Revista Politécnica 10

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Certificado N° GP 035-1Certificado N° SC 5206-1

Revista Politécnica Enero - Junio de 2010 · Año 6 · Número 10 · ISSN 1900-2351

La revista Politécnica es una publicación académica semestral del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, que tiene como objetivos publicar resultados de investigación y generar un espacio dinámico de discusión académica en relación a los campos del conocimiento en los cuales está involucrada la institución, a saber: la Ingeniería, la Administración, la Comunicación Audiovisual, las Ciencias Agrarias, las Ciencias Básicas, Sociales y Humanas, y la Educación Física, la Recreación y el Deporte. De igual modo, los asuntos misionales de la institución

Rector Dr. Gilberto Giraldo Buitrago

Director Nelson David Muñoz Ceballos, M.Sc. – Docente de la Facultad de Ingenierías

Comité Editorial Angelina Hormanza, Ph.D. en Ciencias Naturales, Universidad de Mainz - Alemania

Profesora Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín Carmen Elena Usuga, Magíster en Biología, Universidad de Antioquia

Coordinadora de Investigación, Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid Elena Paola González Jaimes, Ph.D. en Agronomía, Universidad Estatal Paulista UNESP, Brasil

Profesora Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid Leonardo Enrique Solaque, Ph.D. L'institut National Des Sciences Appliquées de Toulouse, INSA, Francia

Profesor Universidad Militar Nueva Granada. Juan Fernando Duarte Borrero, Magíster en Historia, Universidad Industrial de Santander

Profesor Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid Jovani Alberto Jiménez Builes, PhD. en Ingeniería de Sistemas, Universidad Nacional de Colombia.

Profesor Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín

Comité Científico Claudia Yaneth Sánchez, Maestría en Ciencias Químicas, Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín

Profesora Facultad de Ciencias Básicas, Sociales y Humanas del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid Gianni Pezzotti Escobar, Ph.D. Universidad de Roma Tor Vergara, Investigador de Biosensor S.R.L. - Roma Italia Hader Iván Castaño, Magíster en Biotecnología. Universidad de Antioquia.

Profesor Facultad de Administración del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid Jorge Alberto Gómez López. Magíster en Ciencias - Física, Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín

Profesor Facultad de Ciencias Básicas, Sociales y Humanas del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid Luís Camilo Chamorro, Magíster en Automática. Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín.

Profesor Facultad de Ingenierías del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid Jaime Alejandro Valencia, PhD. Universidad Politécnica de Cataluña, Profesor Universidad de Antioquia.

Monitora Alejandra Aristizábal Serna

Canje Biblioteca Tomás Carrasquilla Teléfono: 319 79 24 Correo Electrónico: [email protected]

Suscripción y Correspondencia: Correo Electrónico: [email protected] Teléfono: 319 79 00 extensiones 108 o 100 Carrera 48 Nº 7 - 151. Apartado Aéreo 49 - 32 Medellín - Colombia http://www.politecnicojic.edu.co/index.php?option=com_content&view=article&id=362&Itemid=339

Los conceptos y opiniones expresadas en los de los artículos aquí contenidos son responsabilidad de los autores de los mismos, en ningún momento comprometen el pensamiento de la Institución.

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CONTENIDO7 Editorial

9 INVESTIGACION EVALUATIVA DE CURSOS DE COMPRENSION LECTORA EN INGLÉSJohn Jaime Jiménez Díaz

17 SOMONET – UNA EXPERIENCIA EN EL DESARROLLO DE SOFTWARE PARA MÓVILES EN ELPOLITÉCNIO JAIME ISAZA CADAVIDLukas Arango CanoJulián Mauricio CastañedaJorge E. Giraldo Plaza

26 SÍNTESIS DE UN NUEVO DERIVADO INDÓLICO Y DETERMINACIÓN DE LOS ÍNDICES DEREACTIVIDAD FUKUIAngelina HormazaNancy MontesOscar Felipe Arbeláez

34 CONTROLADOR TIPO SERVO CON OBSERVADOR DE ORDEN COMPLETO Y CONTROLADORSEGÚN CIANCONE MARLÍN PARA UN SISTEMA DE FLUJOLuis Eduardo García JaimesMaribel Arroyave Giraldo

44 DISEÑO DE UN SISTEMA INTEGRADO PARA LA CONVERSION DE UN TORNO CONVENCIONALA TORNO CNCNelson Londoño OspinaWilliam A. Molina P.Luis A. Fonseca R.Jairo Álvarez DíazHoracio Giraldo C.

57 MODIFICACIÓN DEL HISTOGRAMA UTILIZANDO DECILESJuan Carlos Correa M.Francisco Javier Castrillón M.

62 APLICACIÓN DEL MÉTODO KVA EN UNA UNIDAD ESTRATÉGICA DE NEGOCIO DELPOLITÉCNICO COLOMBIANA JAIME ISAZA CADAVIDPaula Andrea Molina ParraMartin Darío Arango SernaJulián Andrés Zapata Cortes

74 ANÁLISIS DE TEXTURA EN PANES USANDO LA MATRIZ DE COOCURRENCIAJuan Sebastián Botero ValenciaAlejandro Restrepo Martínez

81 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL PLAN HACCP PARA UNA LÍNEA DE BEBIDAS LÁCTEASHader Castaño Peláez

90 EVALUACIÓN DE HERRAMIENTAS DE LIBRE DISTRIBUCIÓN PARA NEUROCIRUGÍA GUIADA PORIMÁGENESJohn Fredy Ochoa GómezIsabel Aristizábal MuñozJuan Diego Lemos DuqueHernán D. Barrientos

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101 DISEÑO DE UN SISTEMA MICROCONTROLADO PARA LA DOSIFICACIÓN E INYECCIÓN DEFERTILIZANTES EN CAMPOEliana Milena Ortiz HenaoWilliam Felipe Zapata VásquezHenry Omar Sarmiento Maldonado

109 EFECTOS HIDRODINÁMICOS SOBRE LA PRODUCCIÓN DE AZADIRACTINA EN UNBIORREACTOR DE TANQUE AGITADOJuan Carlos Bedoya PérezClaudia Yaneth Sánchez Jaramillo

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SUMARY7 Editorial

9 EVALUATIVE RESEARCH FOR ENGLISH READING COMPREHENSION COURSESJohn Jaime Jiménez Díaz

17 SOMONET AN EXPERIENCE OF MOVIL SOFTWARE DEVELOPMENT IN POLITÉCNIO JAIMEISAZA CADAVIDLukas Arango CanoJulián Mauricio CastañedaJorge E. Giraldo Plaza

26 SYNTHESIS OF A NEW INDOLIC DERIVATIVE AND DETERMINATION OF REACTIVITY FUKUIINDEXESAngelina HormazaNancy MontesOscar Felipe Arbeláez

34 FULL ORDER STATE SERVO CONTROLLER AND CIANCONE MARLIN CONTROLLER FOR AFLOW SYSTEMLuis Edo García JaimesMaribel Arroyave Giraldo

44 SYSTEM DESIGN FOR THE CONVERSION OF A CONVENTIONAL LATHE TO CNC LATHENelson Londoño OspinaWilliam A. Molina P.Luis A. Fonseca R.Jairo Álvarez DíazHoracio Giraldo C.

57 MODIFYING THE HISTOGRAM USING DECILESJuan Carlos Correa M.Francisco Javier Castrillón M.

62 KVA METHOD APPLICATION IN A STRATEGICALLY BUSINESS UNIT OF THE POLITÉCNICOCOLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVIDPaula Andrea Molina ParraMartin Darío Arango SernaJulián Andrés Zapata Cortes

74 TEXTURE ANALYSIS IN THE BREAD USING COOCURRENCE MATRIXJuan Sebastián Botero ValenciaAlejandro Restrepo Martínez

81 DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE HACCP PLAN FOR DAIRY MILK LINEHader Castaño Peláez

90 EVALUACIÓN DE HERRAMIENTAS DE LIBRE DISTRIBUCIÓN PARA NEUROCIRUGÍA GUIADA PORIMÁGENESJohn Fredy Ochoa GómezIsabel Aristizábal MuñozJuan Diego Lemos DuqueHernán D. Barrientos

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101 MICROCONTROLLER SYSTEM DESIGN FOR DOSAGE AND INJECTION OF FERTILIZERS INCOUNTRYSIDEEliana Milena Ortiz HenaoWilliam Felipe Zapata VásquezHenry Omar Sarmiento Maldonado

109 HIDRODINAMYCS EFFECT ON AZADIRACHTIN PRODUCTION IN STIRRED TANK BIOREACTORJuan Carlos Bedoya PérezClaudia Yaneth Sánchez Jaramillo

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EditorialEstimado lector:

Es normal que algunos artículos sometidos al proceso de una convocatoria finalmente no sean aceptados para su publicación. Los árbitros evalúan aspectos como la coherencia, relevancia, veracidad de la información presentada, y finalmente emiten el concepto de aceptar, o devolver el artículo a sus autores para realizar correcciones, o rechazar definitivamente por fallas en su contenido, incoherencia, entre otras.

En una segunda etapa, los autores, recibe las evaluaciones, que puede ser asumida como una valiosa realimentación de expertos, de gran utilidad para su trabajo, su investigación o sus reflexiones, incluso cuando el artículo fue rechazado. Los autores deben ser muy cuidadosos que el artículo que desea publicar a su nombre, esté bien elaborado, no siendo tan grave que le rechacen un artículo, sino más bien, que nadie lo lea, o que para nadie sea útil, como se menciona en una de las principales publicaciones científicas del país, la revista de la Facultad de Ingeniería de la UdeA [1] y también en la revista literaria el Malpensate [2]. Esta situación podría dar para una buena reflexión al respecto. Precisamente, para todas aquellas personas que les interesa este campo, puede ser de gran utilidad leer estos documentos.

Existen también otros textos que sirven de referencia en las buenas prácticas para la elaboración de artículos, y además son de libre acceso en versión electrónica: Un texto clásico y bien logrado que presenta recomendaciones aún vigentes, es la Guía para la redacción de artículos científicos destinados a la publicación, editado por la UNESCO [3]. También es importante conocer aspectos éticos en la elaboración de artículos, tales como: el plagio, fraude, exclusión dolosa, usurpación, cohecho, estos conceptos fueron tratados en la editorial de la Revista Facultad de Ingeniería de la UdeA de marzo de 2010, citando documentos donde se puede profundizar en el tema [4]. Existen además muchos otros documentos complementarios [5], igualmente recomendados para su lectura.

Les agradezco al comité editorial y a la comunidad académica el apoyo recibido durante mi gestión como director de la revista, especialmente a aquellas personas que colaboraron voluntariamente en el proceso de evaluación y a las que amablemente hicieron sugerencias para el mejoramiento continuo de Politécnica. Deseo también éxitos en su labor al profesor Juan Fernando Duarte Borrero, de nuestra Facultad de comunicación audiovisual quien será el nuevo director de la revista Politécnica.

Cordialmente, Nelson David Muñoz Ceballos Director Revista Politécnica

Referencias [1] Montes, C. Editorial. Revista Facultad de Ingeniería UdeA, Nº 53, Junio de 2010. Disponible en: http://ingenieria.udea.edu.co/grupos/revista/ [consultado el 8 de agosto de 2010] [2] Arango, P. La farsa de las publicaciones universitarias. Revista El Malpensante, N° 97, Mayo de 2009 Disponible en: http://www.elmalpensante.com/index.php?doc=display_contenido&id=1031 [consultado el 10 de agosto de 2010] [3] UNESCO. Guía para la redacción de artículos científicos destinados a la publicación. 2 ed. París: UNESCO, 1983. Disponible en: http://unesdoc.unesco.org/images/0005/000557/055778SB.pdf [consultado el 9 de agosto de 2010] [4] Montes, C. Editorial. Revista Facultad de Ingeniería UdeA, Nº 52, Marzo de 2010. Disponible en: http://ingenieria.udea.edu.co/grupos/revista/ [consultado el 8 de agosto de 2010] [5] Artiles, L. El artículo científico. Revista Cubana de Medicina General Integral, v. 11, Nº 4, Agosto 1995. Disponible en: http://bvs.sld.cu/revistas/mgi/vol11_4_95/mgi15495.htm. [consultado el 10 de agosto de 2010].

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SISTEMA DE BIBLIOTECAS POLITÉCNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVID

Coordinación Sistema de Bibliotecas: Encargada de gestionar y administrar las actividades del Sistema de Bibliotecas Procesos Técnicos: Encargada de la descripción bibliográfica, análisis de contenidos, evaluación y mantenimiento de colecciones, inventarios y descartes del material libro y audiovisual. Referencia: Encargada de la orientación al usuario con respecto a los recursos de información Hemeroteca: Encargada de la organización y gestión de las publicaciones periódicas físicas y electrónicas. Circulación y Préstamo: Área responsable de los flujos de préstamo de material bibliográfico. Desarrollo de Colecciones: Encargada de la actualización de las colecciones

BIBLIOTECAS DEL SISTEMA

SEDE CENTRAL POBLADOUbicada en la Carrera 48 N ° 7-151 Bloque P31-110(Medellín-Colombia-Suramérica) donde secoordinan todas las actividades administrativas del Sistema de Bibliotecas.

Horario:Lunes a viernes: De 7:30 am a 8:30 pm (jornada continua) Sábados: De 8:00 am a 2:00 pm (jornada continua)Domingos: de 9:00 a. m. un 2:00 p.m. (jornada continua) Conmutador: (574) 319 7900 - 444 7654 Fax: (574) 2680067 Correo electrónico: [email protected]

Continúa en la página 122...

Revista Politécnica ISSN 1900-2351, Año 6, Número 10, 2010

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EVALUATIVE RESEARCH FOR ENGLISH READING COMPREHENSION COURSES

John Jaime Jiménez Díaz1

1John Jaime Jiménez Díaz, Magíster en Didáctica del inglés de la Universidad de Caldas, Especialista en Didáctica de Lenguas Extranjeras de la Universidad de Antioquia, estudiante de Doctorado en Educación en la línea de Didáctica y Nuevas Tecnología de la Universidad de Antioquia. [email protected]

ABSTRACT

This work attempted to look for an alternative way to allow teachers to unify criteria to define a more effective and integral methodology for reading courses. The data was collected from students, teachers and the syllabi, by means of questionnaires, interviews, and direct class observation. The interest of this research is focused on a methodological analysis of the reading comprehension courses in EFL at Universidad de Antioquia-Colombia. The specific problem of this research arises from the fact that the two English reading comprehension syllabi do not propose a concrete methodology. Every semester more than one hundred English reading courses for undergraduate students from all programs of this university are offered. The findings showed that the teachers of these courses did not handle enough theoretical foundations on the reading field, which became evident in the recurrent misunderstanding of concepts in relation to reading such as strategies, techniques, activities, approaches and methodologies. The conclusions remark that reading comprehension teachers need theoretical foundations to design and develop any EFL reading syllabi.

Keywords: Foreign language reading, reading strategies, reading comprehension process, reading concepts.

Recibido 31 de Marzo de 2010. Aceptado 16 de Junio de 2010 Received: March 31, 2010 Accepted: June 16, 2010

INVESTIGACION EVALUATIVA DE CURSOS DE COMPRENSION LECTORA EN INGLÉS

RESUMEN

Este proyecto trata de buscar una alternativa que permita unificar criterios para desarrollar una metodología más integral y efectiva en los cursos de comprensión lectora. La información fue recolectada de estudiantes, profesores y de los programas, por medio de cuestionarios, entrevistas y observación directa en las clases. El interés de esta investigación está enfocado en el análisis metodológico de los cursos de comprensión lectora en inglés como lengua extranjera en la Universidad de Antioquia en Colombia, donde más de cien cursos de lectura son ofrecidos cada semestre a estudiantes de todos los programas de pregrado. El problema abordado en esta investigación surge del hecho de que los dos programas de comprensión lectora en inglés no proponen una metodología concreta. Los hallazgos mostraron que los profesores de estos cursos no tienen suficientes bases teóricas en el campo de la lectura, lo que se hace evidente en recurrente confusión de conceptos relacionados con la lectura tales como estrategias, técnicas, actividades, enfoques y metodologías. Las conclusiones hacen énfasis en que los profesores de comprensión lectora en inglés necesitan unas bases teóricas para diseñar y desarrollar algún programa de comprensión lectora en inglés como lengua extranjera.

Palabras clave: Lectura en lengua extranjera, estrategias de lectura, proceso de comprensión lectora, conceptos de la lectura.


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1. INTRODUCTION

The interest of this research is focused on a methodological analysis of the reading comprehension courses in English as a Foreign Language (EFL) at Universidad de Antioquia-Colombia. Every semester more than one hundred English reading courses for undergraduate students from all programs of this university are offered.

The specific problem of this research arises from the fact that the two English reading comprehension syllabi do not propose a concrete methodology.

Additionally, some reading strategies to be developed are specified, this repertoire is very limited both from teacher’s and student’s points of view. Consequently, most of the forty three teachers who work in these reading courses do what they consider their best in their classes. Furthermore, the results are very heterogeneous in terms of levels of achievement, and sometimes not very positive considering the high number of students who quit the reading courses.

Thus, in the first semester of the year 2006, when this study took place, 3,290 students were registered but 24% of them (794 students) did not finish or dropped out of the courses. This fact became a worry for some of the teachers in charge of these courses; then, this work attempted to look for an alternative that allowed them to unify criteria to define a more effective and integral methodology for the reading comprehension courses at Universidad de Antioquia.

The data collected for this research was gathered from students, teachers, the reading syllabi and the analysis of other documents by means of questionnaires, interviews, direct class observation, and documental analysis.

The findings showed that the teachers of the English reading comprehension courses did not handle enough theoretical foundations on the reading field, which became evident in the recurrent misunderstanding of concepts in relation to reading such as strategies, techniques, activities, approaches and methodologies.

The conclusions remark that reading comprehension teachers need theoretical foundations to design and develop any reading syllabi. And, in this sense, the Reading Strategies

Typology proposed by Nunan [1] emerged as a tool to evaluate and suggest changes to improve the teaching and learning of the Reading comprehension process.

To direct the research process I posed the following research questions:

To what extent can the Reading Strategies Typology stated by Nunan (1999) be used to evaluate Reading Comprehension Courses?

How can an English reading comprehension syllabus with a broad coverage -in terms of number of courses, students and teachers-, involve an effective and integral reading methodology?

2. OBJECTIVES

General Objective: To evaluate the design and development of the English reading comprehension courses at Universidad de Antioquia.

Specific Objectives:

- To identify the reading strategies on which English teachers focus their reading comprehension courses at Universidad de Antioquia.

- To compare and contrast the reading comprehension process in English carried out at Universidad de Antioquia with theoretical and research foundations in the field.

- To outline a methodological path for the English reading comprehension courses by considering the teachers’ practices and the students’ needs at Universidad de Antioquia.

3. METHODOLOGY

This research is situated in the field of qualitative research based on an evaluative research since it is restricted to the utilization of scientific research methods and techniques for the purpose of making an evaluation. Then, evaluative research refers to those procedures for collecting and analyzing data which increase the possibility for “proving” rather than asserting the worth of some social activity” [2]. In the same sense, Winsett [3] says that evaluative research is the systematic assessment of the


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operation and/or the outcomes of a program or policy, compared to a set of explicit or implicit standards, as a means of contributing to the improvement of the program or policy.

To evaluate L2 or FL programs, Beretta [4] says that no matter what program he looks into, the evaluator has many activities to engage in which do not require much familiarity with content. He has to identify evaluation questions, determine relevant sources of information, design the study, collect the data, analyze, interpret and finally report. Thus, Schuman affirms that “To the extent that evaluative research can focus upon the general variables underlying a specific program and test the effects of these variables rather than the effectiveness of the program as a whole, it may hope to produce findings of grater general significance” [2]. This author also clarifies that this type of research has no special methodology of its own. As “research” it adheres to the basic logic and rules of scientific method as closely as possible. Its canons of “proof” and its laws of inference are the same as those of any research project. It utilizes all available techniques for the collection and analysis of data and employs a wide variety of research designs. It may be carried out under experiential laboratory conditions or in the natural community” [2].

Data collection: Different sources were used to collect the data required for the development of this study, they are described below:

Documents Analysis: The documents analyzed provided information about statistics, contents and rules of the English reading courses. Statistically, reports of the students’ achievement, students’ registration and the corresponding amount of courses and teachers, desertion and cancellation were included. About the reading courses contents, the corresponding syllabi for level 1 and 2 were reviewed.

Interviews: From the 43 teachers that taught the two levels of English reading comprehension courses when this study was carried out, 15 teachers of them were interviewed. The purpose of these interviews was to gather information from teachers about the reading strategies and methodology they focused on their English reading comprehension courses. The teachers who were interviewed had at least one year experience in the program, and had taught in the first and second levels. To get more reliable information the

interviews were conducted in Spanish and transcribed by the researcher.

Questionnaires: The intention of student’s questionnaires was to gather information from the students about the reading strategies and methodology used in their English reading courses. The questionnaires were administered to 174 students from 17 different groups.

Class Observation: The purpose of the class observations was to gather direct data from teachers and students in their usual English reading comprehension classes. Then, 15 classes of 15 teachers who had provided information to this research were observed.

Data Triangulation: This technique was used in order to compare and contrast the data collected from the students’, teachers’ and observer’s perspectives, as a way to give validity to this research. After collecting the data from the different sources, they were compared and contrasted to the typology of reading strategies proposed by Nunan [1] as the basis to build a new proposal for the Reading Comprehension Courses at Universidad de Antioquia.

4. LITERATURE REVIEW

The following topics have been considered to tackle the components involved in the reading comprehension process in EFL.

According to Grave and Stoller [5], the majority of native speakers learn to speak their mother tongue (L1) at the age of four or five years and long before they start developing their reading skills in L1. In fact, a six-year child in first grade knows about six thousand words when she starts her reading instruction in L1. This process is different from foreign language (L2) students who usually begin to read easy sentences and passages approximately at the same time as they learn the L2 language orally. It means that L2 students have neither enough vocabulary, nor grammatical knowledge as L1 students do. To differentiate L1 from L2, it is necessary to define the words acquisition andlearning. According to Krashen [6], acquisition is related to the process the children are exposed to or when they get in touch with their native language and their interest is directed to communicate with people around them, not to grammar rules. This


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process means that the children are centered on the message, and the language production is related to the context in which it is used. On the other hand, the individual’s learning process is related to the conscious approach individuals adopt when they begin to learn another language; their interest is focused on how to say something and establish a specific order to access the language in a predictable way.

Based on the previous idea, Ellis [7] states the difference between second language acquisitionand foreign language acquisition: the former occurs naturally or directly, without any instruction; the latter is directed and produced in the classroom or through any kind of instruction. In the same manner, Stern [8] says that a second language is not a native language but it is learnt, used and spoken in a native country e.g., teaching English for immigrants in the United States (TESL), while aforeign language is learnt and used in a foreign country, as in the case of teaching English in a public school in Medellín, Colombia.

The learning and teaching of reading skills in a different language from the native one involve a lot of methodological and linguistic issues, within the teaching and learning process, some concepts such as approach, method, techniques, strategies and activities are often used indistinctly originating confusions and misunderstandings that should be clarified with a brief description of these concepts.

Richards and Rodgers [9] present Anthony’s definition that states “the term approach refers to theories about the nature of language and learning as practice and principles sources in language teaching”. An approach is concerned with theoretical views of language proficiency that are related implicitly or explicitly to methods in language teaching. The authors mention three different views: the structural view in which language is considered as a system of structurally related elements for the coding of meaning; the functional view in which language is a vehicle for expression of functional meaning; and the interactional view, where language is seen as a tool for creation and maintenance of social relations.

According to Richards and Rodgers [9], for an approach to lead to a method, it is necessary to develop a design for an instructional system. These authors consider that design is the level of method that states a) how the objectives; b) how language

content is selected and organized inside the method, or the syllabus model; c) the learning tasks and teaching activities the method supports; d) the students roles; e) the teachers roles; and f) the instructional materials role. It can be said that a method is a departure point to reason and to decide a concrete way to be followed and to reach a goal. The steps taken in the path selected are not arbitrary. They are based on a reasoning process and maintained in a logical order.

The concept of method has also been used in the pedagogical field in a strict sense reserved to procedures that obey specific criteria or principles that guide the course of action. It makes reference to well defined guidelines, directions, oriented to investigation or knowledge acquisition.

For definitional purposes, “the term strategies is best defined as abilities that are potentially open to conscious reflection and use” [5]. A strategy is firstly an action guide, in the sense that it orients towards obtaining certain results. The strategy gives sense and coordination to everything made to reach a goal.

In reading terms, a strategy must be based on a method, because it is a planning system applied to an articulated set of actions that allows readers to obtain an objective. Unlike method, a strategy is flexible and can be shaped based on the goals we want to reach. Then, a strategy is an organized, formal and oriented procedure to obtain a clearly established goal. Its actually daily application requires the improvement of procedures and techniques which detailed election and design are responsibility of the teacher. A pedagogical strategy makes reference to planning the educational teaching and learning process. It involves an implicit range of decisions that the teacher must make in a conscious and reflective way, in relation to the techniques and activities that can be used to reach the course goals.

Technique is considered as a teaching procedure that helps students to be active in the learning process proposed from a strategy. Anthony (1963); in Renandya and Jacobs [10], who defines that “techniques are specific classroom activities consistent with a method, and therefore in harmony with an approach as well”. It is also a logical procedure with psychological foundation destined to orient the learning of the student. It affects a specific sector or a phase of the course or subject:


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the presentation of the course, the analysis of its contents, its synthesis, or its criticism. A didactic technique is the particular resource that teachers use to accomplish their intentions planned from the strategy. For the application of strategies, teachers can use some series of techniques to obtain the proposed objectives. Techniques are more restricted to some areas of the course; meanwhile strategies include more general aspects of the course or a complete educational process. Techniques are procedures through a determined sequence of steps or precise behaviors for one or several products.

Activities are related to techniques, within the process of a technique, it can have different activities necessary to achieve the results expected from the technique; these activities are still more partial and specific than the technique. They can vary according to the type of technique or the type of group with which one works. Thus, the activities can be defined depending on the learning necessities of a group.

The previous concepts have become noticeable in the field of language learning and teaching. They work as principles and existing ideas to be considered in the teaching and learning of the reading process.

The list of reading strategies is very ample and varied according to different authors such as Nutall [11] mentions strategies related to the text itself which refer to the interpretation of the text as a whole, to enrich the vocabulary which call for the use of the contextual keys, synonymous words, grammatical analysis, inference and dictionary use.

Brown [12] proposes strategies related to the referential device, which means to use graphic conventions such as font, symbols, titles, index, table of contents, diagrams, graphics, charts and maps in order to grasp the meaning of the text. Cardona [13] summarizes reading strategies described by Grillet, Nuttall and Mikulecky. Nunan [1] shares a comprehensive typology of reading strategies that was developed by some teachers in a Chinese university, and Grabe & Stoller [5] propose another list of reading strategies.

They notice that according to the text and purposes it is important to choose the best strategies as a way to increase students reading speed and comprehension. As it is stated in the title of this

piece of research, the study on the reading courses at Universidad de Antioquia was done using only Nunan’s reading strategies typology as a framework for their evaluation.

This typology involves the following elements:

- Having a purpose. It is important for students to have a clear purpose and to keep in mind what they want to gain from the text.

- Previewing. Conducting a quick survey of the text to identify the topic, the main idea, and the organization of the text.

- Skimming. Looking quickly through the text to get a general idea of what it is about.

- Scanning. Looking quickly through a text in order to locate specific information.

- Clustering. Reading clusters of words as a unit. - Avoiding bad habits such as reading word-by-

word. - Predicting. Anticipating what is to come. - Reading actively. Asking questions and then

reading for answers. - Inferring. Identifying ideas that are not explicitly

stated. - Identifying genres. Identifying the overall

organization pattern of a text. - Identifying paragraph structure. Identifying the

organizational structure of a paragraph, for example, whether it follows an inductive or deductive pattern.

- Identifying sentence structure. Identifying subject and main verb in complex sentences.

- Noticing cohesive devices. Assigning correct referents to proforms, and identifying the function of conjunctions.

- Inferring unknown vocabulary. Using context as well as parts of words (e.g., prefixes, suffixes and stems) to work out the meaning of unknown words.

- Identifying figurative language. Understanding the use of figurative language and metaphors.

- Using background knowledge. Using what one already knows to understand new ideas.

- Identifying style and its purpose. Understanding the writer’s purpose in using different stylistic devices, such as a series of short or long sentences.

- Evaluating. Reading critically and assessing the true value of textual information.

- Integrating information. Tracking ideas that are developed across the text through techniques such as highlighting and notetaking.


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- Reviewing. Looking back over a text and summarizing it.

- Reading to present. Understanding the text fully and then presenting it to. Taken from Nunan [1].

As to the methodology to develop reading skills in a lesson, Celce-Murcia [14] proposes three different stages for a reading class: the pre-reading, while-reading and post-reading stages. Each one of these phases has its own particular aims and procedures. She affirms that these stages allow students to improve their engagement with the text, answer literal, inferential and critical questions during the reading phases mentioned, and provides them with a purpose and focus for reading.

5. FINDINGS

According to the research objectives stated to orient this study three main findings became noticeable: First, considering those stated in the reading syllabi, a number of reading strategies should be developed in the English reading comprehension courses at Universidad de Antioquia. Nevertheless, from a theoretical foundation on the reading comprehension field, the practice of reading strategies in these courses is very poor. This fact is due in part to the methodological misunderstandings and confusions teachers have towards ELT concepts such as strategies, techniques, activities, approaches, andmethodologies and their implications for developing reading skills. These terms are considered as the same thing, and the students replicate their teachers’ conceptions. Anyhow, results show that the repertoire of strategies proposed in the syllabi does not match that in the actual lessons. In fact, it is very restrictive.

Second, when analyzing the development of the English reading comprehension courses focused on the Nunan´s reading strategies typology, it is inferred that the most used reading strategies at Universidad de Antioquia are skimming (27%); then, previewing and pre-reading (14%); inferring unknown vocabulary (10%); and making conclusions (10%).

At the same time, the least used reading strategies were predicting, scanning, reading to present, and having a purpose, according to the students (information from the questionnaires); and using

background knowledge, and reviewing (summarizing and synthesizing), according to the teachers (information from the interviews).

The rest of the categories from the data triangulation can be considered as effective classroom practices such as high levels of interaction, interest and motivation in the classroom which provide a positive learning environment; classroom procedures in terms of the promotion of individual, pair and group work; stages of the lessons that were recognized in the three sources as introduction to the topic or getting familiar with it, the value of students background knowledge, and lesson planning, among others.

Third, this study proved that at least 11 of the reading strategies proposed by Nunan [1] and other authors are absent from the English reading comprehension courses, they are: clustering, avoiding bad habits; reading actively; identifying genres, identifying paragraph structure, identifying sentence structure, noticing cohesive devices, identifying figurative language identifying style and its purpose, evaluating and Integrating information. These strategies should be implemented in order to get better results in these courses.

To sum up, the first finding points out the need for some English reading teachers at Universidad de Antioquia to check theoretical and methodological foundations in the reading field. The second finding implies that the current repertoire of reading strategies developed in the courses is very poor. And the third one remarks the reading strategies that should be taken into account in the syllabi design and implementation of these English reading courses.

Finally, it could be said that most of the Nunan´s reading strategies are implicit in the syllabus of the English reading courses for first and second levels. For this reason, there is not a clear focus to be used by the teachers. This fact indicates that these strategies should be stated explicitly. Thus, they would not be optional, but a good route to get a more effective reading process, level and achievement.

6. CONCLUSIONS

Reading teachers should remember that the main reason for using reading strategies in class is to


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improve their students’ comprehension of texts. Then, teachers need to set appropriate objectives that focus the implementation of reading strategies to help students draw important information from different texts.

Reading Comprehension syllabi in a foreign language with a broad coverage, as the case studied in this research, require specific attention from administrators and teachers in order to guarantee an effective and integral methodology that benefit the students’ learning and achievement. This implies that teachers should handle clear methodological reading concepts to carry out a more effective reading process. This means that teachers need to be constantly updated about reading issues: meeting to work, research, and colleagues groups to discuss, share and reflect experiences is the best way to improve professionally.

Through this study, it is evident that the use of reading strategies is an essential tool to help students become efficient readers. In these terms, as a way to overcome some of the most relevant problems in the English reading comprehension courses at Universidad de Antioquia, the use ofNunan`s reading strategies typology can be used not only to evaluate foreign language reading courses, but also as a model to design and develop the corresponding syllabi in a more conscious and integral manner.

The literature available on reading strategies offers a wide variety repertoire both for teachers and learners. Although this research used Nunan’s typology, this can be enriched and expanded by other classifications made by Nuttall, Mikulecky, Brown and Grave & Stoller. Still teachers’ and learners’ perceptions are very reduced in terms of the reading strategies developed in the reading courses at Universidad de Antioquia. Whether this reduced practice of reading strategies is due to misconceptions on ELT terminology or not, the fact is that a close examination to different typologies will help on one hand teachers gain awareness of the huge possibilities to render their lessons more varied and perhaps more enjoyable. On the other hand, by exposing learners to a wider variety of strategies, they might be able to adapt and use those that match their individual needs and learning styles. From what they perceive in their classes, they are not provided with too many strategies to choose from.

Bearing in mind that the inventory of reading strategies might become so ample and complex, teachers may carefully review all of them and grade them in terms of their complexity and difficulty. Thus, the syllabus for Reading Course Level 1 will intend to develop less complex and simpler strategies, and that for Level 2 will explore more complex and difficult strategies, of course without putting aside those studied in the previous level. Two main recommendations are made to cope with the high rate of drop-outs in the reading courses. In order to diminish students desertion, teachers need to:

Explore students´ reasons for course withdrawal through the use of a diagnostic tool. The information collected by this means will be used for decision making and course redesign.

Explore students´ interests and needs prior to the selection of reading materials. Reading passages must also include the use of electronic texts, considering that learners are frequently exposed to English readings through different media as part of research assignments in other classes of their major.

Although, this research study only reached the evaluation part, I definitely recommend the construction of a complete typology to design, implement and evaluate foreign language reading courses. Further studies might analyze a more real effect of the implementation of these strategies not only in the documents but also in the classroom.

Finally, as to the evaluation method of these reading courses, I would say that Colombian students have not yet understood the real meaning of qualitative evaluation. Then, they do not assume a responsibility seriously when they know they will not be “punished” with a score that could affect their academic achievement. Thus, they abandon non scored courses easily and without any consequence. This is what could be happening in the English Reading Program at Universidad de Antioquia and other institutions in Colombia. Consequently, it is necessary to design reading assessment and self-assessment tools to evaluate students’ achievement and for them to assume more responsibility for their own learning. Thus students will not solely take these two reading courses for fulfilling a credit requirement, but also for the professional benefit they might gain from the use of an ample repertoire of reading strategies.


16

7. ACKNOWLEDGEMENTS

This study is part of a larger research study conducted to fulfill the requirements of my Masters degree in English Didactics

I wish to express my gratitude to the following people who were involved in this research project in different ways:

To the students and teachers for their willingness to participate as sources for the data collection stages. To my advisor professor Sandra Hibeth Buitrago for her academic support, and to my boss professor Adriana González for her support.

To my ex-wife Iliana and my siblings for their patience and emotional support.

Finally, I want this piece of work to become a tribute to honor my mother´s memory who taught me the true meaning of devoted work.

8. REFERENCES

[1] Nunan, D. Second Language Teaching and Learning. Heinle and Heinle Publishers, 1999.

[2] Schuman, E. Evaluative Research. Principles and Practice in Public Service & Social Actions Programs. Russell Sage Foundation, 1967.

[3] Winsett, R. Evaluative Research. Disponible en: http://www.natco1.org/research/files/EvaluativeResearch_000.pdf [consultado el 6 de febrero de 2008].

[4] Bereta, A. Research in the Language Classroom. Mac.Millan Publishers, 1993.

