Diseño de reactores. Parte 1. Introducción.

Diseño de reactores. Parte 1. Introducción.

En este Blog, "La epistemología en la práctica", se han publicado entradas de contenido tecnológico con anterioridad. En esta ocasión se publica una serie de entradas bajo el título genérico "Diseño de reactores". Se trata de presentar algunos ejercicios resueltos con MATLAB y Visual C++, enfocados a problemas de ingeniería ambiental. 

Algunos ejemplos se tomaron del capítulo 1 del libro de Fogler (2001) y se enfocan en reacciones químicas utilizando varios tipos de reactores. De esta misma fuente proviene también un ejercicio de aplicación en ingeniería ambiental en el que se modela la contaminación atmosférica de la cuenca de Los Ángeles, California, en los Estados Unidos. Otro ejercicio de esta fuente es de aplicación a la ecología de poblaciones, en la que se modela una relación depredador-presa, utilizando zorros como depredadores de conejos, dentro del territorio comprendido por la propiedad del granjero Olaf, o sea que es un ejercicio con datos arbitrarios, pero que se puede adaptar a un caso real si se recaban los datos necesarios.

Otros ejemplos se tomaron del libro de Martínez y Rodríguez (2005) y son todos de aplicación en el diseño de reactores para el tratamiento biológico de aguas residuales. Estos ejemplos van desde la determinación de los parámetros bio-cinéticos en laboratorio para el dimensionamiento del reactor biológico y el sedimentador secundario, hasta la modelación de un proceso de lodos activados introduciendo cambios en la carga orgánica entrante, medida como Demanda Química de Oxígeno (DQO), al sistema.

A continuación se presenta el listado completo de las entradas que va comprender esta nueva serie de entradas. Conforme se vayan adicionando, se van a colocar los enlaces para poder acceder a cada una de ellas teniendo esta entrada abierta.

Diseño de rectores. Parte 2. Reactor tubular.

Este ejercicio está basado en el ejemplo 1.3 de Fogler (2001).

Diseño de reactores. Parte 3. Reactores isotérmicos de flujo continuo.

Este ejercicio está basado en el problema 11A de Fogler (2001).

Diseño de reactores. Parte 4. Reactores isotérmicos de flujo continuo en fase gaseosa.

Este ejercicio está basado en el problema 12A de Fogler (2001).

Diseño de reactores. Parte 5. Una aplicación en ecología de poblaciones.

Este ejercicio está basado en el problema 18A de Fogler (2001).

Diseño de reactores. Parte 6. Una aplicación de modelación de contaminantes del aire.

Este ejercicio está basado en el problema P1-10 de Fogler (2001).

Diseño de reactores. Parte 7. Cinética de degradación de orden cero.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 8. Cinética de degradación de orden uno.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 9. Cinética de degradación de orden dos.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 10. Cinética de degradación de orden variable.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 11. Desempeño de un reactor por lote.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 12. Comportamiento de un trazador en un reactor continuo con mezcla completa.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 13. Variación del sustrato en un reactor continuo de mezcla comleta.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 14. Degradación de un contaminante en un reactor tipo pistón.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 15. Serie de reactores continuos de mezcla completa.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 16. Serie de reactores continuos de mezcla completa.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 2 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 17. Determinación de parámetros biocinéticos.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 5 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 18. Determinación de parámetros biocinéticos. Comparación de modelos con el comportamiento experimental.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 5 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 19. Determinación de parámetros biocinéticos. Comportamiento de un reactor biológico por lote.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 5 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 20. Determinación de parámetros biocinéticos. Cinética de degradación con inhibición tipo Haldane.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 5 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 21. Modelación del proceso de lodos activados.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 6 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 22. Modelación del proceso de lodos activados. Efecto de la variación del caudal de desecho.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 6 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 23. Modelación del proceso de lodos activados. Variación de Qr y Qw.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 6 de Martínez y Rodríguez (2005).

Diseño de reactores. Parte 24. Modelación del proceso de lodos activados. Efecto de la temperatura.

Este ejercicio está basado en ejercicios del capítulo 6 de Martínez y Rodríguez (2005).

Bibliografía

Fogler, H.Scot. 2001. Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. Tercera edición. Pearson Educación. México.

Martínez D., Sergio A. y Miriam G. Rodríguez R.2005. Tratamiento de aguas residuales con MATLAB. Editorial Reverté. Universidad Autónoma Metropolitana. México, DF, México.

Análisis de varianza para un Blog

Análisis de varianza para un Blog.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

Las entradas de este Blog, "La epistemología en la práctica", son preparadas con base en información obtenida de bibliografía especializada, artículos publicados en internet, información proporcionada en los museos y otras fuentes. La epistemología estudia las formas en las que se genera el conocimiento y cómo éste se traslada a la mente humana. Así, es interesante encontrar el camino que siguieron los descubrimientos científicos y tecnológicos para alcanzar su estado último de desarrollo.

Si encuentras información de tu interés en esta entrada, puede que te sirva también visitar en este mismo blog: Python básico para estadística.

Un análisis atractivo para obtener información sobre el desempeño de un Blog se obtiene al tabular y graficar las entradas contra el número de ingresos. Esto permite visualizar los temas que más impactan sobre el interés de los lectores o internautas, en este caso, y que por lo tanto, se convierten en las entradas más visitadas y leídas. Es importante comentar también que un número reducido de entradas, además de indicar que su contenido es poco atractivo, indica que tal vez ni siquiera han sido leídas, ya que se debe recordar que los buscadores de internet arrojan gran cantidad de sitios para los resultados de una búsqueda y por lo tanto, algunas de las visitas sólo sirven para descartar las opciones que quedan fuera del interés particular del lector potencial.

