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Introducción al Derecho I

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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Zacatenco

Propuesta de un prototipo semiautomático para la elaboración de
una pintura ecológica a base de nopal

TESIS

Que para obtener el título de

Ingeniero en Control y Automatización

PRESENTAN

Aguilar Valencia Juan Carlos
Hernández González Carlos Alberto
López Orihuela Jorge Alejandro

Asesores
M. en C. Miriam Gómez Álvarez
M. en C. Mauricio Aarón Pérez Romero

Ciudad de México, Junio de 2016

Agradecimientos

Contenido

Introducción .................................................................................................................................. i
Justificación ................................................................................................................................ iii
Objetivos ..................................................................................................................................... iv
CAPÍTULO 1.- ANTECEDENTES
1. Definición de pintura .......................................................................................................... 2
1.1 Componentes ................................................................................................................ 2
1.1.1 Pigmentos .............................................................................................................. 2
1.1.2 Resinas o ligantes ................................................................................................. 4
1.1.3 Disolventes ............................................................................................................ 4
1.1.4 Aditivos .................................................................................................................. 5
1.2 Clasificación de los tipos de pintura .............................................................................. 5
1.2.1 Pinturas minerales ................................................................................................. 5
1.2.2 Pinturas vegetales ................................................................................................. 6
1.2.3 Pinturas ecológicas ............................................................................................... 6
1.3 El nopal .......................................................................................................................... 8
1.3.1 Usos del nopal y mucílago .................................................................................... 8
1.3.2 Origen y especies .................................................................................................. 9
1.3.3 Descripción de la planta ...................................................................................... 10
1.3.4 Localización geográfica ....................................................................................... 11
1.3.5 Producción en México ......................................................................................... 11
1.3.6 Información taxonómica ...................................................................................... 14
1.3.7 Composición química general ............................................................................. 15
1.3.8 Producción nacional de nopal en México ............................................................ 16
1.3.9 Justificación del uso de mucílago de nopal ......................................................... 16
1.4 Estado del arte ............................................................................................................ 17
CAPÍTULO 2.- MARCO TEÓRICO
2.1 Procesos industriales discretos ................................................................................... 30
2.2 Procesos industriales continuos .................................................................................. 30
2.3 Proceso automático ..................................................................................................... 31
2.4 Variables de proceso ................................................................................................... 31
2.4.1 Temperatura ........................................................................................................ 31
2.5 Sensor de temperatura LM35 ...................................................................................... 34
2.6 OPAM LM386 .............................................................................................................. 34
2.7 Resistencia de inmersión ............................................................................................ 35
2.8 Bomba de agua sumergible ........................................................................................ 35
2.9 Dosificador tipo tornillo sin fin ...................................................................................... 36
2.10 Variador de velocidad .................................................................................................. 37

2.10.1 El motor ............................................................................................................... 37
2.10.2 El convertidor de frecuencia ................................................................................ 38
2.10.3 Instalación recomendada para variador de frecuencia ....................................... 39
2.10.4 Módulo de control ................................................................................................ 40
2.10.5 Módulo de potencia ............................................................................................. 40
2.11 Controlador Lógico Programable ................................................................................ 40
2.11.1 Partes que conforman un PLC ............................................................................ 40
CAPÍTULO 3.- CÁLCULO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES
3.1 Planteamiento de problema de control de temperatura .............................................. 47
3.2 Propuesta de solución al problema de control ............................................................ 47
3.2.1 Arquitectura de control ........................................................................................ 47
3.2.2 Algoritmo de control ............................................................................................. 49
3.3 Implementación del lazo de control de temperatura ................................................... 51
3.3.1 Sensor de temperatura y acondicionamiento de señal ....................................... 51
3.3.2 Tratamiento de lecturas de temperatura para interpretación en lógica de
programación ....................................................................................................................... 54
3.4 Dimensionamiento de resistencia eléctrica de inmersión ........................................... 59
3.4.1 Balance de energía ............................................................................................. 59
3.5 Bomba de agua sumergible ........................................................................................ 62
3.6 Dimensionamiento de tanque agitador........................................................................ 63
3.6.1 Diseño del tanque ................................................................................................ 63
3.6.2 Selección de agitadores (impulsores) y cálculo de potencia .............................. 64
3.7 Selección del Controlador Lógico Programable .......................................................... 67
3.8 Variador de frecuencia ................................................................................................ 77
3.9 Cálculo y selección de los contactores ...................................................................... 81
3.10Cálculo de dosificadores ............................................................................................. 82
CAPÍTULO 4.- INTEGRACIÓN Y RESULTADOS
4.1 Programación para realizar el proceso semiautomático de pintura a base de nopal . 87
4.2 Configuración del variador .......................................................................................... 93
4.3 Diseño de la planta piloto con sus partes principales ................................................. 96
4.3.1 Estructura de metal ............................................................................................. 97
4.3.2 Motor con flecha .................................................................................................. 98
4.3.3 Tanque de mezclado ........................................................................................... 98
4.3.4 Dosificadores tipo tornillo sin fin .......................................................................... 99
4.3.5 Válvula de descarga .......................................................................................... 100
4.3.6 Bomba sumergible ............................................................................................. 100
4.3.7 Sistema para la fabricación de pintura .............................................................. 101
4.4 Puesta en marcha del proceso y análisis de resultados ........................................... 101
CAPÍTULO 5.- ANÁLISIS COSTO-BENEFICIO
5.1 Tabla de costos ......................................................................................................... 111

5.2 Fijación de precios..................................................................................................... 115
5.2.1 Fijación de precio para venta de pintura ........................................................... 116
5.3 Retorno de la inversión ............................................................................................. 117
Conclusiones ............................................................................................................................. 119
Recomendaciones y trabajos futuros ........................................................................................ 120
Anexos ....................................................................................................................................... 121
Referencias ............................................................................................................................... 131

Índice de figuras
Figura 1.1 “Códice Mendoza, lámina 1” ................................................................................................. 8
Figura 1.2 "Opuntia Ficus Indica" ............................................................................................................ 9
Figura 1.3 "Opuntia Ficus Nopalea" ........................................................................................................ 9
Figura 1.4 Principales productores de nopal tunero a nivel mundial. .............................................. 11
Figura 1.5 “Usos e industrialización del nopal” ................................................................................... 12
Figura 1.6 “Principales productores de nopal tunero en México” ..................................................... 13
Figura 1.7 “Principales productores de nopal en el Estado de México” .......................................... 13
Figura 1.8 "Siembra del nopal tunero" .................................................................................................. 14
Figura 1.9 “Penca de nopales silvestres” ............................................................................................. 22
Figura 1.10 “Limpieza de espinas de la penca” .................................................................................. 23
Figura 1.11 “Corte de la penca del nopal en pequeños cubos” ........................................................ 23
Figura 1.12 “Macerado de los cubos de nopal en agua” ................................................................... 24
Figura 1.13 “Obtención de la resina de nopal” .................................................................................... 24
Figura 1.14 “Incorporación y mezcla de los componenetes de la pintura” ..................................... 25
Figura 1.15 “Aplicación de la pintura en muro” ................................................................................... 25
Figura 1.16 “Envasado y conservación de la pintura” ........................................................................ 26
Figura 1.17 “Diagrama a bloques del proceso para la elaboración de la pintura” ......................... 27
Figura 2.1 "Alcance de medición de temperatura para distintos instrumentos" ............................. 32
Figura 2.2 "Instrumentos de medición de temperatura en superficie e inmersión" ....................... 33
Figura 2.3 "Esquemático de sensor de temperatura LM35" ............................................................. 34
Figura 2.4 "Esquemático de sensor de temperatura LM35" ............................................................. 34
Figura 2.5 "Resistencia eléctrica de inmersión" .................................................................................. 35
Figura 2.6 "Bomba de agua sumergible" ............................................................................................. 36
Figura 2.7 "Elementos que conforman un dosificador tipo tornillo sin fin" ...................................... 36
Figura 2.8 "Gráfica de comportamiento corriente-par vs velocidad de motor con variador
conectado" ................................................................................................................................................ 37
Figura 2.9 "Circuito electrónico de variador de frecuencia" .............................................................. 38
Figura 2.10 "Instalación recomendada para variador de frecuencia" .............................................. 39
Figura 2.11 "Partes que conforman un PLC" ...................................................................................... 41
Figura 2.12 "Esquema de integración de las áreas de trabajo de un PLC” .................................... 42
Figura 2.13 "Programación de PLC en bloques de funciones” ......................................................... 44
Figura 3.1 “Gráfica de rendimiento relación nopal/agua” .................................................................. 46
Figura 3.2 “Gráfica de rendimiento por tiempo de calentamiento” .................................................. 47
Figura 3.3 “Diagrama a bloques en lazo cerrado para el control de temperatura” ........................ 48
Figura 3.4 “Salida del controlador tipo ON/OFF” ................................................................................ 49
Figura 3.5 “Salida del controlador tipo ON/OFF con zona muerta” ................................................. 50
Figura 3.6 “Amplificador operacional no inversor” .............................................................................. 51
Figura 3.7 “Diagrama electrónico para medición de temperatura y acondicionamiento de señal”
.................................................................................................................................................................... 53
Figura 3.8 “Sensor de temperatura LM35 con termofit para su inmersión en líquidos” ................ 53