[5] Grave, W. y Stoller, F. Teaching and Researching Reading. Pearson Education Limited, 2002.

[6] Krashen, S. Second Language Acquisition and Second Language Learning. Oxford: Pergamon, 1981.

[7] Ellis, R. The Study of Second Language Acquisition. Oxford University Press, 1997.

[8] Stern, H. Fundamental Concepts of Language Teaching. Oxford: Oxford University Press, 1991.

[9] Richards, J. & Rodgers, T. Approaches and Methods in Language Teaching. Cambridge University Press, 1995.

[10] Renandya, W. y Jacobs, G. Extensive Reading: Why Aren’t We All Doing It? En: Richards, J C. y Renandya, W. Methodology in Language Teaching. An Anthology of Current Practice. Cambridge University Press, 2004.

[11] Nutall, Christine. Teaching Reading Skills in a Foreign Language. Heinemann educational book, 1982.

[12] Brown H. D. Teaching by Principles. Prentice Hill Regents, 1994.

[13] Cardona, G. Pedagogía de la Lectura en una Lengua Extranjera. Universidad de Caldas, 1999.

[14] Celce-Murcia, M. Teaching English as a Second or Foreign Language. Second edition, 1991.


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SOMONET – UNA EXPERIENCIA EN EL DESARROLLO DE SOFTWARE PARA MÓVILES EN EL POLITÉCNIO JAIME ISAZA

CADAVID Lukas Arango Cano1, Julián Mauricio Castañeda2, Jorge E. Giraldo Plaza3

1 Lukas Arango Cano. Estudiantes de Ingeniería Informática, Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Carrera 48 Nº 7- 151 Medellín Colombia. [email protected] Julián Mauricio Castañeda Acevedo. Estudiantes de Ingeniería Informática, Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Carrera 48 Nº 7- 151 Medellín Colombia. [email protected] Jorge E. Giraldo Plaza. Ingeniero de Sistemas Profesor Asistente, Facultad de Ingenierías, Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Carrera 48 Nº 7- 151 Medellín Colombia. [email protected].

GRINSOFT: Grupo de Investigación en Software Semillero de Investigación y Software SINYS

[email protected]

RESUMEN

El uso de dispositivos móviles como soporte a la educación, facilitan que las personas tengan acceso a la información y a la comunicación con los participantes de un determinado curso; esto se debe a la proliferación de dispositivos de tamaño pequeño y de la facilidad en la conexiones inalámbricas. En este artículo se presenta el desarrollo de SOMONET, una red social académica móvil realizada como trabajo de grado en el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid.

Palabras clave: Desarrollo de Software, Red Social Académica, Dispositivos Móviles, Educación.


SOMONET - AN EXPERIENCE OF MOVIL SOFTWARE DEVELOPMENT IN POLITÉCNIO JAIME ISAZA CADAVID

ABSTRACT

Mobile learning or m-learning, is a trend that is being used recently in various institutions with successful results, this is because the proliferation of small devices and the easy in wireless connections. This article presents the development of SOMONET, mobile social networking developed as academic degree work at the Colombian Polytechnic Jaime Isaza Cadavid.

Keywords: Software Development, Academic Social Networks, mobiles devices, Education.


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1. INTRODUCCIÓN

Durante el proceso de enseñanza aprendizaje las tecnologías de información cumplen una función esencial, ya que facilitan la administración de la información relacionada, pasando por la captura, procesamiento y distribución. Entre las distintas tecnologías se encuentra las redes de comunicaciones, en especial la INTERNET, la cual permite la distribución de contenidos de forma rápida y sencilla, así como la comunicación pertinente entre los entes involucrados en el proceso de enseñanza y aprendizaje. Durante la evolución incremental de la tecnología ha permitido la diversificación de los dispositivos útiles para la conexión y manipulación de la información, dejando a un lado la exclusividad de los computadores de escritorio dando paso al uso de variedad de dispositivos de bolsillo (Pocket Pc, asistente personal digital, celulares, etc.) como la siguiente generación de computadoras [1].

La motivación del estudiante haciendo uso de los dispositivos móviles aumenta, ya que se le permite ampliar su grado de independencia complementario a los conocimientos adquiridos en el aula. A esto se suma que la comunicación con los demás participantes del proceso, como son los compañeros y profesores fortalecen si interés en su camino al conocimiento.

La incorporación de la tecnologías móviles han dado lugar al surgimiento distintas áreas de la ingeniería del software como lo es el Mobile Learnig o mlearnig [2, 3, 4], sin embargo se considera que para que cualquier método de enseñanza tenga un efecto positivo debe existir un soporte tecnológico que le permita traspasar las líneas virtuales de los cursos virtuales y poder tener un contacto directo con los demás participantes, ya sea estudiantes o docentes, por medio de mensajes de texto, correos electrónicos, mensajes en muros virtuales, recomendación de bibliotecas, entre otros.

A lo anterior se suma el hecho de tener a la mano información confiable acerca de cursos, docentes y estudiantes. Permitiendo que durante un desplazamiento dentro de la institución sea posible encontrar un determinado profesor o un aula de clase. Por su parte el docente podrá tener a la mano información de cada uno de sus cursos y enviarles información cuando lo requiera, sea por medio de un mensaje de texto o por medio de un correo electrónico.

En este artículo se presenta el diseño e implementación de una red social académica, denominada SOMONET, idea que surgió de un trabajo de grado de dos estudiantes del programa de Ingeniería Informática del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid de la ciudad de Medellín, Colombia.

El documento se estructura de la siguiente manera: en la sección 2 se presenta el concepto de dispositivos móviles; luego en la sección 3 se expone la metodología de trabajo enfocada en fases y objetivos propuestos, luego en la sección 4 se presenta la caracterización de las redes sociales académicas con el fin de definir las características propias plasmadas en un documento de requisitos. Posteriormente en la sección 5 se explica el modelamiento de la aplicación, pasando por el análisis de requisitos, definición de la plataforma y arquitectura que la soporta, como por sus aspectos de implementación y pruebas realizadas, por último presentan las conclusiones y trabajo futro, así como la bibliografía empleada.

2. DISPOSITIVOS MÓVILES

Los dispositivos móviles se definen como un aparato pequeño con pocas capacidades de procesamiento y con conexión permanente a parcial a una red. A lo anterior, existen multitud de dispositivos móviles, desde los reproductores de audio, portátiles hasta los navegadores GPS, pasando por los teléfonos móviles, los PDAs o los Tablet PCs.

Debido a la variedad de dispositivos móviles de propusieron unos estándares que los clasifican, estos son:

Dispositivo Móvil de Datos Limitados (Limited Data Mobile Device): Por lo general son teléfonos móviles clásicos y se caracterizan por su pantalla pequeña que en algunos casos aún es monocromática. Los servicios que ofrecen son el envío de datos por medio de mensajes de texto y acceso a WAP.

Dispositivo Móvil de Datos Básicos (Basic Data Mobile Device): Tienen un pantalla tamaño mediano, facilitan la interacción por su inclusión de barras de menú o navegación basada en iconos, y ofrecer acceso a emails, lista de direcciones, SMS,

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Los objetivos propuestos para llevar a feliz término el desarrollo de la red social académica SOMONET, fueron:

Determinar las funciones básicas de una red social mediante un estudio de requisitos funcionales para elegir la tecnología apropiada.

Diseñar el sistema empleando una metodología de desarrollo apropiada.

Seleccionar las tecnologías que permitan implementar el diseño propuesto.

Realizar pruebas funcionales que validen la implementación realizada.

A continuación, la estructura del documento se estructura de tal manera que se presentan los resultados obtenidos en cada uno de los objetivos específicos.

4. CARACTERIZACIÓN DE REDES SOCIALES ACADÉMICAS

Las redes sociales son espacios de encuentro organizaciones, redes, gremios y en especial individuos que comparten un tema en común y en donde se pueden intercambiar contenidos en distintos formatos, se pueden resolver dudas y buscar información. De lo anterior surge la construcción de conocimiento, debido a la gran cantidad de información que se comparte y se procesa. Según Castells [6] “La sociedad en red móvil a través de la tecnología de la comunicación inalámbrica está en marcha. El impulso de la industria de fabricantes y operadores hacia los móviles de tercera generación ha creado una infraestructura apta para promover la movilidad física más la conectividad y con ella un atractivo e incipiente mercado. Si el móvil siempre se valoró por la ubicuidad, esta nueva realidad permite tener Internet disponible para cualquier consulta, interactuar con las comunidades en línea e ir con la Biblioteca de Babel en el bolsillo”.

Con el auge de las tecnologías de la información, aparecen las redes sociales virtuales [7] que no es más que una estructura social de relaciones entre usuarios a través de internet; son sitios basados en la web, que permiten a los usuarios compartir contenido, interactuar, consultar información, resolver dudas y en general muchas actividades que comprenden el entablar relaciones con otras personas que comparten un mismo conocimiento o interés.

A continuación se presenta el análisis de las características de varias redes sociales académicas con el fin de identificar sus principales características y determinar las tecnologías apropiadas para su desarrollo en ambientes móviles.

4.1 Redes Sociales Académicas Classmates: Classmates.com es un servicio de red social creado en 1995 por Randy Conrads que fundó Classmates Online, Inc. La página web de medios de comunicación social ayuda a los miembros a buscar y mantenerse en contacto con amigos y conocidos de toda su vida – incluyendo del jardín de infantes, la escuela primaria, la escuela secundaria, la universidad, el trabajo y las fuerzas militares de los Estados Unidos. Classmates.com tiene más de 40 millones de miembros activos en los Estados Unidos y Canadá. A principios de 2008, Nielsen Online clasificó Classmates en el puesto número tres de visitantes únicos mensuales (EE.UU. casa, trabajo) entre los sitios de redes sociales.

Friendsreunited: Friends Reunited es un portafolio de sitios web de redes sociales basadas en los temas de reunión con búsqueda (sitio separado de Genes Reunited), citas y búsqueda de empleo. El primer sitio web del mismo nombre fue creado por una pareja de esposos en la clásica forma en la empiezan muchos negocios de internet, en una habitación en la parte trasera de la casa; fue la primera red social en línea que alcanzó popularidad en Gran Bretaña, y se resistió a la caída de las dotcom.

Patatabrava: Está claro que la vida del estudiante universitario tiene sus puntos buenos y sus puntos malos, aunque siempre se le puede dar un sabor un tanto picante. Para ello, que mejor que acudir a Patata brava, una red social para estudiantes universitarios, que ahora amplían a las


21

universidades de Madrid y Valencia a las ya existentes, las de Cataluña y de las Islas Baleares. En Patata brava, la intención es la de ayudar al estudiante a encontrar apuntes, manuales o frases pertenecientes a su carrera y universidad aportados por otros estudiantes, encontrar a la persona ideal de su curso, compartir sus lugares favoritos, escribir su blog, jugar, participar en foros, chats y compartir videos.

Studivz: es una plataforma de redes sociales para estudiantes (en particular para estudiantes de colegio y universitarios en Europa), establecido en Berlín, Alemania. El nombre es una abreviatura de la expresión alemana Studentenverzeichnis, que significa el directorio de los estudiantes.

El servicio es en gran parte comparable a otros sitios de redes sociales. StudiVZ afirma ser una de las redes sociales más grandes en Europa, con (según se informa) más de 15.000.000 de miembros desde septiembre de 2009, sobre todo en los países de habla alemana: Alemania, Suiza y Austria.

4.2 Características de las Redes Sociales Académicas De acuerdo a las redes presentadas se puede identificar las siguientes características comunes entre ellas, las cuales solo se mencionarán por cuestiones de espacio:

- Registro de Usuarios - Chats de Texto, Voz y Video. - Correo Electrónico - Creación de Blogs - Grupos de Discusión - Búsqueda de contactos - Zona privada - Compartir Publicaciones - Mensajería instantánea. - Administración de archivos. - Manejo de Horarios - Administración de Asignaturas - Administración de Docentes - Mensajería Móvil.

Según con lo anterior se manifiesta que las redes sociales tienen una gran cantidad de características, donde los usuarios pueden escoger porque medios se pueden comunicar.

Desde hace un tiempo, las redes sociales enfocadas a los terminales móviles han estado

proliferando con el abarcar más actividades y aplicarlas dentro de los dispositivos que se emplean a diario. La tendencia general se ha encaminado a la relación con los contactos, comunicación con los mismos utilizando las herramientas dispuestas por la propia red y la aportación de contenidos más o menos centralizados.

Sin duda una red social móvil universitaria necesitara varias de estas características en su funcionamiento por eso en el desarrollo de la red social “SOMONET” se propone las siguientes características como un inicio a la investigación. En ella se tendrá el manejo de horario, administración de asignaturas, administración de docentes y mensajería móvil. Además la red social tendrá la posibilidad de ser escalable en el tiempo y de esta manera poder tener más servicios. No obstante cabe aclarar que la elección también es dependiente del hardware del celular y la tecnología que lo soporta.

De acuerdo a las características seleccionadas las tecnologías definidas para la construcción de la red social académica SOMONET son:

WML: El Wireless Markup Language es un lenguaje cuyo origen es el XML (eXtensible Markup Language). Este lenguaje se utiliza para construir las páginas que aparecen en las pantallas de los teléfonos móviles y los asistentes personales digitales (PDA) dotados de tecnología WAP.

WAP: Wireless Application Protocol o WAP (protocolo de aplicaciones inalámbricas) es un estándar abierto internacional para aplicaciones que utilizan las comunicaciones inalámbricas, p.ej. acceso a servicios de Internet desde un teléfono móvil.

PHP: PHP es un lenguaje de programación interpretado, diseñado originalmente para la creación de páginas web dinámicas.

MySQL: MySQL es muy utilizado en aplicaciones web, como Drupal o phpBB, en plataformas (Linux/Windows-Apache-MySQL-PHP/Perl/Python), y por herramientas de seguimiento de errores como Bugzilla

Servidor apache: Apache es un servidor "open-source" HTTP para sistemas operativos modernos.

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26

SÍNTESIS DE UN NUEVO DERIVADO INDÓLICO Y DETERMINACIÓN DE LOS ÍNDICES DE REACTIVIDAD FUKUI

Angelina Hormaza1, Nancy Montes2, Oscar Felipe Arbelaez3

1 Angelina Hormaza , Ph.D en Ciencias Naturales, Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín, 1 Grupo de Investigación en Síntesis, Reactividad y Transformación de Compuestos Orgánicos, SIRYTCOR, Calle 59A No 63-20, E-mail: [email protected]. 2 Nancy Montes Valencia, MSc. en Ciencias – Químicas, E-mail: [email protected] 3 Oscar Felipe Arbeláez, MSc. en Ciencias – Químicas, E-mail: [email protected]

RESUMEN

Un nuevo derivado indólico se obtuvo de forma inesperada a partir del indol-3-carboxaldehído y la p-cloroacetofenona, para su formación se sugiere un mecanismo en tres etapas, condensación de Claisen-Schmidt, reacción de electrociclación y finalmente un rearreglo sigmatrópico. Valores teóricos de los índices locales de reactividad Fukui y distancias de enlace de los átomos involucrados en este último paso soportan el mecanismo propuesto. La elucidación estructural de este compuesto fue alcanzada por medio de técnicas espectroscópicas convencionales como la resonancia magnética nuclear (1H- y 13C-RMN) y cromatografía de gases acoplada a masas. Los cálculos teóricos se realizaron al nivel de teoría B3LYP/6-31G(d) con el Programa Gaussian 03. El indol y sus derivados representan una importante familia de compuestos heterocíclicos debido a su amplio rango de actividad biológica, lo que ha motivado el desarrollo de distintas estrategias para su síntesis y posterior aplicación en medicina e investigación de nuevos productos farmacéuticos.

Palabras clave: derivado indólico, condensación de Claisen-Schmidt, elucidación estructural


SYNTHESIS OF A NEW INDOLIC DERIVATIVE AND DETERMINATION OF REACTIVITY FUKUIINDEXES

ABSTRACT

A new indolic derivative was unexpectedly obtained from indole-3-carboxaldehyde and p-cloreacetophenone, to its formation a three steps mechanism is suggested, Claisen-Schmidt condensation electrocyclic reaction and finally a sigmatropic rearrangement. Theoretical values of local reactivity Fukui indexes and bond distances of the atoms involved in this last step support the proposed mechanism. The structural elucidation of this compound was achieved by conventional spectroscopic techniques as nuclear magnetic resonance (1H-and 13C-NMR,) and gas chromatography coupled to mass.Theoretical calculations were carried out at the B3LYP/6-31G(d) level of theory with Gaussian 03 Program. Indole and its derivatives represent an important family of heterocyclic compounds due to their wide range of biological activity, which has motivated the development of different strategies for their synthesis and subsequent application in medicine and research of new pharmaceutical products.

Keywords: Indolic derivative, Claisen-Schmidt condensation, spectroscopic characterization.


27

1. INTRODUCCIÓN

Los sistemas que contienen al anillo indólico son componentes estructurales fundamentales presentes en un gran número de productos naturales y sintéticos con amplio e interesante rango de actividad biológica [1,2].

Varios estudios reportan que la familia del indol incluye una gran cantidad de compuestos utilizados en medicina profiláctica o preventiva, diagnóstica y como agentes potencialmente terapéuticos [3-5].

Ejemplos importantes de algunos indoles naturales son la triptamina y la serotonina, los cuales están involucrados en el funcionamiento del sistema nervioso central en mamíferos [6]. Entre algunas de las valiosas propiedades encontradas para estos compuestos y sus derivados cabe destacar su actividad antiinflamatoria, analgésica [7], antitumoral [8], antiobiótica, antihistamínica y anticonvulsiva [9]. Además, se ha confirmado que poseen un amplio espectro de actividad antiparasitaria, como el indol alcaloide apicidina que ha mostrado una potente actividad antimalárica [10].

En definitiva, su notable actividad biológica explica la continua demanda de nuevos procedimientos sintéticos para la obtención de derivados del indol e indoles condensados con diferentes heterociclos [11,12], en los cuales se han implementado metodologías eficientes y versátiles para su obtención y se ha estudiado la reactividad y posible acción biológica de éste tipo de sustancias [13,14].

En concordancia con lo anteriormente expuesto y continuando con la línea de investigación de compuestos heterocíclicos biológicamente activos [15-17], en este artículo se reporta la obtención y caracterización de un nuevo derivado del anillo indólico con potencial actividad biológica.

Por otro lado, un análisis computacional fue realizado en el centro de reacción del compuesto carbonílico , -insaturado 3c, para brindar un soporte al mecanismo de reacción propuesto. Específicamente se determinaron los índices locales de reactividad Fukui, parámetros de gran relevancia que correlacionan la posición en una molécula con su reactividad y por tanto, determinan los sitios con mayor nucleofilicidad y electrofilicidad, permitiendo elucidar los sitios más reactivos de las

moléculas [18].

Por su parte, la longitud de enlace constituye otro factor importante en la elucidación de las rutas mecanísticas. Cuando dos átomos sin carga se aproximan uno a otro, existe una distancia o separación óptima que es igual a la suma de los radios de Van der Waals de los núcleos interactuantes, dicha distancia se denomina longitud de enlace y tiene asociado un punto de energía mínima [19]. Esta propiedad geométrica fue determinada a los átomos que intervienen en el centro de reacción de la estructura 3c y de su correspondiente estado de transición para respaldar el proceso de electrociclación que originó el derivado indólico 5.

DETALLES COMPUTACIONALES

Los cálculos computacionales se realizaron al nivel de teoría semiempírica AM1 utilizando el paquete computacional Spartan-Pro para el análisis conformacional de reactivos, el estado de transición y el producto. Para sus posteriores optimizaciones se empleó el programa Gaussian 03 [20], al nivel de teoría B3LYP/6-31G(d). Para el cálculo de los índices locales de reactividad Fukui, se implementó el software diseñado por el Doctor Eduardo Chamorro Jiménez, integrante del Grupo de Fisicoquímica Molecular de la Universidad Andrés Bello, Santiago de Chile.

2. CONTENIDO

2.1 Sección experimental 2.1.1 General El nuevo producto obtenido 5 fue separado por medio de cromatografía de capa preparativa con cromatoplacas de sílica gel marca Merck 60F-254 con 1 mm de espesor. El punto de fusión se determinó en un fusiómetro electrónico modelo IA9100 y no fue corregido.

Los espectros de resonancia magnética nuclear 1H- y 13C-RMN fueron tomados en un espectrofotómetro BRUKER AVANCE 400 MHz en el Laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear de la Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá, empleando como solvente dimetilsulfóxido hexadeuterado (DMSO-d6) y utilizando como patrón de referencia tetrametilsilano (TMS). Los espectros de masas fueron tomados en un cromatógrafo de gases acoplado a masas Agilent 6890, en el


28

Laboratorio de Análisis Instrumental de la Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín.

2.1.2 Etapa de síntesis El producto indólico 5 fue obtenido a partir del indol-3-carboxaldehído 1 (102 mg, 0.703 mmol) y p-cloroacetofenona 2c (99 mg, 0.64 mmol), los cuales fueron disueltos en 40 mL de etanol en un balón de reacción, al cual se adicionó de forma lenta 1.5 mL de una solución 1.5 N de NaOH y finalmente la mezcla se sometió a reflujo a una temperatura entre 70-75°C con agitación constante durante 14 horas. El progreso de la reacción se controló mediante cromatografía de capa fina (CCF) bajo luz ultravioleta (UV) proporcionada por una lámpara Entela UVGL-58.

La purificación del compuesto se llevó a cabo inicialmente por medio de recristalización con metanol y posteriormente a través de cromatografía de columna usando sílica gel como fase estacionaria y como eluente una mezcla tolueno: acetato de etilo (1:1). Los solventes fueron rotaevaporados obteniendo como producto final 24 mg de 5 (12% de rendimiento) como un sólido de color naranja, cuyo punto de fusión fue de 190 °C. A diferencia de trabajos previos en el grupo [15-17], el rendimiento relativamente bajo obtenido en la presente investigación se atribuye a la alta estabilidad del aldehído indólico y a su baja solubilidad en los solventes orgánicos comúnmente utilizados.

2.2 Resultados y discusión 2.2.1 Mecanismo propuesto Los compuestos carbonílicos , -insaturados 3a-b,Figura 1, fueron obtenidos por medio de la reacción de condensación de Claisen-Schmidt entre acetofenonas p-sustituidas 2a-b y el indol-3-carboxaldehído 1, la elucidación estructural de estas moléculas, (3a-b) se ajustó perfectamente a los resultados esperados [21], sin embargo para el compuesto 3c se obtuvieron señales que no correspondían a la esperada chalcona indólica 3c,señalando la ocurrencia de una reacción o reacciones adicionales en el proceso. Apoyados en las distintas mediciones espectrales se concluye la formación inesperada de la molécula 5, la cual no se ha reportado en la literatura y constituye el objeto de discusión del presente artículo.

+EtOH

NaOH 1.5M

Cl

a2, 3___________________R H OCH3

b c

2a-cH

N

O

H..

1

R

O

CH3

3a-cH

N

O

R..

Figura 1. Reacción de condensación de Claisen-Schmidt para la obtención de las chalconas indólicas 3a-c

La síntesis del compuesto 5 con núcleo indólico, se realizó mediante la reacción de condensación mencionada en el apartado anterior entre el indol-3-carboxaldehído 1 y la p-cloroacetofenona 2c, para obtener inicialmente la esperada chalcona indólica 3c.

El mecanismo propuesto que conduce a la molécula espectroscópicamente caracterizada 5,consta de dos etapas adicionales; en la primera se sugiere una electrociclación [2+2] de la molécula 3cdando lugar al intermedio 4, el cual posteriormente a través de una migración sigmatrópica de hidrógeno [1,3-H] genera el producto final 5, un derivado del indol, en el cual cabe resaltar que se restablece la aromaticidad del anillo indólico y por tanto sus propiedades intrínsecas de reactividad y actividad biológica. Las etapas descritas para esta ruta mecanística se esquematizan en la figura 2.

4

..N

HOH

H

Cl

H

migración1,3 H

5HN

O

Cl

H H

H..

3c..

H

N

O

Cl

Figura 2. Mecanismo sugerido para la formación del derivado indólico 5

2.2.2 Caracterización espectroscópica Análisis del espectro de 1H-RMN

En el espectro 1H-RMN del compuesto 5, Figura 3, tomado en dimetilsulfóxido hexadeuterado (DMSO-d6) se observan las siguientes señales; entre = 3.80 - 5.30 ppm se aprecian tres multipletes correspondientes a la región alifática del ciclo buteno (CH2-CH), entre = 7.50 - 8.20 ppm se


29

registran las señales de los protones aromáticos de los anillos indólico y arílico y la señal para el protón NH aparece como un singlete a = 8.88 ppm identificando al anillo indólico.

Figura 3. Espectro de 1H-RMN del compuesto indólico 5

La expansión de la región alifática del producto 5muestra tres multipletes, Figura 4, que se atribuyen a los protones metilénicos (10CH2) y al protón metínico 11CH.

La primera señal a = 3.97 ppm aparece como un doble doblete con una constante de acoplamiento Jgem = 4.0 Hz y Jvec ax = Jax = 18 Hz y es asignada para el protón Ha. La segunda señal a = 4.17 ppm corresponde al protón H11 y se registra como un doble doblete con constantes de acoplamiento Jvec xa = Jxa = 18.2 Hz y Jvec xb = Jxb = 9.2 Hz. A un desplazamiento de = 5.34 ppm se encuentra la señal para el protón Hb, también como un doble doblete con constantes de acoplamiento Jgem = 4.0 Hz y Jvec bx = Jbx = 9.2 Hz.

Figura 4. Expansión de la región alifática del espectro 1H-RMN del compuesto 5

La expansión de la región aromática se muestra en la Figura 5. A campo más alto, se observan tres señales, a = 7.36 ppm un doblete para el protón H3, protegido por el efecto del nitrógeno del núcleo indólico. A = 7.52 ppm un triplete asignado al protón H5, ligeramente desplazado a campo más alto en comparación con el protón H4 debido a la menor influencia del nitrógeno del anillo indólico, a

= 7.57 ppm, los protones H16 y H18, los cuales son químicamente equivalentes y aparecen como multipletes levemente solapados. A campo ligeramente más bajo se registran cuatro señales, a

= 7.67 ppm un triplete correspondiente al protón H4, a = 7.79 ppm un doblete perteneciente al H6 y finalmente los protones H15 y H19 del fragmento benzoilo aparecen como dobletes debido a su diferente ambiente químico, desplazados a campo más bajo debido al efecto de anisotropía del grupo carbonilo a = 7.96 y = 8.17 ppm, respectivamente.

Figura 5. Expansión de la región aromática del espectro 1H-RMN del compuesto 5

Análisis del espectro de 13CEl espectro de 13C-RMN fue tomado en dimetilsulfóxido hexadeuterado (DMSO-d6) y muestra claramente señales de carbonos alifáticos y aromáticos. Entre las señales importantes se encuentra la que caracteriza al grupo carbonilo C=O, localizada a = 198 ppm y que corresponde en este caso al carbono C12, a continuación se sugiere la ubicación de los seis carbonos cuaternarios y restantes señales registradas. El carbono halogenado C17 del anillo aromático en = 140 ppm, a = 145 ppm el C9, a = 138 ppm el carbono C2, a = 137 el carbono aromático C14 ppm, a = 135 ppm el C7 y a = 133 ppm el C8. Para los carbonos alifáticos se establece la siguiente ubicación, a = 68 ppm el carbono


30

metínico (CH) C10 y a = 34 ppm se ubica el carbono metilénico (CH2) C11; Las señales restantes corresponden a los 8 carbonos aromáticos que se ubican en la región entre 124 y 131 ppm, en la Figura 6 se presenta el respectivo espectro.

Figura 6. Espectro de 13C- RMN para el derivado indólico 5

Espectro de masas El espectro de masas para este compuesto fue tomado utilizando un cromatógrafo de gases acoplado a masas. En el patrón de fragmentación aparecen cuatro picos; el del ión molecular con una relación a m/z = 281 correspondiente al peso molecular esperado y que corrobora la estructura del derivado indólico 5, el pico debido a la pérdida del cloro a m/z = 246, el correspondiente a la ruptura al carbonilo a m/z = 170 y el pico a m/z = 115 originado por la pérdida de la región alifática y el grupo carbonilo, Figura 7. El patrón de fragmentación planteado para este compuesto se presenta en la Figura 8.

Figura 7. Espectro de masas para el producto 5

c

C3H3O

5''m/z = 170 u.m.a5'''

..

HN

m/z = 115 u.m.a ..

HN H

H OH

b C6H4

Cl

a

+

5m/z = 246 u.m.a

5`

N H

O

H H

H

..

a

b

..N H

O

H H

Cl

H

Figura 8. Patrón de fragmentación propuesto para el compuesto 5

2.2.3 Cálculos computacionales Índices locales de reactividad Fukui

La función de Fukui f(r) representa un cambio del potencial químico producido por una perturbación externa, mientras mayor sea este cambio, más reactivo será el sistema en el punto r, ya que se generará un gradiente de potencial químico que inducirá una mayor transferencia de carga, los sitios de mayor reactividad frente a una perturbación externa son aquellos que presentan un valor grande de f(r) [22].

Yang y Mortier han proporcionado un método simple para calcular las funciones de Fukui condensadas alrededor de cada átomo [22], usando aproximaciones de diferencias finitas, de tal forma que la condensación sobre sitios específicos en la molécula produce los índices de Fukui, ecuaciones (1) y (2) :

)]1()([ NqNqf xxx (1)

)]()1([ NqNqf xxx (2)

Donde qx es la carga del átomo x en la molécula, N es el número de electrones, fx- es el índice de reactividad para átomos que realizan ataques electrofílicos y fx+ es el índice de reactividad para centros en los cuales ocurren adiciones nucleofílicas.

Con el propósito de buscar un soporte computacional al resultado experimental obtenido con la ciclación del producto 3c hacia la formación del compuesto imprevisto 5, se analizaron los índices locales de reactividad local Fukui sobre el


31

fragmento C1-C4 en la chalcona indólica esperada 3c, Figura 9, que está directamente implicado en el proceso de electrociclación que origina al intermedio 4, cuya posterior migración sigmatrópica de hidrógeno [1,3-H] produce la estructrura 5.

123

4

HN

O

Cl..

Figura 9. Fragmento C1-C4 involucrado en la electrociclación de la chalcona indólica 3c

En la Tabla 1, se puede observar que el índice de Fukui para adiciones electrofílicas en el átomo C3,tiene un valor de fx- (0.1845) el cual puede sugerir que un par electrónico se está deslocalizando en ese sentido para electrociclarse. De modo similar, el centro donador C4 tiene un índice de Fukui con un valor de fx- (0.1383), dicha carga negativa en éste átomo es un punto de apoyo para suponer que se favorezca un subsecuente proceso de electrociclación para la molécula 3c, cuyo posterior rearreglo sigmatrópico permite que se recupere la aromaticidad del anillo pirrólico para generar el derivado indólico 5.

Tabla 1. Índices de Fukui donadores (fx-) y aceptores (fx+) en la molécula 3c al nivel de teoría B3LYP/6-31G(d)

Molécula C1/ f x- C2/ f x

+ C3/ f x- C4/ f x

-

3c 0.1910 0.2034 0.1845 0.1383

Además, se aprecia que el índice de Fukui para ataques electrofílicos con mayor valor corresponde al C1 (fx- ) (0.1910) y el menor índice de Fukui de los centros aceptores es el del carbono extremo C4 (fx-) (0.1383), permitiendo sugerir un posible flujo de electrones entre estos carbonos.

Distancia de enlace El análisis de ésta variable fue realizado al derivado indólico 3c y al estado de transición esperado de acuerdo al mecanismo sugerido, en el fragmento C1-C4, que está directamente involucrado en el proceso de electrociclación hacia la formación de la estructura 5, Figura 10.

..

12

3

4

O

ClHN

Figura 10. Estado de transición sugerido para el compuesto 3c

Tabla 2. Distancias de enlace, para la chalcona 3cy su estado de transición 3TS, calculados al nivel de teoría B3LYP/6-31G(d)

Molécula C1-C2 C2-C3 C3-C4 C4-C1 3c 1.354 1.440 1.380 3.135

3TS 1.464 1.376 1.458 1.976

En la Tabla 2, se registran las distancias atómicas, para el fragmento correspondiente a los carbonos C1-C4. Al comparar el enlace entre C1-C2 y C3-C4en la chalcona indólica 3c se tiene el valor esperado para un doble enlace (1.35 y 1.38 Å, respectivamente), cuyos valores aumentan a 1.46 Å en el estado de transición, señalando su elongación hacia un enlace sencillo. La distancia de enlace entre C2-C3 es de 1.40 Å en el estado fundamental del compuesto 3c, en tanto que en el estado de transición esta distancia experimenta un acortamiento 1.37 Å, permitiendo inferir la formación de un enlace doble.

El valor que más respalda la electrociclación de 3ces la distancia atómica registrada entre C1-C4,cuya longitud decrece de 3.13 Å (estado fundamental) a 1.96 Å en el estado de transición. Esta disminución significativa de distancia sugiere una notable aproximación de estos átomos extremos, apoyando el mecanismo de ciclación propuesto.

3. CONCLUSIONES

Se determinaron las condiciones de reacción adecuadas para la formación de un nuevo derivado indólico a partir de indol-3-carboxaldehído y la p-cloroacetofenona; su separación y purificación se alcanzó por medio de cromatografía preparativa y la elucidación estructural fue confirmada a través de la información espectral de resonancia magnética nuclear (1H- y 13C-RMN) y el peso molecular.


32

La obtención del derivado indólico 5, se explica como resultado de la particular reactividad química e influencia del sustituyente cloro en el producto intermedio 4. Para su generación se sugiere tras la formación de la chalcona esperada 3c, un proceso de electrociclación [2+2], cuyo intermedio experimenta un rearreglo sigmatrópico [1,3-H], que permite el restablecimiento de la aromaticidad en el anillo indólico.

Los valores de los índices locales de reactividad Fukui para adiciones electrofílicas (fx-) en los carbonos C1 y C4, del derivado indólico 3c,permiten inferir la posible ocurrencia de un proceso de electrociclación que conduce al producto obtenido 5.

La longitud de enlace entre los átomos que participan directamente en la ciclación desde la chalcona indólica 3c hasta el compuesto 5, es el parámetro computacional que brinda mayor soporte a la tendencia descrita para esta molécula hacia un posterior proceso de electrociclación, dado el acortamiento observado entre sus carbonos extremos C1 y C4.

Dada la naturaleza del compuesto sintetizado, que incluye en su estructura el anillo indólico y el sustituyente cloro, se sugiere evaluar la actividad biológica, en particular la actividad antifúngica o citotóxica.

4. AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a la Dirección de Investigación de la Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín, DIME por el apoyo económico a través del proyecto código 20101007131, así como al Laboratorio de Fisicoquímica Orgánica, al Laboratorio de Análisis Instrumental - Sede Medellín y al Laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear de la Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá.

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1H, anillo indólico), 7.87 (s, 1H, anillo indólico), 7.66 (d, 1H, anillo indólico), 7.55 (m, 1H, anillo indólico), 7.51 (m, 1H, anillo indólico). 13C RMN (MeOH-d4,ppm): 194 (C=O), 145 (1C, C ), 120 (1C, C ), 130, 139, 128 (3C, Cq anillo indólico), 137 (1C, Cq, Ph), 115, 121, 123, 125 (5C, CH anillo indólico), 127, 128, 135 (5C, CH, Ph).

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34

CONTROLADOR TIPO SERVO CON OBSERVADOR DE ORDEN COMPLETO Y CONTROLADOR SEGÚN CIANCONE MARLÍN

PARA UN SISTEMA DE FLUJO Luis Edo García Jaimes1, Maribel Arroyave Giraldo2

1Luis Eduardo García Jaimes, Magister en Educación, Especialista en automatización Industrial Docente Investigador, [email protected]. Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid.

