percent denaturation. In the cheese the moisture content was
determined and the amount of cheese obtained was quantified. The data were processed by
Tukey's mean analysis (p> 0.05). The results at the laboratory level showed that the increase in
temperature caused higher denaturation of the proteins, a higher yield and an increase in
moisture in the cheese compared to that obtained with raw milk. However, statistically the
results showed that the heat treatment does influence the denaturation of the proteins but not
the performance of the cheese. The results obtained in the factory investigation revealed that at
65 and 72 ° C the yield decreases relative to the production with raw milk, but statistically does
not present significant differences in the yield, concluding that the pasteurization at different
temperatures denature the protein But does not influence the performance of fresh processed
cheese.
Keywords: fresh cheese; performance; denaturation; heat treatment; milk
1 Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba – Ecuador ( {anamejia, srodas, dbano} @unach.edu.ec )
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122
1. Introducción
Las microempresas del sector lácteo en Ecuador fabrican queso principalmente del tipo fresco no
madurado, es decir de aquel que se debe consumir inmediatamente después de la fabricación,
utilizando como materia prima indistintamente la leche cruda o la leche pasteurizada. Aunque es
conocido que la pasteurización ayuda a brindar leche y quesos inocuos, todavía la mayoría de los
productores de las microempresas creen que la pasteurización daña a la leche y produce menos
quesos que la leche sin pasteurizar. Esto se debe al desconocimiento o la poca información sobre
el efecto del tratamiento térmico en la elaboración del queso fresco y particularmente en las
proteínas, las cuales son las que intervienen mayoritariamente en la obtención del mismo.
Estudios realizados en diferentes trabajos demuestran que los tratamientos térmicos provocan la
desnaturalización de las proteínas, es decir producen un cambio en la estructura física de las
proteínas, pero en general no afectan a la composición de aminoácidos y por lo tanto a las
propiedades nutricionales de la leche. Las β-lactoglobulinas son las más afectadas en estos
tratamientos (Rynne et al., 2004) proporcionando el “gusto ácido” de la leche, mientras que las
micelas de caseína son notablemente estables e incluso a temperaturas de hasta 140 °C
(Tornadijo et al., 1998). Sin embargo, cuando se calienta por encima de los 100 ° C puede existir
una disminución del pH, que es causada por la formación de ácidos orgánicos de la degradación
de la lactosa y la precipitación de fosfato de calcio (Martínez-Castro et al., 1986).
La desnaturalización ofrece importantes ventajas tales como el aumento del rendimiento y del
valor nutritivo del queso (Kethireddipalli et al., 2010) y la destrucción de bacterias tanto benéficas
como perjudiciales. Rodríguez (2002) plantea que la leche puede tener alteraciones físicas y
pérdidas importantes del valor nutritivo cuando sufre tratamiento térmico excesivo, como por
ejemplo la pérdida de lactosa a través de la reacción de Maillard, que produce sabores y colores
indeseables. La disminución en el contenido disponible del aminoácido lisina es entre 1-2% por
efecto de la pasteurización y entre 2-4% por esterilización a altas temperaturas. Sin embargo,
tratamientos más severos como la concentración por evaporación a alta temperatura o la
esterilización en tarro pueden causar pérdidas de más de 20% (Fennema,1985). Otros cambios
significativos en las proteínas que se producen en el calentamiento de la leche por encima de los
60 ºC incluyen la desnaturalización de las proteínas del suero, las interacciones entre las
proteínas de suero desnaturalizadas y las micelas de caseína y la conversión del calcio, magnesio
y fosfato solubles en estado coloidal (Singh y Waungana, 2001).