Figura 3.9 “Recta de análisis de regresión lineal” .............................................................................. 56
Figura 3.10 “Control de temperatura ON/OFF con zona muerta” .................................................... 56
Figura 3.11 “Conmutador analógico de valor umbral”........................................................................ 57
Figura 3.12 “Definición de parámetros para controlON/OFF” .......................................................... 58
Figura 3.13 “Resistencia eléctrica” ........................................................................................................ 61
Figura 3.14 “Bomba sumergible” ........................................................................................................... 62
Figura 3.15 “Esquemático de tanque agitador y sus componentes”................................................ 62
Figura 3.16 “Mediciones de turbina (según Rushton et al.)” ............................................................. 64
Figura 3.17 “Diagrama de mezclador” .................................................................................................. 65
Figura 3.18 “Datos técnicos de variador de frecuencia PowerFlex 4M” .......................................... 79
Figura 3.19 “Variador de frecuencia modelo N3-207-CU marca TECO” ........................................ 80
Figura 3.20 “Contactor Modular ESB 20-20” ....................................................................................... 81
Figura 3.21 “Interruptor termomagnético S201-C0.5” ........................................................................ 82
Figura 4.1 "Diagrama de flujo de proceso semi automático para elaboración de pintura” ........... 85
Figura 4.2 " Diagrama GRAFCET de las etapas del proceso” ......................................................... 86
Figura 4.3 " Diagrama de entradas y salidas del PLC” ...................................................................... 87
Figura 4.4 “Línea de programa para el arranque y paro del proceso” ............................................. 88
Figura 4.5 " Líneas de programa que activa el funcionamiento de la bomba para el suministro
de agua al tanque” ................................................................................................................................... 88
Figura 4.6 " Líneas de programa para el control de temperatura y agitación” ............................... 89
Figura 4.7 "Líneas de programa para activación de dosificadores y agitador en fase 1” ............. 91
Figura 4.8 " Fase de componentes auxiliares 1”................................................................................. 92
Figura 4.9 " Líneas de programa para la apertura y cierre de la válvula de descarga” ................ 93
Figura 4.10 " Programa para la activacion de variador de frecuencia fase 1” ................................ 94
Figura 4.11 " Diagrama de conexiones eléctricas de variador de frecuencia” ............................... 95
Figura 4.12 "Programa para la activación de variador de frecuencia fase 2” ................................. 95
Figura 4.13 "Diseño en SolidWorks de las partes principales de prototipo” ................................... 96
Figura 4.14 "Dimensiones en milímetros de la estructura de soporte del tanque agitador y
dosificadores” ........................................................................................................................................... 97
Figura 4.15 "Estructura de soporte de tanque agitador y dosificadores” ........................................ 97
Figura 4.16 " Motor con mezclador” ...................................................................................................... 98
Figura 4.17 "Tanque de mezclado” ....................................................................................................... 98
Figura 4.18 "Dosificador tornillo sin fin” ................................................................................................ 99
Figura 4.19 "Tornillo sin fin para el transporte de Caolín y Dióxido de Titanio” ............................. 99
Figura 4.20 " Válvula de descarga acoplado a motorreductor para su accionamiento
automático” ............................................................................................................................................. 100
Figura 4.21 "Bomba de agua sumergible” ......................................................................................... 100
Figura 4.22 “Integración del sistema con operario al mando” ......................................................... 101
Figura 4.23 “Tablero de control” .......................................................................................................... 102
Figura 4.24 “Tanque mezclador y dosificadores” ............................................................................. 103
Figura 4.25 “Introducción de los cubos de nopal al tanque de mezclado” .................................... 103
Figura 4.26 “Suministro de agua al tanque” ...................................................................................... 103
Figura 4.27 “Extracción de resina de nopal” ...................................................................................... 104
Figura 4.28 “Comportamiento de temperatura de mezcla de nopal-agua en el tiempo” ............ 106
Figura 4.29 “Extracción manual de los residuos de nopal” ............................................................. 106
Figura 4.30 “Dosificación de dióxido de titanio y caolín” ................................................................. 107
Figura 4.31 “Descarga de la pintura” .................................................................................................. 109

Índice de tablas
Tabla 1.1 “Información taxonómica de nopal Opuntia-ficus indica” ................................................. 14
Tabla 1.2 “Composición química de nopal fresco” ............................................................................. 15
Tabla 1.3 “Comparativa de metodologías para la realización de la pintura a base de resina de
nopal” ......................................................................................................................................................... 17
Tabla 2.1 "Ventajas y desventajas entre distintos instrumentos de medición de temperatura" .. 33
Tabla 3.1 "Valores comerciales de resistencias” ................................................................................ 52
Tabla 3.2 "Relación entre lecturas de temperatura y valores de entrada analógica a PLC”. ¡Error!
Marcador no definido.
Tabla 3.3 "Proporciones típicas para el dimensionamiento de agitador tipo turbina” ............ ¡Error!
Marcador no definido.
Tabla 3.4 " Valores de las constantes y para tanques que tienen deflectores en la pared
del tanque, cuya anchura es igual o menor al 10% del diámetro del tanque” ... ¡Error! Marcador no
definido.
Tabla 3.5 " Levantamiento de entradas y salidas analógicas y digitales para selección de PLC”
.................................................................................................................................................................... 74
Tabla 3.6 " Datos técnicos de PLC LOGO! 12/24RCE” ............................................................... 77
Tabla 3.7 "Datos técnicos del módulo de expansión LOGO! DM8
12/24R”……………………………………………………….…………………………………………73
Tabla 4.1 "Lecturas de temperatura para comprobar el control ON/OFF"...................................98
Tabla 4.2 "Caracterización de dosificadores"............................................................................101
Tabla 5.1 “Costos y mano de obra” .................................................................................................... 111
Tabla 5.2 “Costo neto de pintura”........................................................................................................ 116

Introducción
i

Introducción
El uso de pinturas convencionales, a lo largo de los años y hasta la actualidad, ha sido
amplio, debido a que han dado excelentes resultados como medio decorativo y de
protección para muros en interiores y exteriores de casas habitación y edificaciones.
Lamentablemente éste tipo de pinturas están hechas a base de productos sintéticosderivados de la industria petroquímica, presentando el inconveniente de afectar, con
cierto margen, la salud de las personas que se encuentran expuestas durante su
aplicación.

El principal peligro reside en los metales pesados que contienen, como el plomo,
cadmio y mercurio, al igual que en los denominados compuestos orgánicos volátiles
(COV), como el xileno, el tolueno, los epóxidos, las acetonas, los fenoles y el
formaldehído; gases que son emitidos por pinturas y barnices mientras se aplican,
cuando se secan, e incluso semanas y meses después. Los COV irritan la piel, los
ojos y las vías respiratorias, provocan náuseas y dolores de cabeza, dañan el sistema
nervioso central y son potencialmente cancerígenos.

De acuerdo a la Organización Mundial de la Salud, el plomo se incluye dentro de la
lista de los diez productos químicos causantes de graves problemas de salud pública,
siendo el uso de pintura una importante fuente de exposición. Como respuesta a esta
inquietud se creó la Alianza Mundial para Eliminar el Uso del Plomo en la Pintura, cuyo
cometido es la eliminación gradual del uso del plomo en la pintura. Asimismo, la
organización IPEN “A toxics-free future” ha creado una campaña mundial para eliminar
la pintura con plomo, creando consciencia de que la exposición sigue siendo un
problema grave y ha catalizado acciones en varios países en desarrollo para combatir
el uso y fabricación de éste tipo de pinturas.