Adelante se presenta una tabla (Tabla 1 y Figura 1) con los títulos de las entradas publicadas, un total de 50, junto con la fecha de su publicación y el número de entradas acumulado al 10 de junio de 2013.

Tabla 1. Título de las entradas, fecha de su publicación y número de entradas acumulado al 10 de junio de 2013.

Figura 1. Título de las entradas, fecha de su publicación y número de entradas acumulado al 10 de junio de 2013.

A partir de este análisis preliminar es posible poner el énfasis en los temas que han sido más exitosos, en términos del mayor número de visitas. Para esto se puede proceder de manera inicial clasificando las entradas en grupos y obtener las sumas parciales de número de visitantes.

Antes de continuar se puede comentar que entre otras ayudas que presenta el Blogger de Google es el despliegue de estadísticas de visitas por país, que para este Blog se presenta en forma de Tabla (Tabla 2), de la siguiente manera:

Tabla 2. Número de ingresos por país.

El número de ingresos por tema (Tabla 3) se distribuye de la siguiente manera:

Tabla 3. Número de ingresos por tema de la entrada.

Los datos anteriores sugieren que existe una clara preferencia por algunos temas sobre otros. Además se debe notar que el título de las entradas parece tener un cierto efecto sobre la atracción de visitantes a su lectura, por ejemplo, en el tema 4 (Cine y literatura), se tienen números de visitantes más bajos, pero también hay una entrada que tuvo gran número de visitas, es el caso de la entrada titulada "Algo de cine. Labios rojos." con 52 entradas acumuladas. Tal vez las mujeres que buscan consejos para el uso de sus cosméticos pueden estar ingresando, aunque se encuentran con que el tema no corresponde con el de su búsqueda. Es posible también, que los buscadores de temas de carácter erótico se estén encontrando con esta entrada, de acuerdo con las palabras clave que utilicen en su búsqueda. Esto debe tomarse en cuenta para no atraer la atención de lectores que buscan con palabras que corresponden a su criterio de interés y que se encuentren de pronto en un sitio que no tiene el mismo tema de interés.

La tabla anterior, una vez clasificadas las entradas, puede sintetizarse de la siguiente manera (Tabla 4):

Tabla 4. Temas de las entradas, número de entradas por tema y número de ingresos por tema.

Los datos de la tabla anterior pueden visualizarse más claramente en la forma de un gráfico de barras como el siguiente (Figura 2):

Figura 2. Número de entradas y número de ingresos por tema.

Un análisis más preciso de estos datos nos permite obtener conclusiones acerca de la validez estadística de las diferencias numéricas encontradas en los resultados presentados hasta ahora. Para esto se obtuvieron intervalos de confianza para el número de ingresos por tema utilizando la distribución T de Student, lo cual permite comparar pares de promedios. En este caso el intervalo de confianza al 95% se puede interpretar para cada par de promedios. Si no hay traslape entre los intervalos de confianza, se tienen promedios estadísticamente diferentes al 95% de confianza. Si se quiere obtener un resultado aún más válido estadísticamente, es necesario hacer un análisis de varianza para comparar los cuatro promedios obtenidos, bajo un modelo completamente aleatorizado.

Por lo pronto se presentan los resultados comentados hasta ahora para el número de ingresos. La tabla de número de ingresos por tema queda de la siguiente manera (Tabla 5 y Figura 3):

Tabla 5. Intervalo de confianza para los temas de las entradas.

Figura 3. Intervalos de confianza al 95% para el número de ingresos por tema.

Ahora se puede concluir que el tema 3 (Humanidades y comportamiento humano) y tema 4 (Cine y literatura) tuvieron estadísticamente igual número de ingresos y sus promedios fueron los más bajos de los cuatro grupos. El tema 2 (Ciencia y tecnología) tuvo 130 ingresos y fue el segundo tema con más ingresos. El tema 1 (Programación y electrónica) tuvo 343 ingresos y fue el tema con más ingresos.

Se realizó una comparación de promedios con la distribución T-Student para los promedios de los temas 3 y 4. El valor de p=0.0160, con un valor para t-calculada de -2.6110 y valores de t-crítico de -3.1772 y +3.1772, es decir, el valor de t-calculada cae dentro de la zona de aceptación de la hipótesis nula Ho : µ1=µ2, con valor alfa=0.05. De manera que estos valores son estadísticamente diferentes.

Análisis de varianza

El análisis de varianza se realizó mediante un programa para MATLAB. Este análisis compara el número de ingresos para cada tema mediante la hipótesis nula Ho : µ1=µ2=µ3=µ4. La instrucción anova1(X,group) genera un análisis de varianza para datos desbalanceados, genera una tabla de resultados del análisis de varianza (Tabla 6) y un gráfico de cajas (Figura 4) para los datos proporcionados en la matriz X. El gráfico de cajas muestra el valor promedio de ingresos, el tercer cuartil, el intervalo de confianza al 95% y los valores extremos - y +. El código de MATLAB para realizar este análisis de varianza es el siguiente:

>>X=[1 8 4 52; 5 8 2 2; 3 2 9 4; 4 15 4 3; 20 7 22 1; 3 3 2 2; 17 19 7 2; 

    80 12 4 6; 48 15 4 6; 102 14 5 10; 35 25 4 NaN; 24 2 2 NaN;
    1 NaN 6 NaN; NaN NaN 4 NaN; NaN NaN 5 NaN];
>>A=[1 2 3 4];
>>[p, table]=anova1(X,A)
>>xlabel('Tema de entrada')
>>ylabel('Numer de ingresos')
>>text(2, 100, 'Grafico de ingresos por tema')

Tabla 6. Análisis de varianza para número de entradas por tema.