La pasteurización de la leche en las microempresas se realiza en forma discontinua aplicando
fuego directo, o con vapor, a diferentes temperaturas. Las temperaturas más utilizadas son entre
63 a 65 °C por un tiempo de 30 minutos y de 72°C por 15 a 20 segundos. Entonces es de
importancia conocer cuál es el grado de la desnaturalización de las proteínas y cómo esto afecta
en el rendimiento del proceso de los quesos elaborados en condiciones controladas en el
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123
laboratorio y en condiciones reales en fábrica. El objetivo de este estudio es evaluar los cambios
que se producen en la leche al ser sometida a diferentes tiempos y temperaturas y su influencia
en la calidad y rendimiento del queso fresco. Para esto se cuantificó el porcentaje de proteína en
la leche cruda y tratada a tres niveles de temperatura y tiempos de sostenimiento, se calculó el
porcentaje de desnaturalización de la proteína en la leche y se determinó el porcentaje de
humedad y el rendimiento de los quesos.
2. Metodología
Este estudio fue desarrollado en el laboratorio de Control de Calidad de Alimentos de la
Universidad Nacional de Chimborazo y en la planta de producción de la microempresa “Lácteos
San Salvador” del cantón Riobamba, provincia de Chimborazo, ubicado en la sierra central del
Ecuador.
2.1 Diseño experimental.
Se utilizó un diseño experimental completamente aleatorizado a dos niveles: un nivel controlado
en laboratorio y un nivel en condiciones reales de fábrica.
A nivel de laboratorio, se trataron 20 unidades experimentales desglosadas en 4 tratamientos con
5 réplicas. Los tratamientos consistieron en (1) leche cruda o sin pasteurización, (2) leche
pasteurizadas a 65°C por 30 minutos, (3) leche pasteurizada a 72°C por 15 segundos, y (4) leche
pasteurizada a punto de ebullición por 2 segundos. Para cada repetición se utilizaron 10,5 litros de
leche repartida de la siguiente manera: 0,5 litros para determinar la calidad de la materia prima, y
para cada tratamiento 2,5 litros de los cuales 0,5 litros fueron utilizados para determinar por
duplicado el porcentaje de proteína que permitió calcular el porcentaje de desnaturalización, y 2
litros para elaborar el queso en el cual se determinó el peso y el porcentaje de humedad.
A nivel de fábrica se realizaron 40 unidades experimentales (4 tratamientos con 10 repeticiones).
Para cada unidad experimental se utilizaron 500 litros de leche y se fabricaron queso en moldes
de 700 gramos. Para determinar la influencia en el rendimiento se contó el número de quesos
fabricados y se calculó el rendimiento en kilogramos de queso por 100 kilogramos de leche.
2.2. Procedimientos
2.2.1 Análisis físico químicos
Para el control de calidad de la leche se utilizó el analizador de Leche Ultrasónico, marca
Milkotester, con el cual se cuantificaron los parámetros de densidad, grasa, proteínas y punto
crioscópico. Para la determinación de acidez, pH, prueba de alcohol y prueba de azul de
metileno, se siguieron los métodos de ensayo NTE INEN 13, 973, 018 y 1500 respectivamente.
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124
2.2.2 Determinación del porcentaje de desnaturalización
El procedimiento aplicado fue el descrito por Manji y Kakuda (1987) que consiste en calcular el
porcentaje de desnaturalización comparando el porcentaje de nitrógeno de la leche tratada
térmicamente con el porcentaje de nitrógeno de la leche cruda, mediante la ecuación
% Desnaturalización =WPNraw − WPNheated
WPNraw× 100 ,
dónde WPNraw es el porcentaje de nitrógeno de la leche cruda y WPNheated el porcentaje de
nitrógeno de la leche pasteurizada.
En nuestro caso se tomaron los 0,5 litros de leche y se filtraron para garantizar que no existan
impurezas o cuerpos extraños. Luego se pasteurizaron en baño maría a las diferentes
temperaturas y tiempos indicados anteriormente con agitación manual constante. Finalmente las
muestras se enfriaron rápidamente hasta una temperatura de 20 °C y se filtraron al vacío. El
porcentaje de nitrógeno se determinó por el método de Kjeldahl (Método de digestión en parrilla
usando cobre como catalizador y una unidad de destilación con vapor marca VELP). El
porcentaje de proteína se calculó utilizando el factor 6,38 correspondientes a lácteos.