2Maribel Arroyave Giraldo, MSc(c) en Automatización y Control Industrial, Docente Investigador, [email protected]. Institución Universitaria de Envigado, Carrera 27 B # 39 A Sur 57

RESUMEN

En el artículo se presenta el método de control de procesos por realimentación del estado utilizando técnicas de asignación de polos. Se diseña un observador de orden completo y se le adiciona un integrador para corregir el error en estado estable, además se calcula un controlador utilizando las tablas de Ciancone Marlín con el fin de comparar el desempeño de los dos controladores en la regulación del proceso. La variable controlada es el flujo y para ello se trabaja con un módulo didáctico diseñado y construido en el laboratorio de Automatización y Robótica de la Institución Universitaria de Envigado, que permite controlar y monitorear las variables de flujo y nivel. El módulo posibilita también, estudiar aspectos relacionados con el modelado e identificación de sistemas y aplicar distintas estrategias de control, incluyendo técnicas de control convencional y técnicas de control avanzado.

Palabras clave: Control de flujo, Algoritmo de control, Modelo matemático, Observadores de estado, Asignación de polos.


FULL ORDER STATE SERVO CONTROLLER AND CIANCONE MARLIN CONTROLLER FOR A FLOW SYSTEM

ABSTRACT

The paper the method of process control using state feedback and pole assignment techniques. Designing a full order observer and an integrator is added to correct the error in steady state, also is calculated a controller using Ciancone Marlin tables to compare the performance of the two controllers in the regulation of the process. The controlled variable is the flow and to this ends a training module designed and built in the Automation and Robotics Laboratory of the University Institution of Envigado, which allows controlling and monitoring the flow and level variables is used. The module also allows studying aspects of systems modelling and identification and applying different control strategies, including conventional control techniques and advanced control techniques.

Keywords: Flow control, Control algorithm, Mathematical model, transducer, State observers, pole assignment.

1

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36

2.2 Descripción del sistema El modulo para control y monitoreo de flujo y nivel es un sistema de regulación de procesos que consta de dos tanques: uno ubicado en la parte inferior utilizado como reservorio de agua y otro en la parte superior destinado al control de nivel (Ver figura 1). Mediante una bomba se trasiega el agua desde el tanque inferior al tanque superior estableciéndose un sistema de recirculación de agua que permite realizar el control de flujo y el control de nivel.

El tanque superior tiene tres ductos de salida de agua hacia el tanque inferior: el primero tiene una válvula solenoide que permite realizar control on-off de nivel, el segundo tiene una válvula manual para introducir perturbaciones al lazo de control de nivel y el tercero, es utilizado como rebose para evitar

derrames de agua en caso de alguna falla en el sistema de control.

Para el control de flujo, ver figura 2, se dispone de: un transmisor de flujo, un controlador electrónico PID, un convertidor de corriente a presión, una válvula de control y una bomba para recirculación. También tiene un sistema de válvulas manuales que permiten introducir perturbaciones en el lazo de control de flujo.

Para el control de nivel, ver figura 2, se dispone de: un transmisor de nivel, un controlador electrónico PID, un convertidor de corriente a presión, una válvula de control y una bomba para recirculación. Además se cuenta con un interruptor de nivel y una válvula solenoide para control on-off.

Fig. 2. Diagrama de instrumentación del modulo.

En la figura 2, el controlador electrónico XIC (controlador e indicador) es compartido: cuando está en la posición L recibe la señal proveniente del

sensor de nivel y controla el nivel en el tanque superior. Cuando se coloca en la posición F recibe la señal del transmisor de flujo y controla el caudal


37

a través del ducto. Esto se hace por economía pues ésta disposición exige solo un controlador en lugar de dos (uno para cada variable).

Las señales provenientes de los transmisores de nivel y de flujo se disponen en borneras de modo que se pueden llevar directamente al controlador electrónico PID ó se pueden llevar a una tarjeta de adquisición de datos para realizar control por computador ó a través de un PLC (Controlador Lógico Programable). De igual manera, las señales de control provenientes ya sea del controlador PID, del computador ó del PLC se pueden llevar al convertidor de corriente a presión (I/P) y de éste a la válvula de control (XCV). Ésta disposición permite aplicar diferentes técnicas de control de procesos: control análogo, control digital y control con PLC.

3. MODELO MATEMÁTICO DEL SISTEMA DE FLUJO

Para realizar el diseño de los controladores para el proceso de flujo se consideró que la función de transferencia que lo representa se puede aproximar a la de un sistema de primer orden con retardo (POR), de la forma:

En donde ganancia de la planta, constante de tiempo, retardo o tiempo muerto, es la salida del sistema y es la entrada.

Fig. 3. Forma de aplicar el escalón para obtener la curva de reacción

El procedimiento experimental para estimar el modelo consiste en determinar el punto de operación del proceso, abrir el lazo de control (llevando el controlador a manual) antes del elemento final de control y crear un pequeño y rápido cambio en escalón que estimule el proceso como se indica en la figura 3. La respuesta obtenida permite estimar los valores de la ganancia

( ), de la constante de tiempo ( ) y el de el retardo ( ) del proceso [1].

Para modelar el sistema se aplicaron diferentes escalones como se ilustra en la figura 4.

Fig. 4. Respuesta del sistema al escalón.

Para obtener el modelo matemático del sistema y realizar el diseño de los controladores, se tomó como zona de trabajo la comprendida entre el 47% y el 67% del flujo máximo. La figura 5 muestra la respuesta del sistema al escalón del 5% aplicado en dicha zona, para efectos de una correcta identificación, las condiciones iníciales se llevaron a cero mediante una simple traslación de los datos.

Fig. 5. Escalón seleccionado.

La identificación se realizó utilizando la plataforma MATLAB®, específicamente la sección System IdentificationTool, ver figura 6.

0 50 100 150 20010

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30


39

Para realizar el diseño de los controladores, el sistema se discretizó con un periodo de muestreo T=1.74 s, la función de transferencia de pulso resultante es:

La representación del sistema en el espacio de estado en su forma canónica controlable está dada por la ecuación:

(4)

4. ALGORITMOS DE CONTROL

4.1 Sistema tipo servo con integrador y realimentación del estado La figura 8 muestra un sistema de control por realimentación del estado en el cual se utiliza un integrador adicional para estabilizar adecuadamente el sistema y mejorar su exactitud.

La ecuación de estado de la planta y su correspondiente ecuación de salida son, respectivamente [2]:

Fig. 8. Sistema tipo Servo con realimentación del estado

La ley de control para el sistema es:

Las ecuaciones (5), (7) y (8) se pueden escribir en forma matricial así:

La ecuación de salida del sistema es:

Si la referencia es un escalón de magnitud entonces .

Con esta consideración, la ecuación (9) se puede escribir en la forma:

Para realizar el diseño, utilizando la técnica de asignación de polos, se debe estimar la matriz correspondiente al integrador y la matriz correspondiente a la matriz de ganancia de realimentación. Se puede demostrar que [3]

En donde:

y

Siendo los coeficientes de la ecuación característica deseada para el sistema en lazo cerrado.

La ley de control para el sistema está dada por:

La matriz L del observador de orden completo se evalúa mediante la ecuación:

En donde:


40

Siendo los coeficientes de la ecuación característica deseada para el observador.

4.2 Control PI según Ciancone-Marlin Este método de sintonía, para controladores PI y PID, se aplica cuando el modelo del proceso se aproxima a un sistema de primer orden con retardo (Sistema POR). Los parámetros para la sintonía se obtienen utilizando procedimientos de optimización basados en criterios de la integral del error como el IAE (Integral del valor absoluto del error) o el ICE (Integral del error cuadrático), teniendo en cuenta el desempeño y la robustez del algoritmo de control y los problemas de saturación de la variable manipulada [4], [5]. Sea el sistema de primer orden dado por la ecuación (1), para obtener los parámetros del controlador mediante la técnica de Ciancone - Marlin se utiliza la relación [6].

A partir de la cual se estiman los valores de del controlador, así:

El controlador PI tiene como ecuación [7]:

En donde:

En la tabla 1 se dan los valores de y los correspondientes valores de que permiten obtener los parámetros del controlador:

Tabla 1. Método de Ciancone-Marlin PI (Perturbación)

F X Y X Y 0.0 1.259 0.241 1.417 0.748 0.1 1.259 0.235 1.417 0.748 0.2 1.626 0.518 1.193 0.964 0.3 1.377 0.789 1.032 0.881 0.4 1.000 0.746 0.918 0.818 0.5 0.858 0.702 0.861 0.756 0.6 0.599 0.659 0.722 0.693 0.7 0.464 0.615 0.648 0.631 0.8 0.383 0.572 0.608 0.568 0.9 0.359 0.528 0.594 0.506 1.0 0.316 0.485 0.558 0.443

5. CÁLCULO Y PRUEBA DE LOS CONTROLADORES

Para implementar los algoritmos de control se utilizó la plataforma Labview y la interface entre el proceso y el computador se realizó con una tarjeta de adquisición de datos con resolución de 10 bits.

El software desarrollado, además de realizar el control del proceso, permite monitorear y almacenar los datos de la variable controlada y de la salida del controlador hacia el elemento final de control, esto posibilita disponer permanentemente de información sobre la evolución del sistema.

5.1 Sistema tipo servo con integrador Para estimar el algoritmo de control del sistema tipo servo con integrador y realimentación del estado, se asumió para el proceso en lazo cerrado un tiempo de establecimiento igual a 5 s y máximo sobreimpulso del 8%. Estas condiciones ubican dos polos dominantes en , el polo restante se asigna en z=0.2. Para el observador se asignaron los polos en el origen.

Utilizando las ecuaciones (12), (13) y (14) se obtiene:


41

La ley de control para el sistema es:

La figura 9 muestra la simulación en Matlab del sistema de flujo con el controlador tipo servo estimado, la señal de referencia es un escalón unitario. Como puede observarse, el sistema cumple con las condiciones de diseño propuestas y el error de estado estable es igual a cero.

Figura 9 Simulación del sistema con el controlador tipo servo.

La figura 10 muestra la respuesta del sistema con el controlador tipo servo obtenido. Para realizar las pruebas del controlador se aplicaron escalones del 5% en la señal de referencia. Se observa que ésta presenta un sobreimpulso de aproximadamente 10%, con valor algo mayor al utilizado como criterio de diseño y que el tiempo de establecimiento es de unos 20 s. La figura 11 muestra el comportamiento del proceso cuando se le aplica una perturbación manipulando la válvula manual V5 (figura 2), equivalente a suministrar una entrada adicional de agua para aumentar el flujo en aproximadamente un 10%. Se observa como el sistema de control experimenta la perturbación introducida, la corrige y se estabiliza rápidamente retornando al punto de consigna

Fig. 10. Respuesta con el Sistema tipo servo con integrador.

Fig 11. Aplicación de una perturbación al sistema tipo Servo.

5.2 Controlador PI según Ciancone-Marlin:

Según el modelo obtenido para el sistema y aplicando la ecuación (18):

Utilizando la tabla 1 e interpolando resulta:

De la ecuación (19) se obtienen los parámetros del controlador PI, así:

El controlador PI, según las ecuaciones (20) y (21) tiene como función de transferencia:

La figura 12 muestra la simulación en Matlab del sistema de flujo con el controlador de Ciancone-Marlin calculado, la señal de referencia es un escalón unitario. Como puede observarse, el sistema presenta un sobreimpulso de aproximadamente el 7%, tiempo de establecimiento de 10 s y el error de estado estable es igual a cero.

Figura 12 Simulación del sistema con el controlador de Ciancone-Marlin

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43

software y presenta un bajo costo computacional. Con estas ventajas y los buenos resultados obtenidos en el desempeño del proceso de flujo se puede concluir que estas técnicas de control representan una buena opción para utilizarlas en la regulación de procesos industriales.

El control por computador presenta un excelente desempeño en la ejecución de los algoritmos pues se aprovechan sus características en cuanto a velocidad de procesamiento matemático para la implementación de estos, dando como resultado que el proceso controlado responde correctamente de acuerdo a los parámetros estimados en cálculos previos.

Cuando se desarrollo el cálculo matemático de los controladores se realizó una simulación en Matlab® obteniendo un buen desempeño en cuanto a estabilidad , exactitud y velocidad de respuesta de acuerdo a las características teóricas de los mismos pero, cuando fueron implementados en el proceso real, se presentaron algunas diferencias entre el comportamiento real del sistema y el obtenido en la simulación, lo que indica que a pesar de que la simulación es una herramienta muy poderosa a tener en cuenta, esta puede diferir del comportamiento real debido a imperfecciones en el modelo matemático estimado para el proceso y a la presencia de perturbaciones no tenidas en cuenta en la modelación. .

7. AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a la Institución Universitaria de Envigado (IUE), por facilitar el laboratorio de Automatización y Robótica para la realización de las pruebas de campo e implementación de los algoritmos diseñados.

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Revista Politécnica ISSN 1900-2351, Año 6 Número 10, 2010

44

DISEÑO DE UN SISTEMA INTEGRADO PARA LA CONVERSION DE UN TORNO CONVENCIONAL A TORNO CNC

Nelson Londoño Ospina 1, William A. Molina P.2, Luis A. Fonseca R.3Jairo Álvarez Díaz4, Horacio Giraldo C.5

1 Nelson Londoño Ospina Ingeniero Electrónico, Ph.D(c). Docente Universidad de Antioquia 2 William A. Molina P. Estudiante, Ingeniería Mecánica, Auxiliar de investigación, Universidad de Antioquia 3 Luis A. Fonseca R. Estudiante, Ingeniería electrónica, Auxiliar de investigación, Universidad de Antioquia 4 Jairo Álvarez Díaz Tecnólogo Mecánico, Auxiliar de Investigación, Adscrito al grupo GIMEL 5 Horacio Giraldo C. Ingeniero Mecánico, Docente Universidad de Antioquia

RESUMEN

Se propone un sistema integrado para la automatización de un torno convencional y la renovación tecnológica de viejos tornos manuales. El trabajo que se presenta es la continuidad de un proyecto previo [1], partiendo de la idea de mejorar el Torno que se había desarrollado y mejorar los tiempos, la precisión y la confiabilidad del mecanizado efectuado por el sistema. Se expone en términos generales los sistemas mecánicos y de software y se enfatiza en la implementación del sistema electrónico y de control. Además, se desarrolla una interfaz de usuario con un algoritmo que es capaz de interpretar los perfiles deseados desde un archivo DXF y generar de manera automática, de acuerdo a una estrategia de mecanizado implementada, las operaciones que deberá hacer la herramienta para mecanizar la pieza deseada; Así prescindir de la programación en códigos G y facilitar aun más la manipulación del sistema. Finalmente, se presentan con detalle los resultados obtenidos al finalizar el proyecto.

Palabras clave: Torno, CNC, Control de motores, control de movimiento, microcontroladores.


SYSTEM DESIGN FOR THE CONVERSION OF A CONVENTIONAL LATHE TO CNC LATHE

ABSTRACT

Aiming at Automation of conventional lathes and technological renovation of old ones, a integrated system is proposed. The work that is presented is the continuation of a previous project [1], in order to improve accuracy, reliability and times during machining in the lathe that was developed. Mechanical and Software systems are slightly exposed. Electronical and control systems are deeply studied. Furthermore, an user interface with an algorithm that can interpret profiles from DXF files is developed. It automatically generates all operations that tool has to do in accordance with the machining strategy implemented. In this way it is possible to dispense with G codes and makes easier the interaction with the system. Finally, results of one of tests are described in detail.

Keywords: lathe, CNC, Motor Control, Movement Control, Microcontrollers


45

1. INTRODUCCIÓN

En el año 2005 se realizo en la universidad de Antioquia en Medellín, Colombia, un proyecto de investigación en el cual se llevo a cabo el diseño y la construcción de un mini Torno de control numérico [2]. Cada eje era conducido por motores paso a paso con control de movimiento sin realimentación. La idea del trabajo presentado en este artículo es mejorar la precisión, confiabilidad y los tiempos del mecanizado efectuado por el sistema para posibilitar y hacer más factible la conversión de tornos convencionales a tornos CNC.

Durante los últimos 5 años, la mayoría de los esfuerzos investigativos en el área de Tornos CNC no se enfocan en la creación de un torno CNC, ni en su automatización, si no en la mejora de la precisión del sistema y en reducir los requerimientos de hardware especializado para la ejecución de los cálculos. Algunos de los trabajos realizados en esta área se presentan a continuación: En [3] se presenta un método para la reducción y compensación del desplazamiento térmico del centro del eje de giro del husillo. En [4] se diseña un algoritmo genético para la selección de herramientas de corte, la planeación de secuencias de la herramienta y la optimización de las condiciones de corte. En [5] se presenta el diseño de un controlador de fuerza. En [6] se desarrolla un método para la estimación del torque de corte sin usar un sensor de velocidad. En [7] se propone un algoritmo DSP para la obtención de los parámetros dinámicos de un servomecanismo desde un encoder óptico incremental. En [8] se propone una implementación de hardware de un torno CNC habilitado con el estándar STEP-NC. En [9] se diseña e implementa un controlador CNC usando hardware reconfigurable. En [2] se estudia el efecto de la geometría de la herramienta de corte y la velocidad de corte sobre la fuerza de corte y la temperatura en la punta de la herramienta. En [10] se desarrolla un sistema de tecnología móvil para monitorear y recibir datos desde maquinas CNC. En [11] se implementa un control para una óptima tasa de remoción de material en un Torno. En [12] se desarrolla un sistema para la adquisición de datos y monitoreo de maquinas herramientas CNC de arquitectura abierta usando Internet. En [13] se realiza un análisis de elementos finitos de la flexión que ocurre durante el corte en una herramienta para Torno HSS. En [14] se diseña un controlador difuso auto configurable para controlar la fuerza de corte y mantenerla constante durante el torneado.

En [15] se plantea el mecanizado multicorte en Torno controlados numéricamente. En [16] se determina la calidad de la precisión de un torno en base a las características dinámicas. En [17] se plantea un nuevo diseño de controlador para incrementar la precisión del sistema.

De todos los trabajos estudiados, el que más se acerca a la problemática que se aborda es una investigación realizada por Zhan Yiqing, Zuo Zhiyong, Xie Yun y Wei Wen en China [18]. Allí se plantea la investigación y la aplicación de tecnologías de automatización en la renovación de viejas maquinas herramientas importadas. En dicha investigación se demuestra que nuevas tecnologías de automatización pueden reducir la inversión monetaria para la renovación de las viejas maquinas y su consumo de energía.

En nuestra investigación se plantea un esquema y un sistema integrado para la automatización de tornos convencionales, los cuales permitirían, aun muy bajo costo, renovar viejas maquinas herramienta en universidades, y en la pequeña y mediana industria. Se presenta una visión general del torno CNC, explicando cada uno de los aspectos y etapas que lo conforman. Se enfatiza en los aspectos ligados a la Electrónica, sensórica y potencia, objetivo principal del artículo.

2. ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA CNC IMPLEMENTADO

La Fig. 1. ilustra el esquema general implementado en el proyecto donde:

PC: Es un computador de propósito general dotado de: Un software CAD, en el cual: se diseñan las

piezas. Una interfaz gráfica Un software que genera una estrategia de

maquinados definida y los comandos necesarios para construir la pieza

Una librería para comunicación con la etapa de control.

Tarjeta de control: Basada en: Un microcontrolador que toma la información

suministrada por el PC y la convierte en órdenes o señales de control.

Una tarjeta de potencia con IGBT’s Un sistema y sensores para corregir errores y

proteger el sistema.

F

Tmehp

Dcsielc

F

Fig. 1. Esque

Torno: Máqumecánico accel carro longherramienta dpieza a tornea

Desde el pconcebir el sistemas clargual númeroesta clasificaca participaciócada área [1]

CNC

Fig. 2. Sistem

SISTEMELECTRO

ema general d

ina herramiecionado por mgitudinal, el de corte y ear.

unto de visCNC como ramente dife de disciplinación y su inteón interdiscip, así:

ma del CNC.

SISTEMMECAN

MAONIC

del sistema C

nta dotada demotores DC, carro transvl mandril que

sta funcionaluna conjuncrenciables y as. En la Figerrelación, qulinaria de esp

AIC

SISTEMASOFTWA

Revist

CNC implemen

e un Sistemaque muevenersal con lae contiene la

l, se puedeción de tres

que cobijan. 2 se ilustra

ue requirió depecialistas en

ARE

ta Politécnic

46

ntado.[19]

anaa

esnaen

Sistemapropiam

Fig. 3. C

ca ISSN 1900

a Mecánicmente dicho F

NUMERO 12345 T67

CNC Impleme

0-2351, Año 6

co: ComprFig. 3

NOMBMandril - H

Carro TranCarro Long

Bancada PrTorreta - Porta H

Motor eje TraMotor eje Lon

entado

6 Número 10,

rende el

BRE Husillo

nsversal gitudinalrismática Herramientaansversal ngitudinal

, 2010

torno

Sddm

Clme

F

3

Ld

Sistema Sofdatos y el prodiseño CADmicrocontrola

Compuesto pas piezas amaquinado, enviados a lo

Fig. 4. Esque

3. INTERFA

La interfaz desarrollada e

ftware: Que ocesamiento dD, hasta la ador e interfaz

por programa construir, pgenerar los

os microcontr

ema general d

AZ DE USUA

de usuarioen Visual Ba

involucra lade la informac

entrega dz de usuario,

as que permprocesar la e

valores discroladores, y s

del sistema S

ARIO

os es unaasic .NET para

Revist

a captura deción desde el

de datos alver Fig. 4.

miten diseñarestrategia decretos a sersuministrar la

oftware

a aplicacióna facilitar la

ta Politécnic

47

ell

rera

interfazsistema

Sistemaligados acondicprotecc

n

interaccilustra e

ca ISSN 1900

que permitea.

a Electrónica la

cionamiento, ión.

ción entre el oesta interfaz.

0-2351, Año 6

e comunicar a

co: Incluye toelectrónicamicrocontrol

operario y la

6 Número 10,

al operador c

odos los aspde pot

lador, sensa

máquina. La

, 2010

con el

pectos encia,

ado y

Fig. 5

F

4

EtpsEi

F

Qg

Fig. 5. Interfa

4. SISTEMA

El sistema eletiene comoprocedente sistema de poEl esquema lustra en la F

Fig. 6. Sistem

Que se puedgenerales ilus

az Gráfica

A DE CONTR

ectrónico, co objetivo del PC, prootencia que ageneral del s

Fig. 6.

ma de Control

de identificar stradas en la

ROL

mo se dijo anrecibir la

ocesarla y actuará sobre sistema imple

l CNC.

mediante las Fig. 7

Revist

nteriormente,información

controlar ellos motores.

ementado se

s etapas más

ta Politécnic

48

,nl

e

s

Fig. 7. E

4.1 MCada controlaSC, de emprescomo implemecon reaBásicamprocesaPC) y PWM pmotoresposicióncarro. Eparámecorrespmicroco

ca ISSN 1900

Etapas del sis

MCU uno de los

ado por un propósito es

a JEFFREY una solu

entación de alimentación mente, cada mar las señale

calcular unaara comandas y que, enn, velocidad yEn la Fig. 8, setros más imonden a

ontrolador.

0-2351, Año 6

stema de con

s motores dmicrocontrol

specífico, sKERR, LLC

ución integservo contropor encode

microcontrolaes de entrada acción de car los IGBT’sn última insty torque de lase ilustra, de mportantes a

pines

6 Número 10,

ntrol CNC.

del sistema lador PIC-SEuministrado pC [20], concgrada paraol de motoreers incremenador se encara (procedentcontrol en fo

s que alimentatancia, defina herramientaforma gener considerar yespecíficos

, 2010

está ERVO por la cebido a la es DC ntales. rga de te del

ormato an los en la

a y del al, los y que

del

F

Soim

Hpspqt

EAMlre

CdePcccm

Fig. 8. Parám

Set Point: Coobtener un anformación mediante una

Home y Chopor “Sensoressistema de cpara referencque generan tipos:

Electrónicos:A1301. Mecánicos: Aímite máximoredundante pefecto Hall. (F

Fig

Corriente: mde control el están suminisPara medir ecorriente decomportamiencolocado en smotor.

metros del PIC

orresponde aavance que d

se suminisa interfaz seria

oque: recibes de Final de

control el punciar y protege

esta señal

sensores d

Activados cuao permitido. Cpara prever Fig. 9).

g. 9. Sistema

ediante este estado de lo

strando y la pesta variable efecto Hanto lineal y reserie con la f

C-Servo SC.

al punto de codebe realizar stra al micral.

n las señalee carrera” quento inicial y eer el torno. Lson básicam

e efecto Ha

ando el carrCorresponde fallas en el

a de protecció

pin, se informos motores: epotencia que c se utilizo u

all Allegro Aesolución de fuente de alim

Revist

onsigna parael motor. La

rocontrolador

es generadase Informan alel punto finalLos sistemas

mente de dos

ll, referencia

ro supera una una señalsistema de

ón.

ma al sistemael torque queconsumen. un sensor deACS712, de60-185mV/A,

mentación del

ta Politécnic

49

aar

sllss

a

nl

e

ae

ee,l

Encodelongitudde encencodepor revsensadoforma qresolucipor tantpulsos p

Los cadetermiEstas determi

Fig

4.2 AEl microse encalos term

ca ISSN 1900

er: Los motdinal y el carcoders ópticor cuenta convolución. Seo infrarrojo coque, por softwión de los ento, para cada por revolución

nales A y Bnar la direccseñales puenar el sentido

Fig

g. 11. Identific

Acción de coocontroladorarga de tomaminales Set P

0-2351, Año 6

tores que crro transversaos increment una resoluc

e implementóon señales deware en el mncoders se in

motor la reson.

B, Fig. 10, ción de la roeden ser deo de giro del m

g. 10. Encode

cación Señale

ontrol utilizado en e

ar las señalesPoint y Enco

6 Número 10,

controlan el al, fueron dotales [21]. ción de 400 pó un sisteme cuadratura,

microcontroladncrementada olución es de

son usados otación del mecodificadas motor, Fig. 11

er.

es de encode

el control dels suministradoder, y con

, 2010

carro otados

Cada pulsos

ma de de tal

dor, la a 4X;

e 1600

para motor.

para 1.

r.

l CNC das en éstas,

ipdL

Pv

Ds

4

PmPas

LstcGt

P

Etév

dentifica la ppor medio dede control máLa acción eje

PWM: aplicavelocidad de

Dirección: Unsentido de gir

4.3 Modo coordi

Permite al movimiento dPIC-Servo Salmacenar unserán los pun

La coordinacsiguiente mantrayectoria decada controlaGrupo para qtiempo de ma

Fig

Perfil trapezo

El microconttrapezoidal deéste, se obtvelocidad sin

Fig. 13.

posición y lae un controlaás adecuada rcida tiene co

ada a los Ilos motores.

na señal binaro que deba t

de contronado (CMC)computador de varios moSC. Cuentana serie de pntos consigna

ción de múltnera, Fig. 12:eseada, envíador individuaue todos los

anera sincrón

g. 12. Contro

oidal de velo

rolador realize velocidad ptiene suavidasobre esforz

. Control trape

a velocidad pador PID digit

para alcanzaomo salida do

GBTs para

aria (1 ó 0) quener el motor

ol de mo[20]coordinar fá

otores con c con un

puntos muy cea para el contr

tiples ejes o: El host (PC)ía una lluvia al y envía un ejes se muevica.

ol de trayector

ocidad [22]

za un controprogramable, ad y movimar el servomo

ezoidal de ve

Revist

para calcular,tal, la acciónar el objetivo.os señales:

controlar la

ue define delr.

vimiento

ácilmente elcontroladoresbuffer paraercanos, querolador.

ocurre de la) discretiza lade puntos acomando de

van al mismo

ria

ol con perfilFig. 13. Con

miento a altaotor.

elocidad

ta Politécnic

50

,n.

a

l

lsae

aaaeo

lna

4.4 SLos mopuentecon lo c(voltaje se ilustr

IGBT’s:IRGB40tienen la

- Vol

- Co

- Vo(E)

- Tie

- Dcon

Conmutseñalescuenta microcodos señPara ellde giro por med

ca ISSN 1900

Sistema de potores DC sH conformadcual, es posibDC) como s

ra el esquema

Fig. 14. S

Los IGBT [2061D en confas siguientes

ltaje entre co

rriente en Co

ltaje de ence): 9-20V.

empo de conm

Diodo entre nmutación a a

tación: La tos de control,

con dos sontrolador. Poñales de conlo se optó pocon los IGBT

dio de los IGB

0-2351, Año 6

otenciason alimentado por 4 IGBTble controlar u sentido de a utilizado.

Sistema de P

23], [24], [25]figuración pue característic

lector y emiso

olector (C): 18

endido entre D

mutación del

emisor-colecalta velocidad

opología en una por cada

señales sumor tanto se dentrol (PWM yor hacer la vaT Q2, Q4 y BT Q3 y Q4, F

6 Número 10,

ados medianT’s por cada mtanto su velogiro. En la F

otencia

] utilizados soente H, los cas básicas [2

or: 600V.

8ª.

Drain (D) y E

orden de 50N

ctor que ped.

puente H exa motor, y só

ministradas pebió transformy dirección)

ariación del sevariar la velo

Fig. 15.

, 2010

te un motor, ocidad Fig. 14

on los uales,

26]:

Emisor

Ns.

ermite

xige 4 ólo se por el mar las

en 4. entido ocidad

4LpdpNrdrProipoe

PuSqacCpe

Fig. 15. Co

4.5 AcondLas señales proteger el cide potencia. permite indepNo obstanteretardo conside PWM recomendablePWM del ordruidos audibleotro lado, si lmputables apueden sobronda, lo que en etapas pos

Para evitar loun buffer coSchmitt Triggque se recuafectar drástcoloca una reCD40106 y parásitas entetapa de acon

F

nversión de 2

dicionamientde control d

ircuito contra Se utilizó el apendizar sele

e, estos optderable, por a la salide controlar el den de 10Kes molestos a frecuencia al sistema repasar la dehará que se

steriores.

os problemasn transistoreger inversorapera el flancticamente suesistencia deel G para

tre G-E. Enndicionamien

Fig. 16. Acond

2 a 4 señales

odeben ser a cortos o fallaislamiento óectivamente ltoacopladoreslo que defor

da. Adiciona motor con freHz a 20KHzpara el ser es muy alta,de control eformación safecte el cic

s anteriores, es BJT y una CD40106, co de subidu ciclo de de 10 entre

descargar cla Fig. 16 s

nto.

dicionamiento

Revist

de control.

aisladas parao en la parte

óptico porquelos sistemas.s tienen unman la señalalmente, esecuencias dez para evitarhumano. Por, los retardosde potencia

sufrida de laclo de dureza

se introducea compuertade tal formaa inicial, sindureza y sela salida del

capacitanciasse resume la

o

ta Politécnic

51

aee.

nl

serrsaaa

eaanelsa

4.6 FPara loregulad

Para ciFig. 14comparimplemeQ4, una

Fig. 18.

4.7 Sm

El sistesistema19. Cadcomo ree inconvA continilustrada

Host: C

Convercomunic

ca ISSN 1900

Fuentes alimeos motores:a de 90V y 5A-

Fig. 17.

ircuito de dis4, solo dos rten el Emisoentar 3 fuenta para Q1 y o

. Fuente circu

Sistema de microcontrolaema de coma de Control da uno de loespuesta a uvenientes, prnuación, se eas.

Fig. 19.

Corresponde a

rsor USB-RScación USB

0-2351, Año 6

entaciónSe diseño

A, ver Fig. 17

Fuente Motor

sparo: Como (Q2 y Q4

or. Por éste htes de dispatra para Q3,

uitos de dispa

comunicaciadores y el Punicación imNumérico seos bloques h

una evaluacióropias de ésteexplica cada

Acondicionam

al PC.

S232: Se debdel PC al p

6 Número 10,

o una fuent7:

res DC

se observa 4) de los IGhecho se debro, una paraFig. 18.

aro

ión entre loPC

mplementado e ilustra en laha sido concón de posibilide tipo de sisteuna de las e

miento

be acondicioprotocolo est

, 2010

te no

en la GBT’s bieron Q2 -

os

en el a Fig. cebido dades emas.

etapas

nar la tándar

Rm

C4ecdd(m1c

F

EstdAdsdedmAmdedaqdcds

RS232, el cumicrocontrola

Conversor R485, debido entre el PC ycomandan el de la máquinde sus venta(Transmisión máximo de la100kbps y configuración

Fig. 20. Direc

El procedimsiguiente: Catodos los mdefecto 0x0ADDR_OUT desactivansubsecuentesde los módencuentredesactivada. módulos queADDR_IN. Emódulos adesactivada yel primer móddefecto a tiera comunicarsque está acdirección a 0cambiara el ede tal formasiguiente mód

ual es el proadores.

RS232-RS485a que era

y los diferentemovimiento

a. Además, fajas tales com

diferencial a señal de ap

capacidad n maestro/es

ccionamiento

miento de dada vez que módulos arra00, y sus

arrancan enla comunicas, ya que poulos, mientraen 1 su Únicamente

e tengan enEn ese ordearrancan coy únicamentedulo, el cual trra (en cero). se con el móctivo en ese 0x01 e inmedestado de sua que activadulo, el cual

otocolo que

5: Se optó ponecesario cr

es microcontrde cada uno

fueron evaluamo su inmun

balanceadaproximadame

de trabaclavos [27].

o de módulos.

direccionamieel sistema encan con dpines corre

n 1, de tal ación de loor característas el pin A

comunicactendrán com

n cero lógicoen de ideason su ce tendrá la ctiene su pin AEl computad

ódulo 1 de dimomento,

diatamente du salida ADDara la comutomará la di

Revist

soportan los

r el protocolorear una redoladores queo de los ejesadas muchasidad al ruido), alcance

ente 1200m aajar en la

Para poder

.

ento es els encendido,

dirección porespondientesmanera queos módulosticas propias

ADDR_IN seción estaráunicación loso su pin des, todos loscomunicacióncomunicaciónADDR_IN pordor empezarárección 0x00cambiará su

dicho móduloDR_OUT a 0,unicación delrección 0x00

ta Politécnic

52

s

odessoeaar

trabajarimplemede creacolision

4.7.1 DUna pcomunicmódulosdel micrdos móindica e

l,rsesseásesnnrá0uo,l

0

por defvolverá0x00 acaso a pin Acomunicprocedino recib0x00.

4.7.2 PLas traentre el

Trama d

Cabecera

(1 Byte)

ca ISSN 1900

r en ésta entar RS485

ar una red dees de informa

Direccionamiparte importcación es s (esclavos).rocontroladoródulos debeen la Fig. 20.

fecto. Una vea comunicar

ctivo y camb0x02. IgualmDDR_OUT cación del simiento continba respuesta

Protocolo [20mas utilizada PC y los mó

de datos del

a Dirección del módulo

(1 Byte)

0-2351, Año 6

configuraciófull dúplex (4datos segura

ación.

ento [20] tante para el direccionPara ello, se

r: ADDR_IN yn estar con

ez hecho esrse con el mbiara su dire

mente dicho men cero

guiente módnuara hasta qde ningún m

0]:as para realizdulos son las

l PC al MCU

Comando

(1 Byte)

d

(

6 Número 10,

ón fue nece4 Líneas), cona, donde se

el sistemanamiento dee utilizan dos y ADDR_OUTectados com

sto, el compuódulo de dire

ección ya enmódulo coloca

y habilitarulo si lo hayque el compu

módulo de dire

ar la comunics siguientes:

Adicionales del comando

(0 a 15 Bytes) (

, 2010

esario n el fin evitan

a de e los pines

T. Los mo se

utadorección n este ará su rá la y; éste utador ección

cación

Check-sum

(1 Byte)

BccBmeBcncBie

T

Bs

F

EpdpPd

Byte de cabecomunicacióncontinúa es uByte de Direcmódulos de ejecutar. Byte de Comcontiene la ornúmero de comando. Bytes Adicionformación ejecute de ma

Trama de da

Byte de Estados

(1 Byte)

Byte de Estsistema, es d

Figura 21. Si

Este sistemapocas modificde tornos conpequeña y mePara comprodesarrollado,

ecera: Es utiln, e indicarle n comando v

cción del módla red debe

mando: Comrden que el mbytes adicion

onales del Cnecesaria paanera correct

tos del MCU

Bytes Adde E

(1 B

tado: Retorndecir, si hay

stema electró

a modular pecaciones mecnvencionales ediana indust

obar el desemse realiza

izado para da los módulo

valido. dulo: Indica qn atender el

mo su nombmódulo debe nales que re

Comando: Cara que el ta.