Figura 4. Gráfico de cajas para los datos de número ingresos por tema.

Como puede verse en la Tabla 6, el valor de p=0.028 indica que el estadístico de prueba cae dentro de la zona de rechazo de Ho, de manera que los temas son estadísticamente diferentes en el número de ingresos, con una significancia de 95%.

Las conclusiones estadísticas obtenidas mediante la técnica del análisis de varianza eran hasta cierto punto obvias desde el inicio. Sin embargo, otras conclusiones igualmente útiles pueden no ser tan obvias en un primer vistazo de los datos. Por ejemplo, ahora se va a hacer un análisis del número de ingresos contra la antigüedad de la entrada. En primer lugar, se acomodan los datos para mostrarlos en un formato más cómodo para el lector. El presentar los datos con un formato dedicado a mostrar una relación posible con algún factor en estudio, es una técnica que permite visualizar un posible comportamiento, que de otra manera permanecería oculto para el lector menos familiarizado con el tema o con las técnicas de análisis de datos.

Para este análisis se van a descartar los temas 3 y 4 que tienen un número significativamente menor de ingresos, y se va a centrar en las entradas más visitadas que son los temas 1 y 2. Así, los datos quedan de la siguiente forma (Tabla 7):

Tabla 7. Coeficiente de correlación para antigüedad (valores x) y número de ingresos (valores y).

Todo este formateo de datos se hizo con una hoja de cálculo, en este caso con Excel de Microsoft Office.

Para probar la hipótesis de que las entradas de mayor antigüedad serían las entradas con más ingresos de usuarios, se ordenaron los datos utilizando la antigüedad como criterio, y se calculó el coeficiente de correlación para los datos Antigüedad (valor de x) y el número de ingresos (valor de y). El coeficiente de correlación calculado fue de -0.3302, esto quiere decir en primer lugar, que a mayor antigüedad hubo menor número de ingresos, pero este valor es muy bajo, lo cual indica que el comportamiento no es consistente. Esto se puede apreciar mejor en un gráfico con una línea de tendencia, como se muestra a continuación:

Figura 5. Gráfico de antigüedad contra número de ingresos y línea obtenida por regresión lineal.

La línea de tendencia (recta), obtenida por regresión lineal por mínimos cuadrados, muestra un valor de pendiente sumamente bajo (Figura 5), como se comentó antes y el coeficiente de correlación (R^2) también sumamente bajo. Con esto se refuerza la conclusión de que el número de ingresos no depende de la antigüedad de la entrada.

Conclusiones.

• El tema de las entradas es el factor principal que determina el número de ingresos para cada entrada del Blog.

• El título de las entradas es importante para evitar atraer lectores que realmente no están interesados en el tema que se trata. Esto es importante, pues las personas que no encuentran el material que requieren, permanecen poco tiempo, no leen realmente la entrada y es menos probable que se enlacen con alguna página de los anunciantes que aparecen en ese momento en el Blog.

• Las personas que ingresan en las diferentes entradas del Blog, pero no lo leen, por tener otros intereses en mente, son un factor de sesgo para la popularidad del Blog. Puede parecer que una entrada sea leída muy frecuentemente cuando en realidad la mayoría de los ingresos fueron por equivocación, por una asociación correcta del buscador con los criterios de búsqueda, pero una asociación incorrecta del título de la entrada con su contenido.

• La antigüedad de la entrada no es un factor que determine el número de ingresos hacia una entrada en particular.

• Los ingresos por país fueron en los Estados Unidos en su mayoría, después estuvo México y otros países de habla hispana le siguieron, empezando con España.

Bibliografía

Baker, Stephen. 2009. Los numerati. Editorial Planeta. México.

Montgomery, Douglas C., y George C. Runger. 1996. Probabilidad y estadística aplicadas a la ingeniería. McGraw-Hill. México.

Procesamiento de los datos

En el procesamiento de los datos se emplearon los programas computacionales Microsoft Word Starter, Microsoft Office Excel y MATLAB. Además se empleó una calculadora HP-50G. 

La línea de vegetación arbórea

La línea de vegetación arbórea.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

Existe una línea altitudinal por encima de la cual no hay crecimiento de plantas de hábito arbóreo (treeline). Esta línea se ubica un poco por encima de los 4000msnm cuando nos aproximamos al ecuador y va descendiendo a medida que nos acercamos a los polos. Si nos vamos muy al sur o muy al norte, esta línea alcanza el nivel del mar, de manera que hay una línea alrededor del polo norte y del polo sur en la que se termina la vegetación arbórea, no importa cuál sea la altitud a la que nos encontremos. En el artículo de McNown y Sullivan, 2013, publicado en la revista Functional Ecology, se trabajó en esa zona del ecosistema a los 67°28' de latitud norte en Alaska.

La razón de que este tipo de vegetación ya no prospere a mayores altitudes o en latitudes mayores se ha especulado, pero no se ha probado científicamente.

Sabemos que para obtener una comprobación científica tendría que plantearse una hipótesis, posteriormente desarrollar un protocolo en el que se describan detalladamente las observaciones o los experimentos necesarios para poner a prueba la hipótesis, ejecutar en la práctica lo estipulado en el protocolo, y a partir de los datos obtenidos y su análisis obtener las conclusiones pertinentes.