Como una alternativa más a la concientización del desuso gradual de pinturas
convencionales que contienen compuestos químicos nocivos para la salud, existen
pinturas ecológicas que utilizan materias primas de origen vegetal y/o mineral, tal es el
caso de la pintura elaborada a base de baba de nopal. Ésta técnica data de muchos
siglos atrás, ya que los pueblos originarios de México conocían el poder adhesivo de la
baba de nopal y la utilizaban para hacer argamasa para unir piedras en sus
construcciones, así como para elaborar pintura para decorar sus templos y pirámides.
Introducción
ii

La baba de nopal funge como un ligante que ayuda a unir las partículas dispersas de
pigmentos y cargas sobre un sustrato, formando una película continua y cohesiva.
Dicha pintura elaborada a partir de baba de nopal, cal, sal y agua presenta aceptables
características de adhesión y durabilidad, sin embargo, con el afán de mejorar su
calidad se optó por sustituir la cal por caolín, mineral utilizado comúnmente en la
fabricación de pinturas, que debido a sus características brinda un alto poder cubriente
y absorbente, no es tóxico y resiste altas temperaturas. Del mismo modo, para mejorar
la blancura de la pintura se incluye el dióxido de titanio, pigmento inorgánico blanco
utilizado ampliamente en la industria de las pinturas y recubrimientos por sus
propiedades de dispersión, estabilidad química y no toxicidad.

El presente trabajo expone la metodología de elaboración de la pintura de nopal de
manera manual y la integración del proceso mediante un controlador lógico
programable para su realización de manera semiautomática. De ésta manera se
reduce el tiempo total para su fabricación y se estandariza el proceso, objetivando
obtener las mismas características de calidad de la pintura en cada lote de producción.

Justificación
iii

Justificación

Debido a que las pinturas convencionales en su mayoría están fabricados con
productos derivados de la industria petroquímica que liberan gases durante su
aplicación, y que, pueden ser nocivos para la salud si existe una exposición
prolongada, se propone la creación de una pintura ecológica a base de nopal, cuyo
cometido principal sea la eliminación de estos compuestos tóxicos.

La resina de nopal, o coloquialmente conocida como baba, ofrece características
adhesivas equiparables a las resinas sintéticas utilizadas en la fabricación de pinturas
convencionales, ésta funciona como un aglutinante cuya misión es la de mantener
unidas las partículas sólidas, pigmentos y cargas, una vez la pintura haya secado.
Dada ésta propiedad, la resina de nopal puede ser utilizada para elaborar una pintura
que sea amigable con el medio ambiente, económica y biodegradable, ofreciendo de
ésta manera una alternativa ecológica y beneficiosa para la salud.

Adicionalmente, se aprovechan las pencas que son podadas regularmente en la
cosecha de nopal tunero, que si bien son utilizadas para la producción de abono y
como alimento de ganado, no todas son explotadas, de ésta manera se tiene un uso
alternativo de la poda de nopal en la elaboración de pintura.

El proceso de elaboración de dicha pintura de manera manual dura más de 24 horas,
ya que dentro de las etapas a seguir para su fabricación, es el macerado de nopal en
agua lo que consume más tiempo. De igual manera, se pretende homogeneizar el
proceso de elaboración, visando obtener la mayor cantidad de resina de las pencas y
las mismas características de rendimiento y calidad en la pintura. Por ello, se propone
un prototipo que integre la semi automatización de éste proceso a través de un
controlador lógico programable, que a través de un control de temperatura estandarice
la extracción de resina de nopal, dosifique de manera automática los demás
componentes de la pintura y los integre homogéneamente a través de un tanque
mezclador. Con este prototipo se pueden fabricar lotes de pintura cuántas veces sea
requerido con el mínimo esfuerzo, sustituyendo parcialmente la intervención del ser
humano.

Objetivos
iv

Objetivos

Objetivo general
Proponer e implementar un prototipo semiautomático para la elaboración de una
pintura ecológica a base de nopal, reduciendo tiempos de operación en comparación
al proceso artesanal.

Objetivos Específicos
 Analizar el marco referencial de los procesos de obtención de una pintura
ecológica a base de resina de nopal.
 Proponer e implementar un proceso de extracción de resinas del nopal y
mezclado que incorpore de manera semiautomática los ingredientes para la
elaboración de la pintura con temperatura regulada.
 Integrar el sistema de control por medio de un Controlador Lógico
Programable.
 Desarrollar el análisis de los resultados.

CAPÍTULO 1
Antecedentes
Descripción breve

En este capítulo se hablará acerca de la teoría de la pintura:
definición, componentes y tipos. De la importancia,
características y justificación del uso de la resina del nopal
como aglutinante en la elaboración de la pintura ecológica.
Un estado del arte muestra la metodología usada en su
preparación artesanal.

Capítulo 1: Antecedentes

1. Definición de pintura
Las pinturas, desde un punto de vista técnico-económico, constituyen el método más
adecuado para la protección de los materiales empleados en la construcción y en la
industria.
Una pintura líquida, considerada desde un punto de vista físico químico, es un sistema
disperso. Está constituida generalmente por sólidos finamente particulados y dispersos
en un medio fluido denominado vehículo. Éste último está basado de una sustancia
filmógena o aglutinante, también llamada formadora de película o ligante, dispuesta en
un solvente o mezcla solvente al cual se le incorporan aditivos y, eventualmente,
plastificantes.
Dado lo anterior, se presenta una definición general y concisa sobre el término pintura:

“Una pintura es una sustancia compuesta de materia colorante sólida suspendida en
un medio líquido que aplicada sobre una superficie se convierte en una película sólida,
fungiendo como un recubrimiento protector o medio decorativo”

Los componentes de la pintura varían en gran manera en función del tipo de acabado
que serequiera y de las condiciones de aplicación y secado.

1.1 Componentes
Aun cuando algunos tipos no pueden contener todos los ingredientes, la composición
genérica de una pintura es la siguiente:

 Pigmentos
 Cargas
 Ligante o resina
 Disolvente
 Aditivos

A continuación, se describen a detalle los componentes generales de las pinturas
convencionales:
1.1.1 Pigmentos
Son compuestos orgánicos o inorgánicos cuya misión es proporcionar a la pintura
color y poder de cubrición. Los pigmentos son opacos tanto en estado seco como
húmedo. Los pigmentos ofrecen las siguientes características:

Capítulo 1: Antecedentes

Poder cubriente: Es la mayor o menor facilidad para tapar por opacidad el color de la
superficie donde se aplica.
Fuerza colorante: Es la mayor o menor intensidad de color que resulta al mezclarlos
con blanco, o éste con otros colores.
Resistencia a la luz: Es la mayor o menor pérdida de color, por efecto de la luz.
La clasificación de los pigmentos se puede establecer de la siguiente manera:

Pigmentos cubrientes
Son aquellos que proporcionan a la pintura su color y su poder cubriente u opacidad.
Aquí se distinguen dos grandes familias, los blancos y los de color.

Blancos
a) Bióxido de Titanio: TiO2, en forma natural se presenta en un tono blanco
ligeramente color paja (crema). Presenta un poder cubriente muy grande y
altamente reflejante, no es tóxico y prácticamente no amarillea con el tiempo.
Por esa razón se usa generalmente en la mayoría de las pinturas comerciales.
b) Óxido de Zinc: ZnO, este tipo de pigmento en forma pura es bastante blanco y
traslucido, ocurre en forma natural como zincita (peróxido de zinc), mineral
ligeramente amarillo.
c) Blanco de plomo: Básicamente carbonato de plomo, 2PbCO3·Pb(OH)2,
pigmento extremadamente venenoso, por lo que últimamente se sustituye por
una mezcla de blanco de zinc y blanco de titanio.

Pigmentos de color
a) Tierras, óxidos de hierro
b) Negros
c) Azules

Cargas
Son pigmentos minerales de naturaleza inorgánica que normalmente no dan color a la
pintura, pero que agregados a la misma en su justa medida, tienen el objeto de
mejorarla. Puesto que, determinadas cargas aportan cuerpo, materia sólida, y dan
estructura, viscosidad y reología 1 a la pintura. Proporcionan mayor resistencia,
flexibilidad, dureza, entre otras. Algunos tipos de cargas y sus funciones son:

