Volumen 09, 2015 Lima, Perú • ISSN 1996-7551
César Nunura / César Lecaros
Caracterización del
acero inoxidable AISI 420 y los efectos de la
presencia de carburos de cromo en la estructura martensítica Pág. 4
Elmer Ramirez
Modelo para viabilizar proyectos de
generación de electricidad con ERNC
en zonas rurales del Perú para promover su desarrollo sostenible Pág. 12
4
1 Caracterización del Acero Inoxidable AISI 420 y los Efectos de la Presencia de Carburos de Cromo en la Estructura Martensítica
.................César Nunura / César Lecaros 2
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Modelo para Viabilizar Proyectos de Generación de Electricidad con ERNC en Zonas Rurales del Perú para Promover su Desarrollo Sostenible
Editor en Jefe: Narciso Arméstar, Tecsup Comité editorial: Aurelio Arbildo, Inducontrol; Jorge Bastante, Tecsup; Elena Flores, Cementos Pacasmayo; Carlos Hernández, Alicorp; Mayra Pinedo, Tecsup; Jack Vainstein, Vainstein Ingenieros Coordinadora: Kelly Yale
Acción Humectante del Extracto del Cáliz del Aguaymanto (Physalis Peruviana) en Formulaciones Cosméticas
Colaboradores: William Agurto, Huguez Ames, Ángela Chávez, Diego Chirinos, Silvia Espinoza, César Lecaros, María Mendoza, César Nunura, Ricardo Pantoja, Ivonne Parían, Antonio Pinto, Elmer Ramirez, María Reque, Luis Salas, Laurence Salmon, César Vásquez, Cesar Vera, Klinge Villalba
.................................. Laurence Salmon .................Ivonne Parían / Diego Chirinos
Corrector de estilo: Ana María Velando
...................................... Elmer Ramirez 3
22
Diseño y diagramación: OT Marketing Publicitario E.I.R.L. 4
28
Cálculo Estructural sometido a Carga de Viento de un Colector Parabólico Solar (ANSYS R15.0) ............................................Cesar Vera 5
36
Decisiones en la Planificación Jerárquica de la Producción: Metas, Heurísticas y Sesgos ............... William Agurto / Ángela Chávez ................Ricardo Pantoja / Antonio Pinto 46
Tecsup: Campus Trujillo: Vía de Evitamiento s/n Víctor Larco Herrera. Trujillo, Perú. Campus Lima: Av. Cascanueces 2221 Santa Anita. Lima, Perú. Campus Arequipa: Urb. Monterrey Lote D-8 José Luis Bustamante y Rivero. Arequipa, Perú.
..................Silvia Espinoza/ Klinge Villalba
Publicación anual: Tecsup se reserva todos los derechos legales de reproducción del contenido, sin embargo autoriza la reproducción total o parcial para fines didácticos, siempre y cuando se cite la fuente. Publicación Indexada en Latindex.
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Nota: Las ideas y opiniones contenidas en los artículos son de responsabilidad de sus autores y no refleja necesariamente el pensamiento de nuestra institución.
6
Efectividad del Aprendizaje Basado en Problemas en el Rendimiento Académico del Curso de Física
7 Compensación de Energía Reactiva Mediante el Uso de un D – Statcom Monofásico y Trifásico
............. María Mendoza/ Néstor Enríquez 8
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La Teoría de Juegos y el Equilibrio de Nash en la Educación Superior ............................................ Luis Salas 9
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Fenton Térmico Activado en el Tratamiento de Efluentes de la Producción Industrial de Colorantes de Carmín y Bixina ...................Huguez Ames / María Reque ...................................... César Vásquez Revisa todas las ediciones de la Revista I+i en versión digital
Impresión: Tarea Asociación Gráfica Educativa Pasaje María Auxiliadora 156-164, Lima 5, Perú Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú: 2007-04706
Este año marca el crecimiento de nuestra institución en varios frentes. Por un lado, hemos incrementado nuevas carreras como Aviónica y Mantenimiento Aeronáutico, Mecatrónica Industrial, Diseño de Software, e Integración de Sistemas, que se suman a dos nuevas que están en ejecución desde el año pasado: Operaciones Mineras y Gestión de la Producción. Con ellas vamos a ampliar nuestra oferta de posibilidades de profesionalización a 11 carreras técnico profesionales. Parte del crecimiento implica, también, la creación de nuevas oficinas como la de Huancayo, que nos permite, en un primer momento, ofrecer cursos de educación continua en las áreas de Electrotecnia y Mantenimiento de Planta, y programas de preparación para postular a Tecsup, llamados Preparatec. De otro lado, se ha iniciado el proyecto Tecsup 2.0 que es la nueva forma de aprender a través de un novedoso método de enseñar y evaluar. Dicho proyecto involucra a la comunidad de Tecsup que busca ubicarse a la altura de las mejores instituciones educativas del mundo. En este escenario de cambio acelerado y dinámico es que ofrecemos una nueva versión de nuestra revista I+i que en su novena edición presenta nueve artículos de distintas disciplinas de la ingeniería, tecnología, educación y gestión. Este número incluye, igualmente, el interesante aporte de nuestros docentes especialistas en las áreas presentadas. Además, con el fin de fomentar la cultura de investigación desde nuestras aulas contamos con la colaboración de alumnos en la coautoría. Adicionalmente, les ofrecemos artículos de investigadores de la Universidad de Ingeniería y Tecnología - UTEC y de la Universidad Nacional Agraria de la Selva; y, en el sector industrial, de la Sociedad Minera Cerro Verde y Yura S.A. Esperamos que esta nueva entrega de I+i satisfaga sus expectativas, como en anteriores oportunidades, y podamos seguir contribuyendo a la difusión de la tecnología para beneficio de nuestros lectores y de la sociedad en general.
Comité Editorial
AnĂĄlisis de la microestructura del
acero inoxidable luego de un tratamiento tĂŠrmico para minimizar los efectos no deseados en la tenacidad por la presencia de carburos de cromo de morfologĂa facetada.
César Nunura, Tecsup / César Lecaros, Tecsup
Caracterización del acero inoxidable AISI 420 y los efectos de la presencia de carburos de cromo en la estructura martensítica Characterization of Stainless Steel AISI 420 and the Effects of the Presence of Chromium Carbides in the Martensitic Structure RESUMEN
El estudio analiza la microestructura del acero inoxidable AISI 420 luego del tratamiento térmico de temple. Mediante el uso de técnicas de caracterización como la microscopia óptica y electrónica de barrido, se constata la presencia de carburos de cromo de morfología facetada, y de distribución alineada sobre la estructura martensítica. Estos afectan la tenacidad de las láminas de cuchillos al producir la fragilidad de los mismos. Análisis de composición química y mecánica de la fractura que complementan los resultados sugieren posibles soluciones a estos efectos no deseados.
ABSTRACT
A study on the microstructure of AISI 420 stainless steel after hardening heat treatment is discussed. Characterization techniques such as light microscopy and scanning electronic microscopy shows that the presence of chromium carbides and his distribution aligned at the martensitic structure affect the microstructure, producing fragility. Chemical composition analysis and fracture mechanics to complementing the results suggest possible solutions to these undesirable effects.
INTRODUCCIÓN
Utensilios de cocina como las láminas de cuchillos deben presentar dureza para garantizar resistencia al filo. Al mismo tiempo, deben ser resistentes a la oxidación y corrosión por razones de higiene, Así como tenaces para ser utilizados en operaciones de corte. Sin embargo, láminas de acero AISI 420 producidas por tratamiento de temple y revenido demostraron fragilidad cuando fueron usadas para cortar carne bovina, lo que pone en riesgo la integridad del operador. Este tipo de láminas deben poseer la suficiente resiliencia para deformarse en operación y recuperar posteriormente su forma. En principio, la fragilidad de una lámina de acero inoxidable puede ser el resultado de una dureza inadecuada luego del temple o una mala aplicación del revenido. Otros factores a considerar son la composición química del material, la microestructura, los concentradores de tensiones, etc. El análisis de la microestructura y su composición química tienen que revelar informaciones importantes sobre los mecanismos que afectan la tenacidad del material en cuestión. Asimismo, ensayos de dureza en las láminas deben ser aplicados para constatar que un excesivo valor puede afectar la resistencia a la flexión, pues estas deben deformarse lo suficiente en operación sin llegar a la ruptura. Finalmente, un análisis en la región de rotura debe mostrar si existieron mecanismos de ruptura dúctil o frágil. La figura 1 presenta una lámina de cuchillo luego de un ensayo de flexión.
Palabras Claves Martensita, carburos de cromo, temple.
Key words Martensite, Chromium Carbides, Quench.
encuentren esferoidizados y distribuidos de manera dispersa. Si estos estĂĄn alineados, la tenacidad puede verse afectada, pues tales carburos probablemente favorecen el crecimiento de grietas y la posterior ruptura del material, si es utilizado en operaciones que produzcan deformaciĂłn [6].
Figura 1. Låmina de cuchillo luego de ensayo de exión. Fuente: Elaboración propia.
FUNDAMENTOS
Luego del temple se distingue la tĂpica morfologĂa de la martensita (ďŹ gura 4). Los carburos de cromo coexisten en esta fase, pues el tratamiento de temple no los disuelve en la matriz del material. Para la completa disoluciĂłn de tales carburos de cromo, las temperaturas deben alcanzar valores superiores a 1.000 °C, lo que ocasiona el aumento del tamaĂąo de grano y alteraciones de la tenacidad [7].
Los aceros inoxidables martensĂticos se caracterizan por la presencia de cromo, es su principal elemento de aleaciĂłn (de 11,5% a 18,0%). Son endurecibles por tratamiento tĂŠrmico de temple lo que aumenta la resistencia a la corrosiĂłn y evita la precipitaciĂłn de carburos. Su dilataciĂłn tĂŠrmica es igual a la de los aceros al carbono. Presentan, ademĂĄs, transiciĂłn dĂşctil – frĂĄgil en la estructura BCC (cĂşbica de cuerpo centrado) [1], asĂ como baja soldabilidad. Pueden ser divididos en: t #BKP DBSCPOP UBNCJĂ?O MMBNBEP UJQP UVSCJOB t .FEJP DBSCPOP DPOPDJEP DPNP UJQP DVDIJMMP t "MUP DBSCPOP P SFTJTUFOUF BM EFTHBTUF Estos aceros son ferromagnĂŠticos, fĂĄcilmente conformados en frĂo o caliente (sobre todo si el contenido de carbono es bajo). Presentan resistencia a la corrosiĂłn por agua y ciertos quĂmicos. A medida que aumenta el contenido de carbono esta disminuye, en tanto que se eleva con el contenido de cromo. El nĂquel tambiĂŠn incrementa la resistencia a la corrosiĂłn. Un ejemplo es el acero del tipo AISI 431, con bajo contenido de carbono, alto cromo y presencia de nĂquel. Todos los aceros inoxidables martensĂticos son templables y debido a la alta templabilidad por el alto contenido de cromo pueden, generalmente, ser enfriados al aire; algunos otros lo son en aceite y agua (tenores de carbono mĂĄs bajos) [2]. Luego del temple, se administra un tratamiento de revenido a baja temperatura (generalmente entre 150 °C y 400 °C) para aliviar las tensiones. El revenido se aplica a aceros con bajos contenidos de carbono en un rango de 550 °C a 750 °C, durante 1 a 4 horas. Se debe evitar el calentamiento entre 450 °C y 600 °C, pues ello afecta la tenacidad y la resistencia a la corrosiĂłn. Para una completa recuperaciĂłn de las propiedades, el tratamiento de recocido se hace en el intervalo de 725 °C a 915 °C [3]. La ďŹ gura 2 muestra las curvas TTT (tiempo – trasformaciĂłn – temperatura) que describen las microestructuras generadas fuera de equilibrio. Se observa que la presencia de cromo desplaza la curva hacia la derecha lo que favorece la templabilidad y la formaciĂłn de la estructura martensĂtica a tasas de enfriamiento mĂĄs lentas (inclusive al aire). Esto tambiĂŠn es conveniente en lo que respecta a la tenacidad, pues enfriamientos mĂĄs lentos no producirĂĄn microďŹ suras, aumento de tensiones residuales, ni alteraciones dimensionales en las piezas tratadas [4] [5]. Las ďŹ guras 3 y 4 muestran la microestructura de un acero inoxidable AISI 420 antes y despuĂŠs del tratamiento tĂŠrmico de temple, respectivamente. En la estructura bruta (sin temple) se observan granos de ferrita y carburos de cromo que se formaron durante el proceso de solidiďŹ caciĂłn (ďŹ gura 3). Lo deseable es que estos carburos se 6
(a)
(b) Figura 2. Curvas TTT para el acero AISI 420. (a) Curvas de transformaciĂłn isotĂŠrmica. (b), Curvas de enfriamiento continuo [adaptado de [4]].
Figura 3. Microscopia Ăłptica del acero inoxidable martensĂtico AISI 420 antes del tratamiento tĂŠrmico de temple. Se observan granos de ferrita y carburos de cromo dispersos en la matriz. 500x. Ataque: Vilella. [Adaptado de [5]].
Figura 4. Microestructura del acero inoxidable martensítico AISI 420 luego del tratamiento térmico de temple. Se observan agujas de martensita. 500x. Ataque: Vilella [adaptado de [4]].
METODOLOGÍA
El objetivo de esta contribución es estudiar las posibles causas de la baja tenacidad que presentaron las láminas de acero durante su uso. Para los análisis se emplearon láminas fracturadas del acero AISI 420 cuya composición química fue determinada por medio de espectrometría de emisión óptica (OES, por sus siglas en inglés). Los elementos y sus proporciones son presentados en la tabla I. %C
%Si
%Mn
%Cr
%Ni
%Mo
0,28
0,45
0,30
10,69
0,11
0,02
(b) Figura 5. Microestructura de la sección transversal de la lámina AISI 420. (a) 500x; (b), 1000x. Se observa una matriz martensítica con carburos de cromo. Ataque: Kalling I. Fuente: Elaboración propia.
Las figuras 6 y 7 muestran los análisis de microscopia electrónica de barrido de los carburos de cromo. El análisis cualitativo de EDS (energy dispersive x-ray/energía dispersiva de rayos x) reveló altos contenidos de cromo en los carburos de morfología esferoidizada y facetada. Esa morfología probablemente favorece la nucleación y propagación de fisuras que llevan a la ruptura catastrófica del material. Los carburos presentaron elevadas cantidades de C además de las de Cr.
Tabla I. Composición química del AISI 420. Elaboración propia.
Las muestras fueron retiradas de la lámina fracturada en servicio y sometidas a los métodos metalográficos convencionales de corte y lijado, seguidos de pulido y ataque químico, proceso recomendado para microscopia óptica y electrónica. Las secciones transversales de las piezas fueron elegidas de acuerdo a procedimientos de la norma ASTM E3-01, y atacadas químicamente con el reactivo Kalling I [8]. También se recolectaron los datos de dureza en condiciones de tratamiento térmico según la norma ASTM E10-07a [9] [10]. Finalmente, se realizaron análisis en las fracturas de las láminas mediante microscopia electrónica de barrido para determinar el tipo de falla durante el uso de dichas láminas.
(a)
RESULTADOS
A. Análisis metalográficos en láminas fracturadas en servicio Luego de cortar las piezas, las secciones transversales fueron primero analizadas bajo microscopia óptica. En la figura 5 se observa una estructura martensítica revenida con la presencia de carburos de cromo alineados.
(b) Figura 6. SEM con detalles de los carburos de cromo sobre un fondo de martensita revenida. (a) 10000x, (b) 20000x. Los carburos presentan una morfología esferoidizada. Ataque: Kalling I. Fuente: Elaboración propia. (a)
7
Estos carburos de cromo de estructura facetada adquirieron su morfología durante el proceso de solidificación. El cromo no se difundió en solución sólida en la matriz de hierro-carbono. Adoptaron un alineamiento en los granos del material debido al proceso de laminación en caliente al momento de fabricar las láminas. Las figuras 8 y 9 muestran las regiones de las fracturas de las láminas de los cuchillos. Algunas de estas regiones presentaron fractura dúctil mientras que otras presentaron planos de clivaje, lo que evidencia la existencia de fractura frágil.
Figura 9. Superficie de fractura. Detalle de la figura 8. Planos de clivaje. Aumento 1000x. Fuente: Elaboración propia.
B.Tratamientos térmicos en láminas proporcionadas por el fabricante La figura 10 muestra láminas de AISI 420 sin tratamiento térmico entregadas por el fabricante para el presente estudio. Antes del temple, las láminas se precalentaron a 550 °C en tres periodos de tiempo (30, 60 y 90 minutos). Luego, fueron austenitizadas por 15 minutos a una temperatura de 1000 °C. Su enfriamiento se realizó en aceite para temple ILQUENCH 1 de Castrol. (a)
Figura 10. Láminas de AISI 420 sin tratamiento térmico proporcionadas por el fabricante. Fuente: Elaboración propia.
(b) Figura 7. Análisis cualitativo de la composición química de la región en destaque sobre un carburo de cromo. (a) Los precipitados presentan morfología facetada en un fondo de martensita revenida. (b) El espectro de energía muestra la presencia de cromo y carbono. Fuente: Elaboración propia.
Figura 8. Superficie de fractura. Se observan áreas de fractura dúctil y áreas de fractura frágil (planos de clivado). Aumento 250x.
8
Después del enfriamiento, las láminas pasaron por un tratamiento de revenido a 300 °C por 20 minutos. La figura 11 muestra del arreglo de los carburos de cromo en dichas láminas antes del precalentamiento (a) y su reordenamiento en la microestructura posterior al proceso (b). Se observa que los carburos de cromo ya no se encuentran alineados. El precalentamiento que produjo mejores resultados fue el de 90 minutos. La figura 12 presenta la microestructura luego del revenido de las láminas.
(a)
Muestra
HRC
HV
01
52
530
02
52
530
Tabla III. Durezas de las láminas ofrecidas por el fabricante (martensita revenida) Fuente: Elaboración propia.
CONCLUSIONES
(b) Figura 11. Carburos de cromo en una microestructura de granos de ferrita. (a) Carburos alineados. 500x. (b) Carburos dispersos luego del precalentamiento a 550 °C en un intervalo de 90 minutos. 1000x. Ataque: Kalling I. Fuente: Elaboración propia.
El análisis metalográfico reveló la presencia de carburos ricos en cromo, alineados y de morfología facetada, lo que probablemente indica que esos precipitados son los responsables de la fractura de la lámina en servicio. Además de ser ricos en cromo, los carburos presentan alto contenido de carbono. En ese sentido, los granos del material poseen una composición química diferente (el cromo y el carbono deben estar presentes en solución sólida en el acero), lo que probablemente afecta la resistencia a la corrosión. La dureza de las láminas fracturadas en servicio no fue determinante en la falla del material en uso. De acuerdo con el análisis de las microestructuras y durezas obtenidas, el tratamiento con mejor resultado en términos de dispersión de los carburos fue el de precalentamiento de 90 minutos. Las micrografías (Figura 11) muestran una distribución parcial de dichos carburos en la martensita, los cuales son responsables de la fragilidad del material. En esas condiciones hay una mejora en las propiedades mecánicas del acero en estudio. Sin embargo, estudios futuros podrían optimizar el tiempo de precalentamiento a valores menores.
Figura 12. Microestructura luego del tratamiento de revenido. Martensita revenida y carburos de cromo dispersos. 1000x. Ataque: Kalling I. Fuente: Elaboración propia.
C. Ensayos de dureza La tabla II muestra los valores de dureza HRC y HV (Escala Rockwell C y Escala Vickers, respectivamente) de las láminas que presentaron fractura en servicio (promedio de 3 ensayos). Están dentro del rango permitido por el fabricante. Cabe mencionar que tales láminas ya poseen estructura de martensita revenida. La tabla III exhibe los valores de dureza de las láminas proporcionadas por el fabricante luego del tratamiento de temple y revenido realizado en laboratorio. Muestra
HRC
HV
01
55
600
02
54
580
REFERENCIAS
[1]
Strobel, E. (2005). Estudo da Resistência a Corrosão do Aço Inoxidável Martensítico CA6NM em Meio Marinho Sintético. Tesis del Programa de Posgraduación en Ingeniería y Ciencia de los Materiales de la Universidade São Francisco. Itatiba, Brasil.
[2]
Chiaverini, V. (2005). Aços e Ferros Fundidos. (6ª. ed.). São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais.
[3]
Colpaert H. (2008). Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns (4ª. ed).. São Paulo: Blucher.
[4]
Vander G. (1991) Atlas of Time-Temperature Diagrams for Irons and Steels. Pensilvania: ASM International.
[5]
ASM International (1995). Heat Treating Processes and Related Technology: Practices and Procedures for Irons and Steels. Ohio: ASM International.
Tabla II. Durezas de las láminas fracturadas en servicio (martensita revenida) Fuente: Elaboración propia.
9
[6]
Guimarães A. & Mei P. (2004). “Precipitation of Carbides and Sigma Phase in AISI Type 446 Stainless Steel under Working Conditions”. Jorunal of Materials Processing Technology, 155-156.
[7]
Fortinox S.A. Manual Técnico de Aceros Inoxidable (2013). Una empresa del grupo Thyssen Krupp. Buenos Aires, Argentina.
por el Senati de Lima. Experiencia en el área de Análisis Numérico en Transferencia de Calor, Materiales, Metalurgia Física y Ensayos no Destructivos. Es investigador del CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico de Brasil). Responsable del Laboratorio de Ensayos de Materiales de Tecsup – Lima. cnunura@tecsup.edu.pe César Lecaros
[8]
[9]
ASTM Standard E3-01 (2001). Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. American Society for Testing and Materials. ASTM Standard E10-07 (2007). Standard Test Methods for Brinell Hardness of Metallic Materials. American Society for Testing and Materials.
ACERCA DE LOS AUTORES
César Nunura Es ingeniero mecánico por la Pontificia Universidad Católica de Río Grande do Sul (PUCRS - Brasil). Maestría en Ingeniería de Procesos de Fabricación por la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS – Brasil). Doctorado en Ingeniería de Materiales por la Pontificia Universidad Católica de Río Grande do Sul (PUCRS - Brasil). Técnico en Mantenimiento Industrial
10
Tiene estudios de maestría en Ingeniería y Ciencias de los Materiales en la Pontificia Universidad Católica del Perú. Ingeniero mecánico por la Universidad Nacional de Ingeniería, con especialización en Materiales de Ingeniería. Especialización en Automatización de la Producción en Senai,-Brasil. Especialista en Metrología, con capacitaciones en México y Brasil. Miembro de la American Society of Mechanical Engineers (ASME). clecaros@tecsup.edu.pe
Agradecimientos: A Tecsup por las oportunidades profesionales, en especial al Ing. Javier Ganoza (Gestión Industrial y Mecánica – Tecsup) por el incentivo y apoyo constante a la investigación. A la Pontifica “Pontificia Universidad Católica de Rio Grande del Sur” por el uso del Laboratorio de Metalografía y Tratamientos Térmicos (Lamett) y al Centro de Microscopia y Microanálisis (CEMM) de la Facultad de Ingeniería (FENG).
Energías renovables no convencionales (ERNC) una oportunidad de desarrollo para la población rural del Perú.
Elmer Ramirez, Utec
Modelo para viabilizar proyectos de generación de electricidad con ERNC en zonas rurales del Perú para promover su desarrollo sostenible Model to Make Electricity Generation Projects Viable by Using NCRE in Rural Areas of Peru to Promote its Sustainable Development RESUMEN
La presente investigación tiene por objetivo proponer un modelo para viabilizar proyectos de generación de electricidad, mediante el uso de ERNC en zonas rurales con población en situación de pobreza, que permita potenciar su desarrollo de manera sostenible. El estudio utiliza una metodología basada en la técnica de construcción de escenarios por impactos cruzados, en la cual se aplica prospectiva estratégica; asimismo emplea el diseño no experimental, sin manipulación de variables. Las etapas para la construcción de escenarios se sustentan en el análisis y determinación de las variables, la identificación de actores y el análisis de escenarios de la combinatoria de seis hipótesis.
ABSTRACT
This research has for goal to implement a model for developing viable electrical generation projects with use of Non-Conventional Renewable Energy, focused in poor people of rural areas to enable enhance sustainable development. The methodology is based on technique for cross-impact scenarios, applying strategic prospective, as well as non-experimental design without manipulation of variables. The steps for building scenarios include the definition and evaluation of key variables, the identification of the actors, and the analysis of multiple scenarios through the combination of six hypotheses.
El modelo propone la participación del sector privado en el desarrollo de los proyectos energéticos, y toma en cuenta el subsidio temporal de los gobiernos, especialmente el central; un marco normativo que fomente la participación de los inversionistas; un sistema financiero que apoye al sector privado y la colaboración activa de universidades, fabricantes y proveedores.
The model propose the participation of the private sector in the development of energy projects, considering the temporary subsidy of all the levels of government, especially central government; a regulatory framework that encourages the investors’ participation; a financial system supporting the private sector and the active participation of universities, manufacturers and suppliers.
Para que los proyectos energéticos sean sostenibles, deben tener la concesión otorgada por el MEM, respetando aspectos relacionados al sector eléctrico, y cumplir con el requisito que, en aquellas zonas donde se implementen dichos proyectos energéticos, la electricidad genere valor para su uso productivo. Se propone la coordinación de los proyectos energéticos de uso productivo, dentro del Ministerio de Energía y Minas (MEM), o en el Ministerio de Desarrollo e Inclusión Social (MIDIS), cuyo objetivo será coordinar las zonas donde se concesionarán los proyectos energéticos, mediante la evaluación del uso de las energías renovables para producir electricidad, el impacto social en la población y las actividades productivas que generen rentabilidad de manera sostenible.
For implementing sustainable energy projects it will be necessary a concession granted by the Ministry of Energy and Mines, after fulfil all requirements concerning electricity sector, particularly to add value to its productive use. The research suggests the coordination of projects for productive use, through of the Energy and Mines Ministry or Ministry of Development and Social Inclusion, which they should coordinate areas where energy projects will be concessioned through the evaluation of the use of renewable energy to generate electricity, the social impact on the population and productive activities with sustainable profitability.
Palabras Claves Energías Renovables No Convencionales (ERNC), Escenarios por impactos cruzados, Actividades productivas.
Key words Non-Conventional Renewable Energy, Cross impact scenarios, Productive Activities.