Pues bien, este es uno de esos casos en que se han planteado numerosas hipótesis, pero ninguna de ellas había sido probada formalmente hasta los primeros reportes que datan de unos 20 a 25 años atrás (1988 a 1993). Por si fuera poco, las hipótesis planteadas no han sido probadas irrefutablemente y sí han surgido nuevas hipótesis, aunque relacionadas con las primeras suposiciones, que apuntan en diferentes direcciones. Como puede esperarse de un caso como este, las nuevas hipótesis son cada vez más refinadas y requieren procedimientos de observación y de experimentación sumamente sofisticados.

Las hipótesis tratan de asociar las bajas temperaturas con el efecto que producen en el metabolismo de estas especies. Se sabe que a medida que los organismos vivos se desarrollan en ambientes con temperaturas más bajas, las velocidades de las vías metabólicas disminuyen. Además se tiene evidencia que el cambio climático ha permitido el movimiento de esta línea de vegetación arbórea a mayores altitudes y a mayores latitudes (sur y norte).

McNown y Sullivan, 2013, mencionan las dos hipótesis que se han planteado respecto a la ubicación de esta línea de vegetación: Una es la del destino final del carbono fijado (carbon sink hypotheses, como se le llama en inglés) y la otra es la que establece que los árboles no son capaces de fijar suficiente carbono para su desarrollo (carbon source limitation hypotheses, como se le conoce en inglés).

La primera hipótesis sostiene que las bajas temperaturas durante la estación de crecimiento limitan directamente la división celular. Esta hipótesis ha sido puesta a prueba por Körner en 1998 y en 2012. En otros trabajos se ha correlacionado la temperatura con el límite de la vegetación arbórea (Körner, 1998; Jobbagy & Jackson, 2000). Otros autores han encontrado que la concentración de carbohidratos no estructurales dentro de los tejidos de los árboles se incrementa al aproximarse a la línea límite de vegetación arbórea, mostrando que el carbono fijado no se utiliza eficientemente en la construcción de nuevos tejidos (Hoch & Körner, 2003).

La segunda hipótesis indica que las plantas no son capaces de fijar suficiente carbono para mantener un crecimiento sostenido. Algunos investigadores han propuesto que la escasez de agua es la causa de este desbalance (Lloyd y Fastie, 2002; Wilmking y col, 2004). Otros han atribuido el desbalance a la disminución del intercambio gaseoso de las acículas (hojas de los pinos que habitan en esas condiciones) asociado con las bajas temperaturas en el suelo (Goldstein, Brubaker y Hinckley, 1985; Sullivan y Sveinbjörnsson, 2011). El desbalance de carbono también se ha asociado con estrés nutrimental (Sveinbjörnsson, Nordell y Kauhanen, 1992). Los daños y pérdida consiguiente de tejidos también se han asociado con la baja asimilación del carbono (Hadley y Smith, 1986; Sveinbjörnsson, 2000).

En la investigación de McNown y Sullivan, 2013, se colocaron sensores para registrar variables meteorológicas, temperaturas del suelo y tasas fotosintéticas, por ejemplo y se recolectaron tejidos y muestras de suelo para analizar su contenido de nutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio). Con la información recolectada y tras su análisis, ellos demuestran que el nitrógeno se hace cada vez más limitante a medida que se acercaban al límite de la vegetación arbórea. También destacan que la humedad del suelo parece ser suficiente y que no sería un factor limitante del crecimiento de la vegetación. Además encontraron que las velocidades de la fotosíntesis se redujeron fuertemente conforme las temperaturas fueron más bajas.

En sus comentarios resalta que la pobre disponibilidad de nitrógeno en los suelos está relacionada con la disminución de la actividad bacteriana en la fijación de nitrógeno atmosférico. De esta manera, la escasez de nitrógeno junto con la baja velocidad de fijación de carbono fotosintético, serían los principales factores que determinan la ubicación de la línea límite de la vegetación arbórea.

Sin embargo, es un tema que se está investigando con interés, en parte debido a las facilidades que brinda la tecnología, ya que estos ambientes resultan sumamente inaccesibles para equipos científicos debidamente equipadas. Como se puede ver, este es otro ejemplo en el que la investigación ha debido esperar hasta que las tecnologías disponibles para la ciencia han hecho posible el monitoreo remoto, analizadores portátiles de gases, técnicas de muestreo, entre otras herramientas.

Bibliografía

McNown, Robert W., and Patrik F. Sullivan. 2013. Low photosynthesis of treeline white spruce is associated with limited soil nitrogen availability in the Western Brooks Range, Alaska. Functional Ecology 27:672–683.

Sensores para cultivar plantas

Sensores para cultivar plantas.

Categoría: 1. Programación y electrónica.

En la agricultura suele ser difícil aplicar sistemas de alta tecnología, aunque, contradictoriamente, algunos de los avances más recientes en un momento dado han sido adoptados por los constructores de maquinaria agrícola, por los cultivadores bajo condiciones de invernadero, por las grandes plantaciones a cielo abierto con sistemas de irrigación y ferti-irrigación, entre otras aplicaciones. 

Existen empresas que brindan servicios de apoyo a la agricultura basados en el procesamiento de imágenes de satélite, que proporcionan información en tiempo real a las fertilizadoras montadas en un tractor para ajustar la dosis aplicada de acuerdo a las necesidades reales de nutrientes del cultivo en ese momento.

Algunos apoyos de campo siguen siendo laboratorios portátiles y otros tipos de análisis de suelos y análisis parasitológicos que incorporan tecnologías de la genética molecular.