1
Reología: Estudio de la deformación y el fluir de la materia.
Capítulo 1: Antecedentes

1. Talco (silicato de magnesio): Retrasa la sedimentación y da flexibilidad al
exterior.
2. Mica (silicato de aluminio): Sirve para matear y dependiendo de la calidad,
ofrece cierta dureza.
3. Barita (silicato de bario): Aumenta el peso específico y eventualmente la
dureza.
4. Caolín (silicato de aluminio): Para matear y facilitar el lijado.
5. Sílice (arena): Se utiliza en granulometrías muy variadas, en revestimientos
pétreos (lisos y rugosos).
1.1.2 Resinas o ligantes
Son productos cuya misión es la de mantener unidas las partículas sólidas, pigmentos
y cargas, una vez la pintura haya secado. Según el tipo de resina utilizada, la pintura
tendrá unas características de secado y resistencias determinadas.
1.1.3 Disolventes
Se llama así al agua y otros productos de naturaleza orgánica cuya misión es la de dar
a la pintura una viscosidad óptima según el método de aplicación que debe utilizarse.
Los disolventes se utilizan además para solubilizar las resinas y regular la velocidad de
evaporación. La utilización de disolventes que no disuelven al ligante es frecuente en
la formulación de pinturas en este caso se les nombra como co-solventes.
Este tipo de productos cumplen dos funciones importantes:
La primera, es que los disolventes permiten que tanto las pinturas como los barnices
puedan disolverse y posteriormente ser aplicados en las superficies, rellenado las
pequeñas grietas u orificios y creando una película uniforme. Una vez que la pintura ha
sido aplicada el disolvente desaparece paulatinamente durante el proceso de secado.
Es por eso que se dice que estos compuestos son volátiles.
La segunda función de los disolventes es permitir la limpieza de las herramientas del
pintor como pueden ser los rodillos y brochas. Es muy importante que una vez
finalizado el trabajo, estos instrumentos sean lavados con el disolvente apropiado al
tipo de pintura que se ha utilizado. De esta manera se podrán utilizar las herramientas
en proyectos posteriores sin inconveniente.
A continuación, se listan los disolventes más comunes:

Agua
Es el disolvente más común de todos los existentes. Se emplea como disolvente de
pinturas vinílicas, acrílicas y látex. También es empleada en pinturas “a la cal”, unos
Capítulo 1: Antecedentes

de los primeros tipos de pintura para paredes. También como disolvente de esmaltes y
barnices al agua.
Esencia de trementina
Se lo conoce comúnmente con el nombre de aguarrás vegetal. La trementina, es una
oleorresina semifluida que se obtienen de determinadas especies de pinos. Cuando la
trementina es sometida a un proceso de destilación se obtiene el aguarrás, diluyente
común para barnices y pinturas a los que brinda propiedades que favorecen el secado
y consistencia.

White spirit
El White spirit es un derivado del petróleo. También es llamado aguarrás mineral. Es el
disolvente más utilizado para pinturas sintéticas como los esmaltes.

Alcohol
Este es un disolvente muy utilizado en trabajos de bricolaje2. El alcohol no solamente
se emplea para la limpieza de superficies sino también para diluir goma laca, un tipo
de material especial para aplicar con estopa, y útil en pequeños muebles o piezas de
madera.
1.1.4 Aditivos
Son productos que se dosifican en pequeñas cantidades para facilitar el proceso de
fabricación de la pintura, aportar unas características concretas a la pintura seca, crear
las condiciones adecuadas para que el secado se produzca de forma correcta y para
estabilizar la pintura en el periodo de almacenamiento. [3]

1.2 Clasificación de los tipos de pintura
Existen dos clases en función del origen de sus componentes principales: las de
origen mineral y las de origen vegetal. Algunas de ellas utilizan sustancias minerales y
vegetales a la vez, pero se clasifican en un tipo o en otro en función de las sustancias
que predominan.
1.2.1 Pinturas minerales
Las componen sustancias de origen mineral y se pueden destacar tres tipos diferentes
en función de su componente principal:

 Pinturas a base de Silicatos

2
Bricolaje: Realización artesanal de trabajos caseros de reparación o de decoración.
Capítulo 1: Antecedentes

Su característica más destacable es su resistencia, lo que las hace aptas
para exterior e interior. Además, son absolutamente impermeables, lo que las
hace aptas para baños y cocinas, y a la vez transpirables con lo que no se
restringe el flujo natural del vapor de agua.

 Pinturas a base de Cal
Suele estar compuesta de encalado en polvo obtenido por la mezcla de cal
hidráulica y aditivos naturales no orgánicos. Se trata de una pintura adecuada
sobre todo para interiores, aunque se usa también para exteriores en el caso
de restauraciones.

 Pinturas a base de Arcilla
Por su nombre, la tendencia es a imaginarlas de color marrón u ocre, pero al
estar compuesta sobre todo por arcilla blanca natural, arenas de mármol y
caseína vegetal, su color característico es el blanco. Por supuesto admite la
adición de pigmentos minerales para obtener la paleta de color deseada. Su uso
más adecuado es en interior y cómo curiosidad, admite la adición
de aromas naturales.
1.2.2 Pinturas vegetales
Menos desarrolladas desde el puntode vista comercial, se componen básicamente
de resinas, aceites, almidones y ceras, a los que se añade pasta colorante también de
origen vegetal. Son resistentes al lavado, transpirables, y evidentemente, por su propia
constitución tienen el agradable aroma de los materiales que las componen.
1.2.3 Pinturas ecológicas
Las pinturas ecológicas son aquellas que están compuestas por materias primas
naturales, no pueden estar fabricadas con derivados del petróleo y no deben
contaminar el medio ambiente ni en su proceso de fabricación, ni en su aplicación ni
en las operaciones de desecho. Son aptas para personas con problemas de alergias.

Principales ventajas
Las pinturas consideradas ecológicas están compuestas por materias primas naturales
de origen vegetal y/o mineral. Carecen de sustancias dañinas, como las biosidas o
plastificantes, y su impacto medioambiental es muy inferior al de los productos
sintéticos, basados en derivados del petróleo.
A diferencia de las pinturas convencionales, las naturales o ecológicas cumplen
sobradamente las normativas que limitan el uso de compuestos orgánicos volátiles
Capítulo 1: Antecedentes

(COV), una serie de vapores o gases que pueden tener efectos nocivos sobre el medio
ambiente y la salud.
El funcionamiento de estas pinturas es sencillo. Crean una capa porosa por la que
transpiran las paredes. Gracias a esta característica, el vapor de agua y la humedad
son evacuados al exterior sin impedimentos y no se forman condensaciones entre la
capa de pintura y la superficie del soporte, "lo que suele originar desconchados3". Al
mantener los tabiques secos y transpirables, se evita la formación de hongos y
bacterias, lo que garantiza paredes más higiénicas y una duración mayor de la pintura
en buen estado. [12]

3
Desconchado: Parte en que una superficie pierde su revestimiento.
Capítulo 1: Antecedentes

1.3 El nopal
1.3.1 Usos del nopal y mucílago

En el México antiguo
El nopal (Opuntia spp.) ha representado, para los mexicanos, en su desarrollo
histórico, uno de los elementos bióticos más relevantes y de mayor significado cultural,
ya que se utiliza como alimento (verdura o fruto), bebida alcohólica, dulce, forraje,
cerco vivo, producto industrial, etc. Su valor cultural y biótico ha quedado plasmado en
códices, pinturas y bibliografías antiguas, su significado histórico es evidente.
El mucílago de nopal en algunas especies, es tan pegajoso, que las personas que
viven en comunidades rurales lo emplean como pegamento; llegó a ser tan importante
ese uso que se industrializó en el sur de los Estados Unidos. Diego Rivera y Javier
Guerrero, pintores mexicanos, emplearon en su técnica, la baba de nopal. Como
ejemplo, se encuentran los murales de la Secretaría de Educación Pública.
En la restauración y conservación de edificios históricos
En México se ha utilizado el mucílago de nopal en combinación con cal porque
aumenta sus propiedades adhesivas y mejora su repelencia al agua. Por sus
propiedades adhesivas, se ha usado de forma similar al yeso en paredes de adobe y
ladrillo y también como una barrera al agua en el estuco. [7]

Figura 1.1 “Códice Mendoza, lámina 1”

Capítulo 1: Antecedentes

1.3.2 Origen y especies
Esta planta es una cactácea originaria de América, actualmente, se encuentra en
todos los continentes en diferentes condiciones agroclimáticas, ya sea silvestres o
cultivada. La familia está formada por 1600 especies, la mayoría de ellas son nativas
de México con alrededor de 1088.
El género Opuntia, en su sentido comprensivo, está formado por unas 300 especies
que se distribuyen desde el estrecho de Magallanes hasta el sur de Canadá, es decir,
por todo el continente americano, salvo en sus extremos meridional4 y 5septentrional.
Así, no es de extrañar que, sin desmentir sus caracteres generales, adopte una gran
cantidad de formas, incluso aquellas modificadas por el cultivo. El género Opuntia ficus
indica y nopalea como se muestra en las figuras 1.2 y 1.3, son cultivadas para
consumo como nopal verdura. [21]

Figura 1.2 "Opuntia Ficus Indica"

Figura 1.3 "Opuntia Ficus Nopalea"

4
Meridional: Perteneciente o relativo al sur o mediodía.
5
Septentrional: Relativo al norte.
Capítulo 1: Antecedentes

1.3.3 Descripción de la planta

Opuntia ficus-indica, comúnmente conocida como, entre otros, chumbera, nopal
tunero, es una planta de la familia de las cactáceas.