EvoluciĂłn del CoeďŹ ciente de ElectriďŹ caciĂłn Nacional 1992-2011
INTRODUCCIĂ“N 90.0% 80.0% 70.0% 60.0%
Porcentaje
La problemĂĄtica de la poblaciĂłn en condiciĂłn de pobreza y extrema pobreza se maniďŹ esta en el bajo nivel de educaciĂłn, salud, calidad de vida, productividad, etc. El Instituto Nacional de EstadĂstica e InformĂĄtica - INEI (2013), en el informe “EvoluciĂłn de la pobreza 2009-2013â€?, indica que la pobreza en el PerĂş afecta al 23,9% de la poblaciĂłn, los cuales el 4,7% corresponde a pobres extremos. Este grupo se caracteriza por:
50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0%
t "MUB JODJEFODJB EF FOGFSNFEBEFT JOGFDDJPTBT QPS GBMUB EF IJHJFne y contaminaciĂłn del medio ambiente por ausencia de agua y saneamiento. t -JNJUBEP BDDFTP B MPT TJTUFNBT EF DPNVOJDBDJĂ˜O &O FM del total de hogares pobres solo el 6,4% de los hogares pobres contaba con telefonĂa ďŹ ja, cifra que desciende a 0,3% en los pobres extremos. Asimismo, los hogares que acceden al cable y e Internet son principalmente no pobres. t &MFWBEP OĂžNFSP EF JOUFHSBOUFT QPS GBNJMJB .JFOUSBT RVF FM UBmaĂąo promedio del hogar pobre es de 4,7 miembros el de un hogar no pobre es de 3,7.
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2004 2005
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
0.0% 1992
t #BKP OJWFM EF FEVDBDJĂ˜O &M EF MPT QPCSFT Z FM de los pobres extremos mayores de 15 aĂąos, estudiaron Ăşnicamente la educaciĂłn primaria. El 7,7% de los pobres y el 2,0% de los pobres extremos alcanzaron estudiar algĂşn aĂąo de educaciĂłn superior (no universitaria y universitaria).
Figura 1. EvoluciĂłn del coeďŹ ciente de ElectriďŹ caciĂłn nacional en el PerĂş-2011. Fuente: DGER-MEM PNER 2011-2020.
Ello signiďŹ ca que un grupo importante de la poblaciĂłn no cuenta con electricidad, especialmente el de las zonas rurales. En este contexto, el estudio debe responder las siguientes preguntas: ÂżCuĂĄles son las variables crĂticas que permitan viabilizar proyectos energĂŠticos de generaciĂłn de electricidad con el uso de ERNC en zonas rurales del PerĂş para su desarrollo sostenible?; ÂżCĂłmo impacta el aspecto sociopolĂtico, en el desarrollo de dichos proyectos energĂŠticos?; ÂżCĂłmo inuyen los aspectos tĂŠcnico, econĂłmico y ďŹ nanciero, en el desarrollo de los proyectos?; y ÂżQuĂŠ efectos tienen los aspectos ambiental, tecnolĂłgico y humano en la implementaciĂłn de proyectos de generaciĂłn de electricidad con el uso de ERNC en zonas rurales del paĂs?.
FUNDAMENTOS
El informe especĂďŹ ca, ademĂĄs, que la pobreza se concentra en el ĂĄrea rural, con 48%, y es 3 veces mĂĄs que en el ĂĄrea urbana. En la sierra, selva y costa rural cuentan con el 52,9%, 42,6% y 29%, respectivamente. El Ministerio de EnergĂa y Minas - MEM (2013) seĂąala, que el Acceso Universal a la EnergĂa es uno de los pilares de la lucha contra la pobreza, y una condiciĂłn mĂnima para el desarrollo de las comunidades. Su disponibilidad estĂĄ relacionada al mejoramiento de los niveles de educaciĂłn, salud, seguridad y actividades productivas. En otro informe, la DefensorĂa del Pueblo (2010) sostiene que la pobreza y la exclusiĂłn son elementos asociados a lo rural, especialmente los pueblos indĂgenas, debido a la falta de acceso a bienes y servicios bĂĄsicos como la electricidad, el agua y las comunicaciones. El Plan Nacional de ElectriďŹ caciĂłn Rural 2011-2020 presenta estadĂsticas de la evoluciĂłn del coeďŹ ciente de electriďŹ caciĂłn en el paĂs, muestran que el PerĂş ha experimentado en los Ăşltimos 20 aĂąos un lento crecimiento en su nivel de electriďŹ caciĂłn, con un incremento promedio anual de 1,5% durante ese perĂodo. La ďŹ gura 1 graďŹ ca dicha evoluciĂłn. Se observa que el coeďŹ ciente de electriďŹ caciĂłn al 2011 fue 83%.
14
La energĂa elĂŠctrica es un servicio bĂĄsico fundamental para el desarrollo de los pueblos, pero antes que todo es un derecho de las personas porque permite cubrir las siguientes necesidades de: EducaciĂłn t $POUBS DPO FMFDUSJDJEBE FO MBT FTDVFMBT QBSB VUJMJ[BSMP FO JMVNJnaciĂłn y herramientas informĂĄticas en el desarrollo de clases. t 1SPMPOHBS MBT IPSBT EF FTUVEJP FO MB OPDIF Salud t .BOUFOFS BMJNFOUPT Z NFEJDJOBT FO CVFOBT DPOEJDJPOFT EF conservaciĂłn con el uso de equipos de refrigeraciĂłn. t &NQMFBS FRVJQPT QBSB CSJOEBS NFKPS DBMJEBE EF BUFODJĂ˜O B MPT enfermos. t 3FEVDJS MB JODJEFODJB EF FOGFSNFEBEFT EJHFTUJWBT NFEJBOUF FM consumo de agua potable y la disponibilidad de los servicios sanitarios de mejor calidad. t "NQMJBS MB FTQFSBO[B EF WJEB EF MB QPCMBDJĂ˜O B USBWĂ?T EF VO mejor control y tratamiento de enfermedades. Sociales t "NQMJBS FM BDDFTP B MBT DPNVOJDBDJPOFT DPNP UFMFWJTJĂ˜O SBdio, telĂŠfono e Internet. t %FTJODFOUJWBS MB NJHSBDJĂ˜O EFM DBNQP B MB DJVEBE BM QPTJCJMJUBS una mejor calidad de vida y nuevas oportunidades de negocio. t 1SPWFFS B MB QPCMBDJĂ˜O NFOPT GBWPSFDJEB DPO TFSWJDJPT CĂˆTJDPT que favorezcan su desarrollo.
t .FKPSBS MBT DPOEJDJPOFT EF JOGSBFTUSVDUVSB QBSB JNQVMTBS MB actividad turĂstica. t -JCFSBS B MB NVKFS EF USBCBKPT QFTBEPT DPNP USBTMBEBS MFĂ—B al incrementar sus oportunidades de empleo y permitirle su participaciĂłn en actividades de la comunidad. t 3FEVDJS FM UJFNQP Z FTGVFS[P EF MPT OJĂ—PT FO SFDPHFS BHVB Z biomasa, y aumentar sus horas para el estudio. EconĂłmicas t %FTBSSPMMBS BDUJWJEBEFT QSPEVDUJWBT Z DPNFSDJBMFT FTQFDJBMmente orientadas a dar valor agregado al trabajo artesanal de productos agropecuarios y forestales. t (FOFSBS OVFWPT QVFTUPT EF USBCBKP DPNP SFTVMUBEP EF MPT diversos usos productivos de la energĂa. Medioambiente t &WJUBS MB DPOUBNJOBDJĂ˜O EFM BNCJFOUF QPS FNJTJPOFT QSPEVcidas por el empleo de fuentes energĂŠticas convencionales como la leĂąa y el petrĂłleo. t 3FEVDJS FM UBMBEP EF ĂˆSCPMFT QBSB FM DPOTVNP EF MFĂ—B
La investigaciĂłn propone implementar un modelo estratĂŠgico que responda a la siguiente hipĂłtesis principal: Viabilizar el desarrollo de proyectos energĂŠticos para la generaciĂłn de electricidad mediante el uso de ERNC en zonas rurales del PerĂş, dependerĂĄ del anĂĄlisis sistĂŠmico de las variables sociopolĂticos, econĂłmicos y tecnolĂłgicos. Para la validaciĂłn de la hipĂłtesis principal fue necesario deďŹ nir seis hipĂłtesis especĂďŹ cas: H1: La participaciĂłn del sector privado en proyectos de inversiĂłn con una rentabilidad econĂłmica favorecerĂĄ el desarrollo sostenible de las zonas rurales. H2: Si el gobierno promueve la inversiĂłn para el desarrollo de proyectos de generaciĂłn de electricidad que emplea ERNC, mejorarĂĄ la calidad de vida en las zonas rurales.
METODOLOGĂ?A
La presente investigaciĂłn utiliza una metodologĂa que se basa en la tĂŠcnica de construcciĂłn de escenarios, en la que se aplica la prospectiva estratĂŠgica. La tĂŠcnica de anĂĄlisis busca comprender los retos del futuro, a travĂŠs de un proceso participativo, estimulando la colaboraciĂłn entre los actores claves, a ďŹ n de traducir dicho anĂĄlisis en impactos e implicancias para las decisiones actuales mediante la identiďŹ caciĂłn de peligros y oportunidades, la cual permita establecer polĂticas y acciones alternativas que aumentan la posibilidad de elecciĂłn. Se emplea tambiĂŠn el diseĂąo no experimental, sin manipulaciĂłn de variables, en el que se observan los fenĂłmenos tal como se encuentran en su ambiente natural, para luego analizarlos. Las etapas para la construcciĂłn de escenarios (ďŹ gura 2) incluyen, inicialmente, el anĂĄlisis y la determinaciĂłn de las variables clave a travĂŠs del anĂĄlisis estructural (mĂŠtodo MICMAC). Luego, se identiďŹ can los actores, sus relaciones y retos mediante la estrategia de actores (mĂŠtodo MACTOR). Con los resultados anteriores y las opiniones de expertos, se validan las hipĂłtesis mediante el mĂŠtodo de impactos cruzados (mĂŠtodo SMIC). Finalmente, se generan 64 posibles escenarios de la combinatoria de las seis hipĂłtesis, para luego seleccionar nueve de ellos, entre los que ďŹ gura un escenario con una alta probabilidad media del orden del 27% y otros escenarios contrastados, los cuales son analizados para buscar la concordancia de los hechos factibles y proponer vĂas que conduzcan al objetivo del estudio.
DescripciĂłn de variables
AnĂĄlisis estructural: MĂŠtodo MICMAC
Estrategia de actores: MĂŠtodo MACTOR
MĂŠtodo de elaboraciĂłn de escenarios: Sistema y Matrices de Impacto Cruzado SMIC
AnĂĄlisis de escenarios
Figura 2. Etapas para la construcciĂłn de escenarios. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
H3: Proyectos energĂŠticos de bajo costo con ERNC en zonas rurales, asĂ como el acceso a su ďŹ nanciamiento, contribuirĂĄn a la inversiĂłn. H4: Potenciales fuentes de energĂas renovables con poco impacto ambiental fomentarĂĄn la inversiĂłn. H5: La implementaciĂłn de normatividad adecuada promoverĂĄ la inversiĂłn. H6: La participaciĂłn activa de fabricantes y proveedores de equipos fomentarĂĄ la inversiĂłn.
15
Para el diagnóstico del estudio se aplicó el método Delphi, en el que participaron expertos en energía como consultores, autoridades de gobierno, gerentes de empresas y académicos, quienes contribuyeron con sus opiniones en diferentes aspectos de la investigación.
RESULTADOS
Para la determinación de las variables clave del estudio, se identificaron aquellas consideradas como las más importantes: V1.1:
Participación de la comunidad
V1.2:
Participación del sector privado
V1.3:
Gestión de los gobiernos
V1.4:
Competencia de los recursos humanos
V2.1:
Inversión
V2.2: Financieros V3.1:
Figura 3. Plano de influencia-dependencia de variables en relaciones directas en mapa conceptual del análisis estructural. Software MICMAC LIPSOR-EPITA. Fuente: Elaboración propia.
Recursos energéticos renovables
A partir del plano se analizaron los resultados por cuadrante y de la evolución de las relaciones indirectas y potenciales que representan los cambios a mediano y largo plazo se obtuvieron las siguientes variables clave:
V3.2: Ambientales V3.3: Normas regulatorias V3.4: Proveedores de equipos
5: V2.1
6: V2.2
7: V3.1
8: V3.2
9: V3.3
10: V3.4
Inversión
4: V1.4
V2.1:
3: V1.3
Gestión de los gobiernos
2: V1.2
V1.3:
1: V1.1
0
2
3
2
2
1
2
3
1
1
2: V1.2
2
0
2
3
P
P
2
2
2
3
3: V1.3
3
3
0
2
3
3
2
3
3
2
4: V1.4
2
3
2
0
2
2
2
3
2
2
V3.3: Normas regulatorias
5: V2.1
2
3
2
1
0
3
2
2
1
3
V3.4: Proveedores de equipos
6: V2.2
2
3
2
1
3
0
2
2
1
3
7: V3.1
2
3
2
1
3
3
0
3
2
2
8: V3.2
3
2
3
2
2
3
3
0
3
2
9: V3.3
2
3
3
2
3
3
2
3
0
2
10: V3.4
1
3
2
2
3
3
2
2
2
0
Influences range from 0 to 3, with the possibility to identify potential influences: 0: No influence; 1: Weak; 2: Moderate influence; 3: Strong influence; P: Potential influences Tabla 1. Matriz de análisis estructural. Software MICMAC LIPS. Fuente: Elaboración propia.
Con el uso del software MICMAC se obtuvo el plano de influenciadependencia de variables en relaciones directas, que se superpuso con el mapa conceptual de análisis estructural tal como se observa en la (figura 3).
16
Participación del sector privado
1: V1.1
Luego se determinó la matriz de análisis estructural con la siguiente valoración de los expertos:
V1.2:
V2.2: Financieros V3.1:
Recursos energéticos renovables
V3.2: Ambientales
Para el análisis de actores se utilizó el método MACTOR, herramienta que permite valorar las relaciones de fuerzas entre los actores que intervienen en retos estratégicos, y estudiar sus convergencias y divergencias con respecto a los objetivos asociados, lo que facilita responder a las hipótesis en las que intervienen las variables. Para cada una de las variables clave, los expertos reconocieron los actores más relevantes quienes, directa o indirectamente, pueden influir en el comportamiento de dichas variables a través de sus acciones u opiniones. El resultado final de la matriz de actores que influyen en las variables clave y que se analizaron mediante el software MACTOR se presenta a continuación.
Participación del sector privado
Gestión de los gobiernos
Inversión
Financieros
Recursos energéticos renovables
Ambiental
Normas regulatorias
Proveedores de equipos
V1.2
V1.3
V2.1
V2.2
V3.1
V3.2
V3.3
V3.4
Variables claves
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Actores Act 1
Inversionistas
Act 2
Autoridades de gobierno
Act 3
Entidades financieras
Act 4
Comunidades rurales
Act 5
Fabricantes y Proveedores de equipos
1
Act 6
Recursos humanos
1
1
Act 7
Instituciones nacionales e internacionales
1
1
1 1
1
1
1
1
Del plano influencia-dependencia de los actores se puede determinar los que son claves y de mayor influencia: autoridades de gobierno, instituciones nacionales e internacionales e inversionistas con un alto grado de influencia y dependencia. También se observa que las entidades financieras funcionan como actor regulador para alcanzar a los actores clave y, al mismo tiempo, es un actor objetivo porque se puede influir sobre ellas para que su evolución sea la más adecuada. Además, los recursos humanos, por su ubicación en el plano, pueden quedar al margen del comportamiento del sistema. Finalmente, los fabricantes y proveedores de equipos pueden servir de palanca al actor entidades financieras.
1 1
1
1 1
1
1
1
1
1
Tabla 2. Actores que influyen en las variables clave. Fuente: Elaboración propia.
Del mismo modo se establecieron los retos estratégicos para cada variable clave así como sus objetivos relacionados, para cuyo logro los actores son parte importante, a fin de identificar la convergencia y divergencia existentes entre ellos. Con dicha información se formulan la evolución de las variables clave, así como las propuestas de acción que consideren las alianzas necesarias para materializar los objetivos del estudio. Para el análisis se utilizó la herramienta matriz de posiciones valoradas, que corresponde a la representación matricial actores por objetivos (MAO) de la actitud actual de cada actor en relación a cada objetivo. La actitud del actor se dividió en dos categorías: (+): de acuerdo con el objetivo. (-) : en desacuerdo con el objetivo.
Figura 4. Plano de influencia-dependencia de actores para la variable participación del sector privado. Elaboración propia. Software MACTOR - LIPSOR.
En el análisis de convergencia de objetivos comunes entre actores se ha utilizado el plano y matriz de convergencia de posiciones valoradas 3CAA. Los resultados indican la existencia de un grupo de convergencia conformado por los actores: inversionistas (68,7), instituciones nacionales e internacionales (61,8) y autoridades de gobierno (61,6).
El objetivo se valoró con las siguientes intensidades: (0): poco consecuente. (1): indispensable para sus procesos operativos del actor. (2): indispensable para los proyectos del actor. (3): indispensable para la misión del actor. (4): indispensable para la existencia del actor.
Se construyó una matriz de influencias directas entre actores a partir de un cuadro estratégico de los mismos, la cual valora los medios de acción de cada actor según la misma escala de intensidades utilizada en MAO. Así, para la variable participación del sector privado que es clave para alcanzar los objetivos del estudio, su intervención dependerá de algunos factores para que dicho sector se interese en el desarrollo de proyectos energéticos.
Figura 5. Plano de convergencia entre actores orden 3, variable participación del sector privado. Elaboración propia. Software MACTOR - LIPSOR
17
Con respecto a las distancias netas entre objetivos, la figura 6 muestra los resultados para la variable participación del sector privado. Apoy Finan 17.5 Part gob
17.5
18.5 16 17
Part comun
ción del gobierno central, a través de una contribución económica con recursos propios e internacionales en su inicio, con normas que fomenten la inversión, y una promoción que permita incentivar a los inversionistas hacia el desarrollo de proyectos. Igualmente, el gobierno regional debe contribuir con su apoyo económico y promoción al desarrollo de la región; así como el gobierno local, mediante la organización de sus zonas e información para identificar los lugares más adecuados para la implementación de los proyectos. Finalmente, es necesaria la participación del sector financiero a través de préstamos para ejecutar dichos proyectos. Esta misma metodología de análisis se aplicó para las demás hipótesis, validándose todas de acuerdo a la siguiente valoración de los expertos: Probabilidades simples y condicionales
17 Oport neg
Distancias netas más débiles Distancias netas débiles Distancias netas medias Distancias netas relativamente importantes Distancias netas más importantes
H1
Hipótesis específicas
H2 NO
SI
NO
H4 SI
NO
H5 SI
H6
SI
NO
H1
50%
0%
H2
77% 31% 54%
Figura 6. Gráfico de distancias netas entre objetivos, variable participación del sector privado. Elaboración propia. Software MACTOR - LIPSOR-EPITA.
H3
65% 29% 71% 18% 47%
H4
62% 25% 66% 17% 63% 27% 43%
Con respecto a las demás variables, estas fueron analizadas del mismo modo.
H5
70% 25% 75% 16% 69% 28% 73% 27% 47%
H6
59% 26% 62% 20% 61% 27% 61% 29% 62% 26% 43%
Para la validación de las hipótesis se tomaron en cuenta las probabilidades de ocurrencia de las opiniones de los expertos. Para la hipótesis 1, los expertos han estimado de manera conservadora una probabilidad muy débil de participación del sector privado. Esta probabilidad se incrementa si las demás hipótesis ocurrieran también en simultáneo uno a uno tal como se muestra en la tabla 3, alcanzando el mayor impacto de 77%, si el gobierno promueve la inversión. Por el contrario, la probabilidad disminuye si las demás hipótesis no ocurren simultáneamente, y presenta su valor más bajo (es decir, es afectada con mayor intensidad) si no existieran normas adecuadas que promuevan la inversión o potenciales energías renovables, en ambos casos a 25%.
SI
H3
NO
SI
NO
71% 25% 69% 33% 71% 33% 73% 28% 69% 35% 0%
82% 29% 81% 33% 85% 26% 79% 35% 0%
67% 31% 68% 27% 67% 32% 0%
67% 22% 62% 30% 0%
68% 31% 0%
Tabla 3. Probabilidades de ocurrencias simple y condicional de las seis hipótesis específicas. Fuente: Elaboración propia.
Para evaluar los escenarios más probables para viabilizar el desarrollo de proyectos de generación de electricidad mediante ERNC, se empleó el método de impactos cruzados, por el cual se establecieron combinaciones entre las hipótesis definidas y ponderadas por los expertos. El programa utilizado, denominado SMIC (programa de minimización de una forma cuadrática con límites lineales), permite el análisis de las opiniones de grupos de expertos. La elección de escenarios para plantear el modelo estratégico, toma en cuenta todas aquellas soluciones con las más altas probabilidades de ocurrencia de hipótesis, calculadas por el software SMIC, así como el conjunto de soluciones que al menos sumen el 60% de las probabilidades totales (tabla 4).
No
Figura 7. Gráfico de probabilidades de ocurrencia para la Hipótesis 1 de manera simple y condicional. Fuente: Elaboración propia.
De los resultados del análisis referente a la hipótesis 1 se concluye que la participación del sector privado en la ejecución de proyectos de inversión con rentabilidad económica en zonas rurales y para la población en situación de pobreza se valida en un tiempo superior a los 10 años, siempre y cuando tenga lugar la participa18
Probabilidad del escenario (%)
Escenario
Probabilidad acumulada (%)
64
0
0
0
0
0
0
27,3%
27,3%
1
1
1
1
1
1
1
8,4%
35,7%
2
1
1
1
1
1
0
5,7%
41,4%
5
1
1
1
0
1
1
4,1%
45,5%
33
0
1
1
1
1
1
4,0%
49,5%
9
1
1
0
1
1
1
3,8%
53,3%
3
1
1
1
1
0
1
3,4%
56,7%
6
1
1
1
0
1
0
2,5%
59,2%
32
1
0
0
0
0
0
2,0%
61,2%
Tabla 4. Escenarios con la mayores probabilidades y cuya suma acumulada es al menos 60%. Fuente: Elaboración propia. SMIC-PROB-EXPERT
Finalmente, se propuso un modelo que considera una serie de acciones que involucran a los diferentes actores, especialmente la participación del gobierno, en una primera etapa para subvencionar los proyectos, así como la del sector privado para la implementación y gestión de los proyectos. La siguiente figura representa el modelo del estudio.
Figura 8. Modelo estratégico para viabilizar proyectos de generación de electricidad mediante ERNC en zonas rurales del Perú, para promover su desarrollo sostenible. Fuente: Elaboración propia.
CONCLUSIONES
El análisis estructural permitió definir las siguientes variables clave para el período de estudio de 10 años: participación del sector privado, gestión de los gobiernos, inversión, financieros, recursos energéticos renovables, ambientales, normas regulatorias y proveedores de equipos. Del mismo modo, a partir del estudio de estrategia de actores se determinó que los actores clave fueron: inversionistas, autoridades de gobierno, entidades financieras, comunidades rurales, fabricantes y proveedores de equipos, recursos humanos e institucionales nacionales e internacionales. Todos ellos forman parte del análisis de las hipótesis y los escenarios futuros de la investigación. El análisis de variables y actores fue el marco de la investigación para la validación de las hipótesis. Las hipótesis específicas fueron validadas al constatarse que sus probabilidades simples se encuentran alrededor del 50%, las cuales aumentan sustancialmente cuando las otras hipótesis se presentan en simultáneo y disminuye si no lo están. Se validó la hipótesis principal, y se concluyó que, para viabilizar el desarrollo de proyectos energéticos para la generación de electricidad utilizando ERNC en las zonas
rurales del Perú, dependerá del comportamiento sistémico de las variables sociopolíticas, económicas y tecnológicas. La estrategia prospectiva resultó una herramienta importante para alcanzar los objetivos generales y específicos de la investigación. Su aplicación permitió identificar los diferentes escenarios y sugerir las condiciones para su consecución. Por consiguiente, el modelo estratégico del estudio se focaliza en la coordinación entre las diferentes instituciones públicas, que centralizan el conocimiento de la realidad de las zonas rurales, tanto desde el punto de vista de sus necesidades como de las oportunidades de trabajo productivo, y priorizan el desarrollo de proyectos en aquellos lugares donde se pueda mantener la sostenibilidad del negocio de los inversores. Los expertos consideraron que la participación del sector privado es esencial y necesaria, debe ser incentivada mediante la creación de empresas que logren una rentabilidad con los proyectos, y estar enmarcada por condiciones legales, técnicas, económicas y financieras claras y sostenibles. El estudio propone, que el Estado debe asumir el papel de promotor de las inversiones, en las que el sector privado participa, inicialmente en la administración, operación y mantenimiento de las instalaciones y, posteriormente, en el desarrollo de más proyectos sostenibles, con los 19
beneďŹ cios econĂłmicos de la venta de energĂa a los pobladores, para ser usada en sus actividades productivas. La voluntad polĂtica es fundamental para generar estrategias que permitan establecer mecanismos de convocatoria de los principales actores y darles las condiciones adecuadas con el ďŹ n de sumar sinergias para el logro de los objetivos planteados. Es asĂ que los resultados del estudio seĂąalan que los diferentes niveles de gobierno, especialmente el central, tienen que convocar a instituciones del sector pĂşblico y privado para deďŹ nir estrategias y responsabilidades de sus autoridades y darle al sector privado las condiciones necesarias para desarrollar proyectos energĂŠticos sostenibles. El modelo propone crear un ente de coordinaciĂłn de proyectos energĂŠticos de uso productivo dentro del MIDIS o en el Ministerio de EnergĂa y Minas (MINEM). Para aprobar estos proyectos, ambos ministerios deberĂĄn aprobar los proyectos considerando los siguientes aspectos: t &M NBZPS JNQBDUP TPDJPFDPOĂ˜NJDP t &M EFTBSSPMMP EF QSPZFDUPT QSPEVDUJWPT RVF BTFHVSFO FM QBHP por consumo de electricidad. t -PT MVHBSFT DPO NĂˆT BMUB DPODFOUSBDJĂ˜O EF QPCMBEPSFT Z FOFSgĂas renovables disponibles para su aprovechamiento durante el mayor nĂşmero de horas al aĂąo. t &M GĂˆDJM BDDFTP QBSB MB PQFSBDJĂ˜O Z FM NBOUFOJNJFOUP EF MPT sistemas, el cual permita su sostenibilidad. Del mismo modo, se determinĂł que la participaciĂłn de la comunidad es importante, pues su involucramiento contribuye al ĂŠxito de los proyectos, especialmente cuando ya se ha deďŹ nido su implementaciĂłn, de tal manera, que los pobladores valoren la necesidad del uso de la energĂa y reconozcan las oportunidades de desarrollo para su comunidad. AdemĂĄs, con el apoyo de la comunidad, facilitarĂa evaluar los materiales existentes que podrĂan utilizarse como parte del equipamiento de los proyectos y asĂ disminuir los costos.