2.2.3 Proceso de elaboración del queso fresco
Para la elaboración del queso fresco en el laboratorio se siguió el mismo procedimiento utilizado
por la microempresa “San Salvador” que consistió en los siguientes pasos:
1) Subir la temperatura de la leche a las tres temperaturas bajo estudio, 65 °C, 72 °C y a punto
de ebullición, en el menor tiempo posible. Dejar transcurrir 30 minutos, 15 segundos y 2
segundo respectivamente y enfriar rápidamente hasta alcanzar 40 °C.
2) Para la producción de queso con leche cruda subir la temperatura hasta 40 °C.
3) A todos los tratamientos se adicionó 0,02%m/m de cloruro de calcio (a nivel de fábrica la
cuajada del tratamiento a punto de ebullición fue muy blanda y difícil de manejar por lo cual se
adicionó el doble de cloruro de calcio).
4) Se enfrió a 38 °C para adicionar la cantidad de cuajo recomendado por el fabricante y se dejó
reposar por 30 minutos para que se forme la cuajada.
5) Transcurrido el tiempo se realizó mediante batido lento el corte de la cuajada, se procedió al
desuerado, moldeado, enmallado y prensado por 2 horas.
6) Se sumergieon los quesos en sal muera por 2 horas y se orearon por 5 minutos.
2.3 Análisis estadístico
Los resultados de cada uno de los parámetros determinados fueron procesados mediante un
análisis de varianza ANOVA de un factor y los promedios se compararon por el test de Tukey con
un nivel de significancia de 0,05 con el uso del programa estadístico SPSS.
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3. Resultados y discusión
3.1 Calidad de la leche
La Tabla 1 muestra el análisis fisicoquímico de la leche entera. Los niveles indicados se
encuentran dentro de los requisitos que establece la Norma INEN 9:2012 para leche cruda y
corresponden a leche de buena calidad.
Tabla 1. Promedios del análisis fisicoquímico de la leche cruda
PARÁMETROS RESULTADOS Norma INEN 9:2012
Min Max
Densidad a 15 °C 1,029 ± 0,001 1,029 1,033
% Grasa 3,775 ± 0,150 3 -
% S. totales 18,783 ± 0,490 11,2 -
% Acidez exp Ac. Láctico 0,172 ± 0,006 0,13 0,18
pH 6,850 ± 0,050 - -
P. Crioscópico °H -0,554 ± 0,024 -0,555 -0,53
% Proteína 3,384 ± 0,179 2,9
Ensayo de reductasa (azul de metileno)
Más de 3 horas 3 -
Reacción de estabilidad proteica (prueba de alcohol)
Negativo
Para leche destinada a pasteurización: No se coagulará por la adición de un volumen igual de alcohol neutro de 68% en peso o 75% en volumen
3.2 Efecto del tratamiento térmico sobre las proteínas de la leche
En la Figura 1 se representan el valor medio y el análisis con el test de Tukey de las
determinaciones de proteína de las cinco repeticiones para cada tratamiento. Se observa que a
medida que incrementa la temperatura, la cantidad de proteína desciende respecto a la proteína
de la leche cruda. Esto es debido a que al someter la leche a temperatura se produce una pérdida
de la solubilidad de las proteínas, y son las proteínas del suero las que coagulan (Lau et al., 1991)
y fueron retenidas en la filtración. Estadísticamente no existe una diferencia significativa entre el
contenido medio de las proteínas de la leche cruda con la tratada a 65 °C, pero si con el resto de
temperaturas. Tampoco se observan diferencias significativas en el porcentaje de proteína entre
los tratamientos a 65 y 72 °C, y el de 72 °C con respecto al del punto de ebullición.