Opuntia: nombre genérico que proviene del griego usado por Plinio el Viejo para una
planta que creció alrededor de la ciudad de Opus en Grecia.

Ficus-indica: compuesto por ficus, la higuera, y el epíteto neológico latino indica que
significa "de la India", entendido como Indias Occidentales o sea, higuera de la India.
El género Opuntia ficus indica es un vegetal arborescente que mide de 3 a 5 metros de
alto, su tronco es leñoso con un diámetro entre 20 y 50 cm; los tallos tienen forma de
raquetas llamadas cladodios de 30 a 60 cm. de largo por 20 a 40 cm. de ancho y de 2
a 3 cm. de espesor, están llenos de agua que se encuentra retenida en un entramado
viscoso de carbohidratos llamado resina (resina de nopal), son de color verde opaco
que contienen pocas espinas (el tipo y la cantidad es muy variable y depende de las
condiciones del medio en que viva), los cladodios trasforman la luz en energía química
a través de la fotosíntesis, la cutícula es de tipo lipídica y evita la deshidratación
provocada por las altas temperaturas, estos pueden ser aprovechados tiernos, para
consumo humano, desde los 8 o 10 días de haber brotado; las flores miden de 7 a 1
cm. de largo, son diurnas, solitarias y nacen en la base; su fruto es oval de 5 a 10 cm.
de largo por 4 a 8 cm. de diámetro, presenta abundante pulpa carnosa de sabor dulce
y su color puede ser amarillo, naranja, rojo o púrpura.

Comúnmente, las plantaciones viven de 5 a 7 años, en ocasiones hasta los 10 con
buenos rendimientos; en terrenos con pH neutro, con prácticas adecuadas de cultivo y
sin problema de plagas puede llegar vivir hasta los 80 años, para el caso de las
plantaciones de explotaciones intensivas, solamente alrededor de 3 años.

Tanto la morfología como la fisiología de estas cactáceas se han adaptado a la escasa
disponibilidad de agua, por lo que resisten elevadas temperaturas y periodos
prolongados de sequía, actualmente, tienen un importante papel ecológico, al frenar la
degradación de los suelos deforestados, y regenerar los suelos erosionados. [21]

https://es.wikipedia.org/wiki/Familia_%28biolog%C3%ADa%29
https://es.wikipedia.org/wiki/Cactaceae
https://es.wikipedia.org/wiki/Idioma_griego
https://es.wikipedia.org/wiki/Plinio_el_Viejo
https://es.wikipedia.org/wiki/Opunte
https://es.wikipedia.org/wiki/Grecia
https://es.wikipedia.org/wiki/Ep%C3%ADteto
https://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%ADn
https://es.wikipedia.org/wiki/India
Capítulo 1: Antecedentes

1.3.4 Localización geográfica
En orden de importancia se tiene que los principales productores de nopal tunero a
nivel mundial son: México, Italia, Sudáfrica, Chile, Colombia, Israel y Estado Unidos
como se observa en la figura 1.4. [5]

Figura 1.4 Principales productores de nopal tunero a nivel mundial.

1.3.5 Producción en México
En México se llama nopal a varias especies del género Opuntia de la familia Cactácea,
siendo reconocidas 377 especies, de las cuales, cerca de la mitad son explotadas de
manera artesanal o industrial mientras que las restantes se encuentran en forma
silvestre sin ser debidamente explotado, pero para consumo sólo se utilizan 12.
Opuntia ficus-indicaes la única que se cultiva para consumo humano y animal.

El nopal ha sufrido una evolución cualitativa. En una primera etapa eran plantas
silvestres del cual se recolectaba su fruto, luego se comenzó a cultivar cerca de
asentamientos humanos y además de cosechar la tuna se recogía la cochinilla que se
utilizaba como tinta para las telas de la época, actualmente, se seleccionan variedades
Capítulo 1: Antecedentes

y se cultivan intensamente con fines de mercado, además de que se industrializa en
diversas formas. [5]

Figura 1.5 “Usos e industrialización del nopal”

A nivel nacional los principales estados productores son: en el centro-norte, los
estados de Zacatecas, San Luis Potosí, Aguascalientes, Jalisco y Guanajuato; y en el
centro-sur, que incluye los estados de Hidalgo, Estado de México, Tlaxcala, Puebla,
Querétaro y Oaxaca. (Figura 1.6)

La explotación comercial más importante de poblaciones silvestres productoras de
tuna se lleva a cabo en los estados de Zacatecas, San Luis Potosí y Estado de
México. [5]

Capítulo 1: Antecedentes

Figura 1.6 “Principales productores de nopal tunero en México”

El Estado de México es el principal productor en el país (48.5 % de la producción
nacional), y uno de los principales exportadores de tuna. A nivel estatal, los principales
municipios productores de tuna son: Otumba, San Martín de las Pirámides,
Teotihuacán, Nopaltepec, Temascalapa y Axapusco. [5]

Figura 1.7 “Principales productores de nopal en el Estado de México”
Capítulo 1: Antecedentes

Figura 1.8 "Siembra del nopal tunero"

1.3.6 Información taxonómica

Tabla 1.1 “Información taxonómica de nopal Opuntia-ficus indica”
Reino Plantae
Phylum Magnoliophyta
Clase Magnoliopsida
Orden Caryophyllales
Familia Cactaceae
Género Opuntia
Epíteto específico ficus-indica
Nombre Científico Opuntia ficus-indica (L.)
Mill.
Autor del nombre (L.) Mill.

Capítulo 1: Antecedentes

1.3.7 Composición química general
La tabla 1.2 muestra la composición química del nopal fresco. Los cladodios6 tienen el
interés desde el punto de vista industrial ya que cuando son los brotes tiernos (10-15
cm) se usan para la producción de nopalitos y cuando están parcialmente lignificados
(cladodios de 2-3 años), para la producción de harinas y otros productos. [21]

Tabla 1.2 “Composición química de nopal fresco”
Compuesto químico Cantidades
Agua 85 – 90 %
Sólidos solubles totales 12 – 17 %
Azúcares totales 10 – 17 %
Azúcares reductores 4 – 14 %
Proteína 1.4 – 1.6 %
pH 5.3 – 7.1
Grasas 0.5 %
Fibra 232.4g / 100 g
Acidez titulable (% ac. Cítrico) 0.01 – 0.12
Ácido ascórbico (Vitamina C) 4.6 – 41 mg / 100 g
Viscosidad (30 ºC) 1.37 cps
Triptófano 8.0 mg / 100 g proteínas
Calcio 49 ppm
Magnesio 13 – 15 mg / 100 g
Fósforo 38 ppm
Hierro 2.6 ppm
Vitamina A 0.002 ppm
Tiamina 0.0002 ppm

6
Cladodio: Los cladodios o mejor conocidos como pencas, son tallos de cutícula gruesa y cerosa que
evita la evapotranspiración.
Capítulo 1: Antecedentes

Riboflavina 0.02 ppm
Niacina 0.20 ppm
Ácido nicotínico 0.40 – 0.60 mg / 100 g

1.3.8 Producción nacional de nopal en México

Producción nacional de nopal verdura en México
De acuerdo a información proporcionado por la Secretaría de Agricultura y Recursos
Hidráulicos, se producen anualmente 267,385 toneladas de nopal verdura en
México.

Producción nacional de nopal tunero en México
En base a información publicada por el Instituto Nacional de Investigaciones
Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP), órgano descentralizado de la Secretaría
de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA), el
cultivo de nopal tunero en territorio nacional ocupa actualmente una superficie de 47
mil hectáreas, con una producción de 350 mil toneladas de nopal tunero al año. [18]
1.3.9 Justificación del uso de mucílago de nopal

Los nopales contienen sustancias viscosas generalmente conocidas como mucílago o
hidrocoloide, que está constituido por carbohidratos de alto peso molecular. Contiene
principalmente dos polímeros naturales orgánicos: amilasa y amilopectina. La amilasa
se encuentra formando una cadena helicoidal que en solución tiene la capacidad de
formar películas delgadas, que, al secar, presentan alta rigidez. La amilopectina, como
todo compuesto de alto peso molecular, presenta viscosidad elevada en estado puro,
pero es altamente soluble en agua. Combinadas y encontrándose en solución acuosa,
ambas pueden formar capas con diferentes propiedades mecánicas, éstas
características de cohesión se han aprovechado para unir diferentes materiales. [7]

Éste efecto de cohesión es equiparable al ofrecido por otros ligantes como el látex o el
acrílico usado en la fabricación de pinturas, si bien no le confiere la propiedad de ser
una pintura lavable, la fijación de los pigmentos y cargas sobre superficies porosas
como ladrillos, piedras y muros es buena.