En la actualidad se comienzan a incorporar tecnologías que hacen uso de las tecnologías de la comunicación y la informática. Una aplicación desarrollada en Suiza es capaz de seguir variables como la temperatura ambiental, humedad del suelo e intensidad luminosa en tiempo real. Además envía mensajes de alerta vía WiFi y puede generar gráficos visibles en una interfaz a través de internet (Koubachi, http://www.koubachi.com/).

En los cultivos en hidroponia es posible hacer mediciones de la concentración (actividad química) de iones importantes como nitrato (NO3-), amonio (NH4+) y potasio (K+), de manera que las soluciones nutritivas pueden reciclarse, reponiendo únicamente las cantidades de estos nutrientes que se hayan consumido en los riegos anteriores y haciendo otros ajustes como conductividad eléctrica, pH y potencial redox. Así mismo habrá que reponer el agua que se ha gastado por evapotranspiración.

El uso de circuitos integrados programables (PICs) que se ha presentado en algunos ejercicios en este Blog, puede ser de utilidad para el control y análisis de estas variables, por ejemplo, registrando sus valores en una tarjeta micro SD, como la que incorpora el Shield Ethernet de Arduino. Con este tipo de sistemas se puede automatizar la apertura y cierre de ventilas, establecer controles de humedad relativa, concentraciones de nutrientes, registrar temperaturas interna y externa, encender y apagar ventiladores y calentadores de manera automática. Registrar la apertura y cierre de puertas, controlar el plegado de estructuras de sombreo, programar riegos y aplicaciones de plaguicidas (aplicaciones nocturnas automatizadas). En fin, poco a poco se tienen aplicaciones más tecnificadas que se pueden aplicar en instalaciones de pequeñas, medianas y grandes dimensiones.
Por ejemplo, es posible adquirir un robot que corta el pasto del jardín, totalmente automatizado (http://www.husqvarna.com/us/products/robotic-mowers/husqvarna-robotic-mowers-for-homeowners/).

Monografía de la alfalfa II

Monografía de la alfalfa II.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

La alfalfa es una hierba perenne  que se utiliza como forraje, ya sea verde o seca, para el ganado vacuno, ovino, porcino, equino y aves de corral. Por su valor nutritivo también se le utiliza en la cocina familiar donde sus brotes tiernos se utilizan para preparar ensaladas y para preparar agua de sabor (SIAP, 2013).

Su nombre científico hace referencia a la región de Medea en Italia y al vocablo árabe “alfasasat”. El centro de origen es el suroeste de Asia y se piensa que es una de las primeras plantas cultivadas por el hombre (Botanical on-line, 2013).

En México la producción en 2011 de alfalfa verde tuvo una superficie cosechada de 376,421ha, con una producción de 28,247,520ton. De esta manera, el rendimiento promedio fue de 75.04ton/ha. El precio promedio fue de 462.18$/ton, con un valor total de la producción de 13,055,453.78 (pesos mexicanos).(SIAP, 2013).

Las raíces de la planta pueden alcanzar los 4.5m de longitud, lo que la hace una especie resistente a la sequía. La especie tiene un genoma tetraploide, es una especie que muestra autotoxicidad, por lo que es difícil la germinación de la semilla en un campo cultivado previamente con alfalfa, por lo que se recomienda la rotación del cultivo con otras especies como maíz o trigo, antes de sembrar nuevamente alfalfa (Wikipedia, 2013).

La alfalfa procede de Persia, donde probablemente fue adoptada durante la edad del bronce para la alimentación de caballos, procedentes de Asia central. Según Plinio el Viejo, se introdujo en Grecia alrededor del 490 AC, durante la primera guerra médica, posiblemente en forma de semillas llegadas con el pienso (forraje) de la caballería persa. Como muchas leguminosas, sus raíces poseen nódulos que contienen las bacterias Sinorhizobium meliloti, con habilidad para fijar nitrógeno, para producir alimento rico en proteínas sin importar la disponibilidad de nitrógeno en el suelo. Por su capacidad para fijar nitrógeno, mejora la fertilidad del suelo agrícola (Wikipedia, 2013).

La alfalfa Roundup Ready es una variedad genéticamente modificada por ingeniería genética, patentada por Monsanto Co., resistente al herbicida Glifosato, de la misma compañía. De esta manera, la mayoría de las plantas de hoja ancha, incluyendo la alfalfa común son sensibles al herbicida, mientras que el agricultor puede rociar los cultivares de alfalfa Roundup Rready con el glifosato matando las plantas maleza, sin dañar el cultivo de alfalfa genéticamente modificada (Wikipedia, 2013).

De las enfermedades bacterianas que atacan este cultivo destaca la marchitez bacteriana causada por Corynebacterium insidiosum. Entre las enfermedades causadas por hongos que atacan a la alfalfa se encuentra la podredumbre de la corona o podredumbre blanda causada por Rhizoctonia solani; la verticiliosis, causada por Verticillium albo-atrum; la podredumbre blanda, causada por Sclerotinia trifoliorum; la viruela de las hojas, causada por Pseudopeziza medicaginis; la roya de la alfalfa, causada por Uromyces striatus; el mildiu de la alfalfa, causado por Peronospora trifoliorum y P. estivalis; el oidio de la alfalfa, causado por Erysiphe polygoni por E. pisi y por E. martii; y la antracnosis , causada por Colletotrichum trifolli (Wikipedia, 2013).