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ACERCA DEL AUTOR
Elmer Ramirez Quiroz Doctorando en IngenierĂa Industrial. Master en GestiĂłn y Auditoria EnergĂŠtica en la Empresa por la Universidad PolitĂŠcnica de Madrid, EspaĂąa. Ingeniero MecĂĄnico-ElĂŠctrico por la Universidad Nacional de IngenierĂa. TrabajĂł 25 aĂąos en el sector acadĂŠmico. Condujo acreditaciones internacionales del programa de IngenierĂa otorgadas por las agencias ASSIN de Alemania y ABET de Estados Unidos. Es autor del libro Controladores lĂłgicos programables‌una alternativa a la automatizaciĂłn moderna, editado por el CONCYTEC, asĂ como de artĂculos tĂŠcnicos publicados en revistas. Ha seguido cursos de ingenierĂa elĂŠctrica en la empresa ABB-Suecia; de energĂa renovables en Estados Unidos y EspaĂąa; y redes industriales y automatizaciĂłn por la empresa Siemens en Alemania. Es miembro de la IEEE y la AsociaciĂłn ElectrotĂŠcnica Peruana. Sus ĂĄreas de especializaciĂłn son auditorĂa y eďŹ ciencia energĂŠtica, y desarrollo de proyectos energĂŠticos mediante ERNC. eramirez@utec.edu.pe
La utilizaciĂłn del
cĂĄliz de aguaymanto, una posibilidad para la industria cosmĂŠtica
Laurence Salmon, Tecsup / Ivonne Parían, Tecsup / Diego Chirinos, Tecsup
Acción humectante del extracto del cáliz del aguaymanto (Physalis Peruviana) en formulaciones cosméticas Humectant Action of Aguaymanto Chalice (Physalis Peruviana) in Cosmetec Formulations RESUMEN
El presente trabajo explora la utilización de el cáliz del aguaymanto (goldenberry), que no se consume como alimento y se separa del fruto antes de que sea exportado. Sin embargo, el cáliz contiene varios componentes de naturaleza lipídica que podrían ser empleados, lo que daría valor agregado a este desecho. Esta investigación examina la posibilidad de aprovechar el extracto del cáliz del aguaymanto como humectante natural en formulaciones cosméticas. La metodología evaluó la capacidad de humectación de dichas formulaciones. Los cálices fueron recolectados en Huancayo, se obtuvieron los extractos y se prepararon formulaciones de jabón líquido y lociones humectantes. Se testó la capacidad de humectación de cada una de ellas. Los resultados mostraron que dichos extractos podían incrementar el grado de humectación de los productos, además de proporcionar una fragancia característica.
ABSTRACT
This work explores a potential use of chalice of aguaymanto (goldenberry).This part of the fruit is not consumed and is separated from it before been exported. However the chalice contains several lipidic components that could be used, thus adding value to this waste. In this research we have studied the possibility of using the extract or aguaymanto chalice as natural moisturizer in cosmetic formulations. The chalices were collected in Huancayo and extracts were obtained. Then formulations of liquid soaps and body lotions containing the extract were prepared and moisturizing capacity of each one of them tested. We concluded that the addition or the extract of aguaymanto chalice increases the moisturizing characteristics of the products. As well as provide a sui generis fragrance.
Palabras Claves Aditivo, antioxidantes, tensoactivo, flavonoides, formulación, glicerina, humectación, humectante, saponinas, fruto, cáliz.
Key words Additive, antioxidant, surfactant, flavonoids, formulation, glycerin, moisturizing, moisturizing, saponins, fruit chalice.
INTRODUCCIÓN
El aguaymanto o capulí es un arbusto oriundo del Perú. Su fruto es muy apreciado desde la época precolombina y fue cultivado en el Valle Sagrado de los Incas. Desde hace poco el aguaymanto se ha revalorizado como una fruta exótica. En los últimos años ha habido un incremento en las exportaciones destinadas, principalmente, a varios países de Europa, Asia y en América a Canadá, que alcanzó los 1,038 kg en el 2012. Esta fruta es exportada generalmente fresca o deshidratada y libre de cáliz, el cual se desecha sin ningún uso en especial. Si se tiene en cuenta que el cáliz contiene varios compuestos entre los que destacan saponinas, flavonoides, y lípidos, esta investigación busca aprovechar dicho recurso como aditivo que favorezca o aumente la acción humectante de algunas formulaciones. En ese sentido, diversos compuestos orgánicos contenidos en el cáliz del aguaymanto pueden formar emulsiones que favorecerían las propiedades humectantes de un producto cosmético. En el presente trabajo se obtiene un extracto de cáliz de aguaymanto que se agrega a formulaciones, cuya acción humectante es comparada con la de jabones líquidos y lociones de formulación tradicional.
FUNDAMENTOS
Trabajos anteriores señalan que el fruto contiene altos valores de vitamina C, carotenos, lípidos -en particular ácidos grasos insaturados-, withanolidos, lactonas esteroidales presentes en varias especies de solanáceas con importantes propiedades biológicas antitumorales y antimicrobianas. Baumann y Meier(3) sugieren que estos compuestos constituyen defensas químicas y mecánicas para el fruto. Otras investigaciones destacan también el aislamiento de compuestos antioxidantes, entre ellos, flavonoides y polifenoles. Chasquibol (2) presenta aplicaciones adicionales de este fruto en aplicaciones cosméticas con el empleo de las semillas, debido a su contenido en ácidos grasos insaturados. Actualmente se han desarrollado formulaciones que contienen extracto de aguaymanto para la fabricación de cremas cosméticas, que buscan aprovechar los diversos componentes del fruto. Hasta la fecha solo se tiene información acerca de los compuestos presentes en el fruto en diversas regiones. Así, se han desarrollado productos a partir de este y también de las semillas. Este trabajo propone la utilización de los cálices del aguaymanto como materia prima para obtener un extracto. Dicho extracto contiene otros componentes que pueden mejorar la acción humectante de productos cosméticos, y así desplazar a los humectantes de origen sintético. De esta manera, se aprovecharía también el cáliz del aguaymanto que actualmente se desecha. Se diseñaron formulaciones para jabones líquidos y lociones humectantes que contienen extracto de cáliz, cuyas propiedades de humectación serán puestas a prueba. La metodología de investigación consistió en la determinación del efecto humectante mediante la retención del agua. Se prepararon cuatro formulaciones de jabón líquido basadas en fórmulas de orientación para preparados cosméticos (1) y se estimó la retención de agua comparando con cuatro formulaciones que contenían el extracto del cáliz de aguaymanto a una temperatura constante de 45 °C en una estufa. El mismo procedimiento se llevó a cabo en tres formulaciones de lociones para preparados cosméticos a base de glicerina y otras tres formulaciones a base de extracto de cáliz.
METODOLOGÍA
Figura 1. Fruto del aguaymanto y el cáliz correspondiente a la cubierta. Elaboración propia.
El aguaymanto o capulí (Physalis peruviana) es un arbusto que pertenece a la familia de las solanáceas. Es oriundo del Perú, se encuentra en varias partes de Sudamérica y ha sido llevado a otros países como Nueva Zelanda, Paquistán e Irán. Presenta flores amarillas y un fruto globular de color anaranjado cubierto por un cáliz pardo claro. Los frutos son apreciados por su sabor agradable y característico. Estos se exportan sin cáliz, frescos o, en su defecto, deshidratados. Actualmente, se emplean en recetas culinarias. 24
Los frutos de aguaymanto fueron colectados en el distrito de Muquiyauyo, provincia de Jauja, Junín en noviembre de 2013. Se extrajeron los cálices, que se desecaron al sol a 25 °C hasta alcanzar un peso constante. Se obtuvieron 100 g de cálices molidos, los cuales fueron sometidos a extracciones sucesivas en cloroformo o en etanol absoluto. Se consiguieron 2,2 g de extracto clorofórmico y 7 g de extracto etanólico. Se prefirió usar el extracto etanólico de cáliz de aguaymanto por el mayor rendimiento del proceso de extracción. Se determinó cualitativamente la presencia de saponinas y flavonoides.
Se prepararon varias formulaciones de jabones lĂquidos y lociones humectantes a partir del extracto etanĂłlico. La formulaciĂłn N°1 se considera como estĂĄndar porque permite comparar el comportamiento humectante de las formulaciones con un contenido de extracto de caliz. En las diferentes formulaciones se compararon las cantidades de extracto a ďŹ n de evaluar los resultados de su acciĂłn humectante. La humectaciĂłn se determinĂł por el comportamiento que presenta la formulaciĂłn en retener agua. Las pruebas que se realizaron fueron el porcentaje de pĂŠrdida de agua en el producto sometido a 45 °C en la estufa y porcentaje pĂŠrdida de tiempo vs peso. Las cuatro soluciones de jabĂłn lĂquido se basaron en formulaciones para cosmĂŠticos (1). Grafico 1. VariaciĂłn del porcentaje de agua que se pierde en las muestras de cada formulaciĂłn de jabones lĂquidos. ElaboraciĂłn propia.
FormulaciĂłn 1 Lauril sulfato de TEA [trietanolamina] (Texapon) Glicerina Monoetanolamida de ĂĄcido lĂĄurico (Comperlan) ClNa H2O c.s.p.
3g 0,2 g 0,3 g 0,1 g 25 ml
FormulaciĂłn 2 Lauril sulfato de TEA (Texapon) Extracto alcohĂłlico de cĂĄliz de aguaymanto ClNa H2O c.s.p.
En el grĂĄďŹ co 1 se aprecia que las formulaciones 1 y 3 presentan la misma resistencia a la pĂŠrdida de agua y las muestras 2 y 4 muestran un comportamiento levemente menor a la resistencia en la perdida de agua. Se muestra que la variaciĂłn de porcentaje de agua perdida, entre las muestras con extracto, es mayor en la muestra de la formulaciĂłn 2 que contiene una mayor cantidad del extracto de todas las formulaciones.
2,2 g 0,6 g 0,2 g 25 ml
FormulaciĂłn 3 Lauril sulfato de TEA (Texapon) Monoetanolamida de ĂĄcido lĂĄurico (Comperlan) Extracto alcohĂłlico de cĂĄliz de aguaymanto ClNa H2O c.s.p.
2g 0,4 g 0,41 g 0,20 g 25 ml GrĂĄfica 2. VariaciĂłn de peso de las muestras a 45 °C en muestras de las formulaciones de jabones lĂquidos. ElaboraciĂłn propia.
FormulaciĂłn 4 Lauril sulfato de TEA (Texapon) Monoetanolamida del ĂĄcido lĂĄurico (Comperlan) Extracto alcohĂłlico de cĂĄliz de aguaymanto ClNa H2O c.s.p.
2,01 g 0,27 g 0,31 g 0,23 g 25 ml
Se midieron volĂşmenes iguales de cada una de las soluciones de jabones lĂquidos para la estimaciĂłn de su capacidad humectante. Se registraron los pesos horarios para las cuatro formulaciones Se tomaron los pesos iniciales para cada una de las formulaciones y se analizaron sus variaciones en el tiempo a una temperatura constante de 45 °C.
RESULTADOS
Prueba 1: Jabones lĂquidos A continuaciĂłn, se muestran los resultados obtenidos para las formulaciones de jabones lĂquidos sin extracto y con extracto.
En esta grĂĄďŹ ca se puede observar que el comportamiento en cada formulaciĂłn no dependerĂĄ del contenido de extracto de cĂĄliz. Prueba 2: Lociones Se prepararon tres formulaciones de lociones que contienen distintas cantidades de un humectante clĂĄsico como la glicerina. Las tres formulaciones que no contienen en su formulaciĂłn extracto de caliz corresponden a los blancos A, B y C. t #MBODP " "MDPIPM NM (MJDFSJOB H - H20 D T Q NM t #MBODP # "MDPIPM NM (MJDFSJOB H - H20 D T Q NM 25
t #MBODP $ "MDPIPM NM (MJDFSJOB H - H20 D T Q NM
lar en las muestras 2 y 3. En cada formulaciรณn la concentraciรณn del extracto no mostrรณ una relaciรณn en funciรณn a su contenido de extracto de cรกliz. Por ejemplo la muestra 4 que contiene mayor contenido de extracto de cรกliz muestra un comportamiento distinto a las muestras 2 y 3. Ademรกs si se compara con el grรก๏ฌ co 3 se puede apreciar un comportamiento muy similar a las formulaciones de lociones clรกsicas que usaron como humectante la glicerina.
Grรกfica 3. Variaciรณn de peso de las formulaciones de lociones que no incluyen extracto de cรกliz los que se les ha considerados blancos. Elaboraciรณn propia.
En la grรก๏ฌ ca 3 se aprecia que el porcentaje peso vs tiempo muestran formulaciones de lociรณn clรกsica que contienen glicerina como agente humectante. A continuaciรณn se presentan tres formulaciones que contienen el extracto de cรกliz de aguaymanto en cantidades distintas las que llamaremos muestras 2, 3 y 4. t .VFTUSB "MDPIPM NM &YUSBDUP H - H20 D T Q NM
Grรกfica 5. Variaciรณn del porcentaje de agua perdida de las formulaciones. Elaboraciรณn propia.
El grรก๏ฌ co 5 presentan variaciones del porcentaje en perdida de agua sin embargo no se encontrรณ relacionado a la concentraciรณn de extracto de cรกliz en cada una de las formulaciones.
DISCUSIร N DE RESULTADOS
t .VFTUSB "MDPIPM NM &YUSBDUP H - H20 D T Q NM
La grรก๏ฌ ca 1 presenta el comportamiento de cuatro formulaciones EF KBCร O Mร RVJEP MB QSJNFSB DPOTJEFSBEB CMBODP Z MBT USFT SFTtantes contienen diferentes cantidades de extracto de cรกliz de aguaymanto. Asimismo, el gra๏ฌ co 2 de jabรณn lรญquido que contiene extracto de cรกliz, no guarda una relaciรณn directa con las formulaciones que tienen mayor o menor cantidad de extracto.
t .VFTUSB "MDPIPM NM &YUSBDUP H - H20 D T Q NM
Para las formulaciones de lociones, se muestran los grรก๏ฌ cos 3, las formulaciones presentan un comportamiento humectante de las formulaciones que contienen glicerina En los grรก๏ฌ cos 4 y 5 se muestra el comportamiento humectante de las formulaciones que contienen formulaciones con distintas cantidades de extracto de cรกliz.
CONCLUSIONES
Se utilizรณ el extracto alcohรณlico de cรกliz debido a que se obtuvo mayor cantidad de producto con este procedimiento. Las formulaciones 2 y 3 de jabรณn lรญquido con extracto de cรกliz de aguaymanto presentan un comportamiento humectante similar al que contiene glicerina. Grรกfica 4. Variaciรณn en porcentaje de peso vs. tiempo en minutos de las formulaciones con extracto de cรกliz. Elaboraciรณn propia.
En el grรก๏ฌ co 4 las formulaciones presentan con extracto de cรกliz de aguaymanto una perdida en el peso respecto del tiempo simi-
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El extracto de cรกliz de aguaymanto puede comportarse como aditivo humectante pero no estรก relacionado a un aumento de concentraciรณn.
Las formulaciones que contienen extracto de aguamanto en las formulaciones de lociones tienen un comportamiento semejante a las formulaciones con glicerina, presentando humectación al mismo tiempo aportan un color y una fragancia característica.
Ivonne Parian Alumna del quinto ciclo de la carrera de Procesos Químicos y Metalúrgicos en Tecsup Lima. ivonne.parian@tecsup.edu.pe
REFERENCIAS Diego Chirinos [1]
Dehidag, Henkel Formulación para preparados cosméticos (1979) Henkel KGaA Düsseldorf Alemania
[2]
Chasquibol, N. (2010) Aguaymanto para la cosmética. Universidad de Lima
[3]
Baumann, T. W. & Myers, C. M. (1993). Phytochemistry 33, 317-321
[4]
Meadow, T. (1980). Cosmetics & Toiletries 51 95
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Ramadan, M. & Mörsel J. T. (2003) J Agric. Food Chem. 51, 969-974
[6]
Ahmad, S., Yasmin, R. & Malik, A. (1999) Chem. Pharm. Bull. 47 (4) 477-480.
[7]
Wollenweber, E., Dörsam, M., Dörr, M., Roitman, J. & Valant-Vetschera, K. M. (2005). Z. Naturforsch, 66, 661-670
Alumno del quinto ciclo de la carrera de Procesos Químicos y Metalúrgicos en Tecsup Lima. diego.chirinos@tecsup.edu.pe
GLOSARIO
Aditivo: Ingrediente en formulaciones que otorga al producto cualidades específicas tales como textura, olor, color, sabor, conservación. c.s.p.: Cantidad suficiente para. Humectante: Preparación de aplicación tópica o cutánea que reduce la pérdida de agua de la piel al evitar o limitar la evaporación. Monoetanolamida del ácido láurico (MEA) COMPERLAN®: Aditivo que se emplea como espesante en formulaciones líquidas.
ACERCA DE LOS AUTORES
Laurence Salmon Barrantes
Lauril sulfato de trietanolamina (laurilsulfato TEA) TEXAPON T®: Detergente o tensoactivo para formulaciones de champús y jabones líquidos.
Químico farmacéutico. Egresado de la Maestría de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Ha trabajado en laboratorios farmacéuticos y cosméticos. Actualmente es docente principal de la carrera de Procesos Químicos y Metalúrgicos de Tecsup Lima. lsalmon@tecsup.edu.pe
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El uso de una
herramienta de cĂĄlculo como los elementos finitos permite diseĂąar estructuras con mayor nivel de confianza en los resultados.
César Vera, Tecsup
Cálculo y diseño estructural sometido a carga de viento de un colector parabólico solar (ANSYS R15.0) Structural Calculation Subjected to Wind Load of a Solar Parabolic Collector (ANSYS R15.0) RESUMEN
El presente artículo brinda los resultados de una investigación acerca de la carga estructural ocasionada por el viento de un colector parabólico solar. El cálculo del diseño y dimensionamiento fue obtenido en una versión anterior y publicada en el artículo “Cálculo y diseño de un colector parabólico para la generación de vapor utilizando energía solar”. El método de los elementos finitos (MEF) ha adquirido gran importancia en la solución de problemas de ingeniería que hasta hace poco tiempo eran prácticamente imposibles de resolver por métodos matemáticos tradicionales. Actualmente, existen diferentes programas de simulación en el campo estructural, tanto de ingeniería asistida por computadora (CAE) como de diseño (CAD), en el caso de los CAE, el programa ANSYS permite solucionar casos de carga estructural y muestra, de manera visual, dónde se genera más esfuerzo y mayor deformación. En este estudio, dibujamos y simulamos un colector parabólico sometido a una carga alta de viento, ya que dicha estructura estaría ubicada en la parte superior de una construcción donde ocurren fuertes ráfagas de viento. El objetivo de la investigación es demostrar que no existe riesgo de colapso estructural del diseño, para lo que se hizo una simulación del proceso antes de ser puesto a prueba.
ABSTRACT
This article provides the results of the structural loads caused by the wind of a solar parabolic trough, the calculation of the design and sizing was obtained in an earlier version with the item name “Calculation and Desing Parabolic collector for Steam Generation Using Solar Energy”. The finite element method (FEM) has become very important as alternative to the solution of engineering problems that until recently were virtually impossible to solve by conventional mathematical methods. Currently we have different simulation programs in the structural field, the Computer-Aided Engineering (CAE) and the Computer-Aided Design (CAD). ANSYS program (a CAE software) offers solutions for structural load problems and displaying visually where high effort and greater deformation are generated. For this study, we draw and simulate a parabolic collector under high wind load conditions, since that system would be located on the top of a building where these conditions exist. The aim of the research is show that there is no risk of structural collapse for the design, running a simulation before being tested.
Palabras Claves Colector Parabólico, Energía Solar, Elementos Finitos, Diseño Estructural.
Key words Parabolic Collector, Solar Energy, Finite Element, Structural Design.
INTRODUCCIĂ“N
una ecuaciĂłn diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales, a un sistema con un nĂşmero ďŹ nito de grados de libertad cuyo comportamiento es modelado por un sistema de ecuaciones, lineales o no.
El cĂĄlculo estructural incluye una amplia variedad de procedimientos y tĂŠcnicas bastante elaboradas, que integran matemĂĄticas y fĂsica para generar procesos con el ďŹ n de encontrar resultados muchas veces abstractos y complejos de interpretar. Antes, el cĂĄlculo de una estructura compleja (ďŹ gura 1) obviaba muchas variables, lo que no permitĂa resolver todos los problemas al momento de ponerlo a prueba.
Figura 2: GeneraciĂłn de nodos y elementos en un plano estructural
Figura 1: Estructura sometida a cargas puntuales.
Para llevar a cabo la investigaciĂłn del cĂĄlculo estructural de un colector parabĂłlico solar por carga de viento, decidimos aplicar metodologĂas de resistencia de materiales y diseĂąo de elementos, con vigas colocadas en una base mĂłvil, para deďŹ nir el peso de la estructura y las reacciones que se generan. Mediante el uso de una metodologĂa analĂtica, concluimos que la mayor carga de esfuerzos tenĂa que ser dada por el viento, que en circunstancias extremas alcanza velocidades de hasta 40 km/h en la ciudad. Dicha soluciĂłn nos brindaba resultados no acordes con el grado de complejidad de nuestra estructura, por lo que decidimos utilizar un software CAE (ANSYS R15.0). Este genera nodos y elementos (desintegrar la estructura en partes pequeĂąas) que facilitan obtener resultados que den una idea de su grado de convergencia con el sistema real.
DeformaciĂłn elĂĄstica y plĂĄstica (
):
Cuando una pieza se somete a una fuerza de tensiĂłn uniaxial, se produce una deformaciĂłn del material. Si este vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa, se dice que el material ha sufrido una deformaciĂłn elĂĄstica. Si el material es deformado hasta el punto que los ĂĄtomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se aďŹ rma que ha experimentado una deformaciĂłn plĂĄstica. Al respecto, la ley de )PPLF FTQFDJmDB , sus unidades son
Donde k es la constante de deformaciĂłn plĂĄstica, F la fuerza aplicada (N) y la variaciĂłn de longitud (m). Esfuerzo y deformaciĂłn unitaria:
FUNDAMENTOS
Por deďŹ niciĂłn, el esfuerzo S en una barra es igual al cociente entre la fuerza de tensiĂłn uniaxial media F y la secciĂłn transversal original A0 de la barra.
El mĂŠtodo de elementos finitos: , sus unidades son El MEF permite realizar un modelo matemĂĄtico de cĂĄlculo del sistema real, mĂĄs fĂĄcil y econĂłmico de modiďŹ car que un prototipo a escala. Sin embargo no deja de ser un mĂŠtodo aproximativo de cĂĄlculo debido a sus hipĂłtesis bĂĄsicas subyacentes. Por ello, los prototipos siguen siendo necesarios, aunque en menor nĂşmero, ya que el modelo puede acercarse bastante mĂĄs al diseĂąo Ăłptimo. La idea general del mĂŠtodo de los elementos ďŹ nitos es la divisiĂłn de un continuo, en un conjunto de pequeĂąos elementos interconectados por una serie de puntos llamados nodos.
Por otro lado, la deformaciĂłn unitaria originada por la acciĂłn de una fuerza de tensiĂłn uniaxial sobre una muestra es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra en la direcciĂłn de la fuerza y la longitud original. =
=
TensiĂłn de Von Mises: Las ecuaciones que rigen el comportamiento del continuo, regirĂĄn tambiĂŠn el del elemento. De esta forma se consigue pasar de un sistema continuo (inďŹ nitos grados de libertad), determinado por 30
El criterio de mĂĄxima tensiĂłn de Von Mises se basa en la teorĂa de Von Mises-Hencky, tambiĂŠn conocida como teorĂa de la energĂa de cortadura o teorĂa de la energĂa de distorsiĂłn mĂĄxima.
Nuestra intenciĂłn es calcular la deformaciĂłn y el esfuerzo mĂĄximo de Von Mises, y en quĂŠ puntos se aplican, para determinar si nuestra estructura aguantarĂa una carga alta de viento y tomar las medidas necesarias, en caso de tener un diseĂąo que no resista los esfuerzos y deformaciones propias de la simulaciĂłn.
Con estos resultados se procediĂł a dibujar el colector parabĂłlico 3D en el programa SolidWork 2012 (versiĂłn educativa bajo la licencia de Tecsup-Sur).
Fuerza de arrastre: La fuerza de arrastre para cualquier perďŹ l estĂĄ dada por la ecuaciĂłn FD= 1 lv2CDAD 2 Donde V (m/s) es la velocidad del uido. CD es el coeďŹ ciente de arrastre y AD (m2) el ĂĄrea de contacto con el viento, despejando la ecuaciĂłn obtenemos la expresiĂłn de presiĂłn aplicada, que serĂa la divisiĂłn de fuerza (FD) entre el ĂĄrea (AD).
Figura 4: Estructura y montaje de colector parabĂłlico.
Luego se exportĂł la geometrĂa al software de simulaciĂłn ANSYS R15.0 (versiĂłn acadĂŠmica, bajo licencia Tecsup-Sur).
METODOLOGĂ?A
Dibujo y diseùo del colector parabólico -PT SFTVMUBEPT PCUFOJEPT EFM EJTF×P F=0.55m (longitud de foco de paråbola a la base) W=1.071m (Xmåx de la paråbola) A=88.47° (Angulo alfa) L=1.8m (longitud real del tubo) D=2.256 cm (diåmetro real del tubo)
Figura 5: Ventana Workbench, para exportaciĂłn de GeometrĂa.
La versión utilizada presenta una ventana de trabajo (Workbench) que nos permite manipular diferentes módulos de simulación aparte del estructural como de transferencia de calor, vibración, dinåmica de uidos, motores de combustión, etc.