U al PC

dicionalesstado

Byte)

na el estadosobre corrie

ónico, mecán

ermitirá fácilmcánicas la auen universid

tria.mpeño del sron varias

Revist

ar inicio a laos que lo que

qué módulo ó comando a

re lo indica,ejecutar, y elequiere este

Contienen lacomando se

Checksum

(1 Byte)

o actual delnte, si se ha

ico y de softw

mente y conutomatizacióndades y en la

sistema CNCpruebas de

ta Politécnic

53

ae

óa

,l

e

ae

la

llegado excedidChecksBytes AreferentfuncionaEncodeposicióntrayectoByte dedeteccióse presno se ebyte de

5. RE

CulminaCNC, cdiagram

ware integrad

nna

Ce

mecanizalfiles,Latón.fueron d

ca ISSN 1900

a los límitedo el error deum, etc.

Adicionales dte a procamiento del s

er, número den, o si el soria entre otroe Checksum:ón de erroresenta un error

ejecutará y coEstado, en e

ESUTLADOS

ado el proyeccuya estructu

ma de la Fig. 2

o en un Torno

zado de fichaen diferentesLos perfiles

desarrollados

0-2351, Año 6

es del moviel controlador

del Estado: Ecesos necesistema, por e overflows ensistema está

os. : Es una me

s en la comunr el comando omo respuestel cual un bit i

cto, se cuenura general 21.

o académico

as de Ajedres materiales de las pie

s en AUTOCA

6 Número 10,

imiento, si s, si hay error

ntrega informesarios paraejemplo, Valn el contadorá ejecutando

etodología panicación. Si enenviado al ma, se enviarandica éste er

ta con un sisse resume

CNC.

ez, como peocomo alum

ezas mecaniAD.

, 2010

se ha r en el

mación a el or del r de la o una

ara la n este

módulo a en el rror.

stemaen el

ones y inio y zadas

Udsed

F

Fe

Eusr

Tm

Una de las pde un peón ese muestra estrategia de desarrollado s

Figura 22. Pl

Figura 23. Trestrategia de

En la tabla 1utilizados paseleccionadosrecomendacio

Tabla 1. Pamecanizado d

DiámetroDistancia

Profundid

Velocidad

Velocidad

Velocidad

RevolucioAceleració

pruebas realizen Latón. El pen la figuramecanizado

se presentan

ano del peón

rayectorias dmecanizado

1 se detallanara el mecs teniendoones dadas e

arámetros dedel peón en L

Parámetro

del Cilindro Basde retirada

dad de corte

d de Avance en D

d de corte en Des

d de Avance en A

ones por minutosón del sistema

zadas fue el plano del perfa 22 y las utilizadas poen la Figura

n mecanizado

e la herramieutilizada.

los parámetcanizado. Eo en c

en [28].

e corte utilizLatón.

se

Desbaste

sbaste 12

Acabado

s del Husillo 202

Revist

mecanizadofil maquinadolíneas de laor el software23.

o en Latón.

enta según la

tros de corteEstos fueroncuenta las

zados en el

Valor

19 mm 4 mm

0.2 mm

4 mm/s

20 m/min

1 mm/s

000 RPM 0 mm/s2

ta Politécnic

54

ooae

a

ens

l

En la Fperfil qmecanizdichas original.torno spresent

Figurafácilmen

Tabladeseadamaquina

COTA

12345

El tiemminutostiemposproceso

Tabla 3

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AcabadoTOTAL T

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27.92 4.924.008.00

po total de ms con 46 segs de cada uno de mecaniza

3. Tiempos deProceso

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NÁLISIS DE R

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RESULTADO

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, 2010

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de las metros de la

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55

Con respecto a la precisión del sistema, es de aclarar que fuera de los errores inducidos por los sistemas mecánicos uno de los problemas principales que afectaban en gran medida la precisión de la maquina es que, de acuerdo al diseño del sistema, el usuario debe ingresar el diámetro del cilindro base y ubicar manualmente el cero de la pieza haciendo un ligero roce con la superficie del cilindro base. Debido a esto, el maquinado no se ejecuta desde el radio de la pieza medido e ingresado, sino desde una longitud igual al radio original menos la distancia que se penetro en el roce. A pesar de ser una distancia muy pequeña, sumada con los errores propios del sistema mecánico, da como resultado errores dimensionales considerables y que pueden ser muy significativos en la mayoría de las ocasiones. Por otra parte, un problema que se presenta durante el mecanizado es que la velocidad del husillo varía cuando es frenado por la fricción generada entre la herramienta y la pieza de trabajo durante el corte. Esto se debe a que el motor del mandril no cuenta con un control que asegure una velocidad constante independiente de la fuerza y el torque requerido para efectuar el corte.

7. CONCLUSIÓN

El sistema que se detalla en el artículo, está fundamentalmente ligado al bloque “CONTROL MOTORES” para el cual se optimizó el sistema de control, mediante un microcontrolador pre-programado para control de Servomotores, se acondicionó motores DC y se mejoró el sistema de potencia, se dotó con sensores de control y protección, con lo cual se mejoraron la prestaciones del CNC. Por último, se desarrolló un protocolo de comunicación (RS485), que permite comunicar el PC, con el sistema de control. Los resultados y experiencias adquiridas en el desarrollo de esta etapa del proyecto, posibilitaron mejorar la primera versión del sistema y facilitan aún más el desarrollo de futuras aplicaciones adaptadas a tornos convencionales. Haciendo una comparación entre el sistema desarrollado en el 2005 y el nuevo sistema, es mucho más rápido, más preciso, ofrece un mejor acabado superficial y además redujo los tiempos de mecanizado alrededor de un 77%.

8. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo es un resultado del proyecto MCO7-1-03. Los autores agradecen a la Universidad de Antioquia, a su Comité para el desarrollo de la investigación CODI. Al Profesor Orlando Carrillo Perilla, que con su apoyo y sugerencias enriqueció el desarrollo del proyecto.


[1] Londoño, N; Simanca , P. ; Alvarez, j.; Marín, E. “Diseño y construcción de un torno de control Numérico”. Scientia et Technica Año XI, No 29, Diciembre de 2005. UTP. ISSN 0122-1701. [2] Haci Saglam, Suleyman Yaldiz y Faruk Unsacar. “The e ect of tool geometry and cutting speed on main cutting force and tool tip temperature”. Science Direct: Materials and Design 28 (2007) 101–111. [3] M. Mori, H. Mizuguchi, M. Fujishima, Y. Ido, N. Mingkai, K. Konishi. “Design optimization and development of CNC lathe headstock to minimize thermal deformation”. CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) 331–334. [4] Joze Balic, Miha Kovacic, Bostjan Vaupotic. “Intelligent programming of CNC turning operations using Genetic Algorithm”. J Intell Manuf (2006) 17:331–340. Received: September 2004 / Accepted: September 2005. © Springer Science+Business Media, LLC 2006. [5] Joze Daniel Hana and Jayantha Katupitiya. “Very Low Compliance Force Control On a CNC Lathe machine”. Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Orlando, Florida - May 2006. [6] Joze Won Tae Kwon, Ik Jun Hong. “Stimation of the cutting torque without a speed sensor during CNC Turning”. Journal of Mechanical Science and Technology (KSME Int J) Vol. 19, No 12, pp. 2205~2212, 2005. [7] J. Jesús de Santiago-Pérez, Roque Alfredo Osornio-Rios, René de Jesús Romero-Troncoso, Gilberto Herrera-Ruiz, Manuel Delgado-Rosas. “ DSP algorithm for the extraction of dynamics parameters in CNC machine tool servomechanisms from an optical incremental encoder”. International Journal of Machine Tools & Manufacture 48 (2008) 1318– 1334 [8] A. Martínez-Álvarez, J. L. Sánchez-Romero, S. Cuenca-Asensi, A. Jimeno-Morenilla. “Hardware implementation of a STEP-NC enabled CNC for


56

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57

MODIFYING THE HISTOGRAM USING DECILES

Juan Carlos Correa M.1, Francisco Javier Castrillón M.2

1 Juan Carlos Correa Morales. PhD Matemático y Estadístico Profesor Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín. Dirección: Calle 59A No 63-20 E-mail: [email protected] 2 Francisco Javier Castrillón Meneses. MSc Matemático y Estadístico Profesor Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Dirección: Calle 59A No 63-20 E-mail: [email protected]

ABSTRACT

We present some modifications that produce a histogram based on deciles which is visually more informative than the equal-width histogram and the quartile boxplot currently used to represent a dataset. We also present the asymptotic convergence of the deciles and their joint asymptotic convergence to conclude that the class limits actually are point estimations and, consequently, can be estimated through confidence intervals. The researcher has certain control of the information, since he or she knows the part of the dataset pertaining to each class; besides, the larger the sample size is the larger the number of classes can ever he or she choose knowing the amount of data included into each class. We also discuss some problems of the boxplot , and illustrate both the histogram and the boxplot using the Medellín 2009 half-marathon data.

Keywords: Histogram, Boxplot, Quantiles, Asymptotic Convergence, Joint Asymptotic Convergence.


MODIFICACIÓN DEL HISTOGRAMA UTILIZANDO DECILES

RESUMEN

Presentamos algunas modificaciones que producen un histograma basado en los deciles, el cual es visualmente más informativo que el histograma de igual longitud de clases y el boxplot de cuartiles, más comúnmente utilizados para representar un conjunto de datos. Se muestra también la convergencia asintótica de los deciles lo mismo que su convergencia conjunta para llegar a la conclusión de que los límites de clase de las barras son realmente estimaciones puntuales y que consecuentemente pueden estimarse por intervalos de confianza. El investigador adquiere cierto dominio de la información en el sentido de que conoce el porcentaje de datos que cae dentro de cada barra; además, en la medida que aumente el tamaño poblacional, podrá extender el histograma al número de clases que desee, teniendo dominio siempre sobre el número de datos que cae en cada una de estas clases. Discutimos algunos problemas del boxplot e ilustramos ambas gráficas utilizando los datos de la media maratón de Medellín 2009.

Palabras claves: Histograma, Boxplot, Percentiles, Convergencia Asintótica, Convergencia Asintótica Conjunta


58

1. INTRODUCTION

The histogram is the most popular graphic thatstatisticians and the general public use to visualizedata. In statistics, a histogram is a graphical display of tabulated frequencies shown as bars. It shows what proportion of cases fall into each of several categories: it is a form of data binning. The categories are usually specified as non overlapping intervals of some variable. The categories (bars) must be adjacent. The intervals (or bands, or bins) are generally of the same size, but not necessarily so, since there is no "the best" number of bins, and different bin sizes can reveal different features of the data.

Nevertheless, some theoreticians have attempted to determine an optimal number of bins, but these methods generally make strong assumptions about the shape of the distribution. One should always experiment with bin widths before choosing one (or more) that illustrate the salient features in your data.

Although it is not the aim of this article, let us say that histograms also are used to approach to the density of the data, and often for density estimation: estimating the probability density function of the underlying variable. The total area of a histogram used for probability density is always normalized to 1. If the length of the intervals on the x axis are all 1, then a histogram is identical to a relative frequency plot.

One of the typical rules of thumb that are given to the students in a statistical course is that they better use equal width intervals for drawing a histogram and, by the way, they receive the Sturges’ Rule [1] for determining the number of bars that the histogram must have.

The number of bins, k, to draw a histogram can be calculated directly, or from a suggested bin width h:

(1)

where the braces indicate the ceiling function; i.e., the less integer great or equal than the argument.

There are several manners to determine h; we choose the following among the most utilized:

Scott’s choise:

(2)

where s is the sample standard deviation [2].

Scott uses Scott’s choice for a normal distribution based on the estimate of the standard error, unless that is zero where it returns 1.

Freedman Diaconi’s choise[3]:

(3)

which is based on the interquartile range, IQR[3].

Sturges’ Formula:

(4)

which implicitly bases the bin sizes on the range of the data, and can perform poorly if .

2. THE MODIFIED HISTOGRAM

[4] presents a long chapter on histograms of unequal widths and their interpretations. They pointed out that, in the unequal case, the histogram represents numbers by area, but not height. They do not provide any recommendation on how to choose the limits of the classes that specify the histogram. If we choose the class limits in such a way that they correspond with some predefined percentiles, we also produce an unequal class width histogram, but each bar corresponds to a specific percentage of points in the sample.

We could use a modified histogram that is calculated from the estimated deciles, say

, where is the estimator of ,and . The advantage is that the number of classes is the same every time we draw a histogram and it is easy to be interpreted by the user.

One property of sample quantiles is that they are strongly consistent for the estimation of the


59

population quantiles[5]. This means that as the sample size increases, we are obtaining a histogram that will be closer to the histogram drawn using the true deciles. We could call this the decile histogram or decil-gram. It has also been proved

that, under mild conditions, ,converges asymptotically to a multinormal distribution[5]:

where f is the probability density function of the data, p=0.1, 0.2,…, 0.9, and n is the sample size.

Now, for 1 20 1kp p p , assessing that

f is positive and continuous in a boundary of

1 2, , ,

kp p p , then 1 2

ˆ ˆ ˆ, , ,kp p p is

asymptotically normal with mean vector

1 2, , ,

kp p p and covariance /ij n [5], where

(1 )

( ) ( )i j

i jij

p p

p pf f

(6)

for i j , and ij ji for i j .

One can see that with a finer partition of the interval [0,1], there is a better approximation to the real population density which the sample data come from.

3. EXAMPLE

In order to illustrate the above idea, we construct several histograms using the times that long distance runners spent in the Medellín 2009 Half Marathon-Race. One of the main characteristics of this kind of competition is that the runners conform well defined groups. Figure 1 presents the histogram that most of the statistical programs produce: equal width bars where the number of bars follow the Scott’s(2), Freedman and Diaconis’(3), and Sturge’s(4) Rule. Scott and Freedman and Diaconis histograms have more classes than Sturges’s. Also note that the number of classes can vary.

Scott's formula

Time (in hours)

Freq

uenc

y

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

020

4060

8010

0

FD's formula

Time (in hours)

Freq

uenc

y

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

020

4060

8010

0

Sturge's formula

Time (in hours)

Freq

uenc

y

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

050

100

150

200

Figure 1. Typical histograms produced by a statistical package using Scott’s, Freedman and Diaconis’, and Sturges formula using the Medellín 2009 Half Marathon Race.


60

Note that if the Sturges’ performs poorly for 30n ,then can be concluded that the performance of Scott’s and FD’s is worse.

Figure 2 shows two histograms: the left one is the histogram of the same dataset using deciles; that is,

each bar contains 10% of the sample. This histogram shows a right long tail; histogram on the right is an eleven-equal width-bar histogram, the details and clarity of the left histogram are lost here, the long right tail is a missed characteristic, for instance.

Decile Histogram

Time (in hours)

Den

sity

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Equal Width Ten-Bar hist

Time (in hours)

Freq

uenc

y

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

050

100

150

200

Figure 2. Left: Unequal width ten-bar histogram. Classes have limits defined at the deciles. Each bar contains 10% of the data. Special details of the distribution are easily visualized and interpreted. Right: Equal width ten-bar histogram. We are not able to determine the percentage of the sample that falls in each bar

4. COMPARING THE QUARTILE HISTOGRAM WITH THE BOXPLOT

If we choose the limits of the classes of a histogram based on the 5 number summary that is used to construct the boxplot and add those points that do not fall in any of the classes explicitly, we obtain a histogram that has the same meaning as the boxplot. Figure 3 shows the boxplot [6] and the equivalent histogram for the marathon times. With this histogram we see the shape of the distribution better than with the boxplot. This histogram corresponds to a quartile histogram. Many people will not accept a histogram of this form because the number of classes is not enough to visualize the distribution of the data, but that people will accept the boxplot with no question at all; nevertheless, this hides multimodality when exists[7]. The figure shows the location of the 5 number summary histogram; it is not shown the place of atypical

observations as it is usually shown on a boxplot, but they can be added.

Figure 3. Constructing a histogram that is equivalent to a boxplot. The histogram and the boxplot were drawn using the same information.


61

5. CONCLUSIONS

We can modify the histogram to produce a graphic that conveys more information than the current histogram, the decil-gram. The limits of the classes are point estimations of the real limits, this consideration allows us to undertake the study of a new class of histogram in which the limits of bars are confidence intervals containing the actual ones. The histogram currently used is not quite accepted because we lose some characteristics of the distribution, such as the number of data per class, and needs the boxplot to analyze the whole data, this means that we cannot rely upon the Sturges based histogram (or Scott’s or Freedman’s and Diaconis’ histogram) alone to analyze a dataset.

In regards to the boxplot, weather dataset presents multimodality, the graphic hides this characteristic; thus, the researcher must look for other kind of boxplot.

6. REFERENCES

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[7] Fridge, M., Hoaglin, D.C., and Iglewicz, B. Some Implementations of the Boxplot. The American Statistician, Vol. 43, No. 1, pp. 50-54. 1989.


62

APLICACIÓN DEL MÉTODO KVA EN UNA UNIDAD ESTRATÉGICA DE NEGOCIO DEL POLITÉCNICO

COLOMBIANA JAIME ISAZA CADAVID

Paula Andrea Molina Parra1, Martin Darío Arango Serna2, Julián Andrés Zapata Cortes3

1 Paula Andrea Molina Parra. Magister en Ingeniería Administrativa, Profesora Politécnico Jaime Isaza Cadavid, Carrera 48 Nº 7- 151 Medellín Colombia, e-mail: [email protected] Martin Darío Arango Serna. PhD. Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín,. Dirección: Calle 59A No 63-20, e-mail: [email protected] Julián Andrés Zapata Cortes. I.Q. Candidato a Magister en Ingeniería Administrativa, Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín, Dirección: Calle 59A No 63-20, e-mail: [email protected]

RESUMEN

En el presente artículo se presenta la aplicación del modelo KVA (VALOR AGREGADO DEL CONOCIMIENTO) para la medición del capital intelectual en las organizaciones, presentando como caso de estudio la aplicación en una entidad de educación superior como lo es el caso del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Este artículo inicia con la presentación del modelo KVA, seguido de la descripción de la aplicación del modelo y finalmente se muestran los resultados obtenidos así como algunos elementos a tratar en trabajos futuros.

Palabras clave: Capital Intelectual, Metodología, KVA, ROK, ROI.

Recibido 26 de Abril de 2010. Aceptado 27 de Julio de 2010 Received: April 26, 2010 Accepted: July 27, 2010

KVA METHOD APPLICATION IN A STRATEGICALLY BUSINESS UNIT OF THE POLITÉCNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVID

ABSTRACT

This article presents the KNOWLEDGE VALUE AGGREGATE METHOD – KVA for the intellectual capital measure in companies, presenting specifically its application to a superior education center as it is the Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. This paper stars with the KVA method description, followed by the application of such method in the commented institution, and finally it is presented the obtained results and some future works.

Keywords: Intellectual capital, Methodology, KVA, ROK, ROI.


63

1. INTRODUCCIÓN

El capital intelectual de una organización está compuesto por el conocimiento de la misma y representa los activos intangibles de una empresa. La literatura presenta varias definiciones del término capital intelectual, encontrándose incluso discrepancias entre los mismos, pero para efectos de desarrollo del presente artículo se tomara una de las definiciones más comunes del término, la cual expresa al capital intelectual como “la posesión de conocimientos, experiencia aplicada, tecnología organizacional, relaciones con clientes y destrezas profesionales que dan a la empresa una ventaja competitiva en el mercado” [1] [2] [3].

De esta forma, el capital intelectual está compuesto por el conocimiento de la organización y representa los activos intangibles de una empresa, entendiéndose por estos activos intangibles aquellos que poseen valor sin tener dimensiones físicas y están localizados en las personas (empleados, clientes, proveedores) o bien se obtienen a partir de procesos, sistemas y la cultura organizativa. [4]

El consenso de la mayoría de los autores que han trabajado el tema, [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], y [13], es que el capital intelectual está conformado por tres elementos Capital humano, capital relacional y capital estructural.

Una herramienta eficiente para el cálculo del capital intelectual de una compañía es el método de Valor Agregado del Conocimiento (KVA), el cual se fundamenta bajo el principio de que el valor que se genera en la empresa está directamente relacionado con el conocimiento requerido para producir los resultados de cada proceso. Se asegura que los recursos de la compañía tienen conocimiento que debe ser utilizado para producir los resultados de los procesos. Cada resultado ha sido producido por el “conocimiento en uso” en los empleados y la tecnología, lo cual tiene un valor y es posible ser calculado utilizando el método KVA[14].

artículo presenta el estudio y los resultados hallados en la evaluación del capital intelectual de algunos subprocesos de la entidad de educación superior Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, la cual fue realizada mediante la implementación del método KVA. Inicialmente, se hace una breve descripción del método, seguido de

su aplicación, para posteriormente entregar y analizar los resultados obtenidos.

2. MODELO DE VALOR AGREGADO DEL CONOCIMIENTO (KVA)

El KVA (Knowledge Value Added) en castellano Valor Agregado del Conocimiento, creado por Thomas Housel y Valery Kanevsky [15], permite medir el valor de los activos del conocimiento corporativo. El KVA tiene como pilar que el valor que se genera en la empresa está directamente relacionado con el conocimiento requerido para producir los resultados de cada proceso [15].

El índice fundamental del modelo es el ROK, que es la relación del porcentaje de los ingresos o ventas (unidades monetarias) que se asigna a la cantidad de conocimiento necesario para completar un determinado proceso con éxito, en proporción a la cantidad total del conocimiento requerido para generar todas las salidas de la empresa. El denominador del índice es el costo de ejecutar el proceso. El ROK ayuda a identificar las áreas del negocio en las cuales el conocimiento no está agregando valor, es decir, no se está aprovechando el conocimiento [15].

Como resultado de KVA, el administrador debe determinar cómo el conocimiento puede ser utilizado de manera más eficaz para producir un mejor retorno. El KVA facilita tomar mejores decisiones de la manera más apropiada de desplegar, redistribuir, o eliminar conocimiento [15].

La metodología KVA contribuye a establecer como el conocimiento crea valor y genera una mayor capacidad en la gestión de activos intangibles. A pesar de que el KVA es un método relativamente nuevo, aplicarlo puede generar beneficios en toda la compañía, permitiendo cuantificar la contribución de los conocimientos a sus actividades de manera eficaz.

Los pasos para implementar la metodología KVA se presentan a continuación, no obstante es necesario antes de aplicarlos, que la empresa posea unos procesos y subprocesos bien definidos; estos son[16]:

1. Identificar el proceso principal y sus subprocesos.


64

2. Establecer unidades comunes y niveles de complejidad para medir el tiempo de aprendizaje: Describir los productos en términos de las instrucciones requeridas para reproducirlas y seleccionar unidades de descripción del proceso.

3. Calcular el tiempo de aprendizaje para ejecutar cada subproceso: Calcular el número de palabras de descripción de proceso (actividades), páginas en manual, y líneas de código pertenecientes a cada subproceso.

4. Designar un período de muestreo lo suficientemente largo para capturar una muestra representativa del producto final del proceso o de la producción (output) del servicio.

5. Multiplicar el tiempo de aprendizaje para cada subproceso por el número de veces que el subproceso se ejecuta durante el período de muestra: Multiplicar el número de palabras de proceso usado para describir cada subproceso por el número de veces que el subproceso se ejecuta durante el período de muestra.

6. Calcular el costo para ejecutar Conocimiento (tiempo de aprendizaje e instrucciones del proceso) para determinar el costo del proceso.

7. Calcular el ROK y el ROP, e interpretar los resultados.

3. PASOS DEL KVA APLICADOS A LA OFICINA DE EXTENSIÓN

La primera fase de esta aplicación consiste en identificar los principales procesos y subprocesos de la Organización, lo cual no es posible si antes no se hace un reconocimiento general de dicha organización, en otras palabras, una connotación histórica y lineamientos de la empresa. Es importante conocer las personas demandantes de los resultados, es decir, los solicitantes del estudio. Para ello, se concertó una primera reunión con la dirección de la Unidad de Gestión, en la que se expusieron las necesidades organizacionales de una parte, las posibilidades del mencionado estudio por otra, convergiendo en la realización de este trabajo, y fueron aportados materiales que permitieron obtener parte de la información general que se describe en el apartado anterior y que sirve de referencia para iniciar la implantación del modelo de forma empírica.

Iniciado el acercamiento a la organización, se elaboró un Plan de Trabajo, el cual fue presentado y aprobado definitivamente en una reunión con el

grupo directivo de la Vicerrectoría, el día 5 de junio de 2009, (no sin el escepticismo de algunos funcionarios). En esta reunión, fue recogida más información sobre lo concerniente a la actualidad financiera de la Oficina y a su contabilidad interna.

3.1 Identificación de los procesos claves y los subprocesos Para ello se aplicó una encuesta al vicerrector de extensión, obteniéndose los siguientes resultados:

Proceso Principal: Gestión de Extensión

Objetivo del proceso: Proyectar la Institución hacia el entorno, captar oportunidades y necesidades para satisfacer demandas de terceros, enfatizando en la educación para el trabajo y el desarrollo humano, antes educación no formal, para generar nuevos conocimientos que se articulen con la Gestión de Docencia y la Gestión de Investigación.

Principales entradas del proceso: Plan de Desarrollo, Plan de Acción y Plan Estratégico Institucional, presupuesto, ordenanzas expedidas por la Asamblea departamental, necesidades del público objetivo, acuerdos y demandas municipales, hojas de vida de profesionales y expertos en varios campos, legislación de órganos de control y marco legal para contrataciones oficiales.

Principales salidas del proceso: Cursos de extensión o capacitación para el trabajo y el desarrollo humano, proyectos educativos, ambientales, productivos, sociales, de desarrollo, culturales y deportivos, consultorías, interventorías, proyectos empresariales, movilidad académica, comercialización de productos generados en las granjas.

Este proceso principal “Gestión de Extensión” está a su vez conformado por distintos subprocesos:

Venta de Servicios de Extensión: Se definen las actividades que se realizan para la preparación y presentación de propuestas (servicios de extensión), el seguimiento y evaluación de proyectos objeto de la contratación a través de contratos o convenios interadministrativos.

Venta de servicios de extensión académica por demanda: describe los pasos que se llevan a cabo para la venta de servicios de extensión


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académica que son demandados a la institución.

Fidelidad del graduado: Todas las actividades para garantizar un contacto permanente entre la institución y los graduados.

Venta de productos de la granja: Describe las actividades para la legalización de la venta de productos y servicios de las granjas.

Gestión de producción y medios: Define las actividades que se realizan para la producción de un material impreso para las diferentes áreas del Politécnico.

Movilidad académica de docentes y estudiantes: Pasos que se llevan a cabo para que docentes y alumnos se trasladen a otras instituciones, a nivel nacional e internacional para realizar sus pasantías.

Venta de servicios de extensión académica a través de la oferta institucional: Contempla desde la identificación y el análisis de las oportunidades y necesidades del medio, la valoración de la capacidad institucional en términos académicos, logísticos, técnicos y administrativos, para la elaboración de propuestas y la ejecución o prestación del servicio y la evaluación.

Movilidad académica de docentes y estudiantes extranjeros. Pasos que se llevan a cabo para la movilidad académica de estudiantes y docentes extranjeros que vienen a la institución a través de convenios, con el propósito de realizar estudios o de prestar un servicio.

Formación en artes, desarrollo creativo y gestión cultural: Actividades de formación en diferentes expresiones artísticas orientadas a estudiantes, familiares, docentes, empleados y clientes externos, buscando generar sensibilidad hacia las diferentes expresiones artísticas como parte del proceso de formación.

Generación de dinámicas socioculturales al interior de la institución: Este subproceso busca contribuir con la generación de valores ciudadanos e institucionales, a través de la oferta de actividades de impacto interno y externo (cine, exposiciones, foros, celebraciones, entre otros).

Proyección artística institucional. Se describen las actividades que lleva a cabo la oficina para poder proyectar los distintos grupos artísticos que tiene la institución.

En el KVA, es necesario conocer todos los tiempos de aprendizaje de los procesos y para ello hay que

descomponer los procesos hasta el nivel de actividades de los mismos. Estos subprocesos se han clasificado en 6 grandes grupos1, que se visualizan en la figura 1:

Figura 1. Procesos y subprocesos Vicerrectoría de Extensión.

3.2 Recolección y procesamiento de información. Dada las características de la información analizada y la estructura de la Vicerrectoría de Extensión, se realizó un censo en vez de un análisis muestral, de esta forma se entrevistó todos los responsables de los procesos, quienes son los

1 ENTREVISTA con el doctor Gerardo Jiménez,Vicerrector de Extensión. Medellín, 12 de junio de2009.Se presentaron los flujos de los procesos actuales yse acuerdo su reagrupación.


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directores y coordinadores de área de la oficina de extensión, abarcando el 100% de la población. Para la recolección y el procesamiento de la información, se establecieron inicialmente las unidades comunes para medir tiempos de aprendizajes, se calculó el tiempo para aprender a ejecutar cada subproceso, se sumó el tiempo de aprendizaje e instrucciones de proceso, se calcularon los costos de cada proceso, el ROK y el ROI.

La anterior información se obtuvo a través de la aplicación de otra encuesta realizada entre el 15 y el 19 de junio de 2009 a todos los funcionarios directivos de la unidad organizacional analizada (tabla 1). Se tuvieron en cuenta las siguientes variables de control que son necesarias para poder realizar los cálculos:

Supuestos:

Ingresos = Egresos * 1.15 * 0.9.

Los gastos de los procesos son los costos de personal.

Hay 230 días de trabajo en el año.

En promedio, la oficina de Extensión obtiene de utilidad de sus procesos el 15% sobre el costo de su personal. Adicionalmente, se considera que las entidades sin ánimo de lucro tienen una eficiencia del 90%. Nota: Este valor debe ser obtenido de la contabilidad, pero como en el Politécnico no se lleva la contabilidad por centros de costos, se realizó un estimativo de los ingresos por extensión con información histórica.

No se incluye el factor de productividad, ni el concepto de core competences.

Para que la información suministrada no tenga incoherencia, ésta debe ser validada con los expertos de los procesos luego de ser procesada por primera vez. El modelo requiere que se hagan distintas rondas de encuestas. En la segunda ronda lo que se hace es validar la información obtenida en la primera ronda de encuestas, se revisan nuevamente los tiempos de aprendizaje y los de entrenamiento.

En la Oficina de Extensión se realizaron dos rondas de encuestas. La primera con los líderes o expertos

de los procesos, dónde ellos respondían a las preguntas y la analista del KVA diligenciaba directamente en una herramienta construida con anterioridad en Excel, para realizar los cálculos correspondientes. Cada entrevista tuvo un tiempo aproximado de una hora y media donde se recogió toda la información necesaria. Es importante anotar que la información que se obtiene en la primera ronda de las encuestas, se debe convertir a unidades iguales, en este caso se optó por trabajar todos los tiempos en horas.

Tabla 1: Listado de cargos analizados

DEPENDENCIA NOMBRE DEL CARGOVicerrectoria de extensión

Vicerrector institución universitaria

Vicerrectoria de extensión Profesional universitario

Vicerrectoria de extensión Secretario bilingüe

Dirección de fomento cultural Director

Dirección de fomento cultural Auxiliar administrativo

Dirección de programas y proyectos especiales Director

Dirección de cooperación nacional e internacional.

Director

Coordinación oficina de graduados Coordinador

Coordinación de fomento empresarial Coordinador

Coordinación producción y medios

Profesional especializado

Coordinación de granjas

Profesional especializado

Fuente: Construcción propia

En la segunda ronda de encuestas, realizada entre el 1 y el 3 de julio de 2009, con todos los responsables de cada proceso, se hizo una sesión en grupo para poder confrontar la información obtenida con los expertos de los procesos (los ROK y los ROI). Lo anterior, ocasiono que se revisaran algunos tiempos suministrados inicialmente y que las personas cambiaran su posición en relación al nivel de dificultad de los subprocesos que ellos habían percibido anteriormente.


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En este caso, los expertos inicialmente clasificaron los procesos de acuerdo al nivel de dificultad (1 es el proceso más fácil de aprender a hacer y 6 es el más difícil): granjas, producción y medios, graduados, fomento cultural, cooperación nacional e internacional y proyectos especiales.

Una vez validada la información, se ajustaron algunos tiempos de aprendizaje, haciendo que los resultados sean aceptados por todo el equipo, dada la argumentación técnica y la experticia de quienes administraban los procesos.

Tabla 2: Nivel de dificultad vs tiempos de aprendizaje

Nivel de Dificultad Tiempo de Aprendizaje Periodo de entrenamiento

SubprocesosSegún

clasificación de los

expertos

Según los resultados obtenidos (después

de validación)

Primera encuesta

Segunda encuesta

(validación) Primera

encuesta Segunda

encuesta (de validación)

Proyectos Especiales 6 5 1309 1743 64 136,83 Graduados 3 2 1,75 3,5 0,25 1 Granjas 1 1 1,75 1,75 1 1 Producción y Medios 2 4 961,53 965,51 160 5,5 Cooperación Nacional e Internacional 5 3 15,67 29,5 2 6 Fomento Cultural 4 6 1047 2315 249 368


En la Tabla 2 se resume la clasificación inicial del nivel de dificultad y la clasificación real del nivel de dificultad según el tiempo de aprendizaje obtenido.

En las figuras 2 y 3 se muestra el comportamiento (Nube de puntos) del nivel de dificultad, tiempo de aprendizaje y periodo de entrenamiento que existe en la oficina de Extensión.

Figura 2. Comportamiento de tiempo de entrenamiento vs tiempo de aprendizaje- Primera Encuesta.

En la figura 2 se pueden observar algunas incongruencias en la oficina de extensión, por ejemplo, un proceso con tiempo de aprendizaje de 1.309 horas sólo tiene un periodo de entrenamiento de 64 horas, cuando dentro de la misma oficina un proceso con tiempo de aprendizaje de 1.047 horas tiene un tiempo de entrenamiento de 249 horas.

Figura 3. Comportamiento del tiempo de entrenamiento vs tiempo de aprendizaje- Segunda Encuesta.


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En la figura 3 puede observarse como mejora la información en la segunda ronda de encuestas. Se generó congruencia entre el tiempo de aprendizaje y el tiempo de entrenamiento, aunque para el proceso de mayor tiempo de aprendizaje se aumenta el tiempo de entrenamiento con una pendiente mayor a la que tenía la tendencia de los otros procesos; este punto corresponde a fomento cultural. La diferencia en la pendiente se puede explicar en que para este proceso hay una serie de

competencias que son muy intangibles, (apreciación artística, "oído", entre otras) que son difíciles de transmitir y necesitan un entrenamiento más prolongado.