Capítulo 1: Antecedentes

En la elaboración de ésta pintura ecológica se hará uso de las pencas de nopal tunero
desechadas por la poda continua de las cosechas, que regularmente son usadas para
la obtención de abono orgánico o para la alimentación del ganado, de ésta manera se
les dará un uso adicional.

1.4 Estado del arte
Se realizaron investigaciones en diversos medios para conocer la difusión y
metodologías de elaboración de la pintura de nopal, los resultados se muestran a
continuación.

Tabla 1.3 “Comparativa de metodologías para la realización de la pintura a base de
resina de nopal”
Fuente Ingredientes Observaciones
Profeco

5 Nopales grandes (30x20cm.)
2.5 kg de cal
2 tazas de sal de mesa
Colorante para cemento de color de su agrado (la
cantidad depende de la intensidad de color que
desee obtener)
6 L de agua
Baja calidad y
bajo poder
cubriente.
Ecotecnias
– Secretaria
del Medio
Ambiente
5 a 7 kg de calhidra.
2 a 2.5 kg de cemento blanco.
5 a 7 pencas de nopal grandes y de preferencia
maduras.
0.5 kg de sal.
Si se desea algún color, éste deberá adquirirse en
casas de materiales para la construcción.
Pintura densa,
alto poder
cubriente a la
primer mano.
Instituto
cultural de
León
1 kg de cal viva
4 L de agua
4 nopales grandes y carnosos
1 taza de sal de mesa
Color: La pintura con resina de nopal es blanca
debido a la cal. Si desea otras tonalidades, puede
añadir colorante para cemento
Pintura muy
diluida, buena
tonalidad de
color blanco, un
bajo poder
cubriente.
Pinto mi 4 a 5 nopales grandes Pintura de baja
Capítulo 1: Antecedentes

casa-
Pintura y
Decoración)

4 kg de cal apagada (cal de construcción)
4 L de agua
1 taza de sal o fijador sellador al agua

calidad, se
desprende con
facilidad.
Biblioteca
digital
CONEVyT

1 kg de cal
4 L de agua
2 L de resina de nopal
1 taza de sal de mesa
Colorante para cemento (dependiendo la intensidad
del color, es la cantidad de colorante)
Alto poder
cubriente a la
segunda mano.
No se
desprende con
facilidad.

1. Pintura de nopal (Profeco)
Rendimiento: 7 litros (L) aproximadamente
Ingredientes
 5 Nopales grandes (30x20cm.)
 2.5 kg de cal
 2 tazas de sal de mesa
 Colorante para cemento de color de su agrado (la cantidad depende de la
intensidad de color que desee obtener)
 6 L de agua
Utensilios
 Tazón de vidrio con capacidad de 3 a 4 L
 Colador grande
 Cubeta o recipiente con capacidad de 8 L
 Palo de 50 cm limpio
 Cuchillo y tabla de picar
 Guantes de goma
 Cubre bocas
 Botes de pintura vacíos con tapa, limpios y secos, suficientes paraenvasar 7 L
de pintura (puede reciclar garrafones y botellas)
Procedimiento:
1. Ponga los nopales cortados en trozos pequeños en el tazón y agregue 2 L de agua.
Deje reposar durante toda la noche para que suelten la resina.
2. Al día siguiente, en la cubeta, vierta la cal, la sal y los 4 L de agua restante,
revolviendo muy bien los ingredientes con el palo de madera.
Capítulo 1: Antecedentes

3. Incorpore la resina de nopal, previamente colada, y mezcle perfectamente.
4. Poco a poco agregue el colorante; recuerde que la cantidad depende del tono que
desee. Si quiere obtener pintura blanca no es necesario usar el colorante.
Envasado y conservación
Vierta la pintura en los recipientes. No olvide colocarles una etiqueta con el nombre del
producto, la fecha de elaboración y la de caducidad.
La pintura se mantiene en buenas condiciones hasta por un año si se conserva bien
cerrada, en un lugar seco y oscuro.
Modo de empleo
 La superficie que va a pintar debe estar perfectamente limpia y seca.
 Agite la pintura y aplique dos capas con una brocha o rodillo.

Recomendaciones
 Use guantes y cubre bocas durante la elaboración del producto.
 Puede agregar blanco de España (1/4 kg) para darle más consistencia a la
pintura (se consigue en tlapalerías).
 Si desea repintar la superficie con pintura vinílica, deberá preparar la superficie
con un sellador.

1. Pintura de nopal (Ecotecnias – Secretaria del Medio Ambiente)
Ingredientes
 5 a 7 kg de calidra.
 2 a 2.5 kg de cemento blanco.
 5 a 7 pencas de nopal grandes y de preferencia maduras.
 ½ kg de sal.
 Si se desea algún color, éste deberá adquirirse en casas de materiales para la
construcción.
Preparación
1.- En un recipiente con 18 L de agua se colocan los nopales previamente picados se
dejan de uno a tres días para que suelten la resina. Tapar.
2.- Se retiran los nopales se agrega calidra, cemento y sal revolviendo constantemente
para evitar grumos. Si desea puede agregar colorante para cemento es opcional. No
altera el proceso.
3.- La pintura se puede aplicar con brocha o cepillo.
NOTA:
Capítulo 1: Antecedentes

A) En caso de elaborar una mayor cantidad de pintura, ésta deberá prepararse en un
recipiente suficientemente grande para que se produzca de una sola vez y quede de
un mismo tono
B) Se puede utilizar para exterior o interior.

2. Pintura de nopal (Instituto Cultural de León)
Rendimiento: de 6 a 7 L
Ingredientes
 1 kg de cal viva
 4 L de agua
 4 nopales grandes y carnosos
 1 taza de sal de mesa
 Color: La pintura con resina de nopal es blanca debido a la cal. Si desea otras
tonalidades, puede añadir colorante para cemento, el cual se vende en
ferreterías y tiendas de materiales de construcción.
Procedimiento
1. Pelar los nopales para quitarle las espinas. Picarlos en cachitos pequeños y
ponerlos en una cubeta con dos L de agua. Dejarlos entre 8 y 12 horas, tiempo
en que se libera la resina.
2. Moler los pedazos de nopal con un palo. Luego se debe colar la mezcla para
separar el líquido de los sólidos.
3. Poner los dos litros de agua en un gran recipiente junto con la sal y la cal.
Mezclar hasta diluir todo por completo.
4. Adicionar el agua en la que se obtuvo la resina del nopal y agitar de nuevo.
5. Si decidió aplicar color, es el momento de agregar el pigmento.
6. Dejar reposar de nuevo entre 8 y 12 horas.
Modo de empleo
Mezclar antes de la aplicación.
Puede emplearse una brocha tosca de fibras vegetales o un cepillo con fibras
delgadas si la superficie es muy porosa.
En la mayoría de los casos basta con una sola capa, pero de ser necesario se puede
aplicar una segunda mano luego de dejar secar perfectamente.

3. Pintura de nopal (Pinto mi casa- Pintura y Decoración)
Ingredientes
 4 a 5 nopales grandes
Capítulo 1: Antecedentes

 1 kg de cal apagada (cal de construcción)
 4 L de agua
 1 taza de sal o fijador sellador al agua
Modo de preparación
Es necesario que cortes el nopal y lo machaques, después de quitarle las espinas.
Luego agrega el agua hasta la mitad del recipiente, deja reposar por un día
aproximadamente. Esto permite que la resina se disuelva en el agua formándose una
sola sustancia la que actuará de aglutinante en la pintura.
Al día posterior cuela el líquido resultante con un colador o una tela no muy fina, y
adiciona la cal y un poco de sal, o fijador sellador para mejorar la durabilidad y
adherencia a las paredes. Revuelve para obtener una consistencia más o menor
espesa y uniforme. Deja reposar nuevamente durante 24 horas y podrás utilizar la
pintura.