Entre las plagas que atacan a la alfalfa están la pulguilla de la alfalafa, Sminthurus viridis; los áfidos (pulgones) Acryrtosiphon trofolii; la gardama, Laphigma exigua; la rosquilla o gusano gris, Preodenia litura y Agrostis segetis; el gusano verde, Phytonomus  o Hyperia variabilis; el gusano negro, Colaspidema atrum; los trips, Frankliniella spp.; los ácaros, Tetranynchus spp., (Wikipedia, 3013).

Más datos sobre producción en México se pueden encontrar en el siguiente enlace a Financiera Rural:
http://www.financierarural.gob.mx/informacionsectorrural/Documents/Monografias/Monograf%C3%ADa%20Alfalfa%20(abril10).pdf

Bibliografía

Botanical on-line. 3013.

http://www.botanical-online.com/medicinalsalfalfa.htm

SIAP. Servicio de Información Agrícola y Pecuaria. SAGARPA. 2013.

http://www.siap.gob.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=84&Itemid=49

Wikipedia, 2013.

http://es.wikipedia.org/wiki/Medicago_sativa

Monografía de la alfalfa I

Monografía de la alfalfa I.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

La alfalfa (Medicago sativa) es una especie vegetal que se cultiva como forraje para alimentar ganado bovino productor de leche y para la elaboración de alimentos balanceados para otras especies de ganado incluido el ovino y alimento para conejos y hámsters. Es una planta leguminosa que tiene grandes requerimientos de agua de riego, por lo que su cultivo se restringe a regiones donde se dispone de agua para el riego agrícola durante todo el año, ya sea por un régimen pluvial uniformemente distribuido o por el acceso a fuentes de agua suficientemente abastecidas.

Esta planta forma una asociación simbiótica con bacterias del género Rhizobium que son fijadoras de nitrógeno y que viven dentro de los tejidos de la raíz de la alfalfa formando nódulos. La fijación de nitrógeno es un proceso metabólico que se realiza en ausencia de oxígeno molecular, por lo que es importante la presencia de sustancias reductoras que atrapen el oxígeno (O2) que pudiera estar en las cercanías de las células bacterianas que realizan el proceso. Es por esa razón que en la alfalfa se presenta la vía metabólica de síntesis del grupo heme, una biomolécula que contiene un átomo de hierro en estado reducido (Fe2+) y que en presencia de oxígeno se oxida (a Fe3+), impidiendo que las moléculas de oxígeno alcancen el citoplasma de estas bacterias donde se realiza la fijación del nitrógeno atmosférico (N2), reduciéndolo de su forma molecular (N2) a la forma inorgánica amonio (NH4+), la cual puede ser incorporada en las células del vegetal al aminoácido glutamato, para formar glutamina y en esta forma es como se transporta dentro de los tejidos vasculares del vegetal hasta los puntos de demanda localizados en los tejidos que disponen de abundante energía en forma de ATP para la síntesis de aminoácidos, es decir, las hojas y tallos fotosintéticos.

Para esta especie se reportan 516 vías metabólicas, aunque no todas ellas están necesariamente presentes sino que se presume su existencia por su ubicación taxonómica. Podemos ver que este es un campo de intensa investigación y en el que hay gran cantidad de información pendiente de generarse. Algunas de las vías metabólicas que se han encontrado para esta especie vegetal están la síntesis del grupo heme, la síntesis de suberina, síntesis de ácido indolacético, síntesis de almidón, degradación de almidón.

La suberina es un biopolímero que se encuentra en la pared celular que se encuentra principalmente en los tejidos epidérmicos de las partes subterráneas de la planta. 

El almidón es sintetizado a partir de la fructosa-6-fosfato llevándola a ADP-α-D-glucosa, la cual se une por enlace glucosídico al (α-D-glucosil)n en una reacción catalizada por la almidón-sintasa, liberando un mol de ADP y que tiene como producto (1-4-α-D-glucosil)n+1. 

La degradación del almidón se da por la separación de una unidad de α-D-glucosa-1-fosfato o por separación de una unidad de glucano pequeña que se une a una molécula de α-maltosa obtenida del (1-4-α-D-glucosil)n+1 formando α-D-glucosa; las dos moléculas precursoras, α-D-glucosa y α-D-glucosa-1-fosfato son transformadas a α-D-glucosa-6-fosfato y luego a β-D-glucosa-6-fosfato, el cual entra en el ciclo de las pentosas fosfato, en este caso, la glucólisis I, para entrar en el metabolismo energético, en este caso, dentro del citoplasma de la célula vegetal.

En la biosíntesis de sacarosa, el 3-fosfo-D-glicerato producido por el ciclo de Calvin, en la fase de las reacciones oscuras de la fotosíntesis, es fosforilado y llevado a D-gliceraldehido-3-fosfato. En esta forma se une con una molécula de hidroxiacetona fosfato para formar fructosa-1-6-bifosfato, que después de una serie de transformaciones es llevada hasta UDP-D-glucosa que se une a una molécula de D-glucosa-6-fosfato para formar una molécula de sacarosa-6-fosfato y finalmente sacarosa. La sacarosa es la principal forma de transporte de carbohidratos para los vegetales.

La alfalfa presenta también la vía de biosíntesis de sacarosa II que es a partir de dos moléculas de β-D-glucosa-6-fosfato, una de las cuales se lleva a UDP-glucosa y en esta forma se une a la otra molécula de β-D-glucosa-6-fosfato para formar sacarosa-6-fosfato, que es desfosforilado por hidrólisis a sacarosa, o bien por la sustitución del grupo UDP por β-D-fructofuranosa para formar sacarosa.