Figura 3: PerďŹ l de parĂĄbola
Una vez ingresada la geometrĂa se generan las condiciones de Model, Setup, Solution y Results; para ingresar las condiciones de contorno nos dirigimos a Model, que es una funciĂłn del controlador del sistema Static Structural.
Figura 6: Ventana Model entrega de variables de contorno y soluciĂłn numĂŠrica
31
El software nos dará las condiciones geométricas favorables en función del tipo de ensamble que se obtuvo en el CAD, para lo que necesitamos introducir condiciones de conexiones. En la parte izquierda de la ventana aparecen listas desplegables, (Outline) en las que se muestran dichas condiciones, para modificar y mejorar el
tipo de conexiones entre el dibujo primario y el modelo final. Cabe resaltar que utilizamos solo el colector parabólico sin sus bases, puesto que el número de nodos y elementos generados eran demasiados. Ello disminuyó la calidad de malla autogenerada por el programa con esta limitación.
Figura 7: Lista desplegable de variables de contorno
Luego, procedimos a ingresar las variables de contorno, como la fuerza debido al peso (Standar Earth Gravity), los soportes fijos (Fixed Support) y la presión ejercida en la parábola del colector (Pressure). El cálculo de la presión ejercida en la parábola se basó en el concepto de fuerza de arrastre mediante la aplicación de un Cd = 2.3 para un cascarón semiesférico [1], y una velocidad de viento 40 km/h, la máxima registrada en la ciudad de Arequipa.
RESULTADOS
Calculamos la presión ejercida en la parábola debido a la fuerza de arrastre entre el área de la misma, obtuvimos un valor de 166.7 Pa. Para efectos de cálculo eliminamos la presión atmosférica, puesto que se anula al estar a ambos lados de la superficie, luego se procedió a ingresar la constante de presión.
Con el cálculo de la presión se completó la definición de todas las variables de contorno.
Figura 8: Colocación de la presión por carga de viento en arco parabólico.
32
Una vez colocadas las variables de presión, observamos la calidad de malla en toda la estructura, para examinar la coherencia entre los puntos, donde podrían encontrarse los mayores esfuerzos y deformaciones.
Para calcular el esfuerzo utilizamos la tensión equivalente de Von Mises.
Figura 9: Calidad de malla de la estructura
Ejecutamos el programa con la calidad de malla en 100%, con las variables de contorno necesarias, procedimos a localizar la deformación y estimar su límite máximo y mínimo.
Figura 12: Vista superior del esfuerzo de Von-Mises.
Constatamos que el máximo esfuerzo equivalente se encuentra en la zona de acople del parante central con la base de parábola.
Figura 10: Vista superior de la deformación.
El límite máximo de deformación se ubicó en los laterales del ensamblado de la parábola, con un valor de 0.0012839 m o 1.2839 mm en las zonas de color rojo; mientras que el mínimo alcanzó el valor de 0 m en las de color azul, según la leyenda (figura 10).
Figura 13: Unión donde se encuentra el mayor esfuerzo.
El máximo esfuerzo es de 21.5 x106N/m2 que es menor que el módulo de Young del aluminio (6.8x1010 N/m2) y del hierro (7.8x1010 N/m2). Los demás valores se muestran en la leyenda, según los colores (figura 13).
CONCLUSIONES
Demostramos que en la parte lateral del colector se produce la mayor deformación por carga de viento, lo que se debe tomar en cuenta en la construcción del modelo.
Figura 11: Vista del colector donde presenta mayor deformación.
El mayor esfuerzo equivalente (Von Mises) se genera en la parte inferior central de la parábola, no es mayor a la del esfuerzo del límite plástico tanto del aluminio como del acero, y no existe riesgo de deformación plástica.
33
Los presentes resultados conďŹ rman que se puede construir un colector parabĂłlico con los perďŹ les y materiales utilizados en la simulaciĂłn, con un factor de seguridad igual a 3, sin riesgo de rupturas ni deformaciones plĂĄsticas de la estructura.
REFERENCIAS
[1] Cengel, Yunus & Cimbala, Jhon. (2003). MecĂĄnica de FluiEPT 'VOEBNFOUPT Z "QMJDBDJPOFT .D (SBX o )JMM .Ă?YJDP D.F. [2] Zienkiewctz.O & Morgan.K (1982). Finite Elements and Approximation, New Cork, Wiley. [3] -JWFTMFZ 3 'JOJUF &MFNFOU "O *OUSPEVDUJPO GPS &OHJneer, Cambridge University Press, Cambridge. Great Britain. [4] ANSYS Structural Mechanics (2013), Training Manual; USA; ANSYS, Inc.
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ACERCA DEL AUTOR
CĂŠsar Vera Vasquez MSc. en Termociencias por la PontĂďŹ ce Universidade CatĂłlica de Rio de Janeiro (Brasil). Actualmente se desempeĂąa como docente en el ĂĄrea de MecĂĄnica en Tecsup-Sur, donde dirige el programa de Desarrollo y PromociĂłn de TecnologĂa Basada en Fuentes de EnergĂa Renovable. cverav@tecsup.edu.pe
El establecimiento de
metas sobre desempe帽o de los programadores de producci贸n en lo refernte a los costos relacionados con el tama帽o de lote para disminuir la dispersi贸n en costos.
William Agurto, Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A. / Ángela Chávez, Yura S.A. / Ricardo Pantoja, Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A. / Antonio Pinto, Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A.
Decisiones en la planificación jerárquica de la producción: metas, heurísticas y sesgos Decision Making in Hierarchical Production Planning: Goals, Heuristics and Biases RESUMEN
La presente investigación tuvo como objetivo determinar el efecto del establecimiento de metas sobre el desempeño de los programadores de producción en lo referente a los costos relacionados con la elección del tamaño de lote. Para ello, se llevó a cabo un experimento que simula el entorno de planificación jerárquica de la producción. Este mismo instrumento se utilizó también para detectar algunas de las heurísticas y sesgos que influyen en la toma de decisiones de los programadores de producción. La observación de comportamientos reiterativos durante el experimento y la aplicación de métodos estadísticos paramétricos para el análisis han permitido inferir que: (a) las metas impuestas a los programadores de producción logran aminorar la dispersión de los costos obtenidos y hacen más predecibles los resultados, pero no influyen en el desempeño; (b) las heurísticas más utilizadas por dichos programadores son de representatividad y de disponibilidad; y (c) los sesgos que con mayor frecuencia afectan las decisiones de los programadores de producción están asociados al establecimiento subjetivo de probabilidades, a la aversión a la pérdida, y a la miopía.
ABSTRACT
The present research applies an experiment to simulate a hierarchical production planning environment to determinate the effect of goal setting on the production scheduler’s performance, related to lot sizing costs. The same instrument is also useful to detect some heuristics and biases influencing on production scheduler’s decision making. The observation of reiterative behavioral patterns and the use of statistical parametric methods show that: (a) goal setting reduces production scheduler’s cost dispersion, making the results more predictable, but it doesn’t have influence on performance; (b) representativeness and availability heuristics are the most applied by production schedulers; and (c) the more frequent biases affecting production scheduler’s decision making are related to subjective probability setting, loss aversion, and myopia. The methodology is adaptable to other production environments and organizational functional areas.
La metodología empleada es adaptable a otros campos del ámbito de producción e incluso a otras áreas funcionales de las organizaciones.
Palabras Claves Planificación jerárquica de la producción, HPP, tamaño de lote, toma de decisiones, racionalidad limitada, metas, heurísticas, sesgos, aversión a la pérdida, miopía.
Key words Hierarchical production planning, HPP, lot sizing, decision making, bounded rationality, goals, heuristics, biases, loss aversion, myopia.
INTRODUCCIÓN
La planificación es una función administrativa que implica definir los objetivos de la organización, establecer estrategias para lograr dichos objetivos, y desarrollar planes para integrar y coordinar actividades de trabajo (Robbins & Coulter, 2010). Para cumplir dicha función es necesario que el diseño organizacional contemple (a) una ruta y un lugar para la toma de decisiones y la coordinación, y (b) un sistema de reporte y comunicación (Czinkota & Ronkainen, 2008). En general, se adoptan estructuras organizacionales jerárquicas porque la toma de decisiones se descompone en marcos temporales, y cuentan con una armonía lógica que se refleja en los organigramas. En el ámbito productivo el modelo prevalente es el de la planificación jerárquica de la producción, del inglés hierarchical production plannnig (HPP), (Bitran & Tirupati, 1993; Hax & Candea, 1984; Hax & Meal, 1975), el que comprende tres niveles de decisión: (a) estratégico, liderado por el gerente; (b) táctico, del cual el planificador de producción es responsable; y (c) operacional, a cargo del programador de producción. De numerosos estudios previos en el entorno HPP (Bitran & Tirupati, 1993; Englberger, Herrmann, & Claus, 2013; Hax & Candea, 1984; Hax & Meal, 1975; Maravelias & Sung, 2009; Pochet & Wolsey, 2006; Schneewei`, 2004; Söhner & Schneeweiss, 1995; Thomas & McClain, 1993; Vicens, Alemany, Andrés, & Guarch, 2001; Wang & Yeh, 2014; White, 2012) se concluye que la interacción entre el planificador de producción y el programador de producción ha sido analizada sobre todo desde una perspectiva eminentemente racional1, sin considerar el problema que aborda la presente investigación: (a) que las personas, al momento de tomar decisiones, utilizan heurísticas (concepto que será explicado más adelante), lo que podría llevarlos a introducir sesgos en sus juicios (Goodwin & Wrigth, 2004; Robbins & Judge, 2009; Tversky & Kahneman, 1974); y (b) que factores tales como la confianza (Mayer, Davis, & Schoorman, 1995; Schoorman, Mayer, & Davis, 2007; Zand, 1972) y el establecimiento de metas (Gollwitzer, 1990; Locke & Latham, 2006) influyen en el desempeño. Todo ello tiene el potencial de originar desviaciones económicas cuya magnitud podría tener serias implicancias en los resultados financieros de las organizaciones, dado que por lo menos el 75% de los activos, el 80% del personal, y el 85% de los costos son empleados por el área de producción de una empresa, de acuerdo a Skinner (citado en D’Alessio, 2012). Esto concuerda en gran medida con las cifras de los estados financieros de las empresas del sector productivo y extractivo que se encuentran en la base de datos de la Superintendencia de Mercados y Valores (2013).
Por ello, el objetivo de la presente investigación se centra en el estudio del comportamiento del programador de producción en el contexto HPP. Mediante el desarrollo y la aplicación de un instrumento programado para simular el entorno HPP (basado en el código inicial de Martínez, 2012) se pretende: (a) determinar el efecto del establecimiento de metas sobre el desempeño de los programadores de producción en lo referente a los costos relacionados con la elección del tamaño de lote, y (b) detectar algunas de las heurísticas y sesgos que influyen en la toma de decisiones de los programadores de producción.
FUNDAMENTOS
Existe abundante literatura sobre la teoría de decisiones (Arrow, 2004; Dane & Pratt, 2007; Goodwin & Wrigth, 2004; Hansson, 1994; Kahneman, 2003; Kahneman & Tversky, 1977; Kramer & Block, 2008; Nickerson, 1998; Robbins & Judge, 2009; Stanovich, 2010; Staw, 1981; Tversky & Kahneman, 1974, 1981, 1991; Werth, Strack, & Förster, 2002) que brinda detalles sobre cómo las heurísticas2 pueden generar sesgos3. No obstante, son escasas las investigaciones relacionadas a las operaciones desde una perspectiva comportamental (Bendoly, Donohue & Schultz, 2006; Gino & Pisano, 2008; Loch & Wu, 2005), y es más reducido aún el número de las que han abarcado el entorno de la planificación de la producción con un enfoque descriptivo (Davis & Kottemann, 1994; Gasser, Fischer & Wäfler, 2011). En general, los estudios no toman en cuenta que se requiere que los planificadores y programadores interactúen de manera continua. Así, la efectividad de sus decisiones está supeditada a cómo se lleve a cabo esa relación, ya que el trabajo en equipo usualmente involucra interdependencia (y, por lo tanto, confianza) y, por ende, los individuos dependen de otros de varias maneras para alcanzar sus propias metas y las metas organizacionales (Mayer et al., 1995; Zand, 1972). Por otro lado, hay evidencia de que las metas motivan a la gente a usar sus habilidades y/o a buscar nuevo conocimiento (Locke & Latham, 2006), y que la factibilidad y deseabilidad son los factores clave por los cuales un individuo determina qué deseo se convierte en meta, el grado de compromiso con la meta, las acciones a seguir, y la comparación final entre el esfuerzo empleado y la retribución obtenida (Gollwitzer, 1990). Pese a todo lo mencionado, las metas, las heurísticas y los sesgos no han sido estudiados de manera exhaustiva en el contexto de la planificación jerárquica de la producción, menos aún en el Perú. El presente trabajo, además de ser pionero en el tema, tiene una fortaleza poco frecuente en otras investigaciones del rubro: las personas cuyo comportamiento se va a estudiar laboran directamente en el ambiente productivo (o tienen relación directa con él), y la mayoría de ellas desempeña el rol de planificador o programador en sus respectivos centros de trabajo, hecho que resalta la validez ecológica de la investigación, y la importancia que pueden tener las conclusiones a las que se arriben. Las premisas (asunciones) utilizadas para el diseño y la programación del instrumento (con los programas informáticos: Ztree, Gusek y Matlab) fueron: 2 Las heurísticas son estrategias que simplifican un problema complejo para facilitar su entendimiento, con el fin de obtener soluciones satisfactorias y suficientes, pero no necesariamente óptimas (Robbins & Judge, 2009).
1 En este contexto, lo racional se refiere a la toma de decisiones que maximizan la utilidad (beneficio) dentro de ciertas restricciones específicas (Simon, 1955, 1986; Stanovich, 2010).
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3 Los sesgos son errores sistemáticos, es decir, no aleatorios, que alejan una solución de la racionalidad (Tversky & Kahneman, 1974).
t -BT QFSTPOBT RVF QBSUJDJQBSÈO FO FM FYQFSJNFOUP OP UFOESÈO dificultades para seguir las instrucciones y entender la terminología propia de la planificación jerárquica de la producción durante la ejecución de dicho experimento (probabilidades, demanda, costos, capacidades). t -BT EJTUSJCVDJPOFT EF EFNBOEB QVFEFO UFOFS TPMBNFOUF USFT categorías: alta demanda, media demanda y baja demanda, seleccionadas aleatoriamente al inicio de cada trimestre, y cuya realización se da periodo a periodo4. t RVF FM permite QSPHSBNBEPS PSEFOB FT del MP programador RVF FO 4 5PEP MP El instrumento registrar variaciones en elQSPEVDJS comportamiento de producción a través del tiempo de duración del experimento: (a) el horizonte de planificación realidad se produce en la planta, sin tomar en cuenta todos (sesión) es de un año, el cual consta de cuatro trimestres, y cada trimestre de cinco periodos, es
aquellos problemas reales que originan desviaciones respecto al programa de producción (ausencia de personal, falla imprevista de maquinaria, entre otros factores). t -BT WFOUBT QFSEJEBT OP TPO SFDVQFSBCMFT FO QFSJPEPT QPTUFriores. t -PT DPTUPT EF QSFQBSBDJØO EF MÓOFB DPTUPT VOJUBSJPT EF NBOtenimiento de inventario, y costos unitarios de ventas perdidas se mantienen constantes durante todo el experimento. En la Figura 1 se muestra una de las pantallas de la interfaz del instrumento diseñado.
decir, en un año se toman 20 decisiones respecto al tamaño de lote a producir; (b) el participante toma decisiones a lo largo de tres horizontes de planificación independientes entre sí (tres sesiones), que miden el desempeño en costos; el primero se utiliza, además, para entrenamiento y familiarización con la interfaz.
Figura 1. Pantalla de interfaz para la toma de decisiones.
Las limitaciones de la presente investigación son: t &M NPEFMP NBUFNÈUJDP PSJHJOBM IB TJEP SFEVDJEP QBSB FM DBTP de fabricación de un solo producto, por lo que los resultados obtenidos no podrán generalizarse a situaciones de familias de productos o a productos cuya manufactura requiere más de un ítem. t &M UJFNQP QBSB RVF FM QBSUJDJQBOUF UPNF TVT EFDJTJPOFT BVOque no está restringido, es relativamente breve por la naturaleza misma del experimento (se simula lo que sucede en tres años en aproximadamente 90 minutos). t &M FYQFSJNFOUP FTUÈ EJTF×BEP QBSB TJNVMBS VO FOUPSOP EF QSPducción (aunque es interesante y adaptable a otros ámbitos). 4 El instrumento permite registrar variaciones en el comportamiento del programador de producción a través del tiempo de duración del experimento: (a) el horizonte de planificación (sesión) es de un año, el cual consta de cuatro trimestres, y cada trimestre de cinco periodos, es decir, en un año se toman 20 decisiones respecto al tamaño de lote a producir; (b) el participante toma decisiones a lo largo de tres horizontes de planificación independientes entre sí (tres sesiones), que miden el desempeño en costos; el primero se utiliza, además, para entrenamiento y familiarización con la interfaz.
t -PT QBSUJDJQBOUFT FO TV NBZPSÓB UJFOFO FYQFSJFODJB FO QMBOJmcación y programación, pero en un contexto distinto (mantenimiento, no producción).
METODOLOGÍA
La presente investigación tiene carácter descriptivo, y ha sido desarrollada con un enfoque cuantitativo, de diseño experimental. La aplicación de un instrumento elaborado para simular el entorno HPP ha permitido analizar el comportamiento del programador de producción desde dos perspectivas: t 6OB DPNQBSBDJØO FOUSF FM HSVQP FYQFSJNFOUBM Z FM HSVQP EF control para determinar la influencia del establecimiento de una meta de inventario, por parte del planificador (variable independiente), sobre los costos de producción obtenidos por el programador de producción (variable dependiente), dentro de un ambiente de alta confianza entre ambos agentes (variable 39
moderadora). Dicha influencia ha sido medida mediante dos pruebas paramétricas: (a) una prueba F para la diferencia de varianzas de costos, y (b) una prueba t para la diferencia de medias de los costos, con la estimación respectiva del tamaño del efecto. t 6OB DPNQBSBDJØO EFOUSP EFM HSVQP UPUBM HSVQPT FYQFSJNFOUBM y de control como un solo conjunto) para definir la influencia de los siguientes cinco factores sobre la decisión del programador de producción de elegir un tamaño de lote mayor a la demanda: (a) relación entre la capacidad y demanda, (b) relación inventario y demanda, (c) experiencia de rotura de stock, (d) el periodo de decisión, y (e) la distribución de probabilidades de demanda del trimestre. La estimación de la influencia se realizó a través de una regresión logística binaria.
mantendrá en reserva (aproximadamente 450 individuos al 30 de setiembre del 2013). La muestra fue seleccionada de dicha población mediante un muestreo estratificado proporcional por segmento ocupacional (cuatro estratos: producción, administración, logística, marketing). El tamaño de muestra mínimo se fijó considerando: (a) tamaños de efecto de nivel medio para la comparación entre el grupo experimental y grupo de control (d>0.6), (b) una potencia de prueba de por lo menos 80%, y (c) un nivel de confianza del 95%. El tamaño mínimo calculado fue de 45 individuos para el grupo de control y 45 individuos para el grupo experimental. Finalmente, se recabaron 45 para el grupo de control y 46 para el grupo experimental, tal como se ve en la Tabla 1. Segmento
Producción
Administración
Logística
Marketing
Total
La asociación entre las preguntas, hipótesis y variables de investigación, así como el análisis estadístico empleado, se muestran en la Figura 2.
Experimental
31
11
2
2
46
Control
31
11
1
2
45
Total
62
22
3
4
91
Grupo Preguntas de investigación
Hipótesis de investigación
P1. Influyen las metas de producción de un planificador en el comportamiento del programador en el contexto HPP?
H 1.1. Diferencia de costos debido a meta.
P2. ¿Qué factores y heurísticas (o reglas de juego) influyen en el programador de producción al tomar las decisiones en un ambeinte HPP?
H 2.1. Influencia de relación C/D(t). H 2.2. Influencia de relación I/D(t) H 2.3. Influencia de SR. H 2.4. Influencia de t. H 2.5. Influencia de P (D(t)).
Variables de investigación Independientes: VI 1.1. Meta de inventario al finalizar el trimestre
Dependientes: VD 1.1. Costos obtenidos por el programador de producción.
Análisis requerido Comparación entre grupos (experimental y control): Diferencia de medias.
Moderadoras: VM 1.1. Alta confianza entre el planificador y el programador. Independientes: VI 2.1. Cociente C/D(t) VI 2.2. Cociente I/D (t) VI 2.3. Variable dicotómica SR. VI 2.4. Variable ordinal t. VI 2.5. variable nominal P(D(t)).
Dependientes: VD 1.1. Decisión del programador de producir un lote mayor o igual al 120% de D(t).
Comparación dentro del grupo completo: Regresión logística.
Figura 2. Esquema de asociación entre preguntas, hipótesis y variables de investigación. C: restricción de capacidad impuesta por el planificador en el periodo t; D(t): demanda en el periodo t; I: inventario inicial en el periodo t; SR: experiencia de rotura de stock; t: periodo de decisión t; P(D(t)): distribución de probabilidad de demanda del trimestre, válida para el periodo t.
La población de estudio es el conjunto de personas que trabaja directa o indirectamente (como soporte) en el ambiente de planificación de producción de una de las empresas pertenecientes al sector de la gran minería de la región Arequipa, cuyo nombre se
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Tabla 1. Número de Personas en los Grupos de acuerdo al Segmento Ocupacional
La validez y la confiabilidad internas del instrumento diseñado se garantizaron por la equivalencia de los grupos, tanto inicialmente como durante el experimento. Todos los participantes fueron informados del propósito de la investigación: evaluar el comportamiento de un programador de producción en su ambiente real de trabajo, al tomar decisiones en un entorno desarrollado para brindar instrucciones y restricciones sobre capacidades, distribuciones de demanda, costos, confianza y metas. Además, se les indicó que la información recolectada será utilizada exclusivamente para el análisis requerido para el presente estudio. Cada uno de los participantes colaboró voluntariamente en el experimento, y recibió un incentivo extrínseco (la posibilidad de ganar una tablet si lograba obtener el mínimo costo).
RESULTADOS
Contraste de hipótesis H 1.1: diferencia de costos Mediante la prueba F de una cola se determinó que la varianza de los costos obtenidos por el grupo experimental fue menor que la varianza de costos alcanzados por el grupo de control (Tabla 2). De este resultado se puede inferir que la inclusión de una meta de inventario final originó una menor dispersión en los costos de producción obtenidos por parte del grupo de participantes que recibió dicha instrucción o, en otras palabras, la inclusión de una meta hace que los resultados logrados sean más predecibles.
del programador. Por lo tanto, puede afirmarse que las hipótesis 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 y 2.5 tienen sustento.
Grupo Control (n =45, df =44)
Experimental (n =46, df =45)
M
s2
M
s2
F
p
Escenario 1
7.45
13.13
6.84
6.84
1.92
.016
Escenario 2
5.54
10.08
4.53
3.19
3.16
.000*
Escenario 3
2.91
9.77
2.65
2.39
4.08
.000*
Variable Costos
OR 95% CI Variable
Tabla 2. 1SVFCB ' EF 6OB $PMB QBSB MB %JGFSFODJB EF 7BSJBO[BT EF MPT $PTUPT Nota. Las medias están en miles, y las varianzas en millones. *p<.001.
La prueba t de dos colas para dos muestras de varianzas desiguales (Tabla 3) no permitió afirmar que existía desigualdad entre las medias de los costos obtenidos por los grupos (es decir, no hay diferencia significativa entre la media de costos del grupo experimental y la media de costos obtenida del grupo de control). Tampoco se encontraron tamaños de efectos moderados o grandes (todos fueron pequeños). Los resultados indican, por lo tanto, que no hay argumentos suficientes para confirmar la veracidad de la hipótesis H 1.1 (que afirmaba que existe diferencia entre los costos obtenidos por los programadores de producción que reciben la instrucción de meta de inventario a alcanzar al final de cada trimestre de parte del planificador, y aquellos que no la reciben).
Relación entre la capacidad y la demanda Relación entre el inventario inicial del periodo y la demanda Experiencia previa de quiebre de stock
Periodo actual de decisión Distribución de la demanda del trimestre Constante
b
SE
Wald
p
OR
LL
UL
1.66
0.09
340.49
.000*
5.26
4.41
6.27
-0.56
0.05
106.64
.000*
0.57
0.51
0.63
0.67
0.11
36.30
.000*
1.95
1.57
2.42
-0.06
0.01
37.31
.000*
0.94
0.92
0.96
0.47
0.09
26.29
.000*
1.60
1.34
1.91
-3.86
0.18
469.02
.000*
0.02
Tabla 4. Regresión Logística Binaria: Producir un Lote Mayor o Igual al 120% de la Demanda. Nota. *p<.001.
Grupo
Variable
Control (n =45, df =44)
M
s2
Experimental (n =46, df =45) M
CONCLUSIONES
s2
sp2
df
t
p
d
Escenario 3 Escenario 2 Escenario 1
Costos
7.45
13.13
6.84
6.84
9.95
89
0.93
.358
0.19
5.54
10.08
4.53
3.19
6.59
89
1.86
.068
0.39
2.91
9.77
2.65
2.39
6.04
89
0.49
.625
0.10
Tabla 3. Prueba t de Dos Colas para la Diferencia de Medias de los Costos Nota. Las medias están en miles, y las varianzas en millones.
Contraste de hipótesis H 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 y 2.5: sobre el comportamiento del programador Del análisis dentro del grupo (regresión logística binaria, ver Tabla 4), los OR obtenidos (ningún intervalo de confianza encierra a OR = 1.00) indican que hay argumentos suficientes para inferir que (a) la relación entre la capacidad y la demanda, (b) la relación entre el inventario inicial y la demanda, (c) el quiebre de stock en los tres periodos anteriores, (d) el periodo de decisión actual, y (e) la distribución de probabilidad de la demanda del trimestre, son factores que ejercen una influencia significativa en las decisiones
La Tabla 5 muestra un resumen de los resultados del contraste de hipótesis de esta investigación. Se determinó que la asignación de una meta de inventario a alcanzar al final de cada trimestre por parte del planificador conlleva que los programadores de producción obtengan una menor dispersión en los costos (si se les compara con aquellos que no reciben dicha instrucción). Ello implica que el establecimiento de una meta conduce a que las decisiones tomadas sean más predecibles y, por lo tanto, menos sujetas a desviaciones que pudieran impactar en los resultados financieros de las organizaciones. Hipótesis
Hallazgos
Hipótesis 1.1: Existe diferencia entre los costos obtenidos por los programadores de producción que reciben la instrucción de meta de inventario a alcanzar al final de cada trimestre de parte del planificador y aquellos que no la reciben.