En la Figura 2 se representa el valor medio del porcentaje de desnaturalización de las proteínas,
y se puede observar que el tratamiento térmico aumenta la desnaturalización y que
estadísticamente son diferentes.
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Figura 1. Promedio del Porcentaje de proteína en la leche y análisis de Tukey.
Los datos con letras iguales no presentan diferencias significativas.
Figura 2. Porcentaje de desnaturalización de la proteína.
Los datos con letras iguales no presentan diferencias significativas
Rynne y sus colaboradores (2004) reportan que en el proceso de pasteurización a 72 °C x 15
segundos se obtiene un porcentaje de desnaturalización del 7%, valor cercano a 8,47 ± 0.58%
determinado en este trabajo. A 63°C x 30 min ellos no obtienen desnaturalización de las
proteínas; sin embargo, en nuestro estudio a 65 °C existe un 5.4%, lo cual está de acuerdo con la
tendencia en la dependencia de la desnaturalización con la intensidad del tratamiento térmico.
En la Figura 3, se reportan los promedios del porcentaje de humedad determinadas en el queso
elaborado en el laboratorio. Se observa un incremento de humedad en los quesos en relación con
el tratamiento control, este incremento se debe a la capacidad de retención de agua inducido por
el estiramiento (desnaturalización) que sufren las moléculas de las proteínas del suero por acción
del calor (Kethireddipalli et al., 2010), la cual provoca además una cuajada débil (Grappin y
3,41 a
3,22 ba
3,12 bc
2,94 c
L. cruda 65°C/30 min 72°C/15 s p.e./2 s
% P
RO
TEÍN
A
TRATAMIENTOS
5,40 a
8,47b
13,71c
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
65°C/30 min 72°C/15 s p.e./2 s
% D
ESN
ATU
RA
LIZA
CIÓ
N
TRATAMIENTOS
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Beuvier, 1997) pero a la vez un incremento en el rendimiento del queso, como se observa en la
Figura 4. Estadísticamente los primeros tres tratamientos son significativamente diferentes, pero el
tratamiento a 72 °C y el de punto de ebullición son iguales. Se debe señalar que el porcentaje de
humedad de todos los tratamientos cumple con los requisitos de la norma NTE INEN 1528:2012
Primera revisión que para quesos blandos debe tener un valor máximo del 80%.
Figura 3. Influencia del tratamiento térmico sobre la humedad. Los datos con letras iguales no
presentan diferencias significativas.
La Figura 4, compara los valores promedios de los rendimientos obtenidos a nivel de laboratorio
con respecto a los de planta y se puede evidenciar que a nivel de laboratorio el rendimiento
aumenta con el aumento de la temperatura. Sin embargo, a nivel de fábrica se produce una
disminución en la producción de queso de hasta un 2%” en los tratamientos a 65°C y a 72°C. Esto
ocurre debido a que por efecto de la temperatura se forman coágulos finos (Singh y Waungana,
2001) que en fábrica se van en el lactosuero durante el desuerado y no contribuyen al rendimiento
del queso. Se determinó además que no existen diferencias significativas en el rendimiento para
los dos primeros tratamientos (65 y 72 °C). En el caso del tratamiento a punto de ebullición existe
un incremento debido a que se adicionó el doble de Cloruro de Calcio para endurecer la cuajada
evitando pérdidas durante el desuerado (Sbodio et al., 2010).
Es importante enfatizar que durante el proceso de elaboración del queso en el laboratorio se
observó que el aumento de temperatura en la pasteurización de la leche provocó una cuajada
débil, es decir con poca firmeza mecánica que dificultó la cortada, y que además la formación del
coágulo requirió de más tiempo. Esto es debido al aumento de la hidratación de las proteínas
desnaturalizadas cuando se aumenta la temperatura (Schreiber, 2001; Singh y Waungana, 2001).