4. Pintura de nopal (Biblioteca digital CONEVyT)
Rendimiento: 7 L
Ingredientes
 1 kg de cal
 4 L de agua
 2 L de resina de nopal
 1 taza de sal de mesa
 Colorante para cemento (dependiendo la intensidad del color, es la cantidad de
colorante)
Utensilios
 Bote con capacidad de 5 L
 Bote de plástico con capacidad de 19 L
 Pala de plástico o de madera.
 Colador.
 Etiqueta adhesiva.
Preparación
1. Se pican 3 o 4 nopales gruesos de la manera acostumbrada para hacer
ensalada y se coloca en un bote con 2 L de agua durante una noche para que
suelte la resina.
2. Al día siguiente se machacan dentro del bote y se cuelan en otro recipiente
hasta separar todo el bagazo de la resina.
Capítulo 1: Antecedentes

3. En el bote de 19 L se mezclan el agua y la cal; se agrega la sal, y se disuelva
perfectamente bien.
4. Posteriormente se añade la resina del nopal y se revuelve; por último, se
agrega el colorante, (si se quiere blanca se deja así). Se sigue mezclando y se
deja reposar una noche.
5. Se etiqueta indicando el nombre del producto, fecha de elaboración y de
caducidad.

Se elaboraron cada una de las 5 recetas mostradas anteriormente con la finalidad de
comprobar la calidad de la pintura, los resultados fueron vaciados en la tabla 1.4.

No obstante, con el objetivo de obtener mejores resultados en la calidad de la pintura
se optó por usar algunos de los ingredientes que se usan en las pinturas
convencionales, quitando aquellos que son nocivos para la salud, como los
disolventes, y utilizando la resina de nopal como aglutinante. Se realizaron varias
pruebas experimentales, variando las proporciones entre los ingredientes para obtener
las mejores características. Los resultados son mostrados a continuación.

1.5 Proceso artesanal para la elaboración de la pintura
A continuación, se presenta una breve descripción de los pasos a seguir para elaborar
la pintura a base de nopal de acuerdo a la metodología propuesta:
1. Recolecta de los cladodios o pencas de nopal
De acuerdo a datos proporcionados por locatarios de las comunidades donde se
cosecha ésta cactácea, se recomienda la recolección de pencas jóvenes de entre 1 y
3 años de edad, o bien, que vayan de un tamaño mediano a grande (30x20cm) con la
finalidad de tener un rendimiento considerable en la extracción de la resina.

Figura 1.1 “Penca de nopales silvestres”
Capítulo 1: Antecedentes

2. Limpieza de espinas de la penca
Se retiran las espinas cuidadosamente con un machete o cuchillo con bastante filo. Se
recomienda el uso de guantes de carnaza para evitar cualquier pinchazo o urticaria
causada por gloquidios7.

Figura 1.2 “Limpieza de espinas de la penca”

3. Corte de la penca en cubos
Para la extracción de la resina del nopal se recomienda ampliamente que la penca sea
cortada en cubos de 2cmx2cm.

Figura 1.3 “Corte de la penca del nopal en pequeños cubos”

7
Gloquidio: Especie de pelusa que recubre las espinas.
Capítulo 1: Antecedentes

4. Macerado para la extracción de la resina de nopal
Para extraer la resina de nopal, éste debe ser colocado en agua. De acuerdo adiversas pruebas experimentales por cada 10L de pintura que deseen realizarse,
deben adicionarse 6.7L de agua por cada 6kg. de nopal.
Se tapa el recipiente donde se coloque para evitar su contaminación y se deja
reposando por un lapso de 24 horas.

Figura 1.4 “Macerado de los cubos de nopal en agua”

5. Obtención de la resina de nopal
Una vez transcurrido el tiempo de reposo, se destapa el recipiente y se retiran los
cubos de nopal. Se filtra la resina obtenida para retirar pequeños residuos y obtener
una mejor calidad.

Figura 1.5 “Obtención de la resina de nopal”

Capítulo 1: Antecedentes

6. Adición y mezcla de los componentes
Una vez obtenida la resina de nopal, se procede a mezclarla juntos con el resto de los
componentes: caolín y dióxido de titanio. Para 10L de pintura se requieren 4kg. De
caolín por 1.5 de dióxido de titanio.

Figura 1.6 “Incorporación y mezcla de los componenetes de la pintura”

7. Aplicación de la pintura
Concluido el proceso de mezclado, la pintura está lista para su aplicación. Cabe
destacar que, debido a su composición, su uso se limita únicamente a superficies
porosas como ladrillos, piedras y muros. Puede ser aplicada en interiores como en
exteriores, a la intemperie debe de ser protegida de la lluvia.

Figura 1.7 “Aplicación de la pintura en muro”

Capítulo 1: Antecedentes

8. Envasado y conservación
Cuando se concluye el proceso de pintado, el resto de producto debe de almacenarse
en algún recipiente y colocarse en un lugar fresco y seco para su mejor conservación.
Cada que se requiera hacer uso de la pintura, ésta debe de mezclarse hasta obtener
una solución homogénea y, de ésta manera, asegurar los mismos resultados.

Figura 1.8 “Envasado y conservación de la pintura”

Capítulo 1: Antecedentes

A continuación, se presenta un diagrama a bloques que condensa la información
anteriormente expuesta sobre el proceso de elaboración de pintura a base de nopal el
cual consta de 6 etapas:

Figura 1.9 “Diagrama a bloques del proceso para la elaboración de la pintura”

Recolección de cladodios de
nopal (de 1 a 3 años de edad, o
bien, de un tamaño mediano a
grande, 30x20cm)
Limpieza de
espinas
Corte de la
penca en cubos
de 2x2 cm
Macerado para la
extracción de la
resina de nopal (24
horas)
Obtención y filtrado
de la resina de nopal
Mezcla de la resina de
nopal con TiO2+Caolín
(Mezclar por 15 min.
Hasta incorporar
totalmente)
Capítulo 1: Antecedentes

Dado el esquema anterior, el alcance del proyecto pretende semi automatizar las
etapas 4, 5 y 6, ya que son las más importantes y críticas del proceso para obtener el
máximo rendimiento de extracción de resina de nopal y estandarizar la elaboración de
la pintura.

Para ello se presentan los siguientes objetivos a alcanzar:

1. Implementar un sistema de control que acelere la velocidad de
extracción de resina de nopal a través del calentamiento de solución
agua-nopal.
2. Dosificar los ingredientes de manera automática con base a la
capacidad de producción que se desee elaborar.
3. Implementar un sistema de mezclado que incorpore los ingredientes de
manera homogénea.
4. Dimensionar el tanque de mezclado en función del volumen de
producción.
5. Proponer y dimensionar el tipo de agitador a utilizar para la mezcla de la
pintura.
6. Implementar un sistema de descarga de pintura del tanque a recipiente
de envasado.

CAPÍTULO 2
Marco teórico
Descripción breve

En el presente capítulo se detallan las características más
relevantes de los componentes a ser utilizados en la
elaboración del proyecto.
Capítulo 2: Marco teórico
30

2.1 Procesos industriales discretos
Los procesos industriales discretos automatizados son aquellos donde el proceso de
fabricación se va realizando de manera secuencial; se van ensamblando componentes
en el proceso de producción hasta que se obtiene el producto terminado.
En estos procesos normalmente la fabricación es por partes, por eventos o por hitos. Y
se denominan discretos porque se suelen manejar magnitudes digitales del tipo “todo”
o “nada”, representando conceptos como, por ejemplo, si una pieza está o no está, si
ha llegado al sitio que le corresponde o no, si estoy en zona de seguridad o no, etc.
Por supuesto, en los procesos con automatización discreta también hay magnitudes
analógicas, pero las digitales representan un porcentaje mucho más alto.
Los procesos discretos suelen estar emplazados dentro de una secuencia temporal
que se pueden acelerar o frenar, sin grandes implicaciones y se pueden parar
fácilmente sin consecuencias graves. [1]
2.2 Procesos industriales continuos
Los procesos industriales con automatización continua son aquellos donde el proceso
de fabricación se va realizando de manera constante y la materia prima fluye de
manera continua, a través del proceso de producción.
Se denominan continuos porque se suelen manejar magnitudes de tipo continuo y
gradual, como son las temperaturas, los flujos, los caudales, las presiones, el nivel,
etc. En general, se habla de magnitudes definidas en formato analógico (infinitos
valores). La variable tiempo entra en juego normalmente, en todas ellas (temperatura
en función del tiempo, etc.)
Como procesos industriales continuos automatizados, se destacan los procesos
químicos, farmacéuticos, metalúrgicos, petróleo y gas, fabricación de comida y bebida,
la generación eléctrica (como puede ser una central hidroeléctrica), entre otros.
Un proceso continuo no se puede parar fácilmente. De ahí que sea continuo. Una
central hidroeléctrica producirá más o menos energía dependiendo del caudal y de las
necesidades, pero siempre estará produciendo. Lo mismo sucede con un horno
industrial o con una papelera. Esto se debe a que las materias primas que se utilizan
en estos procesos (el metal y la pasta de papel en el caso de los dos ejemplos
mencionados), alcanzan un estado al arrancar la producción, que impide que se pueda
Capítulo 2: Marco teórico
31

