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Universidad Abierta y a Distancia de México División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales Ingeniería en Biotecnología Fenómenos de transporte Asignación a cargo del docente en línea Jessica Verónica Mendoza Prado ES202104539 Grupo BI-BBFDE-2301-B2-002 12 de junio de 2023 Introducción La ingenieria en biotecnología es una disciplina moderna que usa conocimientos tanto del área biológica en la comprensión de los organismos como de las ingenierías para explicar el comportamiento de los organismos y poder desarrollar productos y procesos en beneficio del ser humano. La unión de estas dos áreas del conocimiento es el fundamento para el diseño y mejora de sistemas biológicos. En el caso de los fenómenos de transporte, que estudian la transferencia de masa, energía, el movimiento en los sistemas etc., son concomiento esencial para el disñeor de dichos sistemas biotecnológicos. Por ejemplo, un biorreactor que permite el cultivo de cierta bacteria de interés y sus metabolitos, necesita un estrecho cuidado y vigilancia de la temperatura, de la perdida, de la transferencia, de la formación de corrientes, de la presión, de los recursos disponibles entre otros, que pueden ser explicados solamente conociendo los fenómenos involucrados en los diversos procesos. En esta unidad de aprendizaje tuve oportunidad de comprender los fenómenos involucrados en la transferencia de masa y energía, desde la difusión de moléculas, la temperatura hasta conocer métodos para la comprensión de la composición final tras dicha transferencia. Se recopilan en este trabajo las evidencias de aprendizaje de las tres unidades que conforman la asignatura, así como un ejercicio de metacognición de cada una de las actividades. Evidencia de aprendizaje unidad 1 Universidad Abierta y a Distancia de México División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales Ingeniería en Biotecnología Fenómenos de transporte Unidad 1 Evidencia de aprendizaje Ecuación de Bernoulli Jessica Verónica Mendoza Prado ES202104539 Grupo BI-BBFDE-2301-B2-002 4 de mayo de 2023 Temas revisados Lo que aprendí Habilidades digitales que desarrolle Opinión de la unidad En esta evidencia, que básicamente hablaba sobre la ecuación de Bernoulli, tuve la oportunidad de revisar que era la ecuación y cuales son sus aplicaciones, así como de desarrollar un ejercicio relacionado aplicando la ecuación y otras mas propuestas por el profesor. Aprendí que La ecuación de Bernoulli nos habla sobre la mecánica de fluidos y la relación entre la energía mecánica, cinética y potencial del fluido en movimiento. Es necesario el calculo del numero de Reynolds para poder resolver la ecuación de Bernoulli, que nos describe si un flujo es laminar <2000 o turbulento >3500 Que el flujo es relevante en la biotecnología porque por ejemplo nos habla del comportamiento de los nutrientes dentro de un tanque de crecimiento. Finalmente, que para el cálculo de la presión del agua a través de una línea de corriente podemos usar la ecuación de Bernoulli, y que existe forma de calcular el efecto de los accesorios sobre la línea. Mejore mi capacidad de realizar infografías complejas en Canva (creo). Mejore mis habilidades con el editor de ecuaciones de Word. Fue sin duda la unidad mas sencilla de todas. Sin duda aquí no sabia que se iba a poner más complejo conforme avanzáramos en el programa. Evidencia de aprendizaje unidad 2 Universidad Abierta y a Distancia de México División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales Ingeniería en Biotecnología Fenómenos de transporte Unidad 2 Evidencia de aprendizaje Transferencia de calor Jessica Verónica Mendoza Prado ES202104539 Grupo BI-BBFDE-2301-B2-002 17 de mayo de 2023 Práctica 1 Ilustración 1 Fase inicial del experimento. Ilustración 2 Fase final del experimento. Se incluye el gráfico de resultados. Resumen El anterior ejercicio pretende explicar de forma gráfica el cuestionamiento de flujo de temperatura según la diferencia de temperatura entre dos objetos, siendo la pregunta de investigación si a mayor temperatura es mayor el flujo de calor. Se presentan