En la vía de degradación de la sacarosa III, la sacarosa se transforma en tres posibles formas, una es el β-D-fructofuranosa, otro el α-D-glucosa y el tercero es UDP-D-glucosa, las tres moléculas son llevadas hasta D-fructosa-6-fosfato que entra a la vía metabólica glucólisis IV dentro del citoplasma o citosol de la célula vegetal.

En la degradación de la glucosa IV (anaeróbica), la sacarosa es llevada a UDP-D-glucosa o a β-D-fructofuranosa y a continuación ambas vías llevan a D-fructosa-6-fosfato, la cual se fosforila a fructosa-1,6-bifosfato y a continuación se escinde para formar dos moléculas de D-gliceraldehido-3-fosfato, este es llevado a fosfoenolpiruvato que se desfosforila a piruvato para formar, ya sea (S)-lactato o bien etanol.

La vía de síntesis de 1D-mio-inositol-hexaquisfosfato III realiza la síntesis de esta sustancia a partir de D-glucosa-6-fosfato y mio-inositol. La sustancia sintetizada se conoce como fitato (ácido fítico) y es importante para el almacenamiento de fosfato, minerales (K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Zn2+) y mio-inositol en las semillas y en los tejidos de la planta.

Los flavonoides son una clase muy diversa de polifenoles vegetales que imparten color y dan sabor característico a muchos de ellos y a sus frutos. Tiene un amplio rango de funciones biológicas actuando como protectores contra la radiación UV, dan coloración a las flores y tiene actividad antimicrobiana. Tienen propiedades antioxidantes. El flavan-3-ol es una clase de flavonoide que es la unidad para condensar a los taninos. Estos taninos presentan varias propiedades benéficas para la salud humana ya que atrapan radicales libres, y tienen propiedades anticarcinogénicas y cardioprotectoras. En la vía biosintética de los 2,3-cis flavonoles interviene la enzima antocianinreductasa y como precursores aparecen la pelargonidina, delfinidina y cianidina.

En la vía biosintética del ácido abcísico intervienen las enzimas 9-cis epoxicaroteno dioxigenasa y la xantoxin dihidrogenasa. Como precursores aparecen la zeaxantina, anteraxantina y violaxantina. La acumulación de ácido abcísico (ABA) está asociada con los procesos de maduración de las semillas y con la tolerancia a la desecación. El incremento rápido de ABA también ha sido asociado con el cierre de estomas inducido por estrés hídrico. El ácido abcísico también puede ser sintetizado por algunas bacterias aunque en la forma de sesquiterpenos.

La vía biosintética de la acetil-CoA III, a partir de citrato, está presente en esta especie. En las plantas el acetil-CoA mitocondrial y el que se sintetiza en los plástidos proviene del complejo piruvato - piruvato deshidrogenasa, mientras que el acetil-CoA citosólico proviene del citrato, es catalizada por la ATP-citrato-liasa y requiere el gasto de un mol de ATP. Como se sabe, el acetil-CoA entra en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs) para la generación de NADPH y FADH que posteriormente entran a la cadena de flujo de electrones para la síntesis de ATP en la mitocondria.

El transporte del amonio (NH4+) desde la solución del suelo al interior del citoplasma de las células de la raíz, es un proceso que realizan dos tipos de transportadores de amonio: el transportador de alta afinidad (HAT) y el transportador de baja afinidad (LAT)

Las antocianinas son pigmentos de flores y frutos de muchas plantas que atraen insectos que realizan la polinización y ayudan a la dispersión de las semillas, además actúan como protectores contra la luz ultravioleta UV-B, además tienen actividad antioxidante. En la alfalfa, las antocianinas se sintetizan a partir de la leucodelfinidina hasta la formación de delfinidin-3-O-β-D-glucósido.

La alfalfa utiliza el ciclo C4 para la fijación del CO2 durante la fotosíntesis. En esta vía, el CO2 se une al fosfoenolpiruvato (3C) para formar oxaloacetato y es llevado hasta malato. En esta forma es transportado desde las células del mesófilo hasta las células de la vaina, en donde se libera el CO2 para ser utilizado por las reacciones del ciclo de Calvin, formándose piruvato, que es nuevamente transformado en fosfoenlolpiruvato en las células del mesófilo, donde vuelve a estar disponible para aceptar una molécula de CO2.

La vía biosintética clorofila a I utiliza a los precursores fitil difosfato y clorofilina a para sintetizar la clorofila a. En las moléculas de clorofila a y clorofila b es donde se captura la energía de la luz y se transfiere a un electrón del átomo de magnesio que es llevado a un nivel de energía alto y luego transferido a la cadena transportadora de electrones del fotosistema II para la síntesis de NADPH, que luego será utilizado por el ciclo de Calvin para la síntesis de fosfoglicerato (3C).

Otras vías biosintéticas de interés que están presentes en la alfalfa son la de síntesis de ácido giberélico y el ácido indolacético, que son sustancias reguladoras del crecimiento de las plantas. El primero forma por sí mismo un grupo y el segundo pertenece al grupo de las auxinas, junto con el ácido indol butírico y el ácido 2,4-D diclorofenoxiacético. Otro grupo importante de reguladores del crecimiento vegetal son las citocininas, en el que se encuentran la bencil adenina y la cinetina. La síntesis de NAD, FAD y otras moléculas que intervienen en el metabolismo energético están presentes en las células de las plantas.