El calor afectó también al sabor y olor del queso sobre todo en los tratamientos a punto de
ebullición, en el que presentó un sabor a cocido y un olor a requesón (queso obtenido del suero).
58,41a
62,74b
68,29c
70,04c
52.00
54.00
56.00
58.00
60.00
62.00
64.00
66.00
68.00
70.00
72.00
Cruda 65°C/30 min 72°C/15 s p.e/1s
% H
UM
EDA
D
TRATAMIENTOS
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Esto se debe a la liberación de los radicales sulfhídrico que se liberan de las β-lactoglobulina y
α-lactoalbúmina formando compuestos sulfurados (Hicks, et al., 1986), por lo que este tratamiento
no es muy recomendado.
Figura 4. Influencia del tratamiento térmico sobre el rendimiento del queso elaborado en
laboratorio y en fábrica.
En la Figura 5, se muestran los valores medios del rendimiento de los procesos de fabricación de
queso y mediante el análisis de Tukey a un nivel de significancia menor a 0,05 se puede observar
que en planta no hay diferencia significativa entre el rendimiento del queso al producir con leche
cruda y pasteurizada a 65°C pero si con el resto de temperaturas, tampoco se observan
diferencias significativas en el rendimiento entre los tratamientos a 65 y 72 °C, siguiendo esta
misma tendencia en el rendimiento de los quesos producidos en el laboratorio.
Se evidencia también que no existen diferencias significativas entre la producción en el laboratorio
con la planta cuando se utiliza leche cruda, pero sí para el resto de tratamientos.
Figura 5. Comparación del rendimiento en la producción del queso fresco elaborado en laboratorio y en
fábrica. Los datos con letras iguales no presentan diferencias significativas.
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
20.00
22.00
24.00
Cruda 65°C/30 min 72°C/15 s p.e/1s
REN
DIM
IEN
TO (
%)
TRATAMIENTOS
Laboratorio
Fábrica
d e 16,80
c d 18,61
a c 20,78
a 22,27
e f 16,77 f g
14,74 g
14,59
b c 20,12
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
Cruda 65°C/30 min 72°C/15 s p.e/2s
REN
DIM
IEN
TO (
%)
TRATAMIENTOS
Laboratorio
Fábrica
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4. Conclusiones y Recomendaciones
En resumen, hemos estudiado los efectos del tratamiento térmico en la pasteurización de la leche
y en la fabricación del queso fresco, utilizando leche cruda y tratada a 65 °C por 30 minutos, 72 °C
por 15 segundos y a ebullición por 2 segundos. Los resultados a nivel de laboratorio reflejan que
el incremento de temperatura provoca una mayor desnaturalización de las proteínas, un mayor
rendimiento y un aumento de la humedad en el queso en relación al obtenido con la leche cruda.
Sin embargo, estadísticamente los resultados demostraron que el tratamiento térmico sí influye en
la desnaturalización de las proteínas pero no en el rendimiento del queso. Los resultados
obtenidos en la investigación en fábrica revelaron que a temperatura de 65° y 72 °C el rendimiento
disminuye con relación a la producción con leche cruda, pero estadísticamente no presenta
diferencias significativas en el rendimiento para leche pasteurizada a 65 °C por 30 minutos y la
leche cruda.
Entonces podemos concluir que a medida que se incrementa la temperatura en la pasteurización
de la leche incrementa el porcentaje de desnaturalización de las proteínas, pero no influyen en el
rendimiento de la elaboración del queso, tanto a nivel de laboratorio como de fábrica, cuando la
temperatura de pasteurización es de 65° y 72 °C.
Pese a que la pasteurización de la leche a punto de ebullición da un mayor rendimiento, no se
recomienda este procedimiento debido a que se requiere mayor cantidad de cloruro de calcio y el
queso tiene un olor a leche cocida.
Agradecimientos
A la microempresa lácteos “San Salvador” por facilitar la infraestructura y el personal para la
ejecución de esta investigación.
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