dos casos, siendo el primero sobre la conducción de un objeto a 100°C y 0°C y el segundo entre un objeto a 50°C y el segundo a 0°C. Al reproducir la animación, podemos ver como el segundo objeto va ganando calor a través del tiempo, hasta llegar a un punto de equilibrio con el primero donde alcanza la misma temperatura. Objetivos General Ejecutar la animación y observar la transferencia de calor entre cuatro objetos a temperaturas distintas. Específico Determinar si la transferencia de calor es mayor a una diferencia de temperatura mayor. Marco teórico La ley de Fourier, también conocida como la ley de conducción térmica de Fourier, establece que la cantidad de calor que fluye a través de un material es directamente proporcional al gradiente de temperatura a través del material y a la conductividad térmica del material. Esta ley es importante para entender cómo el calor se transfiere en diversos procesos, incluyendo la transferencia de calor en sistemas de refrigeración y calefacción, y la conducción de calor en materiales. La ley de Fourier se puede expresar matemáticamente como: q = -kA (dT/dx) Donde: - q es la tasa de transferencia de calor a través del material (en unidades de energía por unidad de tiempo) - k es la conductividad térmica del material (en unidades de energía por unidad de tiempo, distancia y grado de temperatura) - A es el área de la sección transversal del material a través del cual fluye el calor (en unidades de distancia al cuadrado) - dT/dx es el gradiente de temperatura a través del material (en unidades de grado de temperatura por unidad de distancia) Resultados Tras la ejecución de la animación pudimos observar lo siguiente: Caso Resultados Objeto 100°C-0°C La pendiente de intercambio de calor es más pronunciada, por lo que podemos determinar que el intercambio de calor ocurre a mayor velocidad. Objeto 50°C-0°C La pendiente de intercambio de calor es menos pronunciada en comparación de la primera, lo que nos dice que el intercambio de calor ocurre a menor velocidad. Conclusión Tras ejecutar la animación y observar el grafico generado por el experimento, podemos decir que el intercambio de calor ocurre a mayor velocidad si la diferencia de temperatura entre dos objetos es mayor. Práctica 2 Ilustración 3Fase inicial de la practica 2, donde las resistencias están en estrecho calor y las líneas de transferencia son lineales, con un paso rápido de la temperatura. Ilustración 4 Fase final del experimento, donde las líneas de calor permanecen rectas y se ha alcanzado el punto de equilibrio entre ambos objetos. Ilustración 5Cambio en la disposición de las resistencias, donde existe variabilidad en la trayectoria de las líneas de calor y el calor pasa de forma menos eficiente. Resumen El ejercicio pretende realizar el análisis de que ocurre con las líneas de flujo de calor si las resistencias colocadas entre el objeto 1 que se encuentra a 50°C y el objeto 2 que se encuentra a 0°C son cambiadas de posición, permitiendo observar también el efecto sobre la velocidad de transferencia de calor. Objetivos General Ejecutar el experimento con dos objetos a diferentes temperaturas y cuatro resistencias colocadas entre ambos objetos. Específico Determinar si la posición de las resistencias tiene efecto sobre las líneas de flujo de calor y por qué. Marco teórico El comportamiento de las líneas de calor se explica mediante los siguientes principios:1. La Primera Ley de la Termodinámica: Este principio establece que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a otra. En el caso de la transferencia de calor, la energía térmica se transfiere de un objeto a otro, pero la cantidad total de energía en el sistema permanece constante. 2. La Segunda Ley de la Termodinámica: Este principio establece que la entropía, o el grado de desorden en un sistema, siempre aumenta con el tiempo. En el caso de la transferencia de calor, el calor siempre fluye de una región de alta temperatura a una de baja temperatura, lo que aumenta la entropía del sistema. 3. La Ley de Fourier: Esta ley establece que la cantidad de calor que fluye a través de un material es directamente proporcional al gradiente