“Hipótesis no comprobada estadísticamente: La dispersión de costos decrece, pero no hay evidencia de que la meta mejore desempeño en costos”
Hipótesis 2.1: Si la relación entre la capacidad y la demanda aumenta, el programador de producción tenderá a elegir un tamaño de lote de producción mayor que la demanda del periodo.
“Hipótesis correlacionada estadísticamente: (OR = 5.26, p < .001) Sí hay influencia directa.”
41
Hipótesis 2.2: Si la relación entre el inventario y la demanda disminuye, el programador de producción tenderá a elegir un tamaño de lote de producción mayor que la demanda del periodo.
“Hipótesis correlacionada estadísticamente: (OR = 0.57, p < .001) Sí hay influencia inversa.”
Hipótesis 2.3: Si el programador de producción sufre una experiencia previa de quiebre de stock, tenderá a elegir un tamaño de lote de producción mayor que la de la demanda del periodo.
“Hipótesis correlacionada estadísticamente: (OR = 1.95, p < .001) Sí hay influencia directa. “
Hipótesis 2.4: La tendencia del programador de producción a elegir un tamaño de lote de producción mayor que la demanda del periodo decrecerá a medida que pase el tiempo en el escenario (sesión), es decir, conforme pasen los periodos en dicho escenario.
“Hipótesis correlacionada estadísticamente: (OR = 0.94, p < .001) Sí hay influencia inversa. “
Hipótesis 2.5: La distribución de probabilidades de la demanda del trimestre (alta, media o baja) que el programador de producción recibe como información influye sobre su elección de producir un tamaño de lote mayor que la demanda del periodo.
“Hipótesis correlacionada estadísticamente: (OR = 1.60, p < .001) Sí hay influencia directa. “
Tabla 5. Resumen de Resultados del Contraste de Hipótesis
Asimismo, a lo largo del experimento se pudo detectar algunos sesgos que afectan las decisiones de los programadores de producción al definir el tamaño de lote de producción: t /P DPOTJEFSBS MB JOGPSNBDJØO EF QSPCBCJMJEBEFT RVF TF QPTFF para predecir un resultado, asociado a la heurística de representatividad5. Este sesgo fue observado en la primera de las tres sesiones (de entrenamiento), en la que, al principio, la mayoría de participantes ignoró la información de distribución de probabilidades de la demanda del trimestre (a pesar de contar en todo momento con ese dato en la pantalla de la interfaz), basando sus decisiones únicamente en la demanda de cada uno de los periodos. Al experimentar los primeros quiebres de stock, la miopía inicial se atenuó, lo que hizo que en lugar de tomar decisiones periodo a periodo, los participantes utilizaran las probabilidades otorgadas para guardar inventario para futuros trimestres de alta demanda. t -B NBMB JOUFSQSFUBDJØO EF MB BMFBUPSJFEBE JMVTUSBEB FO MB GBMBcia del jugador6), que también se relaciona con la heurística de representatividad (Tversky & Kahneman, 1974). Aunque es racional que el programador tome sus decisiones asumiendo que las demandas con probabilidades más altas (de acuerdo al árbol de distribución de probabilidades de demanda del trimestre) son las que van a aparecer con mayor frecuencia, es 5 La heurística de representatividad consiste en la evaluación subjetiva de cuán representativos son las personas, objetos o eventos dentro de una categoría en particular, asignándose una probabilidad de pertenencia a dicha categoría en base a ese análisis (Tversky & Kahneman, 1974). 6 La falacia del jugador (en inglés, gambler’s fallacy) es un sesgo que se refleja en (a) la expectativa de encontrar ciertos patrones representativos en secuencias de eventos cortas, y (b) la expectativa de que secuencias de eventos cortas con patrones no usuales se corrijan prontamente (Tversky & Kahneman, 1974).
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incorrecto pensar que cuando eso no sucede hay algo que está mal (o que no es lógico). La suposición ignora que ello es posible para secuencias de eventos cortas (como en el experimento, en el que el árbol de probabilidades era válido solo para los cinco periodos del trimestre). Al respecto, se constató que cuando los valores reales de demanda del periodo no coincidían con los valores esperados, los participantes manifestaban su disconformidad al alegar que el dato de distribución de la demanda estaba errado, cuando en realidad era aleatorio. Esto generó un deterioro en la confianza en las instrucciones dadas por el planificador (la medición de la magnitud de este decremento no fue un objetivo de la presente investigación), hecho que, en situaciones reales, podría perjudicar enormemente la relación de interacción constructiva y colaborativa entre los individuos y, por ende, su desempeño (Mayer et al., 1995; Schoorman et al., 2007; Zand, 1972). t -B BTJHOBDJØO EF BMUBT QSPCBCJMJEBEFT B TJUVBDJPOFT GBNJMJBSFT recientes, que guarda relación con la heurística de disponibilidad7. Este sesgo se evidenció sobre todo en la primera de las tres sesiones (de entrenamiento), cuando los participantes, al haber tomado decisiones en un trimestre de alta demanda (el primero), tenían la expectativa de que esa situación volviera a suceder en los trimestres siguientes. En consecuencia, buscaron protegerse de una rotura de stock mediante la producción de un tamaño de lote grande, cercano al permitido por la capacidad máxima, sin tener en cuenta que la aparición de trimestres con demandas altas, medias o bajas se daba de manera aleatoria. t -B BWFSTJØO B MB QÏSEJEB8, explicada por la teoría de las perspectivas9. Este sesgo se manifestó cuando los participantes obtuvieron los primeros costos elevados por ventas perdidas, producto de los quiebres de stock. Ello los impulsó a producir lotes de mayor tamaño para cubrir el futuro inmediato, de manera intuitiva, sin hacer ningún análisis de costo-beneficio (aunque, varios periodos después, se percataron de que en realidad el mayor impacto en los costos era originado por las ventas perdidas, pues su magnitud era superior a la de los otros dos costos: el de preparación de línea y el de mantenimiento de inventario). Esta observación tiene soporte cuantitativo, al haberse encontrado influencia estadísticamente significativa (a través de la regresión logística binaria) de la experiencia previa al quiebre de stock sobre la tendencia del programador a elegir un tamaño de lote de producción mayor que la demanda del periodo (que valida la hipótesis H 2.3).
7 La heurística de disponibilidad consiste en la estimación de probabilidad de ocurrencia de un evento en base a la facilidad con la que la mente evoca dicho evento (Tversky & Kahneman, 1974). 8 La aversión a la pérdida (en inglés, loss aversion) es la característica por la cual las personas, al comparar ganancias y pérdidas que tienen la misma magnitud, perciben que el impacto de las pérdidas es mayor al de las ganancias (Tversky & Kahneman, 1991). 9 La teoría de las perspectivas (en inglés, prospect theory) es una alternativa a la teoría clásica de utilidad esperada (Simon, 1955), que no se basa en la asignación de probabilidades ni en la optimización de la utilidad. En contraste, calcula un valor subjetivo que se ve influenciado por dos efectos: (a) el efecto de certidumbre (en inglés, certainty effect), que contribuye a la aversión al riesgo (en inglés, risk aversion) en elecciones que incluyen ganancias seguras y a la búsqueda del riesgo en elecciones que involucran pérdidas seguras; y (b) el efecto de aislamiento (en inglés, isolation effect), que se materializa en la inconsistencia en las preferencias cuando las alternativas de decisión, siendo las mismas, se presentan de forma distinta (Kahneman & Tversky, 1979).
t -B BWFSTJØO B MB QÏSEJEB NJPQF10, que fue puesta en evidencia al constatar que los participantes eran más sensibles a la pérdida al principio del experimento, ya que producían lotes de tamaño más grande. Luego, mientras transcurrían los periodos, ganaban confianza, y reducían dichos tamaños. Hay sustento estadísticamente significativo para esta observación (regresión logística binaria), pues se determinó que la tendencia del programador a elegir un lote de producción mayor que la demanda del periodo decrece a medida que pasan los periodos (lo que valida la hipótesis H 2.4). Dada la gran influencia de las heurísticas y los sesgos en los juicios emitidos por los programadores de producción, así como el gran impacto que tienen sus decisiones en los costos de las organizaciones, los gerentes deben analizar más profundamente las heurísticas y sesgos hallados en este estudio, ya que un mejor entendimiento de los mismos podrá conllevar importantes ahorros en sus empresas. Contribuciones teóricas La presente investigación ha realizado un aporte significativo al desarrollo del campo de la administración de las operaciones bajo un enfoque comportamental: el análisis confirmó que las metas, las heurísticas y los sesgos tienen importantes implicancias en la toma de decisiones en el contexto de planificación jerárquica de la producción: t -BT NFUBT HFOFSBO NFOPS EJTQFSTJØO EF MPT DPTUPT EF QSPducción (lo que los hace más predecibles) y, por lo tanto, son de gran ayuda para la elaboración y control de los presupuestos de producción. Sin embargo, no hay evidencia que las metas mejoren el desempeño de los programadores de producción, no porque no sean deseables o factibles (Gollwitzer, 1990), o lo suficientemente motivadoras para que se apliquen los conocimientos y habilidades necesarios (Locke & Latham, 2006), sino porque, al parecer, el efecto de las heurísticas y los sesgos es más fuerte al momento de tomar decisiones. t -BT IFVSÓTUJDBT NÈT VUJMJ[BEBT QPS MPT QSPHSBNBEPSFT EF QSPducción, de acuerdo a la evidencia encontrada, son las de representatividad y disponibilidad (Tversky & Kahneman, 1974). t -PT TFTHPT RVF UJFOEFO B BGFDUBS MBT EFDJTJPOFT EF MPT QSPgramadores de producción (según los hallazgos del presente estudio) pueden clasificarse en dos tipos: (a) los relacionados con el establecimiento subjetivo (y generalmente poco racional) de probabilidades (no considerar la información de probabilidades, mala interpretación de la aleatoriedad, y asignación de altas probabilidades a situaciones recientes), descritos por 10 La aversión a la pérdida miope (en inglés, myopic loss aversion) es la sensibilidad a la pérdida en el primer intento de una toma de decisión bajo riesgo, que se atenúa en los siguientes intentos (Benartzi & Thales, 1999).
Tversky y Kahneman (1974); y (b) aquellos asociados con la aversión a la pérdida (aversión a la pérdida propiamente dicha, Kahneman & Tversky, 1979; y aversión a la pérdida miope, Benartzi & Thales, 1999). t 4FHÞO MP PCTFSWBEP FO FM FTUVEJP FM GBDUPS RVF TF BTPDJB EJrectamente con la aversión a la pérdida (Kahneman & Tversky, 1979) es el quiebre de stock. Este provoca una sobrerreacción en el programador de producción que lo lleva a producir lotes de mayor tamaño, con el fin protegerse y no volver a experimentar una situación similar de gran incremento de costos, sin considerar que el exceso de inventario también puede ser perjudicial. Por ello, el registro y seguimiento de quiebres de stock en el tiempo debe ser analizado siempre. t "QBSFOUFNFOUF MB FYQFSJFODJB FOUFOEJEB DPNP FM QBTP EFM tiempo desempeñando la misma actividad) juega un rol importante en la toma de decisiones del programador: la aversión a la pérdida miope (Benartzi & Thales, 1999) detectada en el experimento del presente estudio permite soportar dicha afirmación. Este argumento concuerda con la definición de toma de decisiones naturalística de Gasser et al. (2011). t %FCF UFOFSTF FO DVFOUB RVF UPEPT MPT SFTVMUBEPT IBO TJEP obtenidos en una población de características definidas (planificadores del sector de la gran minería de Arequipa, Perú), por lo que si se considera lo indicado por Loch y Wu (2005) respecto a la dinámica de grupos, las emociones y la cultura, hay que ser cauteloso en generalizar estos hallazgos a otros contextos. Asimismo, la metodología utilizada en la investigación es una gran contribución, puesto que no solamente implicó el diseño de un instrumento desarrollado a partir de un modelo teórico de planificación jerárquica de producción (que involucró la programación de códigos en Gusek, Matlab y Ztree), sino que además se realizó un arduo trabajo de campo para la recolección de muestras representativas de la población de interés. Como se mencionó en el acápite correspondiente a los fundamentos del estudio, no se ha hallado evidencia de investigaciones anteriores similares. Contribuciones prácticas En la realidad, las metas, las heurísticas y los sesgos no solamente afectan las decisiones en el contexto de planificación jerárquica de la producción sino que, en general, tienen el potencial de influir en cualquier área funcional de las organizaciones. Los gerentes deben considerar estos tres parámetros para conseguir mejores rendimientos financieros en sus empresas: t 5JFOFO RVF QSPQPOFS NFUBT DMBSBT Z NPUJWBEPSBT QBSB RVF las desviaciones en los presupuestos sean menores y, por lo tanto, más predecibles. Con ello se logra que el proceso de generación de valor sea más efectivo. t &O MP QPTJCMF EFCFO FTUBCMFDFS NFUBT BDPNQB×BEBT EF BMgún incentivo (no necesariamente económico) para favorecer el ambiente de competencia, ya que en esta investigación se ha hallado evidencia de que la meta y el incentivo propuestos (una tablet) contribuyeron a que los participantes se interesen y se comprometan en alcanzar el mejor resultado posible (el mínimo costo). 43
t /FDFTJUBO JEFOUJmDBS MBT IFVSĂ&#x201C;TUJDBT VUJMJ[BEBT QPS TVT DPMBCPSBdores con el ďŹ n de reconocer los sesgos a los cuales pueden estar sometidos (y para ello pueden utilizar una metodologĂa similar a la empleada en este estudio, pero adecuada a su contexto). t &T QSFDJTP RVF UPNFO NFEJEBT QBSB DPOUSPMBS MB BQBSJDJĂ&#x2DC;O EF sesgos a travĂŠs de programas de entrenamiento diseĂąados de tal forma que simulen lo mĂĄs cercanamente posible las situaciones y entornos reales de toma de decisiones de los colaboradores. t &T JNQPSUBOUF RVF DPOTJEFSFO EFTEF BIPSB JOWFSUJS FO UFDOPlogĂas de la informaciĂłn que, ademĂĄs de integrar en su diseĂąo los clĂĄsicos modelos racionales de minimizaciĂłn de costos (o sus equivalentes de maximizaciĂłn de beneďŹ cios), incorporen los datos de las heurĂsticas y sesgos, de manera que, conjuntamente con el entrenamiento, ayuden a los colaboradores a evitar los sesgos de mayor impacto ďŹ nanciero.
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ACERCA DE LOS AUTORES
William Fernando Agurto AntĂłn *OHFOJFSP .FDĂ&#x2C6;OJDP 1POUJmDJB 6OJWFSTJEBE $BUĂ&#x2DC;MJDB EFM 1FSĂ&#x17E; 16$1 .BHĂ&#x201C;TUFS FO "ENJOJTUSBDJĂ&#x2DC;O &TUSBUĂ?HJDB EF &NQSFTBT $&/536. (SBEVBUF #VTJOFTT 4DIPPM $VN -BVEF .JFNCSP EF la Sociedad Internacional de Honor Beta Gamma Sigma. Egresado de la MaestrĂa en IngenierĂa de Control y AutomatizaciĂłn, 1POUJmDJB 6OJWFSTJEBE $BUĂ&#x2DC;MJDB EFM 1FSĂ&#x17E; 16$1 CFDBEP QPS CONCYTEC. Miembro del Directorio Nacional de Investigadores del CTel. MĂĄs de 13 aĂąos de experiencia en mantenimiento. Consultor y docente en mantenimiento, conďŹ abilidad, estadĂstica e ingenierĂa mecĂĄnica. Actualmente se desempeĂąa como PlaniďŹ cador de Mantenimiento en Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A y EPDFOUF B UJFNQP QBSDJBM FO 5&$461 williamf.agurto@pucp.pe Ă ngela MarĂa ChĂĄvez Coronel "SRVJUFDUB 6OJWFSTJEBE /BDJPOBM EF 4BO "HVTUĂ&#x201C;O 6/4" .BHĂ&#x201C;TUFS FO "ENJOJTUSBDJĂ&#x2DC;O &TUSBUĂ?HJDB EF &NQSFTBT $&/536. Graduate Business School. Estudios de DiseĂąo de Proyectos, 6OJWFSTJEBE -FĂ&#x2DC;O EF &TQBĂ&#x2014;B %JQMPNBEP FO (FSFODJB EF 6OJEBEFT 6OJWFSTJEBE $BUĂ&#x2DC;MJDB 4BO 1BCMP "NQMJB FYQFSJFODJB FO asesorĂa tĂŠcnica y de proyectos de arquitectura y marketing. Actualmente se desempeĂąa como Coordinadora Zonal en Yura S.A. angela_chavezc@hotmail.com Ricardo Pantoja Retamozo *OHFOJFSP .FDĂ&#x2C6;OJDP 6OJWFSTJEBE /BDJPOBM EF *OHFOJFSĂ&#x201C;B 6/* .BHĂ&#x201C;TUFS FO "ENJOJTUSBDJĂ&#x2DC;O &TUSBUĂ?HJDB EF &NQSFTBT $&/536. Graduate Business School. MĂĄs de 12 aĂąos de experiencia en mantenimiento. Actualmente se desempeĂąa como PlaniďŹ cador de Mantenimiento en Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A. rpantojar@pucp.pe Antonio Pinto Ticona *OHFOJFSP .FDĂ&#x2C6;OJDP 6OJWFSTJEBE /BDJPOBM EF 4BO "HVTUĂ&#x201C;O 6/4" .BHĂ&#x201C;TUFS FO "ENJOJTUSBDJĂ&#x2DC;O &TUSBUĂ?HJDB EF &NQSFTBT $&/536. Graduate Business School. MĂĄs de 13 aĂąos de experiencia en mantenimiento. Actualmente se desempeĂąa como Supervisor de Mantenimiento en Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A. apintot@pucp.pe
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El ABP es altamente eficaz en las dimensiones de aplicación y análisis del rendimiento académico
Silvia Espinoza, Tecsup / Klinge Villalba, Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa
Efectividad del aprendizaje basado en problemas en el rendimiento académico del curso de Física Effectiveness of Problem-Based Learning in Academic Achievement Physics Course RESUMEN
ABSTRACT
El presente artículo muestra la efectividad del aprendizaje basado en problemas (ABP) en el rendimiento académico del curso de Física, específicamente cómo el aprendizaje surge a través de la experiencia. Para ello, se adecuaron las metodologías existentes sobre ABP con el fin de generar seis propuestas metodológicas originadas en situaciones específicas de la profesión, las cuales se desarrollaron durante un semestre académico.
The present article shows the efficiency of the learning based on problems (ABP) in the academic performance of the course of Physics, specifically how the learning arises across the experience. For it, the existing methodologies were adapted on ABP in order to generate six methodological offers originated in specific situations of the profession, which developed during an academic semester.
Se evidenció el impacto del ABP al concluir dicho periodo, a través de la aplicación de la prueba no paramétrica de Mc-Nemar, con un nivel de confianza de 95%.
The impact of the ABP was demonstrated on having concluded the above mentioned period, across the application of the test not paramétrica of Mc-Nemar, with a confidence level of 95 %.
Se concluyó que el ABP resultó altamente efectivo, sobre todo en los niveles más altos de rendimiento académico, los cuales son de aplicación y análisis, en los que se encontraron diferencias sustanciales respecto al grupo de control. Por el contrario, en el área de comprensión no se observó tal diferencia, lo cual indica que la aplicación de dicha estrategia metodológica respecto a esta capacidad no es interesante para el docente.
One concluded that the ABP turned out to be highly effective, especially in the highest levels of academic performance, which are of application and analyses, in which they found substantial differences with regard to the group of control. On the contrary, in the area of comprehension did not observe such a difference, which indicates that the application of the above mentioned methodological strategy with regard to this capacity is not interesting for the teacher.
Esta investigación contribuye a la enseñanza superior de la ciencia con un programa que cuenta con instrumentos que miden la comprensión, aplicación y análisis de los principios de la física clásica en los estudiantes del curso de Física. Asimismo, proporciona una guía de trabajo de campo con pautas de empleo para el curso de Física en el nivel superior, y ejemplos para su uso posterior.
This investigation contributes with a program that relies on instruments that they measure the comprehension, application and analysis of the beginning of the classic physics in the students of the course of Physics. Likewise, a guide of fieldwork provides with guidelines of employment for the course of Physics in the top level, and examples for his later use.
Palabras Claves Aprendizaje Basado en Problemas (ABP), rendimiento académico
Key words Problem-based Learning, Academic performance
INTRODUCCIÓN
El desarrollo sostenidamente acelerado de la ciencia y la tecnología colocan a nuestros estudiantes frente a un gran volumen de información, lo que hace cada vez más complicada su asimilación durante el proceso de enseñanza-aprendizaje. Por ello, es necesario que los docentes estén mejor preparados para la enseñanza científica. Esto implica optimizar su práctica pedagógica, es decir, articular sistemáticamente los campos o aspectos del conocimiento, organización de los aprendizajes, estrategias y medios, evaluación y clima del aula. El docente debe considerar que el estudiante enfrenta nuevos desafíos como la rapidez de los cambios, la complejidad e interdisciplinaridad, la dimensión ética y social y la problemática cívica (OEI, 2011) en los que debe participar de manera activa, tanto en la adquisición de conocimiento como para identificar sus deficiencias. Definir situaciones reales en las cuales se ponen en práctica los conceptos desarrollados en aula, muchas veces se torna complejo para el estudiante, ya que la aplicación conceptual es mínima en el contexto de la profesión. Los contenidos del curso de Física no son ajenos a esta problemática, por lo que se propuso mejorar la forma de enseñanza de dicho curso mediante el ABP, que permite que al aprendizaje surja de la experiencia. Este método supone reflexionar sobre la necesidad de un cambio en la forma de entender, enseñar y pensar la ciencia, de plantear y elaborar herramientas y métodos centrados en el estudiante. Ello implica que el alumno sea capaz de encontrar soluciones a las interrogantes que se le plantearán en el mundo laboral, con un pensamiento crítico que desarrolle competencias y habilidades para enfrentar problemáticas diversas, sobre todo que su acercamiento a los conceptos desarrollado sea investigativo. En ese contexto, planteamos la siguiente interrogante que engloba nuestro objeto de investigación: ¿De qué manera la aplicación del método de ABP mejora los niveles de rendimiento académico de los estudiantes del primer ciclo de la asignatura de Física 1?
FUNDAMENTOS
El ABP, según Araujo y Sastre (2008), es un método que favorece el desarrollo de habilidades, capacidades y competencias demandadas en el mundo laboral bajo un enfoque más efectivo y estimulante que el modelo tradicional. Esta metodología activa integra los problemas de la vida real y busca que los estudiantes analicen, identifiquen deficiencias de su propio aprendizaje e indaguen de manera colaborativa (en comunidad) sobre formas de abordaje para la solución del problema planteado. En el ABP, la actividad gira en torno a la discusión de un problema aplicado a la futura vida profesional, haciéndo que el aprendizaje surja de la experiencia de trabajar sobre dicho problema. Es un método que estimula el autoaprendizaje y la práctica del estudiante, al enfrentarlo a situaciones reales y ayudarlo a identificar deficiencias en sus conocimientos, figura 1 (Morales y Landa, 2004). La acepción del término rendimiento académico se corresponde con el nivel de aprendizaje del alumno, resultado del proceso en-
48
señanza-aprendizaje. En la explicación de este concepto se reconoce la influencia de factores de diversa naturaleza. En el campo de la educación, la taxonomía de Bloom se ha convertido en una herramienta universal para la evaluación de los logros de aprendizaje, por lo que se utiliza en esta investigación. El rendimiento académico se define como los logros obtenidos en términos de comprensión, análisis y aplicación. 1
Leer y analizar el escenario del problema
2.
Realizar una lluvia de ideas
3.
Hacer una lista con lo que se conoce
4.
Hacer una lista con aquello que desconoce
5.
Hacer una lista de lo que necesita hacerse para resolver el problema
6.
Definir el problema
7.
Obtener información
8.
Presentar resultados
Figura 1. Desarrollo del proceso de ABP. Fuente: Morales y Landa, 2004.
METODOLOGÍA
En el presente estudio se aplicó el método del ABP. Se trabajó con variables categóricas. Para evaluar el rendimiento académico se consideraron las áreas de comprensión, aplicación y análisis de algunos principios básicos de la Física en situaciones específicas reales. Para medir el impacto del ABP en el rendimiento académico, se examinaron dos periodos de tiempo, antes y después de su aplicación. La observación se llevó a cabo durante las actividades previas a la intervención, en el transcurso de las sesiones y durante las actividades posteriores a la misma. La tabla 1 muestra la variable independiente y la variable dependiente del estudio y sus herramientas de evaluación correspondientes. Variables
Técnicas e instrumentos
Independiente: Aprendizaje Basado en Problemas (ABP)
t 4FJT NØEVMPT EF MBCPSBUPSJP TFHÞO QMBO EF temas del curso Física 1 t 4FJT QSPCMFNÈUJDBT DPO BQMJDBDJØO B MB DBrrera de Mantenimiento de Maquinaria Pesada
Dependiente: Rendimiento académico
El cuestionario y la observación t 1SVFCB EF FOUSBEB t 1SVFCB EF TBMJEB t 3FQPSUF EF MBCPSBUPSJP t 4FTJPOFT QMFOBSJBT t )PKB EF SFTVMUBEPT
Tabla 1. Relación de técnicas según las variables Fuente: Elaboración propia.