En las Tablas 3 y 4 se resumen los datos obtenidos de manera definitiva para la oficina de Extensión:

Tabla 3: Resumen Datos Recolectados

Descripción del proceso PromedioHora

Tiempo de aprendizaje

(Horas)

Tiempo relativo de aprendizaje

Período de entrenamiento promedio

Tiempo promedio para completar el

proceso (horas)

Programas y Proyectos Especiales $ 29.025,68 1742,75 34% 136,83 1200,00 Venta de servicios de extensión $ 26.968,99 423,75 8% 55,83 421,00 Venta de servicios de extensión académica por demanda $ 32.944,86 718,50 14% 52,08 269,00 Venta de servicios de extensión académica a través de la oferta institucional $ 27.163,19 600,50 12% 28,92 510,00 Graduados $ 17.739,74 3,50 0% 0,92 10,00 Fidelización del Graduado $ 17.739,74 3,50 0% 0,92 10,00 Granjas $ 16.141,47 1,75 0% 0,83 3,17 Venta de Productos de las granjas $ 16.141,47 1,75 0% 0,83 3,17 Producción y Medios $ 33.791,48 965,51 19% 5,50 34,84 Gestión de Producción y medios $ 33.791,48 965,51 19% 5,50 34,84 Cooperación Nacional e Internacional $ 38.770,37 29,50 1% 5,92 35,50

Movilidad académica de docentes y estudiantes $ 32.227,51 16,00 0% 2,50 14,50 Movilidad académica de docentes y estudiantes extranjeros $ 45.313,23 13,50 0% 3,42 21,00 Fomento Cultural $ 39.102,78 2315,00 46% 368,34 1180,00 Formación en artes, desarrollo creativo y gestión cultural $ 29.910,82 1265,00 25% 101,84 984,00 Generación de dinámicas socioculturales al interior de la institución. $ 43.698,77 408,00 8% 106,00 100,00 Proyección artística institucional $ 43.698,77 642,00 13% 160,50 96,00 TOTAL PROCESO $ 29.095,25 5058,01 100% 518,34 2463,51



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Tabla 4: Resumen de los datos calculados

Descripción de los procesos TLT

Conocimiento

totalEgresos Ingresos Denominador Numerador ROK ROI

Programas y Proyectos Especiales 149,43 7491,81 $ 987.313.660,38 $ 1.021.869.638,49 $ 987.313.660,38 $ 1.085.118.352,07 110% 10%

Venta de servicios de extensión

61,21 5319,30 $ 595.814.063,02 $ 616.667.555,23 $ 595.814.063,02 $ 770.450.424,06 129% 29%

Venta de servicios de extensión académica por demanda

56,87 1568,05 $ 184.641.852,35 $ 191.104.317,18 $ 184.641.852,35 $ 227.117.070,71 123% 23%

Venta de servicios de extensión académica a través de la oferta institucional

31,35 604,46 $ 206.857.745,00 $ 214.097.766,08 $ 206.857.745,00 $ 87.550.857,29 42% -58%

Graduados 0,96 237,18 $ 42.257.364,60 $ 43.736.372,36 $ 42.257.364,60 $ 34.352.636,16 81% -19%

Fidelización del Graduado

0,96 237,18 $ 42.257.364,60 $ 43.736.372,36 $ 42.257.364,60 $ 34.352.636,16 81% -19%

Granjas 0,83 250,00 $ 15.256.674,00 $ 15.790.657,59 $ 15.256.674,00 $ 36.210.153,51 237% 137%

Venta de Productos de las granjas 0,83 250,00 $ 15.256.674,00 $ 15.790.657,59 $ 15.256.674,00 $ 36.210.153,51 237% 137%

Producción y Medios 5,98 274,08 $ 54.218.364,78 $ 56.116.007,54 $ 54.218.364,78 $ 39.698.305,12 73% -27%

Gestión de Producción y medios 5,98 274,08 $ 54.218.364,78 $ 56.116.007,54 $ 54.218.364,78 $ 39.698.305,12 73% -27%

Cooperación Nacional e Internacional

6,10 92,54 $ 11.327.445,55 $ 11.723.906,14 $ 11.327.445,55 $ 13.403.694,42 118% 18%

Movilidad académica de docentes y estudiantes

2,50 84,50 $ 9.139.494,89 $ 9.459.377,21 $ 9.139.494,89 $ 12.239.031,88 134% 34%

Movilidad académica de docentes y estudiantes extranjeros

3,60 8,04 $ 2.187.950,66 $ 2.264.528,93 $ 2.187.950,66 $ 1.164.662,53 53% -47%

Fomento Cultural 379,00 2600,21 $ 421.413.792,42 $ 436.163.275,16 $ 421.413.792,42 $ 376.616.716,01 89% -11%

Formación en artes, desarrollo creativo y gestión cultural

103,36 2048,94 $ 404.283.875,97 $ 418.433.811,63 $ 404.283.875,97 $ 296.769.727,69 73% -27%

Generación de dinámicas socioculturales al interior dela institución.

106,22 212,44 $ 8.739.753,29 $ 9.045.644,66 $ 8.739.753,29 $ 30.770.583,78 352% 252%

Proyección artística institucional 169,42 338,83 $ 8.390.163,16 $ 8.683.818,87 $ 8.390.163,16 $ 49.076.404,54 585% 485%

Totales 542 10.946 $ 1.531.787.301,72 $ 1.585.399.857,28 $ 1.531.787.301,72 $ 1.585.399.857,28 104% 3%


4. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para realizar el análisis de los resultados, es importante dar claridad a lo que significa el valor de los ROK hallados. Cuándo un ROK es menor que

1, esto indica que el costo ejecutado es mayor que los ingresos generados por el conocimiento. Por lo tanto, el ROI dará un estimativo de productividad (o retorno de la Inversión) negativo.


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Durante el trabajo de campo realizado entre el 1 de junio y el 17 de julio de 2009, se logró encuestar a todas las personas responsables o líderes de cada subproceso de la Vicerrectoría de Extensión.

De los 11 subprocesos analizados para la Oficina de extensión, 6 obtienen un retorno del conocimiento positivo (ROK superiores a 1), por lo tanto, sólo el 55% de los procesos de dicha unidad generan valor, el 45 % de los procesos restantes generan pérdidas.

Los subprocesos que generan valor son en su orden: Proyección artística institucional (ROK= 585%), generación de dinámicas socioculturales (ROK= 352%), venta de productos de la granja (ROK= 237%), movilidad académica de docentes y estudiantes (134%), venta de servicios de extensión (ROK= 129%) y venta de servicios de extensión académica por demanda (123%). Este Resultado es muy cercano a la realidad de la Unidad de Gestión, dada su naturaleza de entidad sin ánimo de lucro, cuyo objetivo es más social que económico. Sin embargo, si se observa al detalle los procesos que actualmente no generan valor, se puede percibir que éstos presentan un problema desde su misma definición como subprocesos (muchos de ellos no describen la realidad de la entidad).

En la figura 4 se muestra gráficamente los resultados de los ROK y ROI de estos procesos analizados, siguiendo la nomenclatura presentada en la tabla 5.

Tabla 5: Subprocesos Renombrados

Proceso SímboloVenta de servicios de extensión S1Venta de servicios de extensión académica por demanda S2Venta de servicios de extensión académica a través de la oferta institucional S3Fidelización del Graduado S4Venta de Productos de las granjas S5Gestión de producción y medios S6Movilidad académica de docentes y estudiantes S7Movilidad académica de docentes y estudiantes extranjeros S8Formación en artes, desarrollo creativo y gestión cultural S9Generación de dinámicas socioculturales S11Proyección artística institucional S11


En la Figura 4 se observa que el proceso más productivo que tiene la oficina de extensión actualmente es la proyección artística institucional (ROI= 505%) y que proceso de mayor destrucción de valor (ROI= -58%) es el de Venta de servicios de extensión a través de oferta. Por lo tanto, este es uno de los procesos que deben estudiarse a mayor profundidad y muy posiblemente se tendrá que redefinir.

Figura 4. ROK y ROI de la Vicerrectoría de Extensión.


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Es importante hacer un análisis de horas totales dedicadas a cada proceso y compararlas con las horas totales disponibles del personal.

En la tabla 6 se consignan los tiempos invertidos en cada uno de los procesos, así como los tiempos disponibles para los mismos. De esta tabla es posible argumentar que:

La venta de servicios de extensión por demanda y la venta de servicios de extensión por oferta parece tener una inversión de tiempo menor al disponible, pero si se entra al detalle de las actividades, puede notarse que las personas que trabajan en ambos procesos son las mismas, por lo tanto, se tendrían disponibles para los dos procesos 9.200 horas, y se están invirtiendo 11.000 aproximadamente. Luego, sería necesario revisar sí en realidad existe sobrecarga laboral o sí las personas que están ejecutando los procesos no son las más indicadas o los procesos están mal documentados y por lo tanto, existe exceso de trámites.

En fidelidad del graduado, el tiempo dedicado es menor que el tiempo disponible, lo que indica que pueden tenerse tiempos ociosos dentro de este proceso o por el contrario falta documentación de otras actividades que pueden y debieran hacerse y que actualmente no están reflejadas.

En el proceso de las granjas, se logro percibir serios problemas de calidad en el personal de operarios, pues anteriormente en la Institución, las personas que no tenían las competencias para desarrollar determinada labor se enviaban a otro sitio, y las granjas fue una de las dependencias utilizadas para incluir este personal.

El mayor problema de las granjas es de tipo administrativo, porque existe una ausencia total de controles, no se lleva un registro contable apropiado, no existe un sistema de inventarios, no existe un sistema de costos, no existe modelo de gestión administrativa, no existe ningún software de apoyo, por lo tanto, los presupuestos que se elaboran muchas veces son muy distantes de la realidad y los gastos muchas veces conllevan sobrecostos. El resultado de todo lo anterior, es que existen

pérdidas evidentes y significativas, a pesar de tener un ROK positivo, es decir, este proceso podría generar más valor.

Tabla 6. Tiempos invertidos vs tiempos disponibles

Descripción de los procesos

Horastotales

invertidas en los

procesos

Horaslaborales

delpersonal en el año

Venta de servicios de extensión 24.096 25.760 Venta de servicios de extensión académica por demanda 4.830 9.200

Venta de servicios de extensión académica a través de la oferta institucional

6.180 7.360

Fidelización del Graduado 2.404 2.760 Venta de Productos de las granjas 951 3.680 Gestión de Producción y medios 1.484 3.680 Movilidad académica de docentes y estudiantes 290 1840

Movilidad académica de docentes y estudiantes extranjeros 48 1840

Formación en artes, desarrollo creativo y gestión cultural 26520 22080

Generación de dinámicas socioculturales al interior de la institución.

200 613

Proyección artística institucional 192 613 Fuente: Construcción propia

Por el contrario, en gestión de producción y medios, las actividades presentan un ROK muy bajo y adicionalmente el tiempo invertido es también muy poco en relación al tiempo disponible. Es probable que falte documentar actividades o que haya exceso de personal. Además, es preocupante el bajo nivel de productividad que se tiene en esta área y el nivel de obsolescencia de los equipos y máquinas allí utilizadas.

En movilidad académica de estudiantes y profesores, tanto del Politécnico como los de nivel internacional, se tiene disponible un total de 1840 horas y según la definición de procesos se invierten 338, lo que evidencia que este proceso está mal documentado.

Finalmente, puede evidenciarse que existen dificultades en la definición de los subprocesos de Fomento Cultural o existe sobrecarga laboral, se tienen disponibles 22.080 horas y según los tiempos ejecutados en los subprocesos actuales, se requieren 26.912 horas, en los mismos.


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Con las entrevistas realizadas, también se encuentra que existen muchas actividades que no están documentadas, por ejemplo, el funcionamiento del Instituto de emprendimiento CISCO, el cual ha sido creado con el propósito de formar pensamiento empresarial, de apoyar las empresas ya creadas para su crecimiento y permanencia en el tiempo y para prestar el servicio de formación en el tema de redes.

Si se analizan en detalle las actividades desarrolladas por cada uno de los directivos dentro de la oficina, puede notarse claramente que son actividades en su mayoría operativas, que muy seguramente podrían ser desempeñadas por personas más técnicas, menos costosas.

5. CONCLUSIONES

Dentro de las definiciones de Capital Intelectual presentadas, se puede recoger un común denominador: “que tiene su origen en los conocimientos, habilidades, valores y actitudes de las personas que forman parte del núcleo estable de la empresa”. [17]

El capital Intelectual no sólo hay que valorarlo, hay que gestionarlo. Esta información le debería servir a la empresa para repensar su organización, para conocer sus fortalezas, sus debilidades y para pronosticar con mayor certeza su futuro.

El proceso más productivo que tiene la oficina de extensión actualmente es la proyección artística institucional (ROI= 505%) y el que presenta una mayor destrucción de valor (ROI= -58%) es el de Venta de servicios de extensión a través de oferta. Por lo tanto, este es uno de los procesos que se debe estudiar a mayor profundidad y muy posiblemente se tendrá que redefinir.

En la oficina de Extensión es fundamental que se realice un proyecto de reingeniería de procesos, con el objeto de mejorar los trámites institucionales y el clima organizacional. De esta manera, se pueden crear sinergias con la metodología KVA, generando un mejor retorno del conocimiento.

De la aplicación del Modelo surgen una serie de conclusiones, que de ser tenidas en cuenta en posteriores estudios mejorarían y facilitarían dicha aplicación:

Es importante que las personas a encuestar conozcan los procesos integralmente y que el analista logre extraer toda esa información. Un conocimiento pobre o incompleto de los procesos y actividades llevará al analista a enfocar mal las preguntas y a no obtener con certeza la información que se necesita.

Es fundamental poder identificar los expertos de cada proceso (la persona responsable no es necesariamente el que ejecuta o el que mejor conoce el proceso). Por eso, se recomienda que las organizaciones que deseen aplicar el KVA tengan un buen nivel de detalle de todos sus procesos y subprocesos.

6. AGRADECIMIENTOS

Este artículo es un resultado del proyecto de investigación: Valoración del capital intelectual en una empresa Colombiana, de la Maestría en Ingeniería Administrativa, Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. Los autores agradecen de manera especial a las Directivas del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid en el periodo 2008-2009, por haber permitido el desarrollo de la investigación al interior de la institución y de este artículo como resultado de la misma.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS

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[2] Azúa, Sabin. Homo Faber, Homo Sapiens: La Gestión del Conocimiento y del Capital Intelectual de las Organizaciones como Elemento Clave para la Mejora de la Competitividad. Barcelona: Ediciones del Bronce, 1999. p 65-80.

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[4] Stewart, Thomas. La Nueva Riqueza de las Organizaciones: El Capital Intelectual. Buenos Aires: Ed. Granica. 1998.

[5] Bontis, N. Intellectual capital: An exploratory study that develops measures and models. Management Decisión, 36(2), p 63- 76. 1998


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[7] Stewart, Thomas . Intellectual capital: the new wealth of organizations. Doubleday Currency. New York: Doubleday Dell publishing group.1997

[8] Stewart, Thomas. “Your company’s Most Valuable Asset: Intellectual Capital”. Fortune. Octubre de 1994, p 68-74.

[9] Stewart, Thomas. Brainpower: How Intellectual Capital is Becoming America’s Most Valuable Asset. Fortune. Junio de 1991, p 44-60.

[10] Sveiby, K.:” The Intangible Assets Monitor”. Journal of Human Resource, Costing and Accounting, vol.2 no.1, 1997

[11] Osorio, Maritza. El Capital Intelectual en la Gestión del Conocimiento. Acimed 2003;11(6):14-6. Disponible en: http://www.bvs.sld.cu/revistas/aci/vol11_6_03/aci07603.htm [Consultado: 29 de marzo de 2009].

[12] Saint-Onge, H. Tacit Knowledge: The key to the strategic alignment of intellectual capital. Strategy & Leadership, Vol 24, N° 2 ,Abril de 1996.

[13] Sullivan, P. & Edvinsson, L. A model for managing intellectual capital. En Parr, R. & Sullivan, P. (Eds.), Technology Licensing. New York: John Willey & Sons. 1996

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[15] Housel, Thomas y Kanevsky, Valery. Knowledge Value-Added (KVA) Methodology. En: Seminario Internacional: Cómo gestionar la innovación desde la empresa y la universidad. (2008: Medellín). Corporación Tecnnova, 2008. P. 1-32

[16] Housel, Thomas y Bergin, Yaara. AGuided KVATutorial. Monterey, CA: NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL. 2008. 40 p.

[17] Arango, M., Gil, H. y Pérez, G. Aspectos Prácticos de la Gestión del Conocimiento y la innovación aplicada a las empresas. Medellín: Universidad Nacional de Colombia, 2007. p 25-84.


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ANÁLISIS DE TEXTURA EN PANES USANDO LA MATRIZ DE COOCURRENCIA

Juan Sebastián Botero Valencia1, Alejandro Restrepo Martínez2

1 Juan Sebastián Botero Valencia. Ingeniero Electrónico. Estudiante de Maestría en Automatización y Control Industrial. Investigador INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO. e-mail: [email protected] Alejandro Restrepo Martínez PhD. Docente Investigador INSTITUTO TECNOLÓGICO METROPOLITANO. e-mail [email protected]

RESUMEN

El análisis de textura en imágenes digitales busca la descripción de patrones en superficies analizando en nuestro caso la ocurrencia. En el control de calidad de la industria panificadora es necesario para determinar la porosidad en los productos. En este trabajo se propone una estrategia de clasificación y análisis de panes usando medidas de textura con la matriz de coocurrencia. El objetivo del análisis es determinar las diferencias en las texturas internas de los panes, la correlación de los patrones con las diferencias en el proceso de producción y además de encontrar datos atípicos que evidencien fallos en el proceso de producción.

Palabras clave: Coocurrencia, homogeneidad, pan, reconocimiento de patrones, textura.

Recibido 10 de Mayo de 2010. Aceptado 16 de Junio de 2010 Received: May 10, 2010 Accepted: June 16, 2010

TEXTURE ANALYSIS IN THE BREAD USING COOCURRENCE MATRIX

ABSTRACT

Texture analysis in digital images look the description of surface patterns in our case by analyzing the occurrence. In the quality control of the baking industry is needed to determine the porosity in the products. This paper proposes a strategy for classification and analysis of bread using texture measures with the co-occurrence matrix. The analysis aims to identify differences in the internal texture of the bread, the correlation of patterns with differences in the production process and also to find outliers that demonstrate flaws in the production process.

Keywords: Co-occurrence, homogeneity, bread, pattern recognition, texture.


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1. INTRODUCCIÓN

Aunque el concepto de textura es algo confuso, la textura se puede tomar como un descriptor usado para medir la estructura de una superficie y está directamente ligado a la percepción humana. Debido a la importancia de la porosidad en las propiedades del pan, es pertinente explorar relaciones que con el análisis digital de imágenes se puedan encontrar entre porosidad de la imagen y propiedades de los panes. En la literatura se encuentran varios trabajos orientados con esta tendencia, así: en [1] se hacen mediciones porosidad sobre imágenes de microscopia electrónica de barrido y se relacionan los resultados a propiedades de pan. En [2] se relacionan, las medidas de los espesores de las paredes de las celdas que conforman la textura de la superficie del pan, con diversas propiedades mecánicas de los panes. En [3] se hace un análisis granulométrico 2D and 3D, usando la morfología matemática con los que se describen los granos del pan, además encontraron que las medidas en 2D, que son mas económicas, fáciles de usar, y presentan un adecuado desempeño en describir las características de los panes. En [4] [5] se enfatiza en como una objetiva segmentación es requerida además presenta como algunas propiedades mecánicas del pan se relacionan a la imagen.

Para nuestro trabajo nos enmarcamos en la comparación de la textura de dos tipos de pan tajado (blanco e integral). Las texturas generadas por la porosidad de los panes, son analizadas con matrices de coocurrencia, método ampliamente utilizado en la descripción de texturas[6] [7] [8]. Para las muestras analizadas se establecen las características más relevantes y se relacionan los resultados, con los comportamientos de las imágenes de cada grupo de pan analizado. Vale aclarar que el enfoque del trabajo es lograr la diferenciación de dos tipos de pan analizando la porosidad, sin embargo, para trabajos posteriores sería pertinente relacionar las características de las imágenes con propiedades mecánicas.

Si se realiza una revisión del estado del arte, se encuentra que para el estudio de la medición de la porosidad de panes, se utilizan diversos métodos de análisis de texturas [9] [10] entre los que se encuentran: las matrices de coocurrencia, las matrices de diferencia de los niveles de gris del vecindario, el análisis estadístico de las características geométricas y el estudio de

características texturales a través de las frecuencias espaciales en el dominio de Fourier. Sin embargo, la utilización de las matrices de coocurrencia en el presente trabajo, no riñe con el aporte de este artículo, debido a las siguientes razones: El presente trabajo, contiene una diferencia metodológica con respecto a las referencias en la literatura, en procedimientos tales como: el mejoramiento, la segmentación y la extracción de las regiones de interés en la imagen. Además, que para la sección de las áreas de interés, no nos limitados a analizar, sólo la zona central del pan, situación recurrente en los trabajos revisados en la literatura. Esto es importante, ya que las zonas cercanas a los bordes del pan, en general no son consideradas, debido a que los poros en estas regiones presentan elongaciones, que generan texturas que no se encuentran en la zona central del pan. Adicionalmente, el presente trabajo, se aprovecha de la diferencias de las texturas dentro del pan, para generar de manera automática un crecimiento de regiones, basado en los parámetros texturales de la matrices de coocurrencia, que experimentalmente, nos presentaron una mayor relevancia para describir las texturas analizadas.

A causa de las condiciones de escala utilizadas en el trabajo, se encontró que los parámetros más relevantes de las matrices de coocurrencia, son diferentes a los reportados en la literatura. Esto, es un resultado importante, ya que no se puede considerar, que el desempeño de las matrices de coocurrencia, va a ser similar sin importar la escala en la que se analicen los poros. Se debe, decir que la escala utilizada en este trabajo es consecuencia de utilizar una óptica no muy especializada en el montaje.

Finalmente, se considera importante, divulgar en la comunidad científica y en la industria nacional, las posibilidades tecnológicas que tienen las matrices de coocurrencia para estudiar la porosidad de panes. Adicionalmente consideramos, que es necesario sensibilizar en el tema del análisis de la textura, ya que como se plantea en [11] [12] el estudio de la micro y macro estructura de los panes sirve para entender procesos térmicos y la influencia de la composición. También, es necesario destacar, que en general, para la industria de alimentos, el análisis de textura es una herramienta fundamental, para analizar propiedades y cualidades en los alimentos como plantea [13]. Y

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Los valores para mapear la imagen se obtuvieron adaptativamente normalizando el histograma de cada imagen y considerando las distribuciones normales se mapeo de a ,donde es la media y la desviación estándar.

Figura 5. Pan blanco sin procesamiento

Figura 6. Pan blanco con procesamiento

En la Figura 7 y la Figura 8 se observa el aumento del contraste en una muestra de pan integral.

Figura 7. Pan integral sin procesamiento

Figura 8. Pan integral con procesamiento

2.3 Matriz de Coocurrencia La textura en imágenes digitales describe la estructura de una superficie, esta descripción se puede obtener con propiedades como la granulosidad, el contraste y la dirección de las fibras. El análisis de texturas se fundamente en el análisis de información redundante, y es por eso que puede presentar errores considerables cuando se aplica a zonas fronterizas donde existen cambios de textura. El análisis de textura es dependiente de que la distribución del vecindario sea uniforme con respecto a una medida y un periodo determinado.

Los elementos de la matriz de coocurrencia, P(i,j),representan las frecuencias relativas de los niveles de gris i y j, tomando los píxeles dos a dos y separados una distancia d según una dirección dada. Así, cuanto mayores sean los valores de su

diagonal principal más homogénea será la textura que representa, mientras que cuanto más repartidos estén los valores fuera de la diagonal más heterogénea será. A partir de esta matriz se calcularon 8 variables estadísticas de segundo orden, propuestas por (Haralik, Shanmugan, & Dinstein, 1973), las cuales describen propiedades como uniformidad, contraste, media, entropía, varianza, momento producto, correlación y momento diferencia inverso.

Por la variedad de descriptores que es posible obtener de esta matriz, se puede caracterizar un conjunto de valores cuantificables para cada imagen analizada. Lo cual es importante para posteriormente alimentar un clasificador automático, el cual podría separar un conjunto de imágenes en diferentes clases.

2.3.1 Contraste El contraste de una textura proporciona información acerca de las variaciones bruscas de color en la imagen. La extracción de este descriptor está dada por la expresión mostrada en (1).

(1)

2.3.2 Correlación La correlación de la textura es una medida de la probabilidad que mide la relación entre las diferentes intensidades presentes en el entorno definido en la matriz de coocurrencia. Matemáticamente la correlación se describe en (2).

(2)

2.3.3 Energía La propiedad de energía da una idea de la suavidad de la textura, y esto se refleja en la ubicación de sus probabilidades en la matriz de coocurrencia. De modo que si una mayor cantidad de píxeles de colores iguales cumplen con la condición de ocurrencia, será posible observar un pico de intensidad en la diagonal principal de la matriz. La forma de calcularla se muestra en (3).

(3)


78

2.3.4 Homogeneidad El descriptor de homogeneidad local proporciona información sobre la regularidad local de la textura. Indica que mientras los elementos de la matriz de coocurrencia estén más próximos a la diagonal principal mayor será el valor de la homogeneidad local. Se muestra en (4).

(4)

3. RESULTADOS

Usando la matriz de coocurrencia se obtuvieron métricas con el objetivo de encontrar las características de mayor relevancia. Se tuvieron en cuenta, el contraste, la homogeneidad, la correlación y la energía por presentar mayor independencia estadística en la clasificación. Obtenidas las características descritas anteriormente, se obtuvo el espacio de características 2D. En la Figura 9 se muestra el espacio obtenido, usando el contraste y la correlación como medidas sobre la matriz de coocurrencia. Se observa que existe una alto nivel de separación entre las clases, y que el contraste en el pan blanco es uniforme.

La Figura 10 muestra el espacio de características usando la correlación y la energía. La alta dispersión de la clase Blanco indica que no se puede agrupar con facilidad en un clúster para usar la característica de forma discriminante. En el caso de la energía indica que la suavidad intra clase es variable para la clase Blanco, y estable para la clase Integral.

Figura 9. Espacio de características1


La Figura 11 muestra el espacio de características generado por la energía y la homogeneidad. Se observa que existe una relación casi lineal entre las características para ambas clases, lo que indica dependencia. Debido a la alta concentración de estas características en clúster mejor definidos, pueden ser usadas para identificar datos atípicos en la adquisición o en el control de calidad. Se observa también la alta homogeneidad en la clase Blanco lo que corresponde a una superficie más suave debida a su proceso de producción.


En la Figura 12 se observa el rendimiento de implementar un clasificado lineal y un clasificador bayesiano con el espacio de características2. El clasificador lineal presenta mejor rendimiento, aparte de tener una implementación más simple. El clasificador bayesiano esta clasificando mal un


79

objeto de la clase Integral, y se está sobre ajustando sobre los datos de esta clase.


La Figura 13 muestra la Función de Distribución (FD) de las clases para la característica contraste. Es claro que el solapamiento es pequeño, y que esta característica sería suficiente para realizar la clasificación. Además se puede observar la aparición de una subclase en la clase blanco.

Figura 13. FD Contraste

La Figura 14 se observa la FD para la característica correlación. Se observa un pequeño solapamiento, y la presencia de varios máximos locales sobre la clase Blanco (varios clúster), las clases no pueden ser separadas únicamente con esta característica.

Figura 14. FD Correlación

En la Figura 15 se observa la FDP de la característica homogeneidad. De todas las características esta es la que posee la mayor capacidad discriminante. Es clara la alta homogeneidad en la clase blanco.

Figura 15. FD Homogeneidad

En la Figura 16 se observa el resultado de dividir la imagen segmentada en 20 subregiones. En la Figura 17 se muestra el resultado de buscar las subregiones con un umbral de estimado a partir del valor medio de la característica homogeneidad en la clase pan blanco y tomando una desviación estándar a cada lado ( ). Con la búsqueda de las subregión y usando la característica de homogeneidad se halla una región con textura homogénea como se muestra en la Figura 17.

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL PLAN HACCP PARA UNA LÍNEA DE BEBIDAS LÁCTEAS

Hader Castaño Peláez 1

1 Hader Castaño Peláez MSC. Ingeniero Químico. Especialista en Alta Gerencia con énfasis en Calidad. Especialista en Gerencia de Mercados. M.Sc. en Biotecnología. Docente Sistemas de Calidad BPM-HACCP Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Cra 48 N 7-151 Medellín Colombia. E-mail: [email protected]

RESUMEN

Se realizó un estudio descriptivo de un caso de diseño e implementación del Plan HACCP en una línea de bebidas lácteas en una pequeña empresa en el Municipio de Rionegro (Ant) siguiendo la metodología del sistema HACCP. Como resultados principales del diseño e implementación del Plan HACCP fueron identificados los puntos críticos de control en las etapas de proceso de recepción de materia prima y el proceso de pasteurización; fueron identificados los limites de control y establecido el sistema de monitoreo de los puntos críticos de control. La implementación del Plan HACCP permitió a la empresa incrementar sus niveles de productividad, lo que se vio representado en la disminución de las devoluciones de producto, disminución en las quejas y reclamos de los clientes y consumidores.

Palabras clave: Clave: Plan HACCP, Diseño e implementación, Bebida Láctea. Puntos Críticos de Control

Recibido 12 de Junio de 2010. Aceptado 21 de Agosto de 2010 Received: June 12, 2010 Accepted: August 21, 2010

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE HACCP PLAN FOR DAIRY MILK LINE

ABSTRACT

Perform a descriptive a case of design and implementation of the HACCP plan in a milk beverage line study in a small company in Rionegro (Ant), following the implementation of the HACCP system methodology. Like Main results of the design and implementation of the HACCP plan were identified the critical points of control in the reception of raw materials and the process of pasteurization steps; were identified limits control and established system of monitoring of critical control points. The design and implementation of the HACCP plan enabled the company increase their levels of productivity, which represented in the decline in product callbacks, decrease in complaints and claims of customers and consumers

Keywords: HACCP Plan, Design and implementation, Critical Control Point, Dairy Milk


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1. INTRODUCCIÓN

El análisis de Peligros y Puntos de Control Críticos conocido como HACCP es un método sistemático, dirigido a la identificación, evaluación y control de los peligros asociados con las materias primas, ingredientes, procesos, ambiente, comercialización y su uso por el consumidor, a fin de garantizar la inocuidad del alimento [1] El sistema HACCP es más que el Análisis Modal de fallos y Efectos (AMFE) aplicado a la industria de alimentos, es un sistema de gestión de la inocuidad alimentaría que evoluciona y madura en la industria de alimentos, ampliándose a otros sectores, permitiendo a los productores de alimentos trabajar activamente para no poner en riesgo a los consumidores [2]

El comercio nacional e internacional de alimentos, las tendencias en los hábitos de los consumidores y la necesidad de suministrar alimentos inocuos, son las exigencias resultantes para la implementación de las Buenas Prácticas de Manufactura (BPM), que junto con la implementación de Programas operativos estándar de sanitización (POES) y el plan HACCP, integran el Sistema de Gestión de Inocuidad alimentaria [3].La higiene durante la elaboración debe asegurarse por el cumplimiento de las Buenas prácticas de Manufactura y los Procedimientos Operativos Estandarizados de Saneamiento en Planta. Domenici et al; 2006 diseñaron una guía para la implementación y mantenimiento del sistema HACCP basados en los programas prerrequisitos con el objetivo de minimizar los costos de implementación; estos investigadores encontraron reducciones del 24.2% en los costos de implementación al reducir el número de Puntos Críticos de Control en procesos que cumplen a satisfacción las BPM y POES. [4]

La Gestión Total de la calidad implementada en las plantas de alimentos ha sido soportada con la ejecución del plan HACCP, con la obtención de excelentes resultados [5] Los mayores desafíos del Sistema HACCP son determinar como y donde los riesgos pueden existir y como prevenir su ocurrencia. El Sistema HACCP tiene como características principales el ser una herramienta analítica, que se despliega con un enfoque sistémico e integral a lo largo de las etapas del proceso productivo, potencializa el trabajo en equipo del personal de todas las áreas de la organización de cara a satisfacer el principal atributo de los alimentos como lo es la inoculad.

En el ámbito mundial antes de la adopción del Sistema HACCP por los productores de alimentos, el sector lácteo presentaba buenos resultados en la producción de alimentos seguros. Esto se soportó en las prácticas de almacenamiento refrigerado de la leche en la fincas, en las prácticas de penalización del precio de compra y los regímenes de los procesos térmicos como la pasteurización. Nos obstante estos elementos, los recientes amenazas por Listeria monocytogenes y Escherichia Coli 0157. H7 demuestran que la implementación del sistema HACCP es necesaria. [6]

Lievaart et al, 2005 evaluaron en Holanda el nivel de riesgo y la probabilidad de ocurrencia de contaminantes físicos, químicos y microbiológicos en el proceso de producción de leche fresca y fría en fincas ganaderas [7]; así mismo Souza et al, 2007 en Brasil identificaron los límites de control haciendo seguimiento al tiempo de la prueba de reductasa, nivel de contaminación con mastitis y temperatura. [8]

En países en vía de desarrollo, la implementación y el mantenimiento de HACCP en muchas plantas lácteas son complejos, debido principalmente al nivel tecnológico y la capacidad económica de las plantas. La relevancia de los prerrequisitos ha hecho en estos países que la implementación haya sido costosa, compleja y extensiva [4]

El sector lácteo en Colombia, es un sector que presenta alto riesgo para la salud de los consumidores dada las características de los procesos de explotación primaria de la leche, su transporte y transformación La informalidad en el sector lácteo Colombiano ha forzado a que desde la legislación nacional se sancionen Decretos como el 616 de 2006 que define el Reglamento Técnico sobre los requisitos que debe cumplir la leche para el consumo humano que se obtenga, procese, envase, transporte, comercializa, expenda, importe o exporte en el país [9]. La implementación del Sistema HACCP en empresas del sector permite dar garantía al consumidor que los alimentos no pondrán en riesgo su salud. El proyecto tiene por objetivo realizar el diseño y la implementación del Plan HACCP en la línea de bebidas lácteas en una empresa del Departamento de Antioquia, que redunde en generar confianza en los eslabones de la cadena de comercialización y en los consumidores, y permita alcanzar mayores estándares de productividad con calidad.


83

2. MATERIALES Y MÉTODOS

La Gerencia de la empresa de conformidad con la búsqueda del mejoramiento de la productividad para la línea de producción de bebidas de yogurt, decidió realizar la implementación del Sistema de Calidad HACCP con el objetivo de dar garantía a sus clientes de la inocuidad de la bebida de Yogur y reducir el nivel de devoluciones. Con el objeto de llevar a cabo la elaboración e implementación del Plan HACCP se conformó el Equipo HACCP integrado por el Gerente de la empresa, y los jefes de calidad, producción y mantenimiento; con acompañamiento de los investigadores del proyecto. El Equipo HACCP soportó las actividades de diseño e implementación y a futuro será el responsable por el mejoramiento y/o mantenimiento del plan. Una vez conformado el Equipo HACCP se procedió a realizar su capacitación.

PrerrequisitosCon el objetivo de evaluar el grado de cumplimiento de los requisitos se realizaron visitas de verificación a la planta de proceso y se revisó la documentación del Sistema de Calidad a la luz del cumplimiento de las directrices del Decreto 3075 de 1997 y los POES (Programas Operativos Estándar de Saneamiento), como instrumento de evaluación fue elaborado el perfil sanitario de la empresa. Luego de la evaluación se procedió a dar recomendaciones en los aspectos a mejorar y se realizó el diseño de la documentación del Plan de Mantenimiento y Calibración de equipos, elemento crítico para asegurar la efectividad del sistema de monitoreo.

El Diagrama de flujo se construyó haciendo visitas de campo a la planta que permitieron identificar las etapas de proceso desde la recepción, hasta las operaciones de distribución de la bebida de yogurt. Las visitas a la planta fueron realizadas por el equipo HACCP, en donde en forma analítica y descriptiva se identificaron las actividades de cada etapa. Toda la documentación se documento en formatos previamente definidos por la empresa, y posteriormente fueron integrados a la documentación del sistema HACCP.

Plan HACCP Previo al análisis de peligros se realizó el análisis de materias primas, donde se llevó a cabo la evaluación detallada de cada materia prima o insumo requerido para la elaboración de la bebida de yogurt en la empresa. Esta evaluación se

desarrolló mediante reuniones programadas con el Equipo HACCP en las cuales se analizaron los diferentes tipos de peligros reales y/o potenciales de las materias primas.