Ejercicio interactivo

Si se ingresa al sitio web de Plant Metabolic Network y se teclea el nombre científico de una planta, en este ejemplo Medicago sativa, el nombre científico de la alfalfa, se encuentra en primera instancia la ubicación taxonómica comenzando desde la categoría más general hasta llegar al género y la especie. Para este caso se tiene que la alfalfa pertenece a la familia Fabaceae, la subfamilia Papilionoideae, la tribu Trifolieae y al género Medicago. Si se coloca el cursor en cada una de estas categorías se despliega un texto emergente que nos informa entre otras cosas, la categoría a que hace referencia el nombre en cuestión. Por ejemplo, la alfalfa pertenece al superreino Eukaryota, al reino Viridiplantae, al phylum Streptophyta, a la subclase Rosidos, al orden Fabales, en el que se encuentra la familia Fabaceae. Esta familia es muy numerosa e incluye plantas herbáceas de importancia comercial como las leguminosas (frijol, lenteja, chícharo, soya, haba, etc.). También incluye gran cantidad de árboles y arbustos.

A continuación aparece un listado de todas las vías metabólicas que se presume se encuentran en la especie introducida. Si se hace click en algunos de ellos aparecerá la vía metabólica en un formato sintetizado, además de una breve descripción que proporciona mayores detalles importantes acerca de la vía metabólica y de los productos intermediarios.

El ejercicio que se presenta en esta entrada es en sí mismo un proceso de investigación que ayuda a sistematizar y orientar la información ya generada y reportada, para dirigirla o adaptarla a un área de conocimiento en particular. En ocasiones, los conocimientos científicos tienen cada vez más aplicaciones en diferentes ramas de la tecnología y el procesamiento de la información ya existente puede ayudar a hacerlo disponible, ya que no siempre es evidente para todos los investigadores o desarrolladores de tecnología.

El dust bowl. Erosión.

El dust bowl. Erosión.

Categoría: 2. Ciencia y tecnología.

En los años 1931 a 1939 los sistemas de labranza mecanizados habían alcanzado  altos niveles de tecnificación. En los estados de Oklahoma, Kansas, Nuevo México y Colorado, se dio un proceso de erosión pronunciada debido a una sequía que se prolongó por casi ocho años. El suelo comenzó a ser arrastrado por el viento alcanzando regiones tan lejanas como el sur de Canadá, la ciudad de Nueva York y el norte de México. Miles de agricultores se vieron obligados a emigrar, debido a que los suelos se volvieron improductivos.
La agricultura de la región había prosperado a grandes pasos desde el inicio del siglo gracias a la creciente mecanización de las labores de roturación del suelo, el desarrollo de sembradoras y cosechadoras especializadas, el incremento de la velocidad del transporte de mercancías en vehículos con motor de combustión interna, la introducción de líneas de ferrocarril a regiones cada vez más lejanas, entre otras mejoras tecnológicas.
La primera guerra mundial en Europa generó una demanda de alimentos que eran importados en su mayoría, debido a la destrucción de los sistemas productivos locales. Los productores de trigo disfrutaron de una gran demanda por su producción, con precios ventajosos. Este fue el caso de las grandes planicies del oeste de Estados Unidos, lo que disparó el desarrollo económico de la región. Sin embargo, la sequía de 1931 a 1939 ocasionó grandes pérdidas económicas y por si fuera poco, la calidad del aire empeoró tanto que hizo casi imposible la vida de la gente. Esto llevó a una migración forzada, pero la depresión económica se resentía en todas partes. Los más afortunados encontraron empleo como jornaleros agrícolas en el Valle Imperial, en California, que recientemente había sido dotado con abundante agua de riego por la construcción de la presa Hoover en el río Colorado (1930). Esta fue una de las acciones que ayudaron a ese país a salir de aquella gran depresión.
Entonces se hizo evidente que los sistemas de labranza introducidos recientemente, no eran lo más adecuado para esa región en particular, ya que su precipitación promedio (unos 500 mm anuales) es apenas superior a la de un desierto. Esta alteración del suelo y sus consecuencias para la sociedad y la economía de la región puso en alerta a los técnicos del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), quienes rápidamente introdujeron mejoras en los sistemas de labranza y de siembra para esas regiones semi-áridas. Se introdujeron entonces lo que hoy se llama sistemas de labranza reducida y cero labranza, así como prácticas culturales como el acolchado con residuos de cosecha y acolchados plásticos. Estas tecnologías aumentan la captación de agua en el suelo, minimizan la escorrentía superficial, disminuyen la exposición del suelo a agentes erosivos, como el viento, y conservan inalterada la estructura natural del suelo (las partículas de suelo se agregan en cubos o pequeñas columnas por medio de sustancias aglutinantes de origen orgánico y/o mineral). Todo esto minimiza la exposición del suelo a la erosión y hace más eficiente el uso del agua en los sistemas agrícolas y ganaderos.
Por último, a manera de reflexión, puedo recomendar la lectura de la entrada "El hubiera no existe" de este mismo Blog: http://maordbus.blogspot.mx/2012/04/el-hubiera-no-existe-por-que.html. A veces no es posible anticipar todos los efectos (positivos o negativos) que la introducción de una nueva tecnología puede tener. Sin embargo, como también se ve claramente en este ejemplo, los efectos benéficos pueden ser sumamente importantes en un momento dado. La dotación de alimentos a las naciones europeas en guerra habría sido más difícil sin la abundante producción generada en esta región del planeta. Afortunadamente, las soluciones al problema se desarrollaron rápidamente y en la actualidad los beneficios de esos nuevos sistemas de labranza se traducen en mayor eficiencia energética y menor gasto de agua en algunas de las actividades agrícolas. Se anticiparon al concepto de desarrollo sustentable ¿No?