Esta investigación tuvo un diseño experimental con un grupo de prueba y un grupo de control. El ABP (variable independiente) se aplicó a lo largo de un semestre durante el desarrollo del curso con los módulos elaborados y las problemáticas aplicadas a la
carrera profesional. La variable dependiente fue medida en dos ocasiones (antes y después). Evaluación para medir el rendimiento académico. El instrumento de evaluación educativa, aplicado en la Evaluación de entrada y salida para medir el rendimiento académico, permitió estimar la variable dependiente. Este instrumento fue construido por dos expertos en la enseñanza de Física. Para la validación de contenido, se utilizó una matriz dicotómica que fue testada en ocho docentes con una experiencia superior a diez años en el dictado del curso de dicha materia. Se obtuvo una media aritmética de 0,875 con una desviación típica máxima de 0,35. La validación se confirmó con el análisis de convergencia de las respuestas que dio un valor de 95,83%. Para validar el constructo se aplicó la prueba a estudiantes del curso de Física 2, bajo el supuesto de ser un grupo con las competencias a medir, al haber aprobado ya la materia. Sin embargo, se cambiaron las secciones para evitar la inducción de respuestas. Se obtuvo un Alfa de Cronbach = 0,711, resultándolo que implica un instrumento con excelente confiabilidad.
Se evaluaron los resultados del pretest y postest en ambos grupos (de control y experimental) con la finalidad de comparar los resultados entre ellos, para la validación de la hipótesis se utilizo la prueba estadística de Mc-Nemar. Se utilizó el test de Chi cuadrado para muestras independientes para comparar las diferencias en dichos grupos.
Indicador A.1
B. Aplicación de los C. Análisis de los principios básicos de principios básicos de la Física a situaciones la Física a situaciones específicas asociadas específicas asociadas a situaciones reales. a situaciones reales. Indicador B.1
Diferencia los Examina el principios básicos de comportamiento de los fenómenos que los principios básicos gobiernan la Física de los fenómenos que clásica. gobiernan la Física clásica. Indicador A.2
Sesión
Problema
Tema
1
Mala relación aire combustible en un motor c13
2
Rotura de resorte de válvula de Movimiento aradmisión mónico simple
3
Desgaste de los pines en el chasis de la tolva de un camión
Movimiento armónico: ondas
Medición de desgaste del tren de rodamiento de tractores y excavadoras
Sonido
4
Eficiencia de los operadores que usan kontrax (komatsu) o caes (cat)
Luz
5
Eficiencia de los operadores que emplean accugrade laser 2d
Óptica
6
Termodinámica, termometría
Tabla 2. Relación de los módulos desarrollados en el curso de Física. Fuente: Elaboración propia.
RESULTADOS
A. Comprensión de los principios básicos de los fenómenos que gobiernan la Física clásica
En la investigación, se articularon los temas seleccionados de Física con sus respectivas problemáticas.
Indicador B.2
Indicador C.1 Analiza principios básicos de los fenómenos que gobiernan la Física clásica
La tabla 2 indica la secuencia de los módulos realizados y articulados directamente con los temas del curso de Física I, según el plan de estudios de la carrera profesional. En todos los casos se adecuó el modelo de Morales y Landa de ocho fases a las problemáticas planteadas. Fase 1 Fase 2 Fase 3 Fase 4 Fase 5 Fase 6 Fase 7 Fase 8
Análisis de la problemática Lluvia de ideas Lista de lo que se conoce: temas a desarrollar Lista de aquello que se desconoce: temas a desarrollar Enlistar lo que se necesita para resolver la situación problemática Definir el problema Acopiar y procesar la información Presentar los resultados
Indicador C.2
Distingue las caracte- Interpreta los proceAnaliza las caracrísticas principales de sos de funcionamiento terísticas físicas los los principios básicos en algunos fenóme- principios básicos de de los fenómenos que nos que gobiernan la la Física a situaciones gobiernan la Física Física clásica. específicas asociadas clásica. a situaciones reales.
Figura 2. Organización de las preguntas según dimensiones a evaluar. Fuente: Elaboración propia.
Nota: Se muestra la estructura de los ítems de evaluación de la variable rendimiento académico. Tenemos la capacidad Comprensión para los indicadores A1 y A2, la capacidad Aplicación para los indicadores B1 y B2, la capacidad Análisis para los indicadores C1 y C2, para los principios que gobiernan la Física Clásica.
49
A continuación se mostrarán los resultados obtenidos para las mediciones realizadas es decir el pretest y postest.
Grupo
Media
Desviación típica
Coeficiente de Variabilidad
Control
0.0667
0.25371
0.26
Prueba
0.2105
0.41315
0.51
Control
0
0
0.00
Prueba
0.1053
0.31101
0.34
Control
0
0
0.00
Prueba
0.0526
0.22629
0.23
Control
0
0
0.00
Prueba
0.1053
0.31101
0.34
Control
0
0
0.00
Prueba
0.0526
0.22629
0.23
Control
0
0
0.00
Prueba
0.1053
0.31101
0.34
Indicador A.1 A. Comprensión
Indicador A.2
Indicador B.1 B. Aplicación
Indicador B.2
Indicador C.1 C. Análisis
Indicador C.2
Tabla 3: Resultados obtenidos en el pretest. Fuente: Elaboración propia.
50
INTERPRETACIÓN
Ambos grupos aumentan sus porcentajes a 39,5% (control) y 52,6% (prueba), en el postest, siendo mayor el incremento en el grupo de Prueba.
Respecto a los resultados de la prueba aplicada para medir las tres capacidades, pretest, correspondientes a la línea de base, el valor medio en cada ítem analizado se sitúa entre 0 y 0,2, lo que indicaría una tendencia hacia cero. Asimismo, la elevada desviación estándar no permite establecer un sesgo característico por grupo, sino más bien suponer heterogeneidad en ambos grupos. Observando la variabilidad en cada uno de los indicadores que tenemos por capacidad tenemos que en el grupo de Prueba existen variaciones respecto al recojo de las respuestas, el indicador con mayor variabilidad es el A1, es decir es el más heterogéneo. En el caso del grupo de control no existe variabilidad es decir las respuestas son homogéneas sobre la prueba aplicada. Luego de la intervención, pasaremos a explicar las variaciones encontradas en los grupos de Prueba y de Control, para ello utilizaremos los gráficos de barras por cada Indicador. Para analizar el impacto del ABP en el curso de Física, es decir la evaluación del postest y las diferencias con el pretest Descripción: Referente al indicador A.1 se han dispuesto los resultados en porcentajes para determinar los contrastes de los incrementos obtenidos. Se observa que en el grupo control se ha producido un incremento importante de 33.3% en el elemento Diferencia los principios básicos de los fenómenos que regulan la física clásica. Igualmente, el grupo de prueba, que parte de niveles más altos (21,1%) experimenta un aumento discretamente menor, de 28,9%. No existen diferencias respecto al trabajo metodológico del docente.
Figura 4. Indicador A.2 de la dimensión de comprensión. Fuente: Elaboración propia.
Descripción: Respecto al indicador B.1, se aprecia un incremento de 27,3% en el grupo control, frente a un aumento de 39,5% en el grupo de Prueba, lo que implica una diferencia de 12,2% a favor del grupo donde se intervino.
Figura 3. Indicador A.1 de la dimensión de comprensión Fuente: Elaboración propia
Descripción: Distingue las características principales de los principios básicos de los fenómenos que regulan la física clásica, el indicador A.2 muestra que las diferencias en los resultados del pretest del grupo control y el de prueba (0% versus 10,5%, respectivamente) son mayores que para el indicador A.1.
Figura 5. Indicador B.1 de la dimensión de aplicación. Fuente: Elaboración propia.
51
Figura 6. Indicador B.2 de la dimensión de comprensión. Fuente: Elaboración propia.
Descripción: En cuanto al descriptor Interpreta los procesos de funcionamiento en algunos fenómenos que regulan la física clásica las diferencias de base en el indicador B.2 entre el grupo control y de prueba son mucho mayores que para el caso del indicador anterior (0% y 10,5%, respectivamente). En el postest, el incremento es más importante en el grupo de prueba (52,6%) que en el de control (30,3).
Figura 8. Indicador C.2 de la dimensión de análisis. Fuente: Elaboración propia.
Descripción: Por último, para el descriptor Analiza las características físicas los principios básicos de la Física a situaciones reales específicas asociadas a situaciones reales, correspondiente al indicador C.2, ambos grupos inician con un pretest de alrededor de 3%, para aumentar a 21,2% en el grupo control y a un contundente 71,1% en el grupo de prueba. Se constata, además, una diferencia de 50,2% entre los incrementos pretest y postest de los grupos control y de intervención.
DISCUSIÓN
Capacidad: Comprensión: Cabe mencionar que para esta capacidad corresponde los análisis de los indicadores A1 y A2. Ambos grupos alcanzan incrementos en el postest versus pretest, 39,5% en el control frente a un 52,6% en el de prueba, siendo mayor el de este último grupo. Estos resultados evidenciarían que el enfoque del ABP influye en el rendimiento académico, como lo reconocen Chen & Hu (2013), en contraste a la clase magistral.
Figura 7. Indicador C.1 de la dimensión de análisis. Fuente: Elaboración propia.
Descripción: El indicador C.1, observamos un decremento de (-6,1%) entre el pretest y el postest, mientras que el grupo de prueba experimenta un incremento de 50%. Ello haría suponer que solo el estudiante del grupo de intervención es capaz de analizar los principios básicos de los fenómenos que gobiernan la física clásica.
52
Los estudiantes de Física 1, son capaces de distinguir las características principales de los principios básicos de los fenómenos que gobiernan la física clásica. Ello implicaría que es posible la utilización del ABP como estrategia de enseñanza no solo en el curso de Física sino también de Matemática, como lo señala el estudio de Nur, Rohani & Rosini (2010) en el que se comprueba que el ABP no solo mejora las habilidades de resolución de problemas, sino también las de trabajo en equipo y comunicación. Según los resultados obtenidos, podemos decir que la hipótesis planteada, “La aplicación del Aprendizaje Basado en Problemas mejora la comprensión de los principios básicos de los fenómenos que regulan la física clásica”, no resulta plenamente confirma-
da, por lo que la aďŹ rmaciĂłn no es deďŹ nitoria. Sin embargo, podrĂa ser Ăştil pero no determinante para adquirir dicha capacidad, asĂ como para desarrollar el razonamiento, la comunicaciĂłn y la toma de decisiones, como lo menciona Pezoa & Labra (2000). Capacidad: AplicaciĂłn Para los indicadores B1 y B2 tenemos el 39,5% y 52,6% obtenidos en el Grupo de Prueba corroboran lo obtenido en el trabajo de AslÄąhan & Mustafa (2010), es decir que la capacidad de aplicaciĂłn se evidencia de manera signiďŹ cativa en el grupo de Prueba que en el grupo de Control. Se concluye que el enfoque de ABP es mĂĄs Ăştil en el desarrollo conceptual que el tradicional, que fue el que se aplicĂł en el grupo de Control. A ello se suman los resultados obtenidos en el estudio de Pereira & da Silva (2012) sobre la percepciĂłn de los estudiantes de estar mejor preparados para las actividades prĂĄcticas que brinda el mĂŠtodo ABP, al aumentar la seguridad de los mismos, como efecto colateral. Capacidad: AnĂĄlisis La hipĂłtesis â&#x20AC;&#x153;La aplicaciĂłn del Aprendizaje Basado en Problemas mejora el anĂĄlisis de los principios bĂĄsicos de los fenĂłmenos que regulan la fĂsica clĂĄsicaâ&#x20AC;?, se veriďŹ ca segĂşn los resultados presentados (incrementos pretest vs postest del 50% y 68,4% en los indicadores C.1 y C.2 en el grupo de prueba). AdemĂĄs, en el artĂculo â&#x20AC;&#x153;Aprendizaje basado en problemas: una alternativa al mĂŠtodo tradicionalâ&#x20AC;?, Molina, GarcĂa & Pedraz, (2006) reďŹ eren que el alumno reconoce las ventajas del mĂŠtodo ABP dado que contribuye a aumentar su habilidad para el autoaprendizaje y su capacidad crĂtica para analizar la informaciĂłn que les ofrece la bĂşsqueda.
El ABP contribuye muy eďŹ cazmente a la complejidad de las habilidades de pensamiento de los estudiantes, como el anĂĄlisis de los principios bĂĄsicos de los fenĂłmenos que regulan la fĂsica clĂĄsica.
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El estudio de Minhong, Bian & Nian (2013) veriďŹ ca tambiĂŠn esos resultados, al corroborar un enfoque de aprendizaje profundo en relaciĂłn con el rendimiento acadĂŠmico en un curso basado en el ABP; pero no con la aplicaciĂłn de otros mĂŠtodos.
CONCLUSIONES
Con respecto al objetivo general de determinar la inďŹ&#x201A;uencia del mĂŠtodo constructivista denominado Aprendizaje Basado en Problemas en los niveles de rendimiento acadĂŠmico de los estudiantes del primer ciclo de la asignatura de FĂsica 1, de Tecsup, mediante la tĂŠcnica no paramĂŠtrica de Mc-Nemar, (nivel de conďŹ anza de 95%), se veriďŹ cĂł que este diseĂąo metodolĂłgico es altamente eďŹ caz sobre todo en los niveles mĂĄs altos de rendimiento acadĂŠmico, especĂďŹ camente en las dimensiones de aplicaciĂłn y anĂĄlisis. Si bien la utilizaciĂłn del ABP favorece la comprensiĂłn de los principios bĂĄsicos de los fenĂłmenos que regulan la fĂsica clĂĄsica en los estudiantes en el curso de FĂsica I, tambiĂŠn lo hacen otros mĂŠtodos empleados en un curso regular. El impacto del mĂŠtodo del ABP en la aplicaciĂłn de los principios bĂĄsicos de los fenĂłmenos que regulan la fĂsica clĂĄsica en los estudiantes del curso de FĂsica es mayor al del mĂŠtodo tradicional pauteado por los planes de los cursos regulares.
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ACERCA DE LOS AUTORES
Silvia Espinoza SuĂĄrez Investigadora y docente de Tecsup. Licenciada en FĂsica de EstaEP TĂ&#x2DC;MJEP Z .BFTUSBOUF EF MB 6OJWFSTJEBE /BDJPOBM .BZPS EF 4BO Mayor de San Marcos e la especialidad de FĂsica del Estados 4Ă&#x2DC;MJEP .BFTUSBOUF EF MB 6OJWFSTJEBE 1FSVBOB $BZFUBOP )FSFEJB con menciĂłn en InvestigaciĂłn y Docencia en EducaciĂłn Superior. sespinoza@tecsup.edu.pe Klinge Villalba Condori %PDFOUF EF MB 'BDVMUBE EF $JFODJBT EF MB &EVDBDJĂ&#x2DC;O EF MB 6OJWFSsidad Nacional de San AgustĂn de Arequipa. Investigador asociado de la CĂĄtedra Concytec en TIC. Amplia experiencia en la formulaciĂłn, ejecuciĂłn y evaluaciĂłn de proyectos basados en Competencias, asĂ como TIC y RobĂłtica Educativa. kiovic@gmail.com
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En un sistema eléctrico de potencia, la compensación de potencia y la estabilidad del sistema pueden ser mejorados a través del uso de un
D-Statcom monofásico y trifásico
Maria Mendoza, Tecsup / Néstor Enríquez, Tecsup
Compensación de energía reactiva mediante el uso de un D-Statcom monofásico y trifásico Compensation of Reactive Power Using D-Statcom Single and Three Phase RESUMEN
El compensador sincrónico estático es muy empleado en la aplicación de sistemas de potencia y dispositivos FACTS (sistemas flexibles de transmisión de corriente alterna). En general, el factor de potencia y la estabilidad de un sistema pueden ser mejorados con el uso de un D-STATCOM. En este trabajo se presentan las etapas del diseño, simulación y control de un D-STATCOM monofásico y trifásico.
ABSTRACT
The static synchronous compensator is very employed in the implementation of power systems and FACTS devices. In general, the power factor and stability of a system can be improved using the D-STATCOM. In this paper, we describe the design, simulation and control stage of a single and three phase D-STATCOM.
ción propia de electrónica de potencia, que inyecta una corriente casi sinusoidal de magnitud variable en el punto de conexión del sistema. El D-STATCOM es capaz de un elevado desempeño dinámico y su compensación no depende del voltaje de acoplamiento común, por lo que es muy efectivo durante perturbaciones en el sistema de potencia. Debido a que el sistema de potencia es cada vez es más complejo y hay una tendencia al incremento de cargas no lineales conectadas a este sistema, es necesario estudiar las características dinámicas del D-STATCOM y las alternativas para mejorar la capacidad transitoria. Los métodos de control recientemente estudiados se pueden revisar en [1], [7], [9], [10]. Los algoritmos de control del D-STATCOM se basan de preferencia en el modelo dinámico más que en el diagrama fasorial.
MODELO MATEMÁTICO DEL D-STATCOM TRIFÁSICO El circuito equivalente de un D-STATCOM trifásico con fuente de tensión se muestra en la figura 1 [1].
INTRODUCCIÓN
En el control de sistemas eléctricos de potencia, la compensación de potencia reactiva constituye un problema importante. Este factor puede ocasionar un incremento de las pérdidas en el sistema de transmisión, o reducir la capacidad de transmisión, y su variación puede causar oscilaciones en el voltaje final de la carga así como de la potencia. Existen soluciones de estado sólido eficientes para el control de la potencia reactiva. Una de ellas es el D-STATCOM (compensador estático síncrono de distribución), dispositivo de conmuta-
Figura 1. Circuito equivalente de D-STATCOM [1]
Palabras Claves D-Statcom, FACTS (sistemas flexibles de transmisión de CA), control de potencia, compensación, sistema de potencia.
Key words D-STATCOM, FACTS (Flexible AC Transmission Systems), Power Control, Compensation, Power System.
Del circuito equivalente presentado en la figura 1, podemos derivar el modelo matemático de D-STATCOM (ecuación 22). De los principios de electrónica de potencia, se tiene:
El modelo matemático representado por la serie de la ecuación (1) a la ecuación (7) corresponde a un sistema trifásico. Para simplificar este modelo se utilizará la transformación de Park (convierte un sistema trifásico en componentes ortogonales e invariantes en el tiempo), considerando una referencia rotativa a una velocidad angular w, se tiene.
(1) Donde: (8)
Dkp son funciones de conmutación y k = a, b, c y Además:
(2) Al resolver para cada una de las ramas, se obtiene:
(9) Donde: id: componente de la corriente activa iq: componente de la corriente reactiva Al usar la inversa de la transformación de Park, tenemos: (3)
Considere que: (10) (4)
Donde:
Si se reemplaza esta ecuación en la anterior, tenemos:
(11) (5)
Finalmente, la corriente en el eje directo y en cuadratura será:
Al aplicar la ecuación (2) en la ecuación (5), y llevarla a la matriz, se llega a: (12) Similarmente, para las tensiones y las funciones de conmutación (D), tenemos: (6) y
(13)
(7) 58
(14)
IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL ENERGÉTICO Vdc
Al aplicar la ecuación (13) y (14) a la ecuación (6):
Para el diseño del lazo de control de la compensación de potencia en derivación, se debe trabajar con una función de transferencia que relacione todos los términos de potencia con la variación de energía. En la figura (2) se representa la estructura final del controlador energético del sistema de compensación. (15) Si tomamos los principios de sistemas de potencia:
(16)
(17) Si se multiplica T a ambos lados de la ecuación (15) y se aplica la ecuación (17) obtenemos: Figura 2. Estructura del controlador energético. Elaboración propia.
(18) Al reajustar la ecuación 18 tenemos:
Para evaluar el comportamiento del controlador se medirán los tiempos de respuesta del dispositivo. Ello nos permitirá evaluar las capacidades del compensador en la potencia consumida por la carga. La figura (3) muestra el diagrama de bloques del controlador utilizado [11].
(19)
(20)
(21) Finalmente, para representar la dinámica del D-STATCOM, en una representación espacio-estado, se tiene:
Figura 3. Diagrama de bloques del controlador [11].
(22) La ecuación (22) completa el modelo dinámico del D-STATCOM. En este se observan los estados de los lazos dinámicos del DSTATCOM: id, iq, y Vdc. EL valor Vm puede ser considerado como parámetro del sistema. Las variables de control son Dd, Dq.
Las salidas de referencia del controlador son las corrientes en el eje directo y de cuadratura (id, iq), las cuales son necesarias para calcular el intercambio de potencia reactiva entre el sistema y el D-STATCOM. SIMULACIÓN DEL D-STATCOM MEDIANTE EL USO DE PSIM Puesto que el D-STATCOM es usado para la compensación de potencia reactiva en sistemas de potencia, las variables de res-
59
puesta del sistema de control deben ser constantes. Asimismo, Dd y Dq debe estar entre [-1, +1] y el rizado de la forma de onda de corriente debe ser bajo para que la distorsión armónica obtenida sea pequeña. En las figuras (4) y (5) se aprecia el comportamiento de la corriente de salida del D-STATCOM considerando una potencia capacitiva e inductiva de la carga.
Figura 7 Tensión del condensador para una potencia reactiva capacitiva en un DSTATCOM monofásico.
Se observan, además, los tiempos de respuesta del controlador para corriente de salida y la tensión Vdc del STATCOM.
CONCLUSIONES
El D-STATCOM tiene la capacidad de producir potencia reactiva inductiva o capacitiva, a partir de la misma energía que le entrega la red. Figura 4. Corriente de salida del D-STATCOM trifásico con potencia reactiva capacitiva.
Las simulaciones mostraron que la frecuencia de conmutación de los IGBT es de 10 kHz. Esto produce un rizado con corrientes pico de 1.5 A en el compensador trifásico y de 0.5 A en el compensador monofásico. Si existe un flujo de potencia reactiva en el compensador, la tensión del convertidor presenta un rizado, que deberá ser eliminado. Para el control de un D-STATCOM, una solución sencilla y rápida es utilizar controladores PI. Se deben considerar diferentes fallas en el sistema para evaluar si ello influye en el tamaño del D-STATCOM.
REFERENCIAS
Figura 5. Corriente de salida del D-STATCOM trifásico con potencia reactiva inductiva.
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Como se observa en las figuras (4) y (5), el convertidor tiene un rizado en la corriente debido al efecto de la conmutación, pero dicha corriente presenta un comportamiento estable, que es lo que se esperaba del controlador.
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También se llevó a cabo el diseño y simulación de un D-STATCOM monofásico. Las figuras (5) y (6) muestran el comportamiento de la corriente de salida del convertidor y la tensión del condensador.
Figura 6. Corriente de salida del convertidor para una potencia reactiva capacitiva en un D-STATCOM monofásico.
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ACERCA DE LOS AUTORES
María Teresa Mendoza Llerena Ingeniero Electricista por la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de San Agustín (UNSA), Arequipa, Perú, 2003. Msc.,l Departamento de Máquinas Eléctricas, Accionamientos y Energía de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), Brasil, 2006. Doctor por el Departamento de Sistemas de Control y Energía por la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación (FEEC) de la Universidad Estadual de Campinas (UNICAMP), Brasil, 2011. Actualmente es docente en el Área de Medidas Eléctricas, Instrumentación y Máquinas Eléctricas en Tecsup, Arequipa. mmendoza@tecsup.edu.pe
Baldomero Néstor Enríquez Ychocan Ingeniero Electricista por la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional de San Agustín (UNSA), Arequipa, Perú, 2012. Actualmente es jefe de Oficina Técnica Área Eléctrica e Instrumentación de Graña y Montero, en el proyecto de Expansión de la mina Cerro Verde en Arequipa. nbenriquez@gmail.com
61
Entender las
instituciones educativas como un jugador frente a la sociedad puede llevar a encontrar el equilibrio de Nash bajo el principio de maximizar beneficios y minimizar pĂŠrdidas
Luis Miguel Salas, Tecsup
La teoría de juegos y el equilibrio de Nash en la educación superior The Game Theory and The Nash Equilibrium on Higher Education
RESUMEN
ABSTRACT
El objetivo de este artículo es plantear una alternativa con varias propuestas de análisis que orienten los esfuerzos de las instituciones educativas superiores para contribuir a su desarrollo y al de la sociedad, mediante la metodología de la teoría de juegos y el equilibrio de Nash. En este contexto, la observación de la institución educativa superior, desde el punto de vista de sus jugadores internos más importantes que trabajan en cooperación y forman coaliciones, conllevaría a que esta sea considerada ante la sociedad como un solo ente o jugador, que junto con el otro jugador, la sociedad misma, y analizados bajo el principio Minimax (maximizar beneficios y minimizar pérdidas).
The main objective of this study is to set out an alternative, amongst few analysis proposals, so that higher education institutions could contribute to development of both the society and itself, using as methodology the Game Theory and Nash Equilibrium as methodology. In a context of higher education institution’s most important internal “players” working together, this could be seen by the society as one single entity or “player”, that together with the other player, the society itself, would be analyzed under the “Minimax” principle (maximize benefits and minimize losses).
Los resultados permitieron:
1. Identify the higher education institution’s players: Consider administrative staff, students, teachers and the institution itself as players with individual goals but because their long-term work relationships they must form alliances and cooperate one another. That is to say, to be able to see the institution as one player.
1. Identificar a los jugadores internos de la institución educativa: Considerar al personal administrativo, los alumnos, los docentes y la misma institución como jugadores con ambiciones diferentes, pero que por trabajar juntos a largo plazo forman coaliciones y cooperan entre sí. Es decir, ver a la institución educativa superior como un solo jugador. 2. Analizar la institución educativa superior como un todo ante la sociedad, en un escenario de servicio.
The results allow to:
2. Analyze the higher education institution as a single entity facing the society, in a service-to scenario. The research shows how to deal with an internal competitive scenario between players that work together in an education institution functioning as a whole facing the society, and how to apply the Nash Equilibrium on these analyzes.
La investigación muestra cómo enfocar una situación de competencia interna de varios jugadores que trabajan en coalición dentro de la institución educativa y que es considerada como un todo frente a la sociedad, y cuál es la aplicabilidad del equilibrio de Nash para este análisis.
Palabras Claves Equilibrio de Nash, teoría de juegos, educación superior, juegos repetitivos.
Key words Nash Equilibrium, Games Theory, Higher Education, Repetitive Games.