Con el objetivo de identificar los Puntos Críticos de Control en la elaboración de la bebida de yogur, la actividad de evaluación y análisis de peligros se soporto en el uso de la metodología del árbol de decisión del Codex Alimentarius [10]. Después de haber realizado el análisis e identificación de los Puntos Críticos de Control, se documento la información del Reporte de Análisis de Peligros. Este principio se aplicó mediante la identificación y/o cálculo de los límites de las variables en los PCC que aseguran que el proceso productivo garantiza la elaboración de productos seguros. Los límites de control fueron determinados soportados sobre bases científicas del proceso y en el conocimiento del nivel de riesgo de los peligros.

El sistema de monitoreo fue diseñado para garantizar el cumplimiento de los Límites críticos de Control para cada PCC; fueron definidas las frecuencias de medición, los procedimientos de medición e identificados los responsables del monitoreo. Se elaboraron los formatos para realizar el control de cada PCC. El equipo HACCP identificó para cada uno de los PCC las acciones correctivas a seguir en caso de no cumplir las especificaciones. Se diseño un procedimiento y un formato de control para hacer seguimiento de las acciones correctivas

Para realizar la actividad de verificación del Plan HACCP el equipo responsable de la implementación contempló los siguientes elementos: Validación del Plan HACCP, calibración de Instrumentos, revisión de registros, análisis del producto final y revisión del Plan HACCP. El procedimiento de validación se realizó por el Equipo HACCP, el cual validó que la implementación del Plan HACCP controlará efectivamente los peligros asociados a los Puntos Críticos de Control.

3. RESULTADOS

En la tabla 1. Se presentan los resultados por capítulo de la evaluación del perfil sanitario de la empresa. La empresa alcanzó un 87,6 % de cumplimiento de los requisitos del Decreto 3075 de 1997. Se observó que los capítulos: Edificación e instalaciones, y Aseguramiento y Control de


84

Calidad presentaron las menores evaluaciones (78.9 y 80 % respectivamente).

Tabla 1. Perfil sanitario de la empresa Capitulo del Decreto 3075

de 1997 PuntajeMáximo

PuntajeObservado

Porcentaje de Cumplimiento

Edificación e Instalaciones 38 30 78,9

Equipos y utensilios 17 16 94,1 Personal Manipulador 18 17 94,4 Requisitos higiénicos

de fabricación 28 26 92,9 Aseguramiento y

Control de Calidad 5 4 80,0 Plan saneamiento 3 3 100,0 Almacenamiento,

transporte y distribución 20 17 85,0 Total 129 113 87,6

Una vez se validó el cumplimiento de los prerrequisitos se dio inicio a aplicación de la metodología para la implementación del Plan HACCP del proceso de elaboración de bebida de yogurt. El alcance del Plan HACCP elaborado contempló las actividades desde la recepción de la materia prima (leche cruda y suero dulce) hasta las actividades de almacenamiento, transporte y distribución de la bebida de yogurt.

Descripción del producto, uso y tipo de consumidor.

La bebida de yogurt es un alimento elaborado a partir de leche fresca entera pasteurizada y homogenizada, lactosuero líquido fresco como residuo de la elaboración de quesito en la misma empresa, azúcar, estabilizante, sabores y colorantes permitidos; fermentado por la acción de cultivos lácticos específicos para obtener las características adecuadas de textura, sabor y acidez. La bebida láctea de yogurt se comercializa en paquetes de seis unidades de 200 ml, en empaques de polietileno; y bajo condiciones adecuadas de almacenamiento, transporte, distribución y comercialización, la bebida de yogurt presenta un tiempo de vida útil de 30 días en condiciones de refrigeración a 4 ° C. El producto presenta como características fisicoquímicas principales acidez total 0.7%, contenido de sólidos

19.04 %, contenido de grasa 3.0 %, viscosidad aparente de 6210 cp y un contenido de proteína de 2.97%.

Diagrama de flujo del proceso

En la Figura 1 se presenta el diagrama de flujo del proceso de elaboración de la bebida de yogurt

Figura 1 Diagrama de Flujo de elaboración de la bebida de yogurt

Análisis de peligros

En la Tabla 2 se presenta la evaluación de los peligros potenciales de las materias primas e insumos para la elaboración de la bebida de yogurt. La leche fresca y refrigerada, y el lactosuero líquido fresco son identificados como materias primas PCC.


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Tabla 2 Evaluación de materias primas* PLAN HACCP EVALUACIÓN DE MATERIAS PRIMAS

Materia prima o ingrediente Peligros potenciales Antecedentes de calidad

y/o del proveedor

¿los peligros de esta MP

seráneliminados

por el proceso

¿La contaminación producida por esta

materia o prima afectará la planta?

Materiaprima

considerado PCC (si/no?)

Leche fresca

Físico: vidrio, piedras, tornillos, alambre, fibras, cabuya, plástico.

Biológicos: mesófilos. Salmonella, E.Coli, Listeria.

Químicos:antibióticos,pesticidas

Transporte refrigerado a 4° C.

Capacitación a operarios de ordeño.

Certificación de vacunas FA.

Brucelosis. Elaboración de pruebas de

plataforma Seguimiento de pruebas

una vez por semana a cada proveedor Registro,

toma de muestras

Físico Sí

Biológico No

Químico No

No

Sí

Afectará la fermentación láctica por inhibición de las

bacterias

Sí

Lactosuero líquido fresco

Físico: Cabello, polvo

Biológicos:Microorganismosmesófilos, E, Coli

Químicos: No aplica

Debido a que el lactosuero es un subproducto de la

línea de quesos, la empresa gestiona su

calidad por medio de la implementación de BPM y el seguimiento a la acidez, temperatura y colime tría a

cada lote que utiliza

Físico si

Biológico si

NoSiNo

Si

Sacarosa

Físico: piedras, arena, plástico, cabuya, fibra.

Químico: no aplica.

Biológico: mesófilos

Certificación ISO 9000

NTC 778 fabricación de sacarosa refinada

Sí No No

Cultivo láctico Biológico: Ninguno.

Químico: Ninguno

Físico: Ninguno

Certificación de análisis - Cumple.

Proveedor internacional

Sí No No

Saborizantes

Físicos: No

Químico:Contaminadoquímicamente

Biológico: mohos y levaduras

Entrega de fichas técnicas.

Certificado de análisis Cumplimiento de BPM.

No No No

Colorantes

Físico: vidrio, plástico, que esté contaminado

Químico: aromas, hidratado (húmedo), contaminaciónquímica

Biológico: Mohos y levaduras, mesófilos, coliformes

Certificado de análisis.

Fichas técnicas.

Fabricante de los colorantes cumple con

BPM, certificado FDA y resolución 10593 de 1985 del Ministerio de Salud de la República de Colombia

No No No

* Modelo tomado de Kit HACCP 2000. Jairo Romero


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En la tabla 3 se presentan los productos del uso de la herramienta del árbol de decisiones del Codex Alimentarius para la identificación de los puntos críticos de control.[10] Como insumo para el análisis fue utilizado el análisis de materias primas,

el diagrama de flujo y descripción de proceso y el reporte de peligros del proceso. El diseño del Plan HACCP permitió identificar dos Puntos Críticos de Control

Tabla 3 Aplicación del Árbol de decisiones para identificación de PCC en la elaboración de bebida de yogurt

ETAPA P1 P2 P3 P4 P5 ¿Es PCC?

Recepción de la leche / lactosuero

SIBiológicos: Presencia de m.o. patógenos Físicos: piedras, pelos, pasto fibras, tierra Químicos: Inhibidores, antibióticos, detergentes y desinfectantes

SI SI SI

Filtración SiFísicos: Piedras, partículas metálicos por mal estado de la malla

Si No No No

Clarificación No No

Enfriamiento

SIBiológicos. Crecimiento de m.o psicrófilos. Daño del sistema de enfriamiento Químicos. Residuos de detergentes y desinfectantes

SI No Si SI No

Almacenamiento en silo

SIBiológicos: Crecimiento de flora psicrófila

Si No Si Si No

Mezclado SIBiológicos: Contaminación por m.o ambientales, Proceso abierto

Si No Si Si No

Pasteurización/homogenización

SIBiológico. Supervivencia de m.o. al tratamiento térmico

SI SI SI

Inoculación/fermentación

SIBiológico: Contaminación con m.o. ambientalesFísicos: empaque de cultivo láctico

SI No No No

Formulación SiQuímico: sobredosificación de colorantes y sabores frente a normatividad

Si No No No

Enfriamiento No No

Envasado SIBiológico: crecimiento por m.o por ambiente, equipos y empaque

SI No No No

Almacenamiento y

comercialización No No

P1 ¿Existen riesgos en esta etapa del proceso? P2 ¿Existen medidas preventivas para los riesgos identificados en esta etapa? P3 ¿Esta etapa ha sido diseñada específicamente para eliminar un peligro o para reducirlo a un nivel aceptable? P4 ¿Puede la contaminación alcanzar niveles aceptables en esta etapa? P5 ¿Un paso siguiente eliminará o reducirá el riesgo a niveles aceptables?

Plan HACCP para la bebida de yogurt

En la Tabla 4 se presenta el resumen del plan HACCP, indicando los PCC, los límites críticos de

control, las actividades de monitoreo de los PCC y las acciones correctivas.


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Tabla 4 Resumen de los principios del Plan HACCP para la línea de bebida de yogurt

Discusión

El nivel de implementación de un 87.6% de las BPM y los POES en la empresa facilitan el diseño e implementación del Plan HACCP para la elaboración de la Bebida de yogurt, no obstante fruto de la evaluación del cumplimiento de los prerrequisitos se realizó mejoramiento en los aspectos de mayor sensibilidad en el proceso; como fue el caso del diseño del sistema de documentación del Plan de Mantenimiento y calibración. Los beneficios de implementación del Plan HACCP después de haber implementado eficazmente los planes y programas prerrequisitos, permiten la reducción de costos en el diseño e implementación, pues se identifican y se controlan los puntos críticos de control esenciales, presentando concordancia con los hallazgos de Domenici et al 2006 [4]

La leche fresca y el lactosuero son materias primas con alta probabilidad de presentar peligros de naturaleza física, química y biológica. La sacarosa, los sabores y colorantes utilizados no son considerados PCC como materias primas, ya que los proveedores actuales de la empresa son certificados en Sistemas de Gestión de Calidad ISO 9000 y cumplen con BPM y la normatividad relativa a la elaboración de cada producto, y se les exige certificado de análisis de cada lote. La empresa desarrolla actividades de seguimiento a los proveedores de leche fresca y refrigerada mediante el muestreo de leche en las explotaciones

ganaderas y seguimiento a las variables fisicoquímicas y microbiológicas, lo que permite reducir, pero no eliminar los peligros reportados de la leche. Los resultados de las actividades de validación del cumplimiento de las Buenas Práctica Ganaderas concuerdan con los resultados de los estudios de Lievarrt et al 2005 [7] y Souza et al 2007 [8], y demuestran las bondades de implementar HACCP en los procesos de obtención de leche fresca y refrigerada, garantizando un óptima calidad de la leche en la actividad primaria de la cadena láctea.

La aplicación del árbol de decisiones permitió identificar dos puntos Críticos de Control (PCC): Recepción de leche fresca y pasteurización de la mezcla de leche fresca y lactosuero. El lactosuero que se mezcla a la leche fresca para la elaboración de la bebida presenta alto riesgo de poseer microorganismos mesófilos, dadas las condiciones de elaboración del quesito (temperaturas de 35 ° C y alta manipulación en las etapas de procesamiento). El riesgo del peligro biológico en esta materia prima se controla por medio del control de la etapa de pasteurización de la mezcla. La presencia de antibióticos en la leche fresca presenta alto riesgo para la salud del consumidor, la empresa asegura su eliminación por medio de la evaluación del contenido a cada lote que dispone para procesamiento y además, desde el punto de vista del proceso de elaboración de la bebida fermentada, la presencia de antibiótico es un factor crítico porque inhibe el crecimiento de las bacterias


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lácticas, lo que representa dificultades en el proceso de fermentación. En la medida que se masifique en el país la implementación de las Buenas Prácticas Ganaderas relacionadas con la producción de leche, se tendrá que reevaluar la potencialidad del peligro químico por presencia de antibióticos en la leche; en tal sentido Dávila et al2006 para el proceso de Producción de queso tipo Gouda en Venezuela no definen la recepción de leche fresca y refrigerada como PCC para controlar el peligro de presencia de antibióticos. [1]

El control de la cadena de frío a 4° C en las actividades de almacenamiento, transporte y distribución permite a la organización garantizar el tiempo de vida útil del producto de 30 días y elimina el riesgo de una acidificación del producto por el crecimiento de las bacterias lácticas. Si bien en esta etapa no se considera que ponga en riesgo la salud del consumidor, el Equipo HACCP decidió definirlo como PC (Punto de Control) con el objetivo de satisfacer los atributos organosensoriales demandados por los consumidores y limitar las devoluciones, quejas, reclamos derivados del rompimiento de la cadena de frío.

En materia de proceso es necesario controlar el la etapa de fermentación, haciendo seguimiento a la acidez y viscosidad de la bebida, con el propósito de garantizar una formulación estandarizada que redunde en satisfacer los atributos de calidad organosensoriales. Es necesario que la empresa garantice la gestión del proceso productivo por medio del seguimiento al plan de calidad de elaboración de la bebida en forma simultánea a la gestión del Plan HACCP.

4. CONCLUSIÓN

La aplicación de la metodología de Análisis de Riesgos y Puntos Críticos de Control en el proceso de elaboración de la bebida de yogurt permitió identificar dos Puntos Críticos de Control, la recepción de leche fresca y la etapa de pasteurización de la mezcla leche y suero fresco. Las variables de control en los puntos críticos son la presencia de antibióticos en la etapa de recepción de materias primas y la combinación de las variables tiempo vs temperatura en el proceso de pasterización

Después de la implementación y el mantenimiento del Plan HACCP para la elaboración de la bebida

de yogurt la empresa ha reducido drásticamente el número de quejas y reclamos por parte de clientes y consumidores, y se ha disminuido el nivel de devoluciones de la línea a un 0.5%, un valor muy bajo respecto al valor antes de la implementación del plan (5%), lo generó confianza en los clientes y consumidores con respecto a la calidad de la bebida de yogurt

5. AGRADECIMIENTOS

Este artículo es resultado del proyecto mejoramiento de la productividad de la línea de bebidas lácteas en la empresa de productos Lácteos Aura S.A. Código: 1301-431-2072 de Colciencias.

El autor agradece a Colciencias, a la Incubadora de Empresas del Oriente Antioqueño Génesis y al Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid por la financiación del proyecto.


[1]. Dávila, J. Reyes, G. y Corzo O. Diseño de un Plan HACCP para el proceso de elaboración de queso Tipo Gouda en una empresa de productos lácteos. Archivos Latinoamericanos de Nutrición., 56 (1) 580-592, 2006

[2]. ASQ Food, Drug and Cosmetic Division. HACCP Manual del auditor de Calidad. España. Editorial Acribia; 2006.

[3]. Albarracin FY. Carrascal AK. Manual de Buenas Prácticas de Manufactura para microempresas Lácteas. Bogotá. Editorial Pontificia Universidad Javeriana. 2005

[4]. Domenici, C. Cardoso, S. Barbosa, C. Cost and investment of implementing and maintaining HACCP in a pasteurized milk plant., Food Control.,17,599-603, 2006

[5]. Mortimer S, Wallace C. HACCP Enfoque práctico. 2a ed. Zaragoza. Editorial Acribia; 2001.

[6]. Forsythe SJ. Hayes PR. Food Hygiene, Microbiology and HACCP. Third Edition. Aspen Publishers; 2000.

[7]. Lievaart, J.J. Noordhuizen, J.P.T.M., Van Beek, E., Van der Beek,C., Van Risp, A., Schenkel, J., Van Veersen, J. The Hazard Analysis Critical Control Point concept as


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applied to some chemical, physical and contaminants of milk on dairy farms. A prototype. Veterinary Quarterly., 27 (1): 21-29, 2005

[8]. Souza, L y Queiroz, M.I. Evaluation of Quality of raw and cool milk using HACCP guidelines. Cien, y Tecnol. Aliment, Campinas., 27 (2): 422-430, 2007

[9]. Colombia. Ministerio de Protección Social. Decreto 616 de 2006, febrero 28, por el cual se expide el reglamento Técnico sobre los requisitos que debe cumplir la leche para el consumo humano que se obtenga, procese, envase, transporte, comercializa, expenda, importe o exporte en el país. Bogotá: El Ministerio; 2006.

[10]. Árbol de decisión para identificar los PCC Comisión del Codex 1997. Disponible en: http://www.fao.org/docrep/005/y1390s/y1390s0g.htm ( Consultado el 05 de Agosto de 2010)


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EVALUACIÓN DE HERRAMIENTAS DE LIBRE DISTRIBUCIÓN PARA NEUROCIRUGÍA GUIADA POR IMÁGENES

John Fredy Ochoa Gómez.1, Isabel Aristizábal Muñoz. 2, Juan Diego Lemos Duque 3, Hernán D. Barrientos 4

1 John Fredy Ochoa Gómez. Ingeniero de sistemas. Estudiante de maestría en ingeniería UdeA. Investigador del Grupo de Investigación en Bioelectrónica e Ingeniería Clínica (GIBIC). Universidad de Antioquia. Calle 67 No. 53 – 108. E-mail: [email protected] , [email protected] Isabel Cristina Aristizábal Muñoz. Estudiante de Bioingeniería. Investigadora del Grupo de Investigación en Bioelectrónica e Ingeniería Clínica (GIBIC). Universidad de Antioquia. Calle 67 No. 53 – 108. E-mail: [email protected] Juan Diego Lemos Duque. Ingeniero electrónico M.Sc. Investigador del Grupo de Investigación en Bioelectrónica e Ingeniería Clínica (GIBIC). Universidad de Antioquia. Calle 67 No. 53 – 108. E-mail: [email protected] Hernán Darío Barrientos Montoya. Médico Especialista. Residente último año de Neurocirugía. Universidad de Antioquia. Calle 67 No. 53 – 108. Bloque 19 Of 19-411 e-mail: [email protected],[email protected].

RESUMEN

El presente artículo realiza la comparación de seis herramientas de software libre que pueden ser de ayuda en neurocirugía. Los datos de trabajo de las herramientas son imágenes médicas, por lo que el área en el que se inscriben es el de cirugía guiada por imágenes (IGS). La evaluación se realiza tomando como base un flujo de trabajo que permite obtener representaciones tridimensionales, a partir de los conjuntos de imágenes, que pueden ser de utilidad en planeación quirúrgica. Al final del artículo se muestra diferentes elementos de trabajo con la herramienta de mejores características para IGS.

Palabras Clave: Cirugía asistida por computador, cirugía guiada por imágenes, procesamiento digital de imágenes, software libre.


EVALUATION OF FREE DISTRUBUTION TOOLS FOR IMAGE GUIDE SURGERY

ABSTRACT

The present article makes a comparison of six free software that can be of help in neurosurgery. The data for the tools are medical images, this is the reason why the tools belong to the Image Guided Surgery area (IGS). The evaluation is maked taking a workflow for threedimensional representations, obtained from the images, that can be of help in surgical planning. At the end of the article are shown different elements of work with the tool of better characteristics for IGS.

Keywords: Computer assisted surgery, image guided surgery, digital image processing, free software.


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1. INTRODUCCIÓN

En los procedimientos de neurocirugía es necesario ubicar de manera precisa las estructuras en la superficie del cerebro y dentro de este que son críticas a nivel neurológico, y que no se suelen distinguir de manera visual de las estructuras adyacentes menos críticas. La demanda creciente de cirugía menos invasiva está generando la necesidad de buscar nuevas maneras de integrar la información pre-operatoria y las herramientas quirúrgicas (Figura 1). El usar computadores para la integración de información ha dado nacimiento al área de cirugía asistida por computador (en adelante CGS). El objetivo de estas herramientas es complementar y aumentar las destrezas de los cirujanos de manera que los procedimientos se realicen de una manera más segura. Debido a que una de las mayores fuentes de información durante los procedimientos quirúrgicos son las imágenes médicas, dentro de los sistemas CGS se ha planteado el área que estudia los sistemas de cirugía guiada o asistida por imágenes (en adelante IGS).

Como un área de investigación activa, los sistemas IGS han demostrado facilitar la localización de estructuras objetivo, la definición de la relación anatómica con otras estructuras y la planeación en una etapa pre-operatoria de la trayectoria de mínimo riesgo, por lo que se han utilizado en el tratamiento de tumores intracraneales, malformaciones arteriovenosas, aneurismas, cirugía de epilepsia, endoscopia intracraneal y cirugía de columna [1]. En la resección de tumores cerebrales el uso de estos sistemas ha logrado mayor extracción de tumor, que el tiempo quirúrgico se reduzca y que las complicaciones post-operatorias sean menores [2]. A pesar de las ventajas que ha demostrado tener cuenta con problemas abiertos por resolver. Uno de los mayores problemas está relacionado con la presentación de la información contenida en las imágenes haciendo uso de modelos tridimensionales que faciliten la visualización de las relaciones espaciales de los elementos contenidos en las imágenes [3, 4].

El objetivo del presente trabajo es presentar la importancia creciente de la computación grafica, y de herramientas especificas en dicha área, en la planeación en neurocirugía. En la sección 2 se listan los elementos de computación grafica

involucrados en las herramientas de guía de neurocirugía. En la sección 3 se evalúan diferentes herramientas de libre distribución que pueden ser de utilidad en IGS. En la sección 4 se muestran diferentes elementos de computación gráfica desarrollados en una de las herramientas seleccionada. En la sección 5 se muestran las conclusiones del estudio.

Figura 1. Integración de tecnologías para la ayuda en neurocirugía. Tomado de [3]

2. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES EN NEUROCIRUGÍA

Para el procesamiento de la información en las imágenes se hará uso del esquema básico propuesto en la literatura (Figura 2) y ampliado para incluir la información proveniente de equipo de cirugía [5].

Las imágenes médicas, imágenes del cuerpo humano, son adquiridas mediante diversas técnicas o modalidades como por ejemplo ultra sonido (US), resonancia magnética (RM), tomografía de emisión


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de positrones (PET), tomografía computarizada (CT). La información contenida en este tipo de imágenes puede ser de dos tipos: 1) funcionales, con representaciones de la biología molecular o la fisiología del área de interés; y 2) anatómicas, con información sobre la estructura y componentes de una región del cuerpo específica. El formato estándar para el almacenamiento con las imágenes

es el DICOM aunque para el procesamiento se utilizan formatos livianos como el ANALYZE. Los equipos de imagenología modernos están en capacidad de entregar suficiente información como para que se hable de volúmenes cuando en realidad se toman imágenes bidimensionales consecutivas e igualmente espaciadas de una región específica del cuerpo.

Figura 2. Esquema básico de procesamiento en IGS.

A nivel de filtrado se tienen filtros estáticos como los de promedio o gaussiano Estos filtros generan perdida de los bordes dificultando la generación de escenas 3D de calidad por lo que no se recomienda su uso en cirugía guiada por imágenes [6-8]. Para solucionar este inconveniente se propone filtros dinámicos, los cuales analizan las características de intensidad en la vecindad en que se encuentran trabajando. Tienen el inconveniente de tener una mayor carga computacional. Entre estos filtros se encuentra el filtro de mediana y los filtros de difusión anisotrópica. Estos últimos filtros se caracterizan por buscar la generación de equilibrio en regiones donde hay diferentes niveles de intensidad, generando regiones mas homogéneas, a la vez que son capaces de detectar los bordes evitando eliminarlos [9]. La figura 3 muestra una imagen procesada por un filtro de promedio y un filtro de difusión anisotropica.

Las intensidades en las imágenes de RM no suelen ser uniformes, esto se debe principalmente a las inhomogeneidades en el campo magnético. Aunque estas inhomogeneidades no afectan el

proceso diagnostico si tienen una gran influencia en los procesos de segmentación[6, 10] siendo su efecto mayor que el generado por el ruido[11].Existen filtros para la corrección de dichas inhomogeneidades. Estos filtros suelen constituir el primer paso en el procesamiento de imágenes de RM. Una discusión mayor de estos filtros se encuentra en los artículos [12, 13].

La segmentación permite identificar tumores, sustancia gris, sustancia blanca, fluido cerebroespinal y tejido extracerebral. La segmentación de tejido sano se suele hacer por algoritmos como el de expectativa máxima que permiten extraer sustancia gris y blanca a partir de un modelo estadístico de los tejidos, modelo que es construido a partir de imágenes procesadas de cerebros sanos [14]. En [15] se plantea una modificación a este algoritmo para poder trabajar sobre cerebros que se alejen de la plantilla al presentar tumores. Para la segmentación de tumores se suelen utilizar algoritmos convencionales como el de crecimiento de regiones


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[6] aunque hay una gran tendencia a utilizar el algoritmo de level-sets [16, 17].

El proceso de registro permite encontrar las transformaciones espaciales que relacionan los puntos en una imagen, llamada imagen móvil, con los puntos en una imagen de referencia. Este procedimiento permite relacionar imágenes de diferentes modalidades, o de la misma modalidad tomadas en diferentes momentos o de pacientes diferentes. Los algoritmos de registro no solo manipulan información de imágenes, también están

involucrados en las transformaciones de coordenadas que permiten relacionar posiciones en el paciente con un sistema de coordenadas en el volumen de imágenes. Un algoritmo de registro está compuesto de cuatro elementos básicos [18]: el criterio de registro o criterio para alinear imágenes, las transformaciones espaciales, el sistema de optimización de parámetros y el algoritmo de interpolación. En [18, 19] se resume la aplicación de esta técnica en medicina.

Figura 3. Imagen original (izquierda) procesada por un filtro de promedio (centro) y un filtro de difusión anisotropica (derecha). Se nota en la imagen del centro la perdida de detalle, por ejemplo las marcas que aparecen a los lados de la imagen original se han perdido para esta imagen, caso que no ocurre con el filtro de difusión anisotropica.

La visualización de volúmenes propone una alternativa a la visualización imagen por imagen típica en medicina. De esta manera se debe de disponer de mecanismos que permitan manipular los voxels de forma que se puedan proyectar todos en la pantalla. La visualización multiplano suele constituir la primera alternativa para integrar la información en las imágenes que suele encontrarse distribuida en tres planos diferentes: axial, sagital y coronal. Además de la visualización multiplano existen dos esquemas para la visualización de volúmenes: la visualización indirecta (surface rendering) y la visualización directa (volume rendering). El primero busca obtener una representación 3D de una superficie a partir de primitivas como polígonos. Tiene el inconveniente de que conlleva a una perdida inherente de información. La visualización directa busca obtener una representación 3D aplicando modelos de iluminación sobre el conjunto de voxels. Tiene el

inconveniente de que requiere más capacidad de cómputo[20, 21]. La figura 4 muestra los diferentes esquemas de visualización para un estudio de tomografía computarizada.

Un último elemento está relacionado con la posibilidad de conexión de la herramienta con dispositivos externos como sistemas de adquisición de imágenes o instrumentos robóticos. Este aspecto, que involucra algoritmos de registro, es determinante para conocer cuando la herramienta puede no solo ser de ayuda en una fase pre-operatoria sino que también puede ser de ayuda durante la operación misma. En este apartado se resalta el protocolo OpenIGTLink, un protocolo abierto que ha sido validado en entornos de cirugía y en el diseño de simuladores para educación [22].


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Figura 4. Visualización multiplano (derecha), volume rendering (centro) y surface rendering (izquierda)

3. HERRAMIENTAS LIBRES PARA PLANEACIÓN EN NEUROCIRUGÍA

Se han comparado seis herramientas de libre distribución que pueden ser de ayuda en neurocirugía de acuerdo a la disponibilidad por parte de las mismas de los diferentes algoritmos dentro del esquema básico de procesamiento en cirugía guiada por imágenes (Figura 2). Es posible que las herramientas tengan características que no hayan sido incluidas en la comparación al no ser de utilidad inmediata en neurocirugía. La tabla 1

muestra la comparación entre las distintas herramientas. Estas herramientas cuentan con funcionalidades adicionales desarrolladas en diferentes centros de investigación. Estas funcionalidades no son especificadas en la tabla 1 al no encontrarse en la distribución base para las versiones estudiadas. La tabla también muestra cuales de las herramientas tienen la posibilidad de conectarse a dispositivos externos útiles en cirugía como pueden ser dispositivos de seguimiento o sistemas de adquisición de imágenes.

Tabla 1. Comparación de las herramientas de libre distribución útiles en el proceso de neurocirugía

AlgoritmosHerramientas Filtrado Segmentación Registro Visualización

Conexióncon

Hardware

MedInria 1.9 Ninguno Ninguno RígidoNo Rígido

MultiplanoVisualización directa Tractografía

Ninguno

ITK-SNAP 2.0 Ninguno Level Sets Modelos Deformables Ninguno Multiplano

Visualización indirecta Ninguno

BioImageSuite 2.6

Filtros estáticos (paso bajos y pasa altas ) Corrección de inhomogeneidades

OperadoresmorfológicosMétodo de Otsu Level Sets

RígidoNo rígido

MultiplanoVisualización indirecta

VVLink Tool (comunicacióncon el sistema BrainLab)

MeVisLab1.6.1

Filtros estáticos (paso bajos y pasa altas) y dinámicos. Filtros de la librería ITK

Crecimiento de regiones.Segmentación de la librería ITK

Algoritmos de la librería ITK

MultiplanoVisualización indirecta Visualización directa

Ninguno

Osirix 2.7.5 Ninguno Ninguno Rígido Visualización indirecta Visualización directa Ninguno

3DSlicer 3.5

Filtros estáticos (paso bajos y pasa altas) y dinámicos. Corrección de inhomogeneidades

Crecimiento de regionesLevel Sets Método de Otsu Expectativa máxima

RígidoNo rígido

MultiplanoVisualización indirecta Visualización directa Tractografía

OpenIGTLink


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3.1 MedInria Es un conjunto de aplicaciones desarrolladas dentro del proyecto de investigación ASCLEPIOS[23]. Las aplicaciones de las diferentes técnicas de procesamiento de imágenes basadas en la geometría y las matemáticas actuales pueden ser de gran ayuda para estudiar imágenes de resonancia magnética. Busca integrar algoritmos de alto nivel presentados al usuario mediante

interfaces graficas de manejo intuitivo. Cuenta con algoritmos para los cálculos necesarios en la estimación de tractos axonales a partir de imágenes con información de difusión tensorial [24, 25] y con algoritmos para el registro de imágenes[26, 27]. La figura 5 muestra el entorno MedInria.

Figura 5. Entorno MedInria y diferentes modos de visualización.

3.2 ITK-SNAP

ITK-SNAP [28] (Figura 6) utiliza los principios de level-sets y los contornos activos para la segmentación manual y semiautomática de regiones anatómicas en las imágenes [29, 30]. Se ha aplicado en técnicas de neuroimagen y técnicas de mapeo cerebral proporcionando información espacial detallada sobre la magnitud y la trayectoria de enfermedades como el Alzheimer y la epilepsia [31]. El objetivo del grupo de desarrollo encargado ha sido ofrecer una herramienta que pueda ser utilizada por personas sin conocimientos profundos de computación Figura 6. Entorno ITK-SNAP. Segmentación del

seno longitudinal superior.


96

3.3 BioImage Suite BioImage Suite [32] (Figura 7) cuenta con una serie de interfaces gráficas de usuario (GUI) y de utilidades de línea de comandos de apoyo tanto para trabajar en modo interactivo como en modo de procesamiento por lotes. Cuenta con los elementos necesarios para el estudio de la estructura del cerebro. Este software tiene un conjunto herramientas que son uso exclusivo para la planeación de neurocirugía, como por ejemplo un modulo que permite el trabajo con las mallas de electrodos corticales usados en planeación de cirugía de epilepsia[33].

Figura 7. Entorno BioImage Suite

Figura 8. Reconstrucción 3D en entorno MeVisLab

3.4 MeVisLab Desarrollado en el centro de diagnostico médico y visualización (MeVis, Bremen [34]), ha sido el resultado de mas de una década de investigación. Provee un entorno de programación visual potente para los algoritmos de filtrado, segmentación, registro y visualización. Además de esto, integra las librerías ITK[35] y VTK[36], librerías que son ampliamente utilizadas en el desarrollo de sistemas

para visualización en medicina[37]. La figura 8 muestra una reconstrucción 3D mediante el entorno MeVisLab

3.5 Osirix Osirix [38] (Figura 9) es un entorno de procesamiento de imágenes DICOM, cumple con todos los requisitos del estándar DICOM para la comunicación y manejo de formatos para imágenes. Esto permite una integración con los sistemas de almacenamiento y comunicación de imágenes (PACS). Fue diseñado para la visualización 2D, 3D, 4D (imágenes 3D con una dimensión temporal) y 5D (imágenes 3D con una dimensión con información temporal y otra dimensión con información funcional) [39].

Figura 9. Reconstrucción 3D en el entorno Osirix

Figura 10. Entorno 3DSlicer

3.6 3DSlicer 3DSlicer [40] (figura 10) es una aplicación desarrollada a partir de las librerías VTK, ITK, OpenGL y Tcl-Tk [41]. Tiene una arquitectura modular que optimiza la introducción de nuevos algoritmos. Añadir un nuevo modulo solo requiere la edición de una plantilla que contendrá el código de la interfaz de usuario y de manera opcional


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nuevos objetos VTK-ITK. Al ser una herramienta de código abierto ya ha sido adaptada para diferentes pruebas en la sala de cirugía [42, 43].

4. RESULTADOS

En la tabla 1 se puede verificar que la mitad de las plataformas no cuentan con algoritmos de filtrado para cirugía guiada por imágenes. De las seis dos cuentan con filtrado para corrección de inhomogeneidades y dos cuentan con filtros dinámicos. La única que cuenta con los algoritmos de filtrado necesario es la plataforma 3DSlicer.

Cuatro de las seis herramientas cuentan con algoritmos de segmentación útiles en cirugía guiada por imágenes. Tres de ellas cuentan con algoritmos de Level Sets y solo una de ellas cuenta con segmentación por expectativa máxima. De nuevo 3DSlicer se encuentra en todas las clasificaciones.Solo una de las herramientas no cuenta con algoritmos de registro y solo una de ellas cuenta solo con registro rígido. Queda por fuera de este trabajo evaluar las características de los algoritmos de registro que tiene cada una de las herramientas que cuenta tanto con algoritmos de registro rígido como no rígido.

Todas las herramientas cuentan con por lo menos dos modos de visualización de las imágenes. Esto demuestra el valor inmediato que tienen muchas de ellas en la ayuda diagnóstica. Este puede ser el caso de Osirix cuyos algoritmos de visualización y su usabilidad hace que la herramienta sea altamente reconocida a pesar de no cumplir hasta ahora con la mayoría de criterios aquí propuestos. De nuevo 3DSlicer contiene todos los modos de visualización requeridos.

Por último, solo dos herramientas tienen capacidad de conexión con sistemas electrónicos externos. La solución propuesta por BioImage Suite depende del sistema comercial Vector Vision Cranial System de BrainLab [44]. Por otro lado el protocolo OpenIGTLink es abierto y se ha aplicado de manera exitosa para el desarrollo de sistemas de entrenamiento en neurocirugía [22].

Dadas las capacidades que ofrece el paquete 3DSlicer se ha decidido reproducir algunos de los pasos involucrados en planeación quirúrgica con esta herramienta.

Se parte de un estudio (figura 11) con una lesión tumoral en el hemisferio izquierdo resaltada en la imagen mediante un círculo amarillo. Este conjunto de imágenes es de libre acceso y hace parte de la base de datos de tumores cerebrales del laboratorio de planeación quirúrgica y del departamento de neurocirugía de la escuela médica de Harvard [45, 46].

Figura 11. Imágenes con lesión en el hemisferio izquierdo.