parar el proceso sin consecuencias negativas, tanto de seguridad para las materias y
para las personas, como económicas. [1]
2.3 Proceso automático
La automatización de un proceso consiste en la sustitución de aquellas tareas
tradicionalmente manuales por las mismas realizadas de manera automática por
máquinas, robots o cualquier otro tipo de automatismo. De este modo, gracias al uso
adicional de sensores, controladores y actuadores, así como de métodos y algoritmos
de conmutación, se consigue liberar al ser humano de ciertas tareas.
Los principales objetivos del proceso de automatización son:
1. Mejorar la productividad y eficiencia, reduciendo los costos de producción y
mejorando la calidad y precisión del producto final.
2. Optimizar la planificación y el control.
3. Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo las tareas más
tediosas e incrementando su seguridad.
4. Realizar aquellas operaciones imposibles de controlar intelectual o manualmente.
Un sistema automatizado consta principalmente de dos partes: una de mando y otra
operativa. Esta última es la que actúa directamente sobre la máquina haciendo que se
mueva y realice la operación deseada gracias a los actuadores y sensores que la
componen. La parte de mando, sin embargo, suele ser un autómata programado que
está en el centro del sistema y es capaz de comunicarse con el resto de constituyentes
del sistema. [10]
2.4 Variables de proceso2.4.1 Temperatura
La temperatura es una magnitud que mide el nivel térmico o el calor que un cuerpo
posee. Toda sustancia en determinado estado de agregación (sólido, líquido o gas),
está constituida por moléculas que se encuentran en continuo movimiento. La suma de
las energías de todas las moléculas del cuerpo se conoce como energía térmica; y la
temperatura es la medida de esa energía promedio.
Actualmente se utilizan tres escalas de temperatura; grados Fahrenheit (ºF), Celsius
(ºC) y Kelvin (ºK). [4]

Capítulo 2: Marco teórico
32

Criterios básicos para la selección de sensores de temperatura
Alcance de la medición
Determine qué alcance es crítico para su operación, ¿Qué instrumento tiene este
alcance?, ¿Cubre todo el alcance y es todavía rentable o se requiere más de un
instrumento?
Figura 2.10 "Alcance de medición de temperatura para distintos instrumentos"

Exactitud
La segunda mas importante decision. Al estableceer los requsitos de exactitud del
laboratorio o proceso, la inversion apropiada en el instrumento correcto puede eliminar
los errores que se pasan a menudo por alto. La exactitud de un instrumento depende
no solo de los resultados de la calibración sino de sus características físicas y
metrológicas, por ejemplo se puede tener un sensor termopar industrial que en su
informe de calibración mejore su exatitud, pero por sus caracteristicas podría tener una
derivada con el tiempo. [19]
Condiciones bajo la cual la medición debe ser realizada
El problema fundamental para medir la temperatura de un fluido es el asegurar el
acoplamiento térmico, el sensor debe de estar en equilibrio con la temperatura del
fluido, por lo cual habrá de determinarse las medidas y formas del sensor, conocer las
condiciones de enfriamiento-calentamiento, junto con una estimación de la magnitud
de los gradientes de temperatura, buscando dar respuesta a las siguientes preguntas:
¿es posible tocar el objeto a medir?, ¿puede ser afectado el sensor o el objeto a medir
por el contacto?, si es así, un sensor de temperatura sin contacto es necesario.
Capítulo 2: Marco teórico
33

Figura 2.11 "Instrumentos de medición de temperatura en superficie e inmersión"

Ventajas y desventajas
Tabla 2.1 "Ventajas y desventajas entre distintos instrumentos de medición de
temperatura"

Capítulo 2: Marco teórico
34

2.5 Sensor de temperatura LM35
El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1 ºC. Su rango
de medición abarca desde -55 °C hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado
Celsius equivale a 10mV.
El LM35 no requiere de circuitos adicionales para calibrarlo externamente. La baja
impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración hace posible que esté
integrado sea instalado fácilmente en un circuito de control. Debido a su baja corriente
de alimentación se produce un efecto de auto calentamiento muy reducido. Se
encuentra en diferentes tipos de encapsulado, el más común es el TO-92, utilizada por
transistores de baja potencia. [20]

Figura 2.12 "Esquemático de sensor de temperatura LM35"

2.6 OPAM LM386
Amplificador de baja tensión de potencia de audio
El LM386 es un amplificador de potencia diseñado para aplicaciones de baja tensión.
La ganancia se ajusta internamente a 10, pero la adición de una fuente externa, una
resistencia y un condensador entre los pines 1 y 8 aumentarán la ganancia a cualquier
valor entre 20 y 200. El LM386 funciona perfectamente con una alimentación de
batería de 6 volts. [20]

Figura 2.13 "Esquemático de sensor de temperatura LM35"

Capítulo 2: Marco teórico
35

2.7 Resistencia de inmersión
Las resistencias de inmersión están diseñadas para el calentamiento en contacto
directo con el fluido: agua, aceite, materiales viscosos, disoluciones ácidas o básicas,
etc.
Dado que todo el calor se genera dentro del líquido, se alcanza un rendimiento
energético máximo. Al no existir elementos distorsionadores, el control de la
temperatura de proceso puede ser muy ajustado.
Las resistencias de inmersión presentan varias opciones de acoplamiento al depósito
o tanque donde se instalan: mediante tapón roscado, con racores8, con brida, tipo
sumergidores, etc.
Se pueden utilizar resistencias para calentar cualquier tipo de fluido, desde agua hasta
disoluciones corrosivas, aceites y fuel-oil muy viscoso, producción de vapor. [6]

Figura 2.14 "Resistencia eléctrica de inmersión"

2.8 Bomba de agua sumergible
Una bomba sumergible es una bomba que tiene un impulsor sellado a la carcasa. El
conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que
puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la
presión de aire externa para hacer ascender el líquido.

8
Racor: Pieza metálica con dos roscas internas en sentido inverso, que sirve para unir tubos y otros
perfiles cilíndricos.
Capítulo 2: Marco teórico
36

Figura 2.15 "Bomba de agua sumergible"

2.9 Dosificador tipo tornillo sin fin
Descripción
Es un tipo de dosificador, que mediante una rosca sinfín, alimenta a un proceso con un
caudal determinado, pudiéndose regular a voluntad o automáticamente la dosificación
de producto.
Aplicaciones
Dosificación de productos sólidos en un sistema completamente cerrado que no
produce emisiones de polvo al exterior. Medidor de caudal en un proceso continuo. [9]

Figura 2.16 "Elementos que conforman un dosificador tipo tornillo sin fin"

Capítulo 2: Marco teórico
37

2.10 Variador de velocidad
Un variador de frecuencia o VFD, por sus siglas en inglés Variable Frequency Drive,
es un dispositivo electrónico que permite variar la velocidad y la cupla 9de los motores
asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red
en magnitudes variables. Su misión es controlar la energía entregada al motor. Se
utiliza en motores asíncronos de jaula de ardilla. Sus características permiten:
 Aceleración progresiva.
 Deceleración progresiva. Más rápida de la natural añadiendo par de frenado, o
más lenta añadiendo par motor durante el frenado.
 Fijar con precisión la velocidad de funcionamiento. Una o varias velocidades.
 Limitar la intensidad de arranque.
 Realizar paradas con precisión del motor, mediante la inyección de corriente
continua al devanado estatórico.
 Inversión del sentido de giro.

2.10.1 El motor
Los variadores de velocidad están preparados para trabajar con motores trifásicos
asincrónicos de rotor tipo jaula de ardilla. La tensión de alimentación del motor no
podrá ser mayor que la tensión de red. La corriente y frecuencia del motor se comporta
de acuerdo al gráfico siguiente:

Figura 2.17 "Gráfica de comportamiento corriente-par vs velocidad de motor con
variador conectado"

9
Cupla: Par de fuerzas de igual valor que poseen direcciones opuestas, que aplicadas a un cuerpo
producen una rotación.
Capítulo 2: Marco teórico
38

El dimensionamiento del motor debe ser tal que la cupla resistente de la carga no
supere la cupla nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra provea la cupla
acelerante y desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada.

2.10.2 El convertidor de frecuencia
Se denominan así a los variadores de velocidad que rectifican la tensión alterna de red
(monofásica o trifásica), y por medio de seis transistores trabajando en modulación de
ancho de pulso generan una corriente trifásica de frecuencia y tensión variable. Un
transistor más, llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el
motor (durante el frenado regenerativo) hacia una