INTRODUCCIÓN
La teoría de juegos fue propuesta por John von Neumann en 1928, y desarrolladas en el libro Theory of Gamers and Economic Behaviour, que publicó con Oskar Morgenstern en 1944. Esta obra parte de los juegos bipersonales de suma cero, en los que la utilidad de uno de los jugadores es exactamente igual a la pérdida del otro, lo que se denomina conflicto puro. A su vez, en 1950 en la Universidad de Princeton, el matemático John Nash logró el doctorado al proponer su teoría, el equilibrio de Nash. En ella presenta un análisis de escenarios sobre juegos competitivos en el cual existe la alternativa de que la ganancia de uno de los jugadores no significa necesariamente la pérdida del otro o los otros, teoría que le valió el premio Nobel de Economía en 1994. Por último, Robert Aumann (R. Aumann 1981) [6] definió los juegos repetitivos que establecen los pasos a seguir para determinar los pagos de varios jugadores con intereses diversos y que están inmersos en juegos continuos de largo plazo. En la mayoría de países desarrollados la educación es reconocida como el activo intangible de largo plazo más preciado de la sociedad. Sobre ello, muchos autores indican que el grado de desarrollo de un país depende de un buen nivel educativo, pues garantiza la continuidad de los procesos democráticos consolidados y asegura el crecimiento económico. Normalmente la educación es una inversión sin fines de lucro, pero los beneficios tributarios con los que cuenta en Latinoamérica hacen que en algunos países sea considerada un negocio. Por ello, muchas instituciones y empresas nuevas tienen inversiones iniciales muy fuertes y esperan una utilidad positiva de corto plazo tal que permita mantener una rentabilidad con márgenes aceptables como cualquier empresa (Claudio Rama. 2012) [7]. En varios países de Latinoamérica se han creado instituciones y empresas educativas superiores de manera vertiginosa, que han generado zozobra y desconfianza en nuestra sociedad, debido a dudas sobre su calidad, y a la percepción de haber sido creadas solo con fines de lucro, ya que los egresados de las universidades son subempleados. Esto debido principalmente a la falta de información por parte del consumidor, y en menor proporción a la crisis económica por la que atravesamos. Ante esta perspectiva se requiere que las instituciones de educación superior respondan a las siguientes preguntas: ¿Cómo enfrentar esta imagen negativa? ¿Cómo demostrar que nuestra institución no está dentro de este nefasto grupo? ¿Cómo demostrar que su calidad y prestigio, no están siendo afectadas por la mala publicidad de las demás? Según nuestro conocimiento, hay pocos estudios que relacionan la educación superior con la teoría de juegos, el equilibrio de Nash y los juegos repetitivos de largo plazo, así como trabajos que evalúen las situaciones de los jugadores internos y externos de una institución educativa, expuestos como un conjunto ante la sociedad. Si consideramos el escenario interno de las empresas o instituciones dedicadas a la educación superior encontramos varios jugadores en un solo escenario: la misma institución superior, los profesores, los alumnos, el personal administrativo; y si observamos el escenario externo identificamos contextos con dos grandes jugadores representativos, básicamente: la sociedad y las empresas o instituciones de educación superior (EIES). 64
Esto nos ha permitido desarrollar un análisis de la situación en Latinoamérica visto tanto para el escenario interno como para el escenario externo de la institución educativa, ambos importantes pero poco expuestos a la luz de las teorías aquí presentadas.
FUNDAMENTOS
Juegos repetitivos de largo plazo En un escenario de educación superior, los jugadores internos tendrían que estar de acuerdo no en el corto plazo sino también en el largo plazo. Ello se da en el contexto de las estrategias para juegos repetitivos de largo plazo, en el cual los jugadores interactúan entre sí y cooperan para el logro de sus objetivos o pagos de manera personal, pero no dirigida, ni coludida; es decir ellos buscan, de forma individual, un resultado que represente la mayor satisfacción que cada uno espera en dicho escenario. Este procedimiento fue demostrado por Robert Aumann (premio Nobel 2005), quien señaló que la cooperación suele ser una solución de equilibrio en el caso de juegos repetitivos de largo plazo, para dos jugadores que en el corto plazo tienen conflictos de intereses. (R. Aumann 1981) [6]. A través de la continuidad del juego en el tiempo y sobre el esquema de comunicación, se pueden obtener resultados casi consensuados, lo que sería igual que establecer una coalición para lograr rentabilidades continuadas a través del tiempo, solo en caso de común acuerdo entre los jugadores. Sobre la representación gráfica Se puede demostrar que varios competidores pueden obtener mejores ganancias mediante la teoría del equilibrio de Nash. En ella se plantean tres conjuntos esenciales con sus respectivos elementos dentro de un juego de competencia: t / OÞNFSP EF KVHBEPSFT DPO JOGSBFTUSVDUVSB EJGFSFOUF t O KVHBEPS SBDJPOBM DPO PQDJØO B UPNBS VOB FTUSBUFHJB Z derecho a pago t 4 FTUSBUFHJBT EJTQPOJCMFT QBSB DBEB KVHBEPS t T FTUSBUFHJB FMFHJEB QPS FM KVHBEPS O t 6 HBOBODJBT P QBHPT PCUFOJEPT t V QBHP P HBOBODJB EFM KVHBEPS O QPS FTUSBUFHJB UPNBEB Según los modelos matemáticos para la representación de un juego con i jugadores que van de 1 hasta n (donde n D N), donde también se especifica que los conjuntos de estrategias Si: S1, S2, S3,…, Sn, y sus funciones de ganancias o pagos: u1, u2, u3,…, un; por lo que la denotación matemática tendría la siguiente función: ( 41, S2, S3,…, Sn; u1, u2, u3,…, un
{
{
Donde Si ≠ Ø, y u1i: S1 x S2 x S3 x…x Sn ¤QBSB UPEP J y O
Toda decisión racional con o sin información y análisis está ligada a las circunstancias que se establezcan después que sea tomada. Es así que una misma decisión en circunstancias normales o negativas generará una utilidad ordinaria o cardinal, o una utilidad negativa o pérdida, respectivamente. En la gráfica siguiente se muestran los puntos de utilidad para cada decisión:
U
N
S
Gráfica 1. Pagos (U) vs. Estrategia (S) de cada jugador (N) Fuente: Elaboración propia.
En esta gráfica, para cada estrategia decidida (si*), de cada jugador (n) se representa una ganancia o pago (ui) determinada. Una vez que un jugador decide la estrategia (si*), los demás jugadores elegirán la que más les conviene para también obtener una ganancia o pago (no todos tienen el mismo pago, indicado por un color para cada jugador). Al aceptar el jugador n la estrategia si*, ello descarta a las otras estrategias que el mismo jugador pudiera decidir. Si esto se lleva a una gráfica bidimensional, y se señala que los pagos se establecen en función a cada jugador dependiendo de la infraestructura que este disponga. Cada punto de pago generado en el cruce de (ui, si*); identifica el nivel de ganancia o pago del mismo, el cual será mayor o menor dependiendo de la infraestructura de cada jugador.
Gráfica 3. Puntos de utilidad en circunstancias normales y/o negativas. Fuente: Elaboración propia.
Sin embargo, las mismas decisiones racionales pueden generar utilidades mayores en circunstancias favorables.
Gráfica 4. Punto de utilidad en circunstancias favorables. Fuente: Elaboración propia.
Gráfica 2. Representación en dos dimensiones de las estrategias y pagos de cada jugador. Fuente: Elaboración propia.
Las gráficas 2, 3 y 4 fueron consolidadas en una sola que agrupa las tres circunstancias: normales, negativas y favorables. Se observa una elipse que identifica a todas aquellas decisiones finitas racionales que pueden generar diferentes tipos de pagos o utilidades según el escenario donde se desarrollen.
La colaboración de los individuos en una situación de competencia y en comunicación constante supone que cada uno recibirá un pago que compense el esfuerzo e inversión, con el que esté conforme, y no tendrá intención de buscar otro resultado mejor, lo cual implica que todos ganan y nadie pierde. Pero en algunos casos de competencia pura no se alcanza el equilibrio a pesar de tomarse una decisión racional, esta podría generar pérdida o utilidad negativa debido a las circunstancias donde se desarrolla, en un periodo de tiempo determinado.
Bajo el supuesto que, una vez tomada una decisión por cada uno de los jugadores, uno de ellos obtendría la mayor de las ganancias y los otros las menores ganancias, el área superior de la elipse con rayas simples rojas (por encima del eje de las abscisas) incluiría aquellas estrategias que generarían pagos positivo o ganancias. Los casos de decisiones racionales que producen pagos negativos o pérdidas, por las circunstancias negativas después de dichas decisiones están representados en el área inferior de la elipse con rayas cruzadas rojas (por debajo del eje de 65
las abscisas). En una situaciĂłn de competencia de varios jugadores a largo plazo en esta grĂĄďŹ ca es altamente dinĂĄmica, esto signiďŹ ca que en el largo plazo las situaciones de decisiones que generan pĂŠrdida, en un lapso de tiempo siguiente podrĂan generar utilidad positiva al cambiar la decisiĂłn y en circunstancias favorables.
sus beneďŹ cios al mismo tiempo que minimiza sus pĂŠrdidas. Para Antonio, maxi[minjaij> NBY< > Z QBSB #SVno minj[maxiaij> NJO< > &O FTUF DBTP BM DPJODJEJS ambos resultados, decimos que el juego tiene un punto de equilibrio, que se alcanza cuando Antonio escoge una oferta especial y Bruno un postre gratis, siendo 1 el valor del juegoâ&#x20AC;? (Ana T. Antequera, MarĂa C. Espinel. 2010. pp. 22) [3].
METODOLOGĂ?A
AnĂĄlisis interno En el anĂĄlisis interno de los jugadores que participan en el escenario de la instituciĂłn educativa encontramos cuatro jugadores importantes, cada uno con varias expectativas de pagos por recibir y que debemos equilibrar, para que tengan relaciĂłn directa con los objetivos que la sociedad demanda. Es asĂ que consideramos dentro de la instituciĂłn en su conjunto, que los pagos a percibir por cada jugador deberĂan ser:
GrĂĄfica 5. Pagos vs. Estrategia para un grupo ďŹ nito de jugadores con un grupo ďŹ nito de estrategias. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
Sobre la matriz Minimax Este procedimiento es tambiĂŠn conocido como teorĂa de juego (Ana T. Antequera, MarĂa C. Espinel. 2010) [3], asigna puntuaciones a dos jugadores tales que la diferencia de dichas puntuaciones determina los pagos de los mismos. Por ejemplo: â&#x20AC;&#x153;Los habitantes de una poblaciĂłn gastan 10.000 euros mensualmente por salir a comer fuera. Los dueĂąos de los restaurantes Parillas Antonio y Casa Bruno compiten por alcanzar mĂĄximos beneďŹ cios por lo cual introducen distintas estrategias para atraer clientes. Esas estrategias consisten en no hacer nada, aĂąadir un plato al nuevo menĂş, ofrecer una oferta especial u obsequiar un postre gratis. El reparto de beneďŹ cios estĂĄ dado por una matriz de pago que reďŹ&#x201A;eja la diferencia de miles de euros entre las ganancias de Antonio y las de Bruno, segĂşn la estrategia que cada cual elijaâ&#x20AC;?:
Parrilla Antonio
Casa Bruno Nada
Nuevo
Especial
Postre
Nada
2
-3
-6
-4
Nuevo
-3
4
-2
0
Especial
5
2
6
1
Postre
7
-2
-2
-1
Cuadro 1. Matriz de confrontaciĂłn Antonio â&#x20AC;&#x201C; Bruno.
â&#x20AC;&#x153;AsĂ un pago de 2 en la matriz asigna beneďŹ cios de 6.000 euros para Antonio y 4.000 para Bruno. Este tipo de situaciones, juegos de suma cero, se resuelven mediante la aplicaciĂłn del teorema de Maximin, es decir, cada jugador intenta maximizar
t InstituciĂłn educativa, ser considerada una instituciĂłn de educaciĂłn superior lĂder en LatinoamĂŠrica y el mundo. t Alumnos, desarrollarse profesionalmente y perfeccionarse hasta conseguir un trabajo bien remunerado o formar una empresa rentable. t Profesores, capacitarse para tener un status que les permita lograr tranquilidad necesaria para la investigaciĂłn. t Personal administrativo, trabajar en un buen ambiente laboral, ser reconocidos por los logros obtenidos y constantemente motivados. Estas apreciaciones son netamente cualitativas, ya que para escenarios de equilibrio con varios jugadores, estrategias y pagos generados por cada una, las fĂłrmulas matemĂĄticas no son aplicables. Sin embargo, nuestra estimaciĂłn es vĂĄlida debido a que establece fĂĄcilmente una relaciĂłn de conveniencia entre todos los pagos y estrategias planteadas por cada jugador. Como plantea Robert Aumann (R. Aumann. 1981) [6], jugadores no cooperativos con intereses diversos en situaciones de corto plazo, en un escenario de largo plazo generarĂĄn coaliciones al colaborar entre sĂ y trabajar en equipo para obtener pagos independientes, pero en equilibrio. Con ello enfrentarĂĄn de alguna forma a la sociedad, que ďŹ nalmente evaluarĂĄ la continuaciĂłn o el cierre de la instituciĂłn superior. AnĂĄlisis externo La apreciaciĂłn de la sociedad de los sistemas de educaciĂłn superior estĂĄ relacionada a la percepciĂłn de que se crean instituciones con ďŹ nes de lucro (empresas o instituciones de educaciĂłn superior) como primer objetivo estratĂŠgico, y que mejorar la educaciĂłn y el nivel de cultura de la poblaciĂłn es un objetivo de segundo orden o colateral.
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Dentro de nuestra sociedad tenemos, por un lado, jĂłvenes que desean una carrera con la cual se verĂĄn beneďŹ ciados directamente. Es el sector social que valora las instituciones de prestigio, con el ďŹ n de trabajar y valerse por sĂ mismos; asimismo se halla el grupo de la sociedad que paga, es decir los padres de familia, quienes de acuerdo a sus recursos econĂłmicos hacen un gran esfuerzo para que sus hijos estudien, y posteriormente puedan sostenerse solos. AdemĂĄs, identiďŹ camos un pequeĂąo sector de la sociedad que es el que busca instituciones de prestigio que les permitan continuar su carrera, perfeccionarse para lograr un grado o especializarse. Esta ĂŠlite puede pagarse la especializaciĂłn y/o titulaciĂłn o nuevo grado acadĂŠmico. Por otro lado, tenemos las instituciones y empresas de educaciĂłn superior que ofrecen un abanico de posibilidades de estudio y perfeccionamiento dirigidas a diferentes sectores de la sociedad interesados en dichos cursos, especialidades o convalidaciones. Algunas de estas instituciones apelan a la publicidad, pero sin un respaldo que sea protagĂłnico en el asidero de la experiencia.
Cuadro 3. Diferencia de pagos entre la sociedad y las empresas e instituciones educativas. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
.BYJNJO TPDJFEBE .BY < > UtilizaciĂłn de la matriz minimax .JOJNBY &*&4 .JO < > El propĂłsito inicial es establecer las utilidades generadas por los dos jugadores identiďŹ cados anteriormente en una matriz de coincidencia de objetivos, pero con valoraciones propias de pagos para cada decisiĂłn tomada. Al comparar los pagos de ambos jugadores obtenemos una serie de pares de nĂşmeros mostrados en la matriz:
En este caso ambos resultados coinciden, por lo tanto el juego tiene varios puntos de equilibrio en el que se desarrollarĂĄn los trabajos que debe realizar la EIES.
RESULTADOS
Las instituciones de educaciĂłn superior, los estudiantes, los profesores y el personal administrativo son jugadores con expectativas de pagos de corto plazo no cooperativos, pero que por estar en una situaciĂłn de complementaciĂłn a largo plazo y en comunicaciĂłn constante, se concentran en beneďŹ cios futuros y acuerdos entre ellos, bĂĄsicamente cualitativos. Sin embargo, en la confrontaciĂłn de las empresas e instituciones de educaciĂłn superior (EIES), como un Ăşnico jugador frente a la sociedad donde se tienen tres grupos:el que usa el servicio, el que paga y, el que paga y usa el servicio, plantea la aplicaciĂłn de la matriz Maximin, donde se puede analizar bajo una puntuaciĂłn alterna, la situaciĂłn de cada una de las expectativas de cada jugador, basadas en propuestas de servicios que las EIES, pueden ofrecer. Cuadro 2. Matriz pagos de ambos jugadores. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
Al representarse como el enfrentamiento de dos oponentes en un escenario de competencia de suma cero, en el que la obtenciĂłn de la utilidad de uno implica la pĂŠrdida de utilidad de otro, en el anĂĄlisis de la soluciĂłn para este tipo de situaciones, en este ejercicio, aplicaremos el mĂŠtodo de Maximin, segĂşn el cual cada jugador maximiza sus beneďŹ cios y minimiza sus pĂŠrdidas.
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En este caso, el equilibrio se da en todos los puntos igual a cero (cuadro 3), donde la obtenciĂłn de mĂĄs beneďŹ cios o pagos, se da cuando la sociedad requiere que sus EIES mejoren su infraestructura (cuadro 2).
CONCLUSIONES
De acuerdo al anĂĄlisis realizado de Maximin y Minimax, se tiene un punto de equilibrio igual a cero (0), por lo que habrĂĄ varios puntos equilibrio con este valor segĂşn el cuadro 3, por lo que a continuaciĂłn se detallan las siguientes propuestas:
1. Ofrecer lo que la sociedad solicita en el momento que lo solicita genera el mayor beneďŹ cio para ambos jugadores. Ello dependerĂĄ de un adecuado estudio de mercado.
[3]
Antequera, T. & Espinel, C. (2010). â&#x20AC;&#x153;Decisiones estratĂŠgicas y de cooperaciĂłn desde las matemĂĄticasâ&#x20AC;?. EspaĂąa. Rodesa.
2. La utilidad mĂĄs importante, tanto para la sociedad como para la EIES, se produce cuando se renueva o mejora la infraestructura.
[4]
Luis Daniel MuĂąoz Ramos, (2008). Algunos comentarios sobre la teorĂa de juegos y la teorĂa de puntos ďŹ jos, vistos desde el punto de vista de la teorĂa de las correspondencias. Tesis: Titulo profesional de licenciado en matemĂĄticas. Universidad Nacional de IngenierĂa. Lima. PerĂş.
[5]
Aumann, R. (1981). â&#x20AC;&#x153;Survey of Repeated gamesâ&#x20AC;?. In Essay in Game Theory and Mathematical Economics in Honor of Oskar Morgenstern (pp.11-42). Bibliographisches Institut Mannheim, Wein, Zurich.
[6]
Rama, C. (2012). â&#x20AC;&#x153;El negocio universitario â&#x20AC;&#x2DC;for proďŹ tâ&#x20AC;&#x2122; en AmĂŠrica Latinaâ&#x20AC;?. Recuperado de http://www.scielo.org. NY TDJFMP Q I Q Q J E 4 T D S J Q U T D J @BSUUFYU OPUB
[7]
Schelling, T. (1984). Choice and Consequence. Perspectives of an errant Economist.Cambridge, Harvard University Press.
3. El segundo mayor beneďŹ cio para ambos tiene lugar cuando se ofrecen nuevas carreras, que se ajustan a las expectativas de una gran masa de jĂłvenes. 4. El tercer lugar en beneďŹ cios es ocupado por las titulaciones de grado a nivel profesional, ya que los jĂłvenes egresados de instituciones de educaciĂłn superior deciden continuar con los estudios para acceder a un tĂtulo profesional que les asegure mĂĄs ingresos. AdemĂĄs, debemos de tomar en cuenta que estos jĂłvenes se autoďŹ nancian dicha titulaciĂłn. 5. El menor beneďŹ cio es generado por los diplomados y posgrados, seguidos por un grupo bastante mĂĄs reducido de profesionales que requieren especializarse u obtener otro grado que le permita acceder a un nivel gerencial. En estos casos, quienes pagan son generalmente las empresas donde dichas personas laboran. El equilibrio de Nash y la teorĂa de juegos son las herramientas mĂĄs efectivas para el anĂĄlisis de la situaciĂłn de las empresas o instituciones de educaciĂłn superior (EIES) frente a la sociedad. Desde el punto de vista de propuestas de trabajos cooperativos de largo plazo para el entorno interno, y de una evaluaciĂłn para minimizar pĂŠrdidas y optimizar ingresos, en el contexto externo, llegamos a la conclusiĂłn que todo depende del abanico de posibilidades que ofrezca la EIES. Este debe estar basado en un estudio adecuado de mercado que permita anticipar las expectativas de superaciĂłn de los jĂłvenes y tenga como principal soporte la mejora de la infraestructura.
ACERCA DEL AUTOR
Luis Miguel Salas Hidalgo Estudios de MBA en la Universidad ESAN, con menciĂłn en DirecciĂłn General. Ingeniero industrial por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Investigador y profesor a tiempo parcial en Tecsup. MĂĄs de veinte aĂąos de experiencia en empresas del sector industrial y de servicios. lsalas@tecsup.edu.pe
AdemĂĄs del anĂĄlisis de las herramientas, el hecho de que cada jugador trabaje en el escenario interno de manera dinĂĄmica, le permite que si toma una decisiĂłn en un periodo corto de tiempo o si las circunstancias no le son favorables, tendrĂĄ la opciĂłn, y de hecho la usarĂĄ, de cambiar su decisiĂłn para no generar mĂĄs pĂŠrdida. Separar ambos escenarios, el interno y el externo, contribuye a enriquecer el anĂĄlisis y a utilizar la aplicaciĂłn del equilibrio de Nash y de teorĂa de juegos de manera adecuada, sin mezclar a los jugadores que participan en el desarrollo de las EIES, lo que mejorarĂĄ las decisiones futuras dentro de estas frente a la sociedad.
REFERENCIAS
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[2]
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DeterminaciĂłn de la tecnologĂa mĂĄs adecuada para remover los contaminantes de los efluentes industriales de colorantes de
bixina y carmin
Huguez Ames, Tecsup / María Reque & César Vásquez, Stockholm Mining
Fenton térmico activado en el tratamiento de efluentes de la producción industrial de colorantes de carmín y bixina Activated Thermal Fenton in the Treatment of Effluents from the Industrial Production of Dyes Carmine and Bixin RESUMEN
El principal objetivo del presente estudio fue determinar la tecnología fisicoquímica más adecuada para la remoción de contaminantes de los efluentes industriales de colorantes de bixina y carmín. Dicha tecnología permite lograr que los valores de demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y sólidos suspendidos totales (SST) estén por debajo de los Valores Máximos Admisibles (VMA) normados por el D.S. 021-2009 del Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento del Perú. De las tecnologías de oxidación avanzada que se aplicaron fueron los procesos de Fenton simple, foto Fenton y Fenton térmico activado los que registraron mejores resultados. La investigación se realizó en los laboratorios de Tecsup. Los análisis químicos fueron confirmados por un laboratorio acreditado. El estudio llegó a la conclusión que el Fenton térmico activado es la tecnología de tratamiento más eficiente, y la que permite cumplir con el objetivo planteado por el Decreto Supremo 021– 2009 del Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento.
ABSTRACT
The main objective of this study was to determine the most appropriate physicochemical technology for removing pollutants from industrial effluents of bixin and carmine dyes, and thus achieve values of chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD) and total suspended solids (TSS) lower than the Maximum Permissible Values (VMA) DS 021-2009 regulated by the Ministry of Housing, Construction and Sanitation of Peru. Among the advanced oxidation technologies applied, the best results were obtained with Fenton, photo-Fenton and Activated thermal Fenton. The research was conducted in the laboratories of Tecsup. Chemical analyses were confirmed by an accredited laboratory. It was determined that the activated thermal Fenton is the most efficient treatment technology reaching the objective by the S.D. 0212009 ofthe Ministry of Housing, Construction and Sanitation. Importantly, treatment of these effluents is complex because organic their molecules nave conjugated double bonds in bixin and aromatic rings in carminic acid molecule.
Es importante resaltar que el tratamiento de los efluentes descritos en este trabajo es complejo debido a que las moléculas orgánicas que los constituyen presentan dobles enlaces conjugados en la bixina y anillos aromáticos en la molécula del ácido carmínico.
Palabras Claves Carmín, bixina, DBO, DQO, SST, oxidación avanzada, Fenton, foto-Fenton, Fenton térmico activado, Valores Máximos Admisibles.
Key words Carmine, Bixine, BOD, COD, TSS, advanced oxidation, Fenton, Photo-Fenton, Activated Thermal Fenton, Maximum Permissible Values.
t "HVB NFEJBOBNFOUF DPOUBNJOBEB NH INTRODUCCIĂ&#x201C;N
t "HVB NVZ DPOUBNJOBEB
o NH -
t "HVB FYUSFNBEBNFOUF DPOUBNJOBEB o NH En nuestro paĂs la legislaciĂłn medioambiental es cada vez mĂĄs exigente. En ese contexto, las industrias que estĂĄn en ciudades como Lima y vierten sus eďŹ&#x201A;uentes al sistema de alcantarillado deben cumplir con los Valores MĂĄximos admisibles (VMA) estipulados en el D.S. 021-2009 del Ministerio de Vivienda, ConstrucciĂłn y Saneamiento [1]. Por ello, investigaciones como la actual son cada vez mĂĄs necesarias para la industria, mĂĄs aĂşn si los vertimientos son dirigidos hacia los rĂos, lagos, lagunas o mar, en los que la exigencia legal es mayor respecto a los lĂmites mĂĄximos permisibles (LMP) y los estĂĄndares de calidad ambiental (ECA). En el caso especĂďŹ co de este estudio, el eďŹ&#x201A;uente es generado en una planta de colorantes a base de carmĂn y bixina para alimentos. El principal objetivo del presente trabajo fue determinar la tecnologĂa ďŹ sicoquĂmica mĂĄs adecuada para la remociĂłn de contaminantes de los eďŹ&#x201A;uentes industriales en cuestiĂłn, con el ďŹ n de que los valores de la demanda quĂmica de oxĂgeno (DQO), demanda bioquĂmica de oxĂgeno (DBO) y sĂłlidos suspendidos totales (SST) se ajusten a los valores establecidos en el D.S. 0212009 del Ministerio de Vivienda, ConstrucciĂłn y Saneamiento. Este estudio tuvo tambiĂŠn como objetivo deďŹ nir el sistema complementario de tratamiento de separaciĂłn sĂłlido-lĂquido de sedimentaciĂłn, coagulaciĂłnâ&#x20AC;&#x201C;ďŹ&#x201A;oculaciĂłn, asĂ como de aďŹ no con carbĂłn activado.
El valor de la DQO siempre serĂĄ superior al de la DBO debido a que muchas sustancias orgĂĄnicas pueden oxidarse quĂmicamente, pero no biolĂłgicamente. Por otra parte, los gramos o miligramos de oxĂgeno se reďŹ eren, en el caso de la DBO, a los requeridos por la degradaciĂłn biolĂłgica de la materia orgĂĄnica; mientras que en el caso de la DQO representan los necesarios para la degradaciĂłn quĂmica de la materia orgĂĄnica. La relaciĂłn entre la DBO5 y la DQO da una idea del nivel de contaminaciĂłn de las aguas. t 4J MB SFMBDJĂ&#x2DC;O %#05/DQO) < 0,20, casi toda la materia oxidable es no biodegradable; por ello, no es aplicable un tratamiento biolĂłgico pero sĂ ďŹ sicoquĂmico. t 4J MB SFMBDJĂ&#x2DC;O %#05/DQO) estĂĄ en el rango < 0,20 â&#x20AC;&#x201C; 0,60 >, es necesario un tratamiento ďŹ sicoquĂmico o de combinaciĂłn con el sistema biolĂłgico. En este escenario se debe tener en cuenta el ĂĄrea disponible para el sistema biolĂłgico, el capital de inversiĂłn y los costos operativos, para decidir la tecnologĂa de tratamiento. t 4J MB SFMBDJĂ&#x2DC;O %#05/DQO) > 0,60, la mayorĂa de la materia oxidable es biodegradable. En este caso, las aguas residuales pueden ser tratadas por medios biolĂłgicos o ďŹ sicoquĂmicos.
FUNDAMENTOS
1. DESCRIPCIĂ&#x201C;N DE CONTAMINANTES ORGĂ NICOS t %FNBOEB RVĂ&#x201C;NJDB EF PYĂ&#x201C;HFOP %20 $0%
Es la cantidad necesaria de oxĂgeno para oxidar la materia orgĂĄnica susceptible a oxidaciĂłn por medios quĂmicos. En el caso de la materia orgĂĄnica, esta se convierte en diĂłxido de carbono y agua. La DQO se mide en mg/L. t %FNBOEB CJPRVĂ&#x201C;NJDB EF PYĂ&#x201C;HFOP %#0 #0%
Es la cantidad de oxĂgeno que los microorganismos, especialmente bacterias (aerobias o anaerobias facultativas: pseudomonas, escherichia, aerobacter, bacillus), hongos y plancton consumen durante la degradaciĂłn de las sustancias orgĂĄnicas contenidas en la muestra. TambiĂŠn se mide en mg/L. Como el proceso de descomposiciĂłn varĂa segĂşn la temperatura, el anĂĄlisis se realiza en forma estĂĄndar durante cinco dĂas a 20 ÂşC y el resultado se expresa como DBO5. La DBO proporciona una medida aproximada de la materia orgĂĄnica biodegradable presente en las aguas residuales:
Es importante resaltar que los tratamientos ďŹ sicoquĂmicos son aplicables en cualquiera de los tres escenarios, pero si la DBO se acerca al valor de la DQO hay posibilidades de que el tratamiento sea biolĂłgico o incluso de combinar ambos. Ello dependerĂĄ de si existen ĂĄreas para el tratamiento biolĂłgico en el recinto industrial, asĂ como de los costos de inversiĂłn y costos operativos. t 4Ă&#x2DC;MJEPT TVTQFOEJEPT UPUBMFT 445 544 &T VO QBSĂ&#x2C6;NFUSP VUJMJzado en la evaluaciĂłn de la calidad del agua y en su tratamiento. Indica la cantidad de sĂłlidos no disueltos presentes, es decir en suspensiĂłn (sedimentables o coloidales) y que pueden ser separados por coagulaciĂłnâ&#x20AC;&#x201C;ďŹ&#x201A;oculaciĂłn y por medios mecĂĄnicos, como la sedimentaciĂłn, ďŹ ltraciĂłn al vacĂo o centrifugaciĂłn. EstĂĄ asociado a la turbidez del agua. La turbidez es una medida cuantitativa ligada a los sĂłlidos suspendidos que suele usarse en la salida de las plantas de tratamiento de aguas para indicar la calidad de los procesos. Se expresa en NTU (unidades nefelomĂŠtricas de turbidez) en la estimaciĂłn de la calidad del agua residual. 2. DESCRIPCIĂ&#x201C;N DE LĂ?NEA DE EFLUENTES t #JYJOB
72
t "HVB QVSB
NH -
t "HVB MFWFNFOUF DPOUBNJOBEB
NH -
Es un colorante natural empleado en la industria alimentaria como aditivo. Es extraido del achiote (bixa orellana), especĂ-
ficamente del extracto el cual contiene annatto, la bixina y la norbixina, entre otros. Su código es E-160b según la Unión Europea. El annatto es la denominación dada al extracto crudo, mientras que la bixina es la parte del colorante liposoluble y la norbixina, la parte hidrosoluble. Todos tienen capacidad colorante [2].
3. TRATAMIENTO DE DETOXIFICACIÓN DE CONTAMINANTES t 1SPDFTPT EF PYJEBDJØO BWBO[BEB Son procesos en los cuales el agente oxidante por excelencia es el radical hidroxilo (°OH), que se forma por ruptura homolítica de la molécula que lo precede, generalmente peróxido de hidrógeno. Este radical tiene un potencial de oxidación (¡¡ voltios) es mucho mayor que el de otros oxidantes tradicionales. Estos radicales son capaces de oxidar compuestos orgánicos principalmente por substracción de hidrógeno o adición electrolítica a enlaces dobles para generar radicales orgánicos libres (R°) los cuales con moléculas de oxígeno forman un radical peróxido, para luego dar paso una serie de reacciones de degradación oxidativa que pueden conducir a la completa mineralización de los contaminantes [6]. t 3FBDDJØO EF PYJEBDJØO BWBO[BEB QPS FM NÏUPEP 'FOUPO
Figura 1. Estructura de la bixina, colorante que proviene del achiote. Fuente: Adaptado de “Corantes naturais” por D. Ribeiro (2015).
Es un proceso de oxidación avanzada en el cual se producen radicales hidroxilos altamente reactivos (°OH). Se realiza en condiciones de ambiente ácido y a presión y temperatura ambiente, mediante el uso de oxidantes fuertes a base de peróxido de hidrógeno (H2O2) estabilizado, que está catalizado con metales de transición, generalmente hierro. La reacción se aplica para el tratamiento de aguas residuales. Fe2+ + H2O2
¤
Fe3+ + OH- + °OH
Fe3+ + H2O2
¤
Fe2+ + °OOH + H+
t $BSNÓO Es uno de los colorantes más antiguos, que se emplea en Europa desde hace trescientos años. Su poder colorante se debe al ácido carmínico que se encuentra en el Dactilopius coccus costa o cochinilla. El carmín es un complejo formado a partir del ácido carmínico y iones aluminio y calcio, que se liga también con compuestos proteicos. Su código es E120[2].
t 1SPDFTP GPUP 'FOUPO Es una variante del Fenton que involucra la absorción de luz ultravioleta. Durante el proceso tienen lugar reacciones de oxidación y reducción en presencia de un catalizador y de la radiación ultravioleta, que generan oxidantes como el radical hidroxilo, los cuales, en medio acuoso, reaccionan con los contaminantes orgánicos y los degradan a dióxido de carbono y agua (CO2 + H2O) y otras sales. t 1SPDFTP 'FOUPO UÏSNJDP BDUJWBEP Es una tecnología en la que aplican altas temperaturas, lo que aumenta significativamente la eficacia del proceso de detoxificación de la carga orgánica, disminuye las dosis necesarias del oxidante fuerte y de los iones de hierro y, por tanto, baja también los costos operacionales del tratamiento.
Figura 2. Estructura del acido carmínico, colorante proveniente de la cochinilla. Fuente: Adaptado de Apuntes de Ciencia y Tecnología.
La reducción con metabisulfito de sodio, anterior a la oxidación avanzada, genera SO2 como agente reductor que rompe los enlaces pi de las cadenas orgánicas complejas. Al respecto, F. J. Padilla, C. G. Vargas Aya y F. Colpas (2000) en su investigación Degradación de cianuro en aguas residuales provenientes de la actividad minera del municipio de San Martín de Loba empleando métodos de oxidación química, plantean: “El poder reductor de este producto puede ser sustituido por otros re-
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ductores químicos que contienen SO2 como predecesor en su proceso de fabricación y que, sin embargo, pueden sustituir al bióxido de azufre en las reacciones de destrucción de cianuros, eliminando los riesgos tanto físicos como ambientales que implica el uso directo del SO2”.[5].
Para tratar los efluentes, se empleó la siguiente metodología de aplicación del tratamiento Fenton en el laboratorio: Acidificación del efluente Los efluentes compósito tenían un pH entre 4,8 y 5,2, que se llevó un valor de 3 para alcanzar la condición idónea de reducción. El tiempo de reacción es de 5 minutos a 300 rpm.
METODOLOGÍA
El estudio se realizó a partir de muestras compósito (acumulación de efluente) generadas cada hora, por espacio de 5 horas en 6 días intercalados. La investigación tuvo lugar en tuvo dos momentos: 1. En diciembre del 2014, la caracterización de las muestras de efluentes de bixina y carmín mostró una concentración media de 6 420 mg/L de DQO y 890 mg/L de DBO5, con una relación DBO5/DQO de 0,14, que indicaba que el efluente no podía ser tratado biológicamente, aunado a que la industria que solicitó el estudio no contaba con áreas para el tratamiento biológico. Entonces se estaba frente a un efluente que requería la aplicación de una tecnología de oxidación avanzada. El Fenton térmico activado fue la que logró mayor remoción con menores dosis de químicos, al alcanzar niveles de DQO por debajo de 1000 mg/L, DBO inferiores a 500 mg/L, y SST menores también a 500 mg/L. Es importante recalcar que el estudio se llevó a cabo cuando la planta industrial aún no trabajaba a su capacidad máxima. Si tomamos como ejemplo, la muestra del día 9 de diciembre del 2014, con una DQO de 6420 mg/L, se obtuvo una DQO final de 202 mg/L, lo que aseguraba que era el método correcto de tratar el efluente. Para incrementar el rendimiento en la remoción de los contaminantes orgánicos del efluente se implementó un tratamiento químico de cinética de reacción, mediante un proceso de reducción y oxidación avanzada a pH ácido, a una temperatura de 75 °C a 80 °C para el rompimiento de los enlaces carbono-hidrógeno-oxígeno; así como de algunos compuestos aromáticos a través del proceso Fenton térmico activado que remueve la materia orgánica. Este tratamiento es seguido de un proceso de coagulación y floculación para separar los sólidos en suspensión por sedimentación y finalmente un afinamiento mediante el paso por carbón activado, para luego descargar el efluente a la red de alcantarillado público, el cual cumple los VMA del D.S. 021-2009 del Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento.
Figura 3. Control de pH. Fuente: Elaboración propia
Reducción Una vez a pH 3 se procede a la inyección de metabisulfito de sodio, un agente reductor donador de dióxido de azufre (SO2), con el objetivo de romper los enlaces dobles de los complejos orgánicos presentes en los efluentes de carmín y bixina. Esta etapa de activación de los complejos orgánicos fuertes permite las condiciones de detoxificación para la siguiente etapa, y obtener como subproductos dióxido de carbono y agua. El tiempo de reacción es de 15 minutos a 300 rpm. Inyección de sal de hierro Se dosifica sal de hierro para acondicionar con el catión Fe+2 con el fin de obtener el metal disuelto para la catálisis y formación de radical hidroxilo (°HO) en la etapa del proceso Fenton térmico. En paralelo se eleva la temperatura hasta llegar a valores entre 75 °C y 80 °C para volatilizar algunos complejos aromáticos y generar el medio ideal para siguiente etapa. El tiempo de reacción y disolución en laboratorio es de 10 minutos a 300 rpm y a pH 3.
2. Las observaciones en el muestreo compósito fueron validadas a partir del 14 de enero del 2015 en un sistema de producción de planta a capacidad máxima y totalmente estabilizado, en el que los valores de la DQO del efluente estaban por encima de 12.000 mg/L. Los resultados iniciales promedio fueron los siguientes:
Efluente Bixina + carmín
Caudal (m3/ día) 95
pH
DBO (mg/L)
4,8 – 5,2 10.442,90
DQO (mg/L) 12.259,00
Ratio DBO/ DQO 0,852
Cuadro 1. Parámetros promedio con efluente estable. Fuente: Elaboración propia.
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Figura 4. Disolución de sal de hierro. Fuente: Elaboración propia
Oxidación térmica Fenton Luego de los 10 minutos necesarios para alcanzar una temperatura en el rango de 75 °C a 80 °C en la etapa anterior, se procede con la inyección del oxidante peróxido de hidrógeno estabilizado de elevada capacidad cinética de solubilización, presentando un aditivo inhibidor que evita su descomposición y la pérdida del activo detoxificante.
Coagulación y floculación Primero se procede a la alcalinización del efluente a pH 8,5, para luego aplicar un coagulante orgánico (polielectrolito aniónico) mezclando a 400 rpm y un floculante aniónico a una velocidad de agitación 100 rpm con el fin de generar los flocs necesarios que serán separados de una manera fácil en el sistema de separación sólido – líquido (sedimentación)
Luego el radical hidroxilo (°HO) actúa sobre la carga orgánica debilitada (que sufrió ruptura previa de enlaces dobles) y activada en la etapa reductora, transformándolos en CO2 y H2O. El tiempo de reacción es de 30 minutos por cada tanque de detoxificación (dos tanques en serie) con la aplicación fraccionada del oxidante y agitación a 300 rpm.
Figura 7. Homogenizador de polímero aniónico. Fuente: Elaboración propia
Filtración Se espera que el clarificado del sedimentador arrastre pequeños sólidos en suspensión (SST), que le den una ligera turbidez a la solución clarificada. Por ello, el over flow del sedimentador se hace pasar por un filtro pulido de retención de SST finos con el fin de no disminuir la eficiencia de remoción de la carga orgánica y del color de efluente final tratado. En las pruebas de laboratorio se utiliza papel filtro Whatman N°40 para esta etapa.
Figura 5. Oxidación avanzada con Fenton térmico. Fuente: Elaboración propia
Enfriamiento Se realiza el enfriamiento hasta temperatura ambiente para dar las condiciones adecuadas a la siguiente etapa de oxigenación residual y evitar la pérdida del oxígeno inyectado por disminución de la solubilidad a elevada temperatura. El tiempo aproximado de esta fase es de 30 minutos. Oxidación activada Se procede a oxigenar la solución tratada con oxígeno comprimido para remover la pequeñísima carga orgánica que aún pueda haber quedado no detoxificada. En paralelo, se alcaliniza la solución con soda cáustica hasta llevarla a un pH de 8,5, manteniendo una velocidad de agitación promedio de 300 rpm por 15 minutos.
Figura 8. Proceso de filtración. Fuente: Elaboración propia
Clarificación y pulido con carbón activado El filtrado debe pasar por un pulido final de remoción de residuales orgánicos y de ligera turbidez a través de una columna de carbón activado para obtener agua que cumpla con los VMA del D.S. 021-2009 – Vivienda. La necesidad de esta etapa se debe evaluar en un pilotaje (pruebas en continuo).
Figura 9. Adsorción de color y carga orgánica residual. Fuente: Elaboración propia
Figura 6. Oxigenación previa a la coagulación. Fuente: Elaboración propia
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RESULTADOS
Se hicieron mediciones de turbidez, DQO y DBO en las muestras obtenidas en dos momentos: t "M JOJDJP DPNP QBSUF EF MB DBSBDUFSJ[BDJĂ&#x2DC;O EFM FnVFOUF t "M mOBM DPNP QSPEVDUP EFM USBUBNJFOUP El cuadro 2 presenta los valores de cada uno de estos parĂĄmetros en el anĂĄlisis inicial y ďŹ nal de las muestras en las fechas consignadas. A cada fecha (seĂąalada por una cifra del 1 al 12) corresponden dos tipos de muestras de la misma mezcla de bixina y carmĂn: las tratadas con Fenton simple (B+C), denotadas con A; y las sometidas al tratamiento con Fenton tĂŠrmico activado (B+C+T°), denotadas con B.
Figura 10. Producto ďŹ nal tratado. Fuente: ElaboraciĂłn propia
FECHA
N°
MUESTRA (1 LITRO)
TURBIDEZ INICIAL (NTU)
TURBIDEZ FINAL (NTU)
DQO INICIAL (mg/L)
DQO FINAL (mg/L)
DBO INICIAL (mg/L)
DBO FINAL (mg/L)
06/01/15
1A
B+C
511
92,10
4780
1560
850
460
1B
B + C + T°
511
49,30
4780
1250
850
320
2A
B+C
787
71,70
6510
2580
945
690
2B
B + C + T°
787
12,08
6510
940
945
450
3A
B+C
789
46,70
6510
2190
960
530
3B
B + C + T°
789
29,80
6510
2830
960
380
08/01/15 09/01/15 12/01/15 13/01/15 14/01/15 15/01/15 19/01/15 20/01/15 21/01/15 22/01/15 23/01/15
4A
B+C
516
108,00
6510
1100
875
510
4B
B + C + T°
516
22,70
6510
1020
875
290
5A
B+C
767
287,00
6490
1070
916
504
5B
B + C + T°
767
29,20
6490
910
916
345
6A
B+C
486
51,80
12060
5390
10442
2780
6B
B + C + T°
486
40,30
12060
4670
10442
420
7A
B+C
483
2,99
12040
2740
9840
2520
7B
B + C + T°
483
4,65
12040
3560
9840
413
8A
B+C
595
4,24
12540
1120
10345
2650
8B
B + C + T°
595
1,71
12540
620
10345
417
9A
B+C
589
4,64
12510
1010
9996
2420
9B
B + C + T°
589
14,30
12510
1080
9996
401
10A
B+C
597
15,00
12560
650
10220
2640
10B
B + C + T°
597
14,30
12560
1040
10220
398
11A
B+C
611
31,60
12420
840
10100
2540
11B
B + C + T°
611
10,20
12420
960
10100
395
12A
B+C
598
62,30
12620
940
9910
2438
12B
B + C + T°
598
67,00
12620
950
9910
409
Cuadro 2. Resultados de anĂĄlisis antes y despuĂŠs del tratamiento; para un litro de eďŹ&#x201A;uente. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
76
t &O FM DVBESP EFTUBDBO DMBSBNFOUF EPT UJQPT EF FnVFOUFT Las primeras lecturas (entre el 6 y 13 de enero) indican una DQO entre 4500 mg/L y 6500 mg/L, aproximadamente, en un periodo en el que la producciĂłn de las corrientes de carmĂn y bixina no operaba al 100% de su capacidad; en tanto que al regularizarse la producciĂłn de la planta (entre el 14 y 23 de enero) se obtuvo valores iniciales de la DQO mayores a 12000 mg/L.
N° de muestra GrĂĄfica 1. Tratamiento de eďŹ&#x201A;uente con turbidez ďŹ nal < 100 NTU. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
PARĂ METRO
VMA
UNIDAD
DBO
500
mg/L
DQO
1000
mg/L
SĂłlidos suspendi500 dos totales/SST
mg/L
Cuadro 3. Anexo N° 1 del D.S. 021-2009-Vivienda. Fuente: Adaptado de [1]
t &O FM QSPDFTP 'FOUPO UĂ?SNJDP BDUJWBEP MB PYJEBDJĂ&#x2DC;O BWBO[BEB debe realizarse antes de la etapa de coagulaciĂłn y ďŹ&#x201A;oculaciĂłn, a la cual debe seguir la de sedimentaciĂłn y ďŹ ltraciĂłn, para luego pasar al aďŹ no en las columnas de carbĂłn activado. En el contexto de una planta real, la alta remociĂłn de sĂłlidos ďŹ&#x201A;oculados se da principalmente en el equipo de sedimentaciĂłn, cuyo clariďŹ cado pasa por un ďŹ ltro de arena y una columna de carbĂłn para su posterior descarga en la red de alcantarillado, y asĂ cumplr con los VMA del D.S. 021-2009-Vivienda. Es decir, antes de la separaciĂłn sĂłlido-lĂquido el eďŹ&#x201A;uente requiere un proceso de reducciĂłn y oxidaciĂłn avanzadas, para romper las cadenas de carbono, sobre todo los dobles enlaces, anillos aromĂĄticos y los complejos orgĂĄnicos (CxHyOzNw) generando molĂŠculas de diĂłxido de carbono (CO2) y agua principalmente.
CONCLUSIONES
N° de muestra GrĂĄfica 2. Tratamiento de eďŹ&#x201A;uente con DQO inicial < 7,000 mg/L mediante Fenton simple y Fenton tĂŠrmico activado. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
t -BT NVFTUSBT EF FnVFOUFT PCUFOJEBT EVSBOUF MB TFHVOEB FUBQB de la investigaciĂłn, en condiciones de alta producciĂłn fueron mĂĄs estables (ver cuadro 2) respecto a DQO, DBO y NTU (caracterizaciĂłn antes de tratar), en comparaciĂłn a las que se tomaron al inicio del estudio. t &M QSPDFTP EF USBUBNJFOUP EF SFNPDJĂ&#x2DC;O EF DBSHB PSHĂ&#x2C6;OJDB NĂ&#x2C6;T eďŹ ciente desde el punto de vista ďŹ sicoquĂmico es el Fenton tĂŠrmico activado, por lo que se plantea su potencial aplicaciĂłn a eďŹ&#x201A;uentes que provienen de la producciĂłn de colorantes de alimentos, sobre todo a base de bixina y carmĂn.
N° de muestra GrĂĄfica 3. Tratamiento de eďŹ&#x201A;uentes con DQO inicial > 10 000 mg/L mediante Fenton tĂŠrmico activado. Fuente: ElaboraciĂłn propia.
t &O FM DVBESP TF PCTFSWB RVF MBT NVFTUSBT # QSFTFOUBO WBlores ďŹ nales mĂĄs bajos de los parĂĄmetros que las muestras A. AsĂ tambiĂŠn, en las grĂĄďŹ cas 1, 2 y 3 se puede apreciar que la tecnologĂa Fenton tĂŠrmico activado aplicada durante la investigaciĂłn remueve mĂĄs eďŹ cazmente la carga contaminantes orgĂĄnica (DQO) y la turbidez (SST/NTU) de los eďŹ&#x201A;uentes analizados, en los escenarios de toma de eďŹ&#x201A;uentes estabilizados y no estabilizados. En ambos casos la remociĂłn de contaminantes mediante esta tecnologĂa logra que los niveles de estos se sitĂşen por debajo de los VMA del D.S. 021-2009 Vivienda que se muestran en el siguiente cuadro:
t &M QSPDFTP EF PYJEBDJĂ&#x2DC;O BWBO[BEB EFCF TFS DPNQMFNFOUBEP con un tratamiento de coagulaciĂłnâ&#x20AC;&#x201C;ďŹ&#x201A;oculaciĂłn, un sistema de separaciĂłn sĂłlido-lĂquido de sedimentaciĂłnâ&#x20AC;&#x201C;ďŹ ltraciĂłn y una etapa de aďŹ no con columnas de carbĂłn activado. t " QBSUJS EF FTUPT SFTVMUBEPT TF QVFEFO SFBMJ[BS QSVFCBT DPO FM eďŹ&#x201A;uente en un pilotaje continuo a bajo caudal para luego llevar a escala lo que serĂa la planta real mediante un estudio de ingenierĂa de detalle.
REFERENCIAS
[1] Ministerio de Vivienda; ConstrucciĂłn y Saneamiento. (2009). D.S. 021-2009-Vivienda. Valores MĂĄximos Admisibles (VMA) de las descargas de aguas residuales no domĂŠsticas en el sistema de alcantarillado sanitario.
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[2] Felows, P. (1994). Tecnología del procesado de alimentos (pp 517-520). Zaragoza: Editorial Acribia. [3] Ribeiro, D. (2015). Corantes naturais. Recuperado de http:// quipibid.blogspot.com /2015/01/corantes-naturais.html [4] Ciencia y tecnología (2015). ¿Qué es la cochinilla, carmín o ácido carmínico (E120)? Recuperado de http://apuntesdecienciaytecnologia.blogspot. com/2011/06/que-es-lacochinilla-carmin-o-acido.html [5] Padilla, F.; Vargas Aya, C. & Colpas, F. (2000). Degradación de cianuro en aguas residuales provenientes de la actividad minera del municipio de San Martín de Loba empleando métodos de oxidación química. Bolívar. [6] Alarcón C. (2014). Curso de especialización: Tratamiento de aguas residuales. Instituto de ciencias de la naturaleza, territorio y energías renovables (INTE). Pontificia Universidad Católica del Perú. Lima.
ACERCA DE LOS AUTORES
Huguez Enrique Ames Ramírez Ingeniero químico por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Estudios de maestría en la Universidad de Piura. Miembro del Colegio de Ingenieros del Perú. Experiencia en la industria química y metalúrgica, principalmente en el tratamiento de aguas residuales de procedencia doméstica e industrial. Ha sido docente en la Universidad Nacional Agraria La Molina, la Universidad Continental de Ciencia e Ingeniería en Huancayo y el Instituto de Ciencias y Humanidades. Es autor de diversos textos y compendios de cursos universitarios y preuniversitarios. Ha sido asesor-consultor del Ministerio de Educación en currículo, evaluación y materiales en ciencias. Actualmente, es docente del Departamento de Minería y Procesos Químico - Metalúrgicos en Tecsup Lima; además, es consultor técnico en una reconocida empresa dedicada al tratamiento de aguas y de efluentes industriales. hames@tecsup.edu.pe
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María Janet Reque Córdova Bióloga por la Universidad Nacional San Luis Gonzaga. Estudios de Biología Molecular Vegetal en la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Experiencia en la industria alimentaria como analista de control de calidad en la empresa Icatom S.A., como jefa de control de calidad en plantas agroexportadoras de diversos productos agrícolas, así como asesora externa en biología molecular vegetal para diversas entidades. Actualmente, trabaja en la empresa Stockholm Mining S.A.C. que ofrece soluciones integrales en el tratamiento de aguas y de efluentes industriales. greque@consorciostockholm.com
César Daniel Vásquez Rodríguez Ingeniero metalúrgico por la Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Estudios de diplomado en Sistemas de Gestión Integrado y Sistema de Gestión QA/QC. .Miembro del Colegio de Ingenieros del Perú. Experiencia en la industria metalúrgica de fundición como supervisor en el Área de Procesos de Diseño de Sistema de Alimentación en AutoCAD, en la industria de la corrosión como supervisor de sistema de protección catódica e integridad de ductos en el Proyecto de Camisea en Malvinas Provincia de Echarte, La Convención, Cusco. Actualmente, trabaja en la empresa Stockholm Mining S.A.C. que ofrece soluciones integrales en el tratamiento de aguas y de efluentes industriales. cvasquez@consorciostockholm.com
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