Esta lesión es segmentada mediante el algoritmo de fast-marching [47-49], a partir de la región segmentada se construye un volumen utilizando visualización indirecta. El resultado se muestra en conjunto con un despliegue multiplano en la figura 12. Esta segmentación permite una estimación cuantitativa del volumen del tumor y de su tamaño máximo en diferentes direcciones.

Figura 12. Segmentación del tumor y reconstrucción 3D del mismo

Dado que el estudio no cuenta con información funcional o de otras modalidades no es posible hacer registro para estudios del mismo sujeto. Sin embargo es posible registrar la información del paciente con información de un atlas anatómico de manera que una vez conocida la transformación


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entre los dos conjuntos de datos se pueda relacionar información del atlas con la información del paciente [50]. La figura 13 muestra la información previa al proceso de registro y la figura 14 muestra la información una vez registrada. La información se ha registrado utilizando un método de registro rígido. La figura 15 muestra la escena final con el cráneo obtenido del atlas y el tumor obtenido por segmentación.

Queda por fuera del estudio la posibilidad de utilizar sistemas de adquisición externos que se puedan relacionar con la escena generada.

Figura 13. Información en un proceso previo al registro

Figura 14. Imagen que ilustra el registro de los volúmenes utilizados al mostrar en una misma imagen segmentos unidos de manera alternada de los dos volúmenes

5. CONCLUSIONES

El artículo presentado ha buscado mostrar un conjunto de herramientas, que surgen desde la informática y la computación, que pueden ser de ayuda en la práctica de la neurocirugía siempre que se asuma los retos que el aprendizaje de las mismas implica. Aunque no son todas las herramientas que existen, si constituyen una muestra representativa tanto por sus prestaciones, por su amplio uso en investigación y facilidad de adquisición.

En el desarrollo del trabajo se ha notado que la apropiación de las herramientas debe de pasar por

un proceso gradual en el cual los neurocirujanos se sienten más a gusto, en un principio, con aquellas herramientas que permiten realizar reconstrucciones tridimensionales de una manera rápida e intuitiva, como el Osirix, así no cumplan con muchos de los elementos necesarios planteados en el esquema básico de procesamiento (Figura 2), como si lo haría un software mas complejo como el 3DSlicer.

Figura 15. Escena tridimensional final obtenida.

En la medida que evolucione a nivel regional la práctica de la planeación neuroquirúrgica usando herramientas computacionales, se verá la necesidad de integrar la información de planeación con el instrumental de cirugía; también se hará necesario contar con algoritmos que sean capaces de manejar los posibles desplazamientos de la lesión a tratar, problema conocido como desplazamiento cerebral o brain shift.

A pesar de que se ha tenido en cuenta aquellas herramientas que tienen capacidad de comunicarse con dispositivos externos no se ha discutido las ventajas que esto ofrece ni la forma en que esto influye en el esquema de procesamiento para IGS. Esto es debido a que el problema de integración de información preoperatoria y operatoria es un tema abierto que puede requerir, además de los adelantos en computación, avances en el desarrollo de instrumentación para la localización e imaginología operatoria. Llegado a este punto, una evaluación de programas como la realizada en este


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artículo debe de tener en cuenta las herramientas con las cuales se integrará el programa. Es de resaltar las capacidades que ofrecen los programas actuales para el manejo de imágenes médicas. Esto, sumado a las prestaciones computacionales vigentes, permite que la planeación se pueda realizar en computadores personales e inclusive portátiles, algo que puede favorecer la difusión de las técnicas de planeación siempre que se busque el desarrollo constante de herramientas más intuitivas para el neurocirujano.

6. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Universidad de Antioquia con el proyecto CODI MDC10-1-06. Los autores agradecen al instituto CEDIMED y al Hospital Universitario San Vicente de Paúl por facilitar varias de las imágenes utilizadas en el estudio.

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DISEÑO DE UN SISTEMA MICROCONTROLADO PARA LA DOSIFICACIÓN E INYECCIÓN DE FERTILIZANTES EN CAMPO

Eliana Milena Ortiz Henao1, William Felipe Zapata Vásquez2,Henry Omar Sarmiento Maldonado3

1Eliana Milena Ortiz Henao Ingeniera en Instrumentación y Control. Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. E-mail [email protected], Medellín

2William Felipe Zapata Vásquez. Ingeniero en Instrumentación y Control. Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid,e-mail [email protected] Medellín

3Henry Omar Sarmiento Maldonado Ing. Electricista, Magíster en Ingeniería, PhD(c) en Electrónica por la Universidad de Antioquia, Docente de Ingeniería en Instrumentación y Control Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, e-mail [email protected] Medellín

RESUMEN

En este proyecto de investigación fue diseñado el sistema de inyección y dosificación de fertilizantes usando un sistema microcontrolado. El sistema microcontrolado recibe la información de la cantidad de fertilizante requerido por el suelo para su nutrición, y envía señales un dispositivo mecánico para regular el paso del fertilizante haciendo una dosificación exacta del producto. Finalmente, un sistema de inyección introduce el fertilizante en el suelo.

Palabras claves: Sistema microcontrolado, sistema de control, sistema de dosificación, sistema de inyección, fertilizantes.

Recibido 05 de Abril de 2010. Aceptado 27 de Agosto de 2010 Received: April 05, 2010 Accepted: August 27, 2010

DESIGN OF MICROCONTROLLER SYSTEM FOR DOSAGE AND INJECTION OF FERTILIZERS INTO THE GROUND

ABSTRACT

In this project of investigation was designed the system of dosage and injection of fertilizers using a microcontrolled system. The microcontrolled system receives the information of the quantity of fertilizer that needs the soil for his nutrition, and it sends signals to a mechanical device to regulate the step of the fertilizer doing the exact dosage of the product. Finally, a system of injection introduces the fertilizer inside the soil.

Keywords: micro controlled system, control system, dosage system, injection system, fertilizers.


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1. INTRODUCCIÓN

El tema que se abordó es el control de la fertilización, los principios en los que se basan estas técnicas, los equipos que se emplean y las aplicaciones específicas que se han desarrollado.

La agricultura ha progresado mucho en los últimos años dando lugar a una lucha por ofrecer productos de calidad a un mercado cada día más exigente [1,2]. Al mismo tiempo es imprescindible incrementar la productividad para mantenerse en un sector tan competitivo [3]. Estas circunstancias han inducido a los agricultores y empresas agrícolas a mejorar considerablemente las técnicas de cultivo [4].

En el ámbito nacional son pocas las empresas dedicadas al desarrollo de tecnologías aplicables al agro, lo cual genera un mercado bastante promisorio para proyectos de esta índole; en el campo internacional existen diversos equipos y técnicas aplicadas a la dosificación e inyección de fertilizantes, dentro de las cuales se destacan: fertilización por riego, fertilización nebulizada, fertilización por micro aspersión, entre otras; diferenciándose por su facilidad de aplicación y costo.

El sistema de cultivo en mesas móviles con reciclaje de la solución nutritiva se impone en el sector de planta ornamental en maceta. Los cultivos de flor cortada cada día son más exigentes y es complicada la gestión de un vivero de producción de plantas para trasplantar.

En el sector de los cultivos leñosos se están implantando técnicas de fertilización basadas en soluciones nutritivas completas que exigen equipos que controlen la dosificación de fertilizantes y el pH de la solución de fertilización.

Se involucra la selección de una técnica de dosificación para aplicarla a la implementación del sistema de dosificación e inyección de fertilizantes, enfocada a cubrir las necesidades en el control de la fertilización de un cultivo de banano [5,6]. Específicamente se tiene en cuenta los requerimientos de cultivos ubicados en la zona del Uraba antiqueño.

Las necesidades puntuales en fertilizantes para esta zona son: nitrógeno, fosforo, potasio, calcio y magnesio.

Se pueden encontrar en el mercado diversas presentaciones de fertilizantes, líquidos, sólidos y gaseosos, los cuales se diferencian por su forma de aplicación y costo, donde los fertilizantes sólidos granulados son mas utilizados debido a su bajo costo y rendimiento aceptable.[7]

2. IDENTIFICACIÓN DE LAS TÉCNICAS ACTUALES UTILIZADAS PARA LA DOSIFICACIÓN E INYECCIÓN DE FERTILIZANTES

2.1 TÉCNICAS DE FERTILIZACIÓN 2.1.1 Técnica de fertilización manual. Esta técnica consiste en suministrar los fertilizantes al cultivo manualmente, dejando la misma cantidad en toda el área de cultivo, obviando cualquier tipo de tecnología para su dosificación y suministro [8].

2.1.2 Técnica de fertilización por microaspersión. Esta técnica consiste en suministrar los fertilizantes por medio de un sistema de bombeo sectorizado, es el más perfecto, por ser el que más se parece a la lluvia, el que deja menos zonas secas de acumulación de sales y el que más uniformemente distribuye los fertilizantes. Este sistema ahorra agua y fertilizantes, al mantenerlos solo en la zona del suelo -ocupada por las raíces- llamada bulbo de humedecimiento [9].

2.1.3 Técnica de fertilización nebulizado.Se fundamenta en el principio de atomizar el agua y el fertilizante por medio de alta presión, hasta lograr gotas de tamaño aproximado de 10 micrones, las cuales permanecen suspendidas en el aire a manera de nube [10].

2.1.4 Técnica de fertilización por riego (Fertirrigación). Esta técnica consiste en suministrar al cultivo agua y fertilizantes en la cantidad y frecuencia requeridas, de forma que se optimice el aprovechamiento de los mismos y evitando situaciones de estrés que afecten negativamente la producción [11].

Los sistemas más evolucionados se basan en la medición de factores ambientales o del medio en el que se desarrolla el cultivo para determinar la frecuencia y duración del riego. Por otra parte, se basan en la aplicación de soluciones nutritivas completas, cuya composición varia según el cultivo,


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estado de desarrollo, ciclo de cultivo e incluso condiciones ambientales [12].

2.2 TECNICAS DE DOSIFICACIÓN 2.2.1 Técnica de dosificación de sólidos por tornillo.Esta técnica consiste en dosificar los sólidos por medio de un sistema de tolva-tornillo sin fin, el cual dosifica el solido en relación a la cantidad de vueltas del tornillo y el paso del mismo, la cantidad de vueltas es controlada por un sistema electrónico. Existen muchos sistemas de dosificación de sólidos, pero el de tornillo es el más aplicado a la dosificación en pequeñas cantidades [13].

2.2.2 Técnica de dosificación de sólidos por celdas de carga (gravimétrica). Esta técnica consiste en dosificar los sólidos por medio de un pesaje, los cuales son recibidos por una celda de carga que indica el peso de los sólidos sobre la misma, calculando el volumen dosificado con base en la relación peso densidad; el sistema controla el paso de sólidos hacia la celda, por medio de un sistema electrónico [13]

2.2.3 Técnica de dosificadores volumétricos y gravimétricos.Los dosificadores gravimétricos miden el flujo másico, y entonces ajustan la salida del dosificador para alcanzar y mantener el Setpoint establecido. Los dosificadores volumétricos no pesan el flujo; operan transportando un cierto volumen de material por unidad de tiempo, del cual un flujo proporcional en peso se obtiene por la calibración del proceso [13, 14].

2.2.4 Técnica de dosificación por decremento de Peso.Un dosificador por decremento de peso consiste en una tolva y un dosificador que están aislados del proceso para que el sistema entero pueda ser pesado en forma continúa. A medida que el dosificador descarga material, el sistema de pesaje decae

El controlador del dosificador por decremento de peso ajusta la velocidad del dosificador para brindar una proporción de pérdida de peso igual a la proporción deseada en el Setpoint, gracias a su alta precisión gravimétrica, alta capacidad de manipulación de materiales, diseño de contención de material innato y la habilidad de dosificar en

forma precisa en bajas proporciones, los dosificadores a tornillo por decremento de peso se han vuelto los sistemas preferidos de dosificación en un gran número de industrias y aplicaciones [13]

2.2.5 Técnica de dosificador gravimétrico a cinta. Los dosificadores gravimétricos a cinta usualmente son una buena opción para dosificar materiales de flujo libre que no requieren contención. Los dosificadores gravimétricos a cinta operan pesando continuamente una cama móvil de material en un transportador corto, y controlando la velocidad de la cinta para obtener la proporción deseada en la descarga [13].

3. EVALUACION DEL MÉTODO INDICADO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DOSIFICADOR E INYECTOR DE FERTILIZANTES

Con base en las técnicas anteriormente expuestas y de acuerdo a los requerimientos del trabajo en la reducción de costos de fertilizantes y equipos, se decidió la utilización de fertilizantes sólidos en vez de líquidos, empleando la técnica de dosificación de sólidos por tornillo, ya que se va a implementar un sistema dosificador e inyector de fertilizantes a pequeña escala, aplicable a la dosificación de pequeños volúmenes de sólidos; sin embargo otras técnicas pueden ser implementadas y evaluadas. Para esta evaluación una vez se realice la implementación, se tendrá en cuenta la precisión del dosificador, la cual se mide por el cumplimiento de tres datos estadísticos distintos: Repetitividad, Linealidad y Estabilidad. La repetitividad mide la consistencia de la producción de descarga del dosificador; la linealidad estima la precisión con que el dosificador descarga en la proporción deseada; y la estabilidad indica el cumplimiento de la dosis a lo largo del tiempo. [15]

4. DISEÑO DEL PROTOTIPO DE ACUERDO A LOS PARAMETROS REQUERIDOS

En la figura uno, se muestra el diagrama de bloques del prototipo que se ajusta a los requerimientos del diseño del sistema microcontrolado de fertilización e inyección de fertilizante en campo [16].


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Fig.1. Diagrama general de un sistema microcontrolado para la dosificación e inyección de fertilizante.

4.1 COMUNICACIÓN La información capturada mediante un dispositivo receptor de localización global (GPS) y procesada en un PC donde se almacena la información nutricional del suelo permite mediante un sistema inteligente calcular la dosis de fertilizantes (Etapa que no hace parte del proyecto). Esta información desde el PC es enviada y recibida por medio de comunicación modem celular. A su vez, desde el modem conectado al Control Lógico Programable (PLC) se obtiene la información de las dosis requeridas [17].

Esta comunicación utiliza un protocolo serial vía RS-485 para enlazar los dos sistemas: Modem celular - PLC.

4.2 PARTE DE MANDO Es la parte del control del proceso de dosificación e inyección de fertilizantes, que se implementa con

un PLC y que tiene las siguientes funciones: Recibir la señal de comunicación del bloque de supervisión, es decir, disponer de las cantidades de fertilizantes requeridas para ser almacenadas en registros de memoria determinados. A partir de estos registros calcular el tiempo de accionamiento de los motores paso a paso que hacen rotar los tornillos sin fin donde cada fracción o rotación completa del eje corresponden a una determinada cantidad. Estos tiempos están asociados a las salidas digitales del PLC, que a su vez permiten la alimentación de los circuitos de accionamiento de los motores. El diseño se baso en un PLC de gama media disponible, pero dado los requerimientos puede ser suficiente uno de gama baja. El PLC de Telemecanique es el TWIDO TWDLCAE40DRF (24 Ent. digitales, 16 salidas digitales:14 a relé, 2 transistor).

Fig.2 Diagrama en LADDER


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El PLC también registra la señal de accionamiento del sistema en general, una señal de bloqueo, un indicador de terminación de ciclos de dosificación y mezcla, y finalmente uno de expulsión total del dispositivo de inyección. Se anexa en la figura dos la parte mas relevante del diagrama LADDER de la programación del PLC, donde las líneas asociadas a los tiempos de dosificación, deben ser replicadas para cada fertilizante requerido, y una final para el tiempo de mezcla.

4.3 DOSIFICACIÓN

Fig.3. Dosificador

El bloque de mando envía una salida al motor paso a paso que tiene como finalidad hacer girar el tornillo sinfín del dosificador volumétrico, de manera

que se garantice el volumen de dosificación requerido para la mezcla, cuando el fertilizante ha sido correctamente dosificado, es almacenado en un compartimiento para su posterior mezcla.

En la figura tres se observa el dosificador volumétrico que fue diseñado como una tolva en la cual gira un tronillo sinfín de un paso de 2 mm, el cual dosifica un volumen de 20 grs. por vuelta, esta configuración permite obtener una precisión del 98.7% sobre el valor de ajuste de dosificación, además cuenta con un motor paso a paso y una relación de torsión 3-1, la cual permite aumentar la precisión del dosificador de acuerdo a los pasos del motor.

4.4 MEZCLADO Cuando se ha completado la etapa de dosificación, se inicia la etapa de mezcla de los fertilizantes, la cual es realizada por un agitador de aspas, la cual en un periodo determinado de tiempo garantiza la homogeneidad en la mezcla a inyectar.

La etapa de mezclado en la figura cuatro, fue diseñada con un agitador de tres aspas accionadas por un motor DC. El cual debe girar con una velocidad aproximada de 1500 RPM.

4.5 INYECCIÓN Se inyecta la mezcla de fertilizantes dosificados anteriormente. La mezcla es impulsada hacia la boquilla de inyección, que se encarga de expulsar, por medio de un pistón accionado manualmente, el fertilizante en el suelo. Cuenta con una indicación de cantidad de vaciado visual que permita repartir la dosis en tres partes igual según requerimientos encontrados.

Esta boquilla fue diseñada con un diámetro y configuración específicamente adaptada a los requerimientos del suelo donde fue probada (terreno típico en una plantación de bananos en el Uraba antioqueño), la cual consta de un tope de fin de carrera con un microswitch incluido que indica la inserción correcta de la boquilla, también posee sensores de vaciado de la boquilla el cual es indispensable para el control del dispositivo. El mecanismo de inyección, está conformado por un pistón de accionamiento manual que recorre toda la boquilla, garantizando la expulsión de su contenido.


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Fig.4. Mezclador.

En la figura cinco se muestra el plano de construcción de la boquilla de inyección.

Fig. 5 Inyector

4.6 SENSÓRICA Los sensores del sistema están ubicados en el inyector, que envían señales de inserción de la boquilla y vaciado de la misma, indicando que finalizó el ciclo de trabajo.

Los sensores que se utilizaron fueron de tipo microswitch y capacitivos, los cuales envían una señal de uno o cero hacia la parte de mando del equipo; estos sensores son de gran importancia para el control global del equipo, ya que indican al PLC el final de cada uno de los ciclos implicados en el funcionamiento del equipo.

5. CONCLUSIONES

El sistema diseñado de dosificación e inyección de fertilizantes se constituye en una solución viable al problema optimización, control y automatización en el manejo de recursos necesarios en la producción agrícola para los pequeños medianos y grandes productores.

Se observó que en el mercado nacional existen pocas empresas dedicadas a la fabricación y comercialización de maquinas y tecnologías emergentes en el sector agro industrial, que permitan un avance sistemático de la producción agrícola.

Existen diferentes sistemas de dosificación de fertilizantes empleados a nivel mundial, dentro de los cuales se destaca el sistema de fertirrigación, sin embargo este sistema es poco utilizado a nivel nacional debido a los altos costos de los fertilizantes líquidos, por este


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motivo se diseño el sistema basado en fertilizantes sólidos, para hacerlo más asequible al productor agrícola promedio.

El proceso de diseño del sistema fue bastante complejo, debido a la elección del tipo de fertilizantes a utilizar, el dosificador adecuado para el proceso, el tipo especial de inyector - el cual no existía en el mercado- , y el correcto dimensionamiento del controlador (PLC).

El desarrollo del diseño fue orientado a la obtención de una solución económica, dado principalmente por la información disponible en la literatura y de diferentes negocios en la rama del agro en la ciudad.

6. RECOMENDACIONES

Si se desea profundizar más o continuar con el mejoramiento de este diseño, se puede cambiar el dosificador volumétrico por un dosificador gravimétrico, el cual permitirá manejar una gran variedad de presentaciones de fertilizantes pudiéndose aumentar la confiabilidad del sistema.

Para la implementación exitosa del sistema dosificador e inyector de fertilizante es necesario, obtener una correcta granulometría de los fertilizantes a utilizar, para el adecuado dimensionamiento del paso del tornillo sinfín del dosificador volumétrico y así evitar desviaciones altas de la dosis de fertilizante con respecto al setpoint.

El sistema se diseñó con un PLC el cual realiza el control del sistema, sin embargo el usuario final puede elegir un microcontrolador disponible en el mercado con el cual se tendría una rebaja ostensible en el precio final con similares prestaciones.

7. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo es un resultado del proyecto de investigación de microcuantía 2061100120 desarrollado en el Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid. Los autores agradecen el apoyo y asesoría prestada por la institución, y los docente e integrantes del grupo de investigación en Computación y Agricultura de Precisión (GCAP).


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[12] Jornadas Técnicas sobre Fertiirrigación, Horticultura Global: Revista de Industria, distribución y socio economía hortícola, issn 1132 2950. no 26, 1986, pags 92-96.

[13] Sorianello Nicolás; Notas sobre los dosificadores y su desempeño; Notas Técnicas: Flowtec - Equipos y Sistemas. Disponible en: www.flowtec.com.ar [Consultado en abril de 2010].

[14] Ruben Jaques; Fertilizadoras. Notas Técnicas: FAGRO. Disponible en: www.fagro.edu.uy [Consultado en abril de 2010].

[15] Tecnología de dosificación. Disponible en: http://www.infoagro.com. [Consultado en abril de 2010].

[16] Gupta S., Sharma S.; Selection and application of advance control systems: PLC, DCS and PC-based system; Journal Scientific & Industrial Research, vol 64, April 2005, pp 249-255.

[17] Gil J., et al; Dynamic generation of fertilizier maps using GPS technology; 10th IEEE Conference on Emerging technologies and Factory Automation, ETFA 2005.


109

EFECTOS HIDRODINÁMICOS SOBRE LA PRODUCCIÓN DE AZADIRACTINA EN UN BIORREACTOR DE TANQUE AGITADO

Juan Carlos Bedoya Pérez1, Claudia Yaneth Sánchez Jaramillo2

1 Ingeniero Químico, M. Sc, Biotecnología. Docente de la Institución Universitaria Colegio Mayor de Antioquia, Facultad de Ciencias de la Salud – Grupo de Investigación en Biociencias (GIB), Medellín – Colombia. [email protected].

2 Química, M.Sc. Ciencias Químicas. Docente del Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid, Facultad de Ciencias Básicas – Grupo de Investigación en Química Básica y Aplicada a Procesos Bioquímicos, Biotecnológicos y Ambientales, A.A 4932, Medellín – Colombia. [email protected]

RESUMEN

Los efectos de variaciones en la velocidad de agitación (120, 180 y 240 rpm) y aireación (0.1 y 0.3 vvm) sobre la producción de biomasa y la producción de azadiractina en un biorreactor de tanque agitado a 27°C, 0.89 atm y luz permanente fueron estudiados. Se evaluó el efecto del oxígeno disuelto en el medio sobre el crecimiento y la producción de azadiractina mediante la estimación de kLa, VCO, QO2 y VTO. El crecimiento celular, al igual que la producción de azadiractina mostró estar fuertemente influenciado por las condiciones de mezclado. Al incrementar la velocidad de agitación y aireación disminuyó considerablemente la acumulación de biomasa (hasta un 59.22%) y la síntesis de azadiractina (hasta un 87.63%). Los valores de kLa y VTO aumentaron con incrementos en la velocidad de agitación y aireación (hasta un 240% y 377% respectivamente), los cuales favorecieron el proceso de transferencia de masa, mientras que ocurrió lo contrario con los valores de la VCO y QO2.

Palabras clave: Bioreactor de tanque agitado, cultivo de células vegetales, coeficiente de transferencia de oxígeno (kLa), velocidad de transferencia de oxígeno (VTO), velocidad de consumo de oxígeno (VCO).


HIDRODINAMYCS EFFECT ON AZADIRACHTIN PRODUCTION IN STIRRED TANK BIOREACTOR

ABSTRACT:

The agitation (120, 180 y 240 rpm) effects and aeration rates (0.1 y 0.3 vvm) on cell cultures of A. indica were studied in a stirred tank bioreactor at 27 ºC, 0.89 atm and permanent light. The combined effects of these operational variables on growth and the production of azadirachtin in a bioreactor with a volumen work of 3.5 L were the main objective in this investigation. Besides, the dissolved oxygen in the culture medium was evaluated to estimate the cell growth and the azadirachtin production through the estimation of OTR, OUR, SOUR and kLa. The growth cell of A. indica and the azadirachtin production were strongly affected for the mixing process (up to 59.22% and 87.63% respectively). Raises in agitation rate without variations in aeration rates generated both lower biomass concentrations and azadirachtin production. In addition, increasing the aeration rates without variations of agitation rates there was a decrease in the biomass concentrations and azadirachtin production. Both, kLa and OTR values were bigger when both the agitation and aeration rates were raised (up to 240% and 377% respectively). This means that mass transfer rate increased too. However, it did not happen with both OUR and SOUR values.

Keywords: Bioreactor stirred tank, plant cell culture, oxygen transfer coefficient (kLa), oxygen transfer rate (OTR), Oxygen uptake rate (OUR).


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1. INTRODUCCIÓN

Las células vegetales son capaces de sintetizar una amplia variedad de sustancias que se han vuelto indispensables en la vida del hombre. Proteínas, grasas, carbohidratos, cosméticos, analgésicos, cardiotónicos, colorantes naturales, aditivos para alimentos, pesticidas naturales y enzimas son ejemplos de ellas. Entre éstas, aquéllas que no son sintetizadas por las células durante el metabolismo primario son denominadas metabolitos secundarios. Muchas de estas sustancias son de alto valor comercial y están siendo demandadas en cantidades que no han podido ser satisfechas a nivel mundial, por lo que la industria química ha hecho grandes esfuerzos para sintetizarlas pero con resultados muy limitados [1].

Debido a la dificultad de su síntesis química y a que no son producidos por microorganismos, muchos de los metabolitos secundarios que son producidos por las plantas continúan obteniéndose por métodos tradicionales (cultivos en campo). Además, de ser dependientes, entre VTOos factores, de cambios climáticos, estacionales, problemas geopolíticos y tenencia de la tierra; la producción de metabolitos secundarios de interés comercial mediante cultivos en campo presenta muchos problemas asociados, principalmente a variaciones en la calidad y la cantidad del producto. Todos los inconvenientes mencionados, sumados al intento de lograr satisfacer la creciente demanda mundial de sustancias que son sintetizadas por las plantas, han incentivado la búsqueda de métodos de producción alternativos, entre los cuales, las técnicas biotecnológicas de cultivo in vitro de células vegetales en condiciones estáticas o de movimiento en medios de cultivos líquidos han recibido especial atención porque permiten obtenerlos en cantidades significativas y en términos económicamente viables [2].

Los procesos biotecnológicos que utilizan células vegetales en medios de cultivo líquidos son una importante alternativa de producción ya que bajo condiciones controladas no presentan los problemas del cultivo en campo; sin embargo, la producción a nivel comercial y competitivo de sustancias con un alto valor comercial sólo es posible cuando se utilizan biorreactores que permitan obtener cantidades significativas de éstos de una manera rentable [3]. Existen muchas

publicaciones sobre estudios de crecimiento de células vegetales orientados a la producción de metabolitos secundarios en biorreactores [4,5,6]. Varias especies han centrado la atención de los investigadores por el potencial de comercialización de las sustancias que producen; entre ellas la especie Azadirachta indica A Juss (A. indica)sobresale como una fuente confiable de compuestos que son altamente eficientes en el control de plagas que afectan las cosechas de vegetales, granos y cítricos [7].

Entre los más de 300 metabolitos secundarios que produce A. indica. [7], los triterpenoides (limonoides) están considerados entre los principales, de los cuales la azadiractina es el más importante en el control de insectos. La azadiractina es un potente bioinsecticida que no afecta los insectos benéficos, animales o al hombre y su producción actual no satisface los requerimientos del mercado en términos de calidad y cantidad [7,8], razón por la cual, hace algunos años se vienen realizando estudios sobre el cultivo de células de A. indica en biorreactores que permitan obtener cantidades significativas de azadiractina de una manera rentable, pero aún existen muchos problemas que impiden su escalado y producción a nivel industrial [6,9,10,11].

Se han desarrollado medios de cultivo y propuesto algunas condiciones adecuadas de operación en el establecimiento de cultivos celulares de A. indicaen biorreactores [6,8,9,10], pero aún no se encuentran publicados estudios en los que se determinen condiciones apropiadas de mezclado [7], lo cual es necesario si se tiene en cuenta que en la producción a gran escala de estos compuestos, es necesario establecer condiciones adecuadas de agitación-aireación, que garanticen la transferencia continua de nutrientes desde el medio de cultivo hasta las células sin generar problemas de estrés hidrodinámico que afecten el crecimiento celular, la producción del metabolito de interés y que no permitan la caída de la concentración de oxígeno disuelto en el medio de cultivo hasta valores críticos que puedan generar limitaciones en el proceso [5].

En el caso de procesos microbianos el mezclado del medio de cultivo afecta la fisiología celular y la producción de metabolitos [12], pero existe la necesidad de investigar el efecto del proceso de mezclado sobre la fisiología y metabolismo en


111

cultivos de células vegetales en biorreactores. En el aumento de escala, la eficiencia del mezclado tiende a disminuir debido a la necesidad de aumentar las velocidades de agitación-aireación que mantengan las condiciones de mezclado de pequeña escala, pero la sensibilidad de las células vegetales a los esfuerzos cortantes impiden este incremento lo que puede generar la sedimentación celular, disminuir el crecimiento celular y al mismo tiempo la productividad del proceso [4].

En la presente investigación se utilizaron las técnicas in vitro de cultivo de tejido vegetal, para el estudio del comportamiento de las suspensiones celulares de A. indica en un biorreactor de tanque agitado. Mediante un diseño experimental factorial se evaluó el efecto que tiene la relación agitación-aireación sobre el crecimiento celular, el consumo de sustrato, la producción de azadiractina, la velocidad de transferencia de oxígeno desde la fase gaseosa a la fase líquida y la velocidad específica de consumo de oxígeno por parte de las células.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 Establecimiento del Cultivo de Tejido InVitro de A. Indica.

Para esta fase se realizó el procedimiento recomendado por [8].

2.2 Establecimiento del Cultivo en Biorreactor 2.2.1 Preparación de inóculos: Se seleccionaron aquellas suspensiones que contenían entre 60-80 % (P/V) de biomasa fresca (entre 12 y 15 g/l de biomasa seca) a las cuales se les realizó control microbiológico, mediante cultivos en medio sólido (AGAR). En matraces de 500 ml con un volumen de 40 ml de medio de cultivo, fueron adicionados 200 ml de las suspensiones anteriores, los cuales se mantuvieron en un agitador orbital sin aireación forzada a una velocidad de agitación de 120 rpm. Este material se utilizó a los siete (7) días para inocular el biorreactor de 7 litros.

2.2.2 Modo de operación y características del biorreactor de tanque agitado con suspensiones celulares de A. indica

Las características del biorreactor en el cual se estudió la cinética de crecimiento de A. indica se

especifican en la Tabla 1. Las células de A. indica se cultivaron en el biorreactor de siete (7) litros con un volumen efectivo de trabajo aproximado de 3.0 litros. El biorreactor junto con 2.5 litros de medio de cultivo fresco fue esterilizado a 121ºC y 20 lb/pulg2 durante 20 minutos. La inoculación se realizó en cámara de flujo laminar y se operó a diferentes combinaciones de agitación (120, 180, 250 rpm) – aireación (0.1, 0.3 vvm) a 27°C y luz permanente. La concentración inicial de la fermentación fue aproximadamente de 2 gramos de célula seca por litro de medio de cultivo.

Bajo las condiciones anteriores se realizaron las fermentaciones batch con células de A. indica. Se evaluó el crecimiento celular, la variación en la concentración de azúcares reductores, la producción de azadiractina, el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno y el consumo específico de oxígeno. Cada fermentación tuvo una duración de 30 días.

Tabla 1. Características del biorreactor para el estudio de las suspensiones de A. indica.

Volumen del tanque [L] 7 Volumen de trabajo [L] 2,24 – 6,0 Diámetro interno del tanque [m] 0,16 Diámetro del agitador [m] 0,048 Tipo de agitador Propela marinaNúmero de bafles 3 Ancho de bafles [m] 0,009 Tipo de aireador Poroso Diámetro del aireador [m] 0,01

2.3 Métodos Analíticos 2.3.1 Determinación de la Curva de Crecimiento

en el Biorreactor Para la determinación de la curva de crecimiento se determinó el peso fresco y peso seco celular. Cada tres (3) días se tomaron muestras de 25 ml de medio de cultivo, de las cuales se tomaron dos (2) alícuotas de 5 ml cada una. De cada alícuota se separó el sobrenadante de la biomasa mediante filtración al vacío utilizando cómo filtro papel Whatman Nº 1 previamente secado (60ºC durante 24 horas) y pesado, la biomasa retenida, junto con el filtro fue secada a 60ºC durante 24 horas, para luego ser pesada nuevamente, el medio libre de células (sobrenadante) fue utilizado para realizar la determinación de azúcares reductores en el medio y de azadiractina extracelular [13].


112

2.3.2 Determinación de Azúcares Reductores: Se utilizó el método del ácido dinitrosalicílico (DNS) [14]. De cada alícuota (numeral 2.3.1) se tomaron 0,5 ml del sobrenadante al 10% (se mezclaron 50

L de sobrenadante con 450 L de agua destilada) y se agregaron 0,5 ml de reactivo DNS. Todas las muestras fueron agitadas vórtex durante 30 segundos y colocadas a ebullir en baño María por cinco minutos. Luego fueron enfriadas con agua-hielo, posteriormente se les adicionaron 14 ml de H2O destilada. Se dejaron reposar durante quince (15) minutos para luego leer la absorbancia en un espectrofotómetro a 540 nm. La curva de calibración se realizó a partir de un stock de glucosa (4 mg/ml) haciendo diluciones para obtener concentraciones desde 0.02 hasta 0.1 g/l.

2.3.3 Extracción y cuantificación de azadiractina por cromatografía líquida (HPLC)

La determinación del contenido intracelular de azadiractina se realizó a muestras celulares provenientes de callos friables y suspensiones celulares en matraces agitados, y a aquellas muestras tomadas cada tres días del biorreactor. En los dos primeros casos (callos y suspensiones) se eligieron al azar 3 muestras; de cada uno de los callos se tomaron 2 gramos (peso fresco) y de cada una de las suspensiones se tomaron 20 ml de solución homogenizada mediante agitación magnética; el resto de la biomasa fue utilizada para determinar la relación peso seco/peso fresco. En el caso de las muestras tomadas del biorreactor, se realizó la extracción de azadiractina a partir de 15 ml de muestra de cultivo.

Cada muestra fue centrifugada a 3000 rpm durante 10 minutos, la biomasa se lavó con suficiente agua destilada, fué macerada y posteriormente se realizó la extracción con metanol, CH3OH (3 x 10 mL), luego los extractos metanólicos se mezclaron y concentraron al vacío en un rotoevaporador R-3000 Büchi por debajo de 45°C hasta sequedad; después se adicionaron 10 ml de agua destilada más 1 ml de cloruro de sodio (NaCl 5% p/v) y se extrajeron nuevamente con diclorometano, CH2Cl2(3 x 10 ml). Las fases acuosas fueron descartadas y las capas de diclorometano se combinaron y se secaron con 2 g de sulfato de magnesio (MgSO4)para retirar el exceso de agua. Los extractos se rotoevaporaron nuevamente hasta sequedad y fueron re-disueltos en 2 ml de metanol HPLC y almacenados a -4°C [8,15,16,17,18].

En el caso de metabolitos extracelulares, 10 ml de muestra libre de células del biorreactor fueron mezclados con 5 ml de diclorometano en un embudo de separación y agitados por 1 minuto. Posteriormente, la fase de diclorometano fue removida. Este procedimiento se realizó 3 veces y todas las fracciones de diclorometano fueron combinadas retirando el exceso de agua con sulfato de magnesio (MgSO4) el cual fue removido por filtración. Los extractos extracelulares fueron rotoevaporados al vacío hasta sequedad por debajo de 45ºC, re-disueltos en 2 ml de metanol HPLC y almacenados a -4°C.

Los extractos se analizaron mediante HPLC utilizando alícuotas de 10 L en una columna LiChroCART 125-4 LiChrospher 100 RP-18 (125 mm x 4.6 mm D.I, diámetro de poro 5 µm) (Merck, Alemania). Se utilizó como fase móvil acetonitrilo: agua (30:70), utilizando una velocidad de flujo de 0.7 ml/min durante 8 minutos; los picos fueron detectados a 218 nm. La cantidad de azadiractina presente fue calculada por comparación de las áreas bajo las curvas o picos de absorción obtenidos para cada muestra y una muestra de referencia de azadiractina al 95 % de pureza (Sigma A 7430), para lo cual se utilizó una curva estándar generada por la inyección directa de diluciones sucesivas (0.5, 2.5, 5, 10, 30, 60, 80, 100, 150 y 200 ppm) [8,18]. Cada inyección (10 µl) fue repetida tres veces utilizando un automuestreador.

2.3.4 Evaluación del consumo y el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (kLa)

La tensión de oxígeno disuelto, TOD (porcentaje de la concentración de saturación de oxígeno en el medio), fue monitoreada continuamente utilizando un sensor de oxígeno disuelto (D100 Series OxyProbe, Broadley and James Corp.); el consumo de oxígeno y el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno, kLa, se estimaron cada 3 días mediante el método dinámico sin control de oxígeno disuelto [19].

2.4 Diseño Experimental Los efectos de variaciones en la velocidad de agitación, aireación y de su interacción sobre la cinética de crecimiento de A. indica y la producción de azadiractina en un biorreactor agitado de 7L fueron estudiados mediante un diseño factorial 3x2 (Tabla 2). Todos los tratamientos se hicieron por


113

duplicado con dos repeticiones para cada análisis realizado. Las muestras se tomaron cada tres días durante los 30 días de cultivo correspondientes a cada tratamiento para la estimación de cambios en el tiempo de la concentración de biomasa, concentración de glucosa y producción de azadiractina. Igualmente, cada 3 días se evaluó el coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno (kLa), el consumo de oxígeno (VCO) y la velocidad de transferencia de oxígeno al medio de cultivo (VTO).

Tabla 2. Factores y niveles del diseño experimental. Factores Niveles Agitación (rpm) 120 180 240

Aireación (vvma) 0.1 0.3 a Volumen aire/(volumen de medio/minuto)

Los valores obtenidos para cada una de las variables-respuesta mencionadas anteriormente, se utilizaron para establecer estadísticamente, con un nivel de significancia del 5%, la influencia de cada factor y su interacción sobre el desempeño del proceso. VTOas variables como: concentración máxima de biomasa, concentración máxima de azadiractina y los valores promedios de contenido intracelular de azadiractina, kLa, VTO y VCO, fueron también consideradas como variables-

respuesta para establecer diferencias significativas entre las medias de cada tratamiento y la influencia de los factores, así como su interacción sobre las variaciones consideradas significativas. Se utilizó la prueba de Fisher con un nivel de confianza del 95%. Todos los datos fueron analizados con el paquete estadístico SAS System para Windows, versión 6.12., utilizando como apoyo para digitación de datos, la realización de tablas y gráficas del programa Microsoft Office Excel 2003.

3. RESULTADOS

Se evaluó experimentalmente durante periodos de 30 días el efecto que tienen la velocidad de agitación y el caudal de aire suministrado al medio de cultivo sobre el crecimiento celular y la producción de azadiractina en cultivos celulares de A. indica en un biorreactor agitado de 7 litros con un volumen de trabajo de 3 litros a temperatura ambiente (27 +/- 2 ºC) y luz permanente. Las condiciones de trabajo (agitación, aireación) correspondientes a los tratamientos realizados, los parámetros cinéticos (productividad de biomasa, productividad volumétrica, velocidad específica de crecimiento, tiempo de duplicación) y las máximas concentraciones de biomasa y producto obtenidas se encuentran en la Tabla 3.

Tabla 3. Parámetros cinéticos promedios obtenidos para cultivos celulares de A. indica bajo diferentes combinaciones de agitación-aireación en el biorreactor.

Agitación(rpm)

Caudal aire (vvm)

Biomasamáxima

(g seco/L)

Aza. máxima(mg/L)

Qxa

(g seco/L/d) Qpb

(mgAza/L/d) c

(1/d) tdd

(d)

120 0,1 12,80 ± 1.21 6.71 ± 0.37 0.430 ± 0.042 0.220 ± 0.015 0.083 ± 0.004 8,4 ± 0.33

120 0,3 11,99 ± 0.87 6.47 ± 0.41 0.394 ± 0.017 0.216 ± 0.023 0.078 ± 0.003 8,9 ± 0.17

180 0,1 8,51 ± 0.59 3,15 ± 0.27 0.291 ± 0.021 0.077 ± 0.006 0.062 ± 0.003 11,2± 0.43

180 0,3 9,14 ± 0.93 4.31 ± 0.19 0.298 ± 0.035 0.127 ± 0.011 0.058 ± 0.005 12,0± 0.26

240 0,1 6,01 ± 0.24 1.30 ± 0.06** 0.170 ± 0.012 ------ 0.022 ± 0.006 31,5± 0.31

240 0,3 5,22 ± 1.03 0.83 ± 0.18** 0.114 ± 0.009 ------ 0.044 ± 0.002 15,8± 0.49 a Productividad de Biomasa: Qx = (Concentración biomasa máxima – Concentración biomasa inicial) / días de cultivo. b Productividad de Producto: Qp = (Concentración Aza. máxima – Concentración Aza. inicial) / días de cultivo. c Velocidad Específica de Crecimiento (Fase exponencial): µ = Ln (x/x0) /(t-t0), x y x0 son las concentraciones celulares en la fase exponencial en el tiempo t y t0 respectivamente. t0 es el tiempo en el que inicia el crecimiento exponencial. µ se calculó como la pendiente de la recta obtenida en un gráfico de Ln (x/x0) vs. (t-t0),d Tiempo de duplicación: td = (Ln 2)/ µ.


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3.1 Crecimiento celular de a. Indica en el biorreactor

0

2

4

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0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

Tiem po (días)

Bio

mas

a (g

cel

sec

as/L

)

Figura 1. Concentraciones celulares de A. indica en el biorreactor para diferentes combinaciones de agitación-aireación. ( ) 120 rpm-0.1 vvm, ( ) 120 rpm-0.3 vvm, (+) 180 rpm-0.1 vvm, (x) 180 rpm-0.3 vvm, (*) 240 rpm-0.1 vvm, ( ) 240 rpm-0.3 vvm.

En la Figura 1. se presentan las concentraciones de biomasa obtenidas en cada uno de los tratamientos. Las concentraciones (g/l) promedio de biomasa obtenidas durante la fase estacionaria fueron 11.97 ± 0.72 (120 rpm, 0.1 vvm), 11.09 ± 0.79 (120 rpm, 0.3 vvm), 8.96 ± 0.30 (180 rpm, 0.1 vvm), 8.05 ± 0.17 (180 rpm, 0.3 vvm), 5.92 ± 0.19 (240 rpm, 0.1 vvm) y 5.10 ± 0.25 (240 rpm, 0.3 vvm).

Mediante el análisis estadístico se determinó que la velocidad de agitación y el caudal de aire suministrado al medio de cultivo tuvieron un efecto significativo sobre la concentración máxima celular obtenida.

3.2 Concentración de Azúcares Reductores en el Medio de Cultivo

Las concentraciones de azúcares reductores en el medio se incrementaron significativamente durante los 12 primeros días del cultivo (Figura 2). En el caso de las fermentaciones realizadas a 120 y 180 rpm el crecimiento celular llegó a una fase estacionaria correspondiente al agotamiento de la fuente de carbono en el medio de cultivo. En las

corridas realizadas a 240 rpm, el crecimiento celular se detuvo aún con la presencia de azúcares reductores en concentraciones superiores a 5g/l. 3.3 Producción de Azadiractina Los resultados obtenidos para la concentración intracelular de azadiractina en las muestras tomadas a partir de callos y suspensiones se presentan como promedios en la Tabla 4 y para cada uno de los tratamientos realizados en la Figura 3. Se registró una disminución del 57.1% en la concentración de este metabolito al pasar de medio sólido (callo) a medio líquido (suspensión). No se encontró la presencia de azadiractina extracelular en ninguna de las muestras analizadas.

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4

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0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

Tiempo (días)

Azú

care

s re

duct

ores

(g/L

)

Figura 2. Concentración de azúcares reductores en las suspensiones celulares de A. indica en el biorreactor para diferentes combinaciones de agitación-aireación. ( ) 120 rpm-0.1 vvm, ( ) 120 rpm-0.3 vvm, (+) 180 rpm-0.1 vvm, (x) 180 rpm-0.3 vvm, (*) 240 rpm-0.1 vvm, ( ) 240 rpm-0.3 vvm.

Tabla 4. Concentración intracelular de azadiractina y relación peso/seco peso fresco en callos y suspensiones celulares de A. indica.

mg Aza/g seco Peso seco/ Peso fresco

Callo 0,912 ± 0.223 0.038 ± 0.004

Suspensión 0,391 ± 0.027 0.028 ± 0.003


115

En términos de la concentración, la velocidad de agitación fue un factor influyente sobre la producción de azadiractina, pero no se encontró efecto sobre esta variable respuesta del caudal de aire suministrado ni de la interacción entre los factores analizados. La concentración promedio de azadiractina en mg azadiractina/ g seco fue de 0.54 ± 0.07 (120 rpm, 0.1 vvm), 0.60 ± 0.08 (120 rpm, 0.3 vvm), 0.38 ± 0.07 (180 rpm, 0.1 vvm), 0.48 ± 0.06 (180 rpm, 0.3 vvm), 0.21 ± 0.21 (240 rpm, 0.1 vvm) y 0.21 ± 0.26 (240 rpm, 0.3 vvm).

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Tie mpo (días)

Aza

(mg/

L)

Figura 3. Concentración de azadiractina en suspensiones celulares de A. indica para diferentes combinaciones de agitación-aireación en el biorreactor. ( ) 120 rpm-0.1 vvm, ( ) 120 rpm-0.3 vvm, (+) 180 rpm-0.1 vvm, (x) 180 rpm-0.3 vvm, (*) 240 rpm-0.1 vvm, ( ) 240 rpm-0.3 vvm.

3.4 kLa, OTR, OUR y SOUR En la Figura 4 se muestran los valores promedios obtenidos para el kLa. Puede notarse un mayor impacto de la velocidad de agitación sobre este parámetro, aunque a medida que aumenta la velocidad del agitador es más significativa la influencia del caudal de aire suministrado. En general no se registraron grandes variaciones en el valor de kLa durante los 30 días de cultivo para cada una de las corridas realizadas. Lasvariaciones más notables se presentaron en las corridas realizadas a 120 rpm con una disminución máxima del 23.3% a 0.1 vvm y de 13.2% a 0.3 vvm, con respecto a los valores máximos obtenidos para el tratamiento respectivo.

0

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16

20

60 120 180 240 300

Agitación (rpm)

Kla

(1/h

)

Figura 4. Coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno promedio para cada combinación agitación-aireación. ( ) 0.3 vvm, ( ) 0.1 vvm.

En la Figura 5 se muestra la velocidad específica de consumo de oxígeno (QO2) en el transcurso del tiempo para cada uno de los tratamientos. La actividad metabólica de las células representada por el consumo específico de oxígeno mostró grandes variaciones durante las diferentes fases de crecimiento. En cada uno de los tratamientos aumentó en forma significativa al inicio de la fase exponencial y luego disminuyó con el paso del tiempo, pasando por sus valores iniciales al finalizar esta etapa. Para la fase estacionaria el consumo de oxígeno cayó drásticamente, indicando una disminución del metabolismo aerobio celular, la cual puede estar asociada a la falta de nutrientes en el medio, o a la pérdida de viabilidad celular en el caso de las corridas realizadas a 240 rpm. Respuestas similares se han obtenido para cultivos de Panax ginseng [20] y Stizolobium hassjoo [4].

Se realizó una gráfica en la cual se especifican simultáneamente la velocidad de consumo (VCO) y la velocidad de transferencia de oxígeno (VTO). Los resultados obtenidos para las corridas realizadas a 120 rpm se muestran en la Figura 6. La VTO tuvo un aumento continuo durante todo el proceso de crecimiento celular y sufrió una leve disminución durante la fase estacionaria. La VCO por su parte, incrementó rápidamente al inicio y durante la fase de crecimiento exponencial, finalmente disminuyó en la fase de declive y estacionaria indicando una fuerte disminución en la


116

actividad metabólica celular relacionada con las bajas o nulas velocidades de crecimiento celular y el agotamiento de la fuente de carbono en el medio de cultivo. Los máximos valores de la VTO corresponden a las mínimas concentraciones de oxígeno registradas en el medio a 120 rpm (61.8 ± 3.7% y 58.9 ± 2.6% de la concentración de saturación a 0.1 y 0.3 vvm, respectivamente). En todas las corridas realizadas la concentración de oxígeno disuelto decreció levemente durante la fase lag (donde la concentración de biomasa es pequeña) y disminuyó rápidamente hasta un nivel mínimo en la fase exponencial.

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Tiempo (días)

Con

som

o E

spec

ífico

de

Oxí

geno

(m

g O

2/g

seco

*h)

Figura 5. Velocidad específica de consumo de oxígeno (QO2) para cada uno de los tratamientos realizados en el biorreactor. ( ) 120 rpm-0.1 vvm, ( ) 120 rpm-0.3 vvm, (+) 180 rpm-0.1 vvm, (x) 180 rpm-0.3 vvm, (*) 240 rpm-0.1 vvm, ( ) 240 rpm-0.3 vvm.

En el caso de la velocidad específica de consumo de oxígeno (QO2) se encontró un efecto significativo de la velocidad de agitación y de aireación, mientras que para la VCO hubo un efecto significativo de la interacción entre estos factores.

4. DISCUSIÓN

4.1 Crecimiento Celular de A. Indica en el Bioreactor

Para cada combinación agitación-aireación (Fig. 1) las curvas de crecimiento de cultivos celulares de A. indica en el biorreactor muestran un incremento gradual en la acumulación de biomasa respecto al

tiempo, alcanzando las máximas concentraciones celulares después del día 21 del cultivo. Patrones de crecimiento similares han sido reportados previamente para cultivos celulares de A. indica en matraces agitados y biorreactores [6,8,11] e igualmente para VTOos cultivos de células vegetales como Panax ginseng [20,21] Panaxnotoginseng [22], Taxus chinensis [23] y Catharantus roseus [24].

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Figura 6. Comparación entre valores experimentales máximos obtenidos para la velocidad de consumo de oxígeno (VCO) y la velocidad de transferencia de oxígeno (VTO). ( )120 rpm-0.1 vvm, ( ) 120 rpm-0.3 vvm. La línea punteada corresponde a la VTO y la línea continua a la VCO.

La concentración y la productividad de biomasa máximas obtenidas en esta investigación (12.8 g seco/l, 0.43 g seco/l /d a 120 rpm y 0.1 vvm) superan los valores obtenidos en investigaciones previas realizadas con A. indica en la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, en las que se utilizó el mismo equipo y montaje experimental de esta investigación a velocidades de agitación de 200 rpm y caudales de aire de 0.2 vvm. Muñoz y colaboradores [25], reportaron concentraciones y productividades máximas de biomasa de 9.2 g seco/l y 0.27 g seco/l/d respectivamente.

El estrés hidrodinámico creado por velocidades de agitación superiores a 180 rpm tuvo un efecto significativo sobre la acumulación de biomasa dentro del biorreactor. Al comienzo del cultivo (fase lag) no hubo crecimiento celular como respuesta a la intensidad de mezclado. Al


117

aumentar la velocidad de agitación se presentaron fases de acoplamiento más largas (9, 12 y 15 días a 120, 180 y 240 rpm, respectivamente) indicando aumentos en los tiempos de adaptación celular a las nuevas condiciones del cultivo. Los resultados obtenidos a velocidades de agitación de 120 rpm, condición de operación bajo la cual se generó el menor estrés hidrodinámico en esta investigación, presentaron los mejores rendimientos en términos de máxima concentración de biomasa (12.80 ± 1.21 g seco/l), velocidad de crecimiento (0.083 ± 0.004 día-1), productividad de biomasa (0.430 ± 0.042 g seco/l/día) y productividad de producto (0.220 ± 0.015 mg azadiractina/l/día).

Para una velocidad de flujo de aire de 0.1 vvm, se presentó una disminución en la concentración máxima de biomasa del 28.59% (180 rpm) y 53.05% (240 rpm) respecto a la máxima concentración de biomasa alcanzada (12.8 g seco/l a 120 rpm), mientras que para un caudal de 0.3 vvm las disminuciones fueron del 33.52% y 59.22% respectivamente. Las mejores productividades de biomasa se lograron con una velocidad de agitación de 120 rpm (Tabla 3), valores que representan un aumento en el rendimiento del 190.5% y 194.8% con respecto a los valores obtenidos a 240 rpm y del 43.1% y 27.4% con respecto a los valores obtenidos a 180 rpm a velocidades de aireación de 0.1 y 0.3 vvm, respectivamente. Estas variaciones significativas muestran la importancia del proceso de mezclado sobre el crecimiento de células de A. indica en biorreactores agitados mecánicamente.

En cuanto al caudal de aire suministrado al medio de cultivo, no se encontró un efecto significativo de esta variable operacional sobre el crecimiento celular dentro del rango ensayado. Aunque, en general, existió una disminución en la velocidad de crecimiento al aumentar el caudal de aire manteniendo constante la velocidad de agitación (Tabla 3); además, para todos los tratamientos evaluados, durante la fase estacionaria las corridas realizadas a 0.1 vvm superaron la concentración de biomasa obtenida a 0.3 vvm. La razón de estas diferencias no es clara, pero la disminución en concentraciones a 0.3 vvm podría deberse a un mayor grado de arrastre de compuestos gaseosos del medio (CO2, etileno y VTOos compuestos volátiles), que están implicados en el crecimiento celular y la producción de metabolitos secundarios [5,26]. Igualmente el aumento en el caudal de aire

de 0.1 a 0.3 vvm incrementó considerablemente la generación de espuma dentro del biorreactor y su acumulación sobre la superficie del líquido, lo que favoreció la separación de las células del medio de cultivo, su adhesión a las paredes del recipiente y probablemente afectó la toma de nutrientes por parte de las células reduciendo las velocidades de crecimiento y los rendimientos del proceso, efecto que fue más fuertemente percibido a 180 rpm, condición en la que se alcanzaron altos niveles de biomasa y pequeños agregados celulares.

4.2 Concentración de Azúcares Reductores en el Medio de Cultivo

La cinética de crecimiento de las células de A. indica en el biorreactor mostró una dependencia directa de la concentración de azúcares reductores en el medio de cultivo. En la Figura 2 se observa cómo durante la fase de latencia (los primeros 12 días) las células se encargan de desdoblar la sacarosa para su posterior aprovechamiento. Esto probablemente indica la presencia de enzimas secretadas al medio o presentes en la superficie celular que permitieron la hidrólisis extracelular de sacarosa y por tanto la formación de glucosa y fructosa, fenómeno que ha sido observado en diferentes cultivos de células vegetales [27]. En el caso de las fermentaciones realizadas a 120 y 180 rpm el crecimiento celular llegó a una fase estacionaria correspondiente al agotamiento de la fuente de carbono en el medio de cultivo y posiblemente limitando el proceso de crecimiento por la falta de nutrientes. En las corridas realizadas a 240 rpm, el crecimiento celular se detuvo aún con la presencia de azúcares reductores en el medio de cultivo con concentraciones superiores a 5 g/l, lo que demuestra que el factor limitante del crecimiento no estuvo asociado con la fuente de carbono en el medio y que probablemente el crecimiento fue afectado por la pérdida de viabilidad celular creada por la intensidad de mezclado.

4.3 Producción de Azadiractina La velocidad de agitación afectó considerablemente la producción de azadiractina. Al aumentar la velocidad de agitación hubo una disminución continua en el contenido intracelular de azadiractina hasta el punto de no detectarse la presencia de este compuesto a nivel intracelular después del día 15 para una velocidad de agitación de 240 rpm (Tabla 3, Figura 3). A 120 rpm la curva de producción de azadiractina muestra un patrón


118

similar al de crecimiento celular y, a pesar de ser un metabolito secundario, su producción se presenta durante toda la fase de crecimiento, alcanzando su máximo valor al finalizar esta etapa (0.66 mg azadiractina/g célula seca a 0.1 vvm y 0.59 mg azadiractina/g célula seca a 0.3 vvm).

En las fases estacionarias correspondientes a las fermentaciones realizadas a 120 rpm hubo una disminución en el tiempo, de la concentración intracelular de azadiractina, lo cual puede estar directamente relacionado con la formación de agregados celulares más grandes al finalizar la etapa de crecimiento exponencial a esta misma velocidad de agitación. A 120 rpm y a mediados de la fase exponencial se generó la precipitación de biomasa al fondo del biorreactor; esta deficiencia en el mezclado pudo alterar la producción de azadiractina por limitaciones de oxígeno disuelto. Un aumento en el tamaño de agregados celulares disminuye los procesos difusionales y limita la toma de nutrientes por parte de las células, especialmente aquellas que se encuentran en el centro de los mismos, alterando los procesos metabólicos celulares y la producción de metabolitos secundarios [23].

En la figura 3 se notan algunas diferencias sobre la producción de azadiractina generadas por la velocidad de aireación. En general las concentraciones promedios de este metabolito en la fase estacionaria fueron superiores a 0.1 vvm (6.48 y 4.02 mg azadiractina/l a 120 y 180 rpm, respectivamente) respecto a los valores obtenidos a 0.3 vvm (5.95 y 2.79 mg azadiractina/l a 120 y 180 rpm, respectivamente) indicando que la sobre-aireación puede inhibir considerablemente la producción de azadiractina, efecto que es más evidente a 180 rpm (disminuciones del 30.6% al variar la aireación de 0.1 a 0.3 vvm) mostrando que la interacción entre las variables operacionales es significativa. La explicación a estas disminuciones puede radicar en los cambios en la composición gaseosa del medio por el arrastre de moléculas volátiles a mayores velocidades de aireación [28].

La concentración más alta de azadiractina obtenida durante el cultivo fue de 6.71 mg/l (120 rpm, 0.1 vvm), valor que supera la concentración obtenida en matraces agitados en estudios previos realizados (4.4 mg/l, 120 rpm, luz permanente, 35ºC) [8] y da un visto bueno a la posibilidad de realizar procesos de escalado con esta línea

celular. Al comparar estos resultados con los disponibles en la literatura en los cuales se reportaron productividades de azadiractina entre 10 y 72.81 mg/l en matraces agitados [8,9,11,15] y entre 45 y 81.3 mg/l en diferentes tipos de biorreactores [6,9,29,30], se hace evidente la necesidad de realizar estudios sobre VTOos factores que afecten el crecimiento celular y la producción de azadiractina, que permitan obtener mayores velocidades de crecimiento, concentraciones más altas de biomasa y de producto que hagan más atractiva la propuesta de implementar y escalar la producción in vitro de células de A. indica.

4.4 kLa, OUR Y OTR. La velocidad de agitación y el caudal de aire suministrado al medio de cultivo afectaron considerablemente los contenidos de oxígeno disuelto en el medio de cultivo y los valores de QO2, VTO y kLa. En cada uno de los tratamientos y para el mismo día de cultivo los contenidos de oxígeno, la VTO y el kLa generalmente incrementaron con el aumento de la velocidad de agitación y aireación, mientras, ocurrió lo contrario con los valores de la QO2, indicando consecuencias directas de las variaciones de estos parámetros operacionales sobre las características del medio de cultivo y las células de A. indica. Las disminuciones registradas a 240 rpm en la QO2 durante la fase de crecimiento exponencial y la fase estacionaria respecto a aquellos obtenidos a velocidades de agitación de 120 y 180 rpm indican la posible pérdida de viabilidad celular bajo estas condiciones de operación.

Los máximos valores de QO2 correspondieron al inicio de las fases exponenciales del crecimiento celular (Figura 5) en las que es de esperarse ocurra un incremento en la actividad celular asociada con el inicio de la división celular. A 120 rpm se registraron las mayores caídas en el valor de este parámetro respecto a sus valores máximos para cada tratamiento. Hay que recordar que para esta misma velocidad de agitación se formaron agregados celulares más grandes los cuales probablemente afectaron la transferencia de oxígeno entre el medio de cultivo y las células disminuyendo la QO2. A velocidades de 180 rpm los valores de QO2 superaron los obtenidos a 120 rpm durante la fase estacionaria lo cual es debido, probablemente, a que el aumento en la velocidad de agitación disminuye el tamaño promedio de los


119

agregados celulares y mejora la velocidad de transferencia de oxígeno entre el medio de cultivo y las células [4].

De VTOo lado, la variación en el tiempo de la VCO en cultivos celulares de A. indica mostró un patrón de comportamiento similar al de la concentración de biomasa y estuvo influenciada por la fase de crecimiento. Hubo un incremento del valor de este parámetro durante la fase lag y especialmente durante la fase de crecimiento exponencial, mientras que sus valores decrecieron lentamente al finalizar esta última fase para mantenerse prácticamente constantes durante la fase estacionaria. Por su parte, la QO2 incrementó rápidamente durante la fase lag e inicios de la fase exponencial hasta alcanzar valores máximos para luego disminuir a medida que se incrementaba el tiempo de fermentación. Resultados similares se han obtenido en cultivos celulares de Stizolobium hassjo [4], Panax notoginseng [20] y de A. indicaen matraces agitados [11].

En suspensiones celulares de A. indica la mínima velocidad de transferencia de oxígeno (VTO) fue de 41.6 mg O2/l*h a nivel de erlenmeyer con aireación forzada y a este escala no se encontraron condiciones limitantes de oxígeno (Raval et al., 2003). En todas las fermentaciones realizadas en esta investigación, la mínima VTO obtenida fue de 4.38 mg O2/l*h (180 rpm, 0.3 vvm, día 0) mientras que la máxima VCO fue de 8.39 mg O2/l*h (120 rpm, 0.1 vvm, día 18) a los que correspondieron valores de 1.45 y 14.02 mg O2/l*h para la VCO y VTO respectivamente. La mínima diferencia entre los valores de estos dos parámetros (VTO-VCO) se calculó en 0.33 mg O2/l*h (180 rpm, 0.1 vvm, día 12). Como lo indican los resultados anteriores, los valores de la VTO siempre superaron los de la VCO indicando que no existieron limitaciones del proceso en términos de oxígeno disuelto (Figura 6).

5. CONCLUSIONES

La velocidad de agitación fue un factor influyente en el rendimiento de cultivos celulares de A. indicaen el biorreactor. A 120 rpm se generó la mejor condición de operación en esta investigación, aunque favoreció la formación de agregados celulares más grandes lo que pudo provocar la disminución en el contenido intracelular de

azadiractina al final del cultivo. A 180 y 240 rpm se obtuvo un mezclado uniforme pero existieron disminuciones considerables en los rendimientos de biomasa y producto que indicaron un alto grado de sensibilidad de las células de A. indica ante los esfuerzos cortantes generados bajo estas condiciones de operación.

La relación agitación-aireación tuvo un efecto significativo sobre el coeficiente volumétrico de transferencia y el consumo celular de oxígeno. En general, al aumentar los niveles de agitación y aireación se presentaron aumentos considerables en la velocidad de transferencia de oxígeno al medio de cultivo y disminuciones en los consumos específicos de oxígeno, indicando respectivamente, mejoras en la velocidad de difusión molecular y la posible pérdida de viabilidad celular ante el incremento en la intensidad del mezclado.

Bajo las condiciones de operación establecidas en esta investigación no se presentaron limitaciones del proceso de crecimiento celular y síntesis de azadiractina asociadas con bajas concentraciones de oxígeno disuelto en el medio de cultivo.

6. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo financiero de la Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín y al Politécnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid – Facultad de Ciencias - Grupo de Investigación en Química Básica y Aplicada a Procesos Bioquímicos, Biotecnológicos y Ambientales. Proyecto No. 2061100150.

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En este momento se cuenta con las siguientes bases de datos que pueden acceder toda la comunidad Politécnica, de todas las sedes y desde cualquier lugar.

BASES DE DATOS POR AREAS DEL CONOCIMIENTO

AREA DEL CONOCIMIENTO BASE DE DATOS

Multidisciplinaria

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Ingeniería

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Ciencias Básicas General Sciences Collection Proquest Biology Journals Proquest Science Journals

Ciencias de la Salud

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Humanidades y Ciencias Sociales

Tourism,. Hospitality and Leisure Noticiero Oficial Criminal Justice Periodicals Proquest Arts Module Proquest Children’s Interest Module Proquest Humanities Module Proquest Legal Module Proquest Military Module Proquest Psychology Journals Proquest Religion Proquest Research Library Proquest Social Science Journals Proquest Women’s Interest Module Communications and Mass Media

Educación Education Database Educators Collection Career and Technical Education

Ciencias Agrarias Agriculture Collection Proquest Agriculture Journals

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INDICACIONES PARA LOS AUTORES

Para su selección, la revista Politécnica recibe artículos en idioma español o inglés. Los artículos sometidos a consideración de la revista deben ser inéditos, es decir, que no se hayan publicado en otros medios, electrónicos o impresos y que no hayan sido sometidos a otra revista.

Se recibirá máximo un (1) artículo por autor. Es obligatorio utilizar el formato de artículo, el cual es una plantilla con las indicaciones para la inclusión de títulos, tipos de letra, figuras, tablas, ecuaciones, bibliografía, etc. Además,

Los artículos deben venir acompañados por una carta de presentación y cesión de derechos de autor, y por el formato de autores. Estos documentos se pueden descargar en la página web de la revista:

http://www.politecnicojic.edu.co/index.php?option=com_content&view=article&id=362&Itemid=339

• Formato carta presentación de artículos • Formato de autores • Formato de Artículo

La carta de presentación y cesión de derechos de autor:

El autor de correspondencia debe indicar el tipo de artículo según la clasificación mencionada en el formato de artículo. Para artículos tipo 1, 2 ó 3, el autor se debe indicar a que investigación esta asociado dicho artículo y la institución ejecutora del proyecto. Para el artículo tipo 4, el autor debe relatar en menos de 400 palabras, una justificación del por qué el articulo debe ser tenido en cuenta para ser enviado a evaluadores.

Se debe sugerir al menos tres posibles evaluadores (dos externos y uno interno o todos externos a su lugar de trabajo y grupo de investigación), los cuales deben obviamente ser especialistas en el tema específico, tener al menos titulo de maestría y pueden pertenecer a una universidad o industria, pública o privada, también deben suministrar los datos de contacto e-mail y teléfono (fijo y/o celular),

Esta carta debe ser firmada por cada autor y enviada escaneada en conjunto con los otros dos archivos (formato de autores y el artículo)

El formato de autores:

Debe enviarse en versión electrónica (Word). Los datos allí consignados son requeridos en la Base Bibliográfica Publindex de Colciencias.

El artículo:

Debe enviarse en versión electrónica (Word). El no uso de este formato descalifica el artículo y no será tenido en cuenta en la convocatoria.

En todo el artículo se utiliza letra tipo Arial 10 puntos, excepto en el título. Antes de cada título se deja doble espacio y después de cada título, se dejará un espacio sencillo antes de iniciar el párrafo. La extensión de un artículo no será mayor a veinte (20) páginas a doble columna y espacio sencillo. Las demás indicaciones están en la plantilla.

Notas Finales:

En el proceso de selección de artículos que participan en la convocatoria, se realiza una evaluación inicial para determinar si el trabajo cumple con los términos de referencia y observaciones presentadas en este documento. En la segunda evaluación se analiza su contenido y aporte por parte de evaluadores calificados de acuerdo al área correspondiente. Los artículos que no llenen los requisitos de la convocatoria en cuanto a formato, no serán tenidos en cuenta para continuar en el proceso y serán descartados en la evaluación inicial.

La revista Politécnica realiza una convocatoria permanente para la recepción de artículos. Hay dos fechas de cierre de edición para proceder con la publicación: Marzo 15 para la revista a publicarse en el primer semestre y Septiembre 15 en el segundo semestre de cada año. Los trabajos se deben enviar por e-mail al comité editorial al siguiente correo electrónico:

[email protected]

Cualquier inquietud respecto al los formatos de la revista, envíela a este e-mail.

Ni el Politécnico ni el Comité Editorial se comprometen con los juicios emitidos por los autores de los textos. Cada escritor asume la responsabilidad frente a sus puntos de vista y opiniones.


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DIRECTORIO GENERAL DE LOS GRUPOS DE INVESTIGACIÓN DEL POLITÉCNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVID

Dirección: Carrera 48 N° 7-151 Medellín - Colombia - Suramérica TELEFONO 3197900

Grupo Líder Facultad Oficina Ext.

Grupo de investigación en Biotecnología Animal ”GIBA”

Jorge Enrique Gómez Orquendo - María Elena Márquez Fernández

Ciencias Agrarias P19-118 318

Grupo de Investigación en Organización, Ambiente y Sociedad "LIKAPAAY"

Héctor José Sarmiento Ramírez Administración P19-152 223

Grupo de Investigación en Química Básica y Aplicada a Procesos Bioquímicos, Biotecnológicos y Ambientales

Claudia Yaneth Sánchez Jaramillo Ciencias Básicas P19-134 485

Grupo de investigación: Comunidad de aprendizaje en Educación Física “COMAEFI”

Ángela Urrego Tobón Educación Física, Recreación y Deporte

P19-119 518

Grupo de Investigación en Actividad Física y Salud “SIAFYS”

Elkin Eduardo Roldán Aguilar

Educación Física, Recreación y Deporte

P19-133 333

Grupo de Investigación Acuícola “GIA” Lucy Arboleda Chacón Ciencias Agrarias P19-124 471

Grupo de investigación en Comunicación Audiovisual “LUCIERNAGA”

Kathya Rosario Jemio Armez

Comunicación Audiovisual P19-136 473

Grupo de investigación en Física Básica y Aplicada con Énfasis en Instrumentación Óptica y Metrología

Jairo Camilo Quijano Pérez Ciencias Básicas P19-104 492

Grupo de investigación de Ingeniería Civil “GRIDIC”

Giovanni Martínez Martínez Ingenierías P19-140 399

Grupo de investigación en Gestión Deportiva “GESTAS”

Guillermo León Zapata Montoya

Educación Física, Recreación y Deporte

P19-119 518

Grupo de investigación en Higiene y Gestión Ambiental “GHYGAM”

Miryam Gómez Marín Ingenierías P19-154 P38-205

488230


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Grupo Líder Facultad Oficina Ext.

Grupo de Investigación en Instrumentación, Control Automático y Robótica “ICARO”

Luis Camilo Chamorro Rivera Ingenierías P19-147 270

Grupo de investigación en Desarrollo Humano en las Organizaciones “DHO”

Vícthor Manuel Caicedo Valencia Administración P19-106 470

Grupo de investigación en Mejoramiento y Producción de Especies Andinas y Tropicales

José Miguel Cotes Torres Ciencias Agrarias P19-212E 502

Grupo de investigación: Equipo para el desarrollo y la Investigación continua “COINDE”

Jaime León Botero Agudelo Administración P19-122 497

Grupo de investigación en Sistemas Agrícolas Tropicales

Elena Paola González Jaimes Ciencias Agrarias P19-115 207

Grupo de Investigación en Software “GRINSOFT"

Sandra Patricia Mateus Santiago Ingenierías P19-146 477

Grupo de investigación: en Discapacidad “GINDIS”

Nicolás Antonio Sepúlveda

Educación física, Recreación y Deporte

P19-210 394

Grupo de investigación: en Manejo Integrado de Sistemas Agrícolas

Darío Antonio Castañeda Ciencias Agrarias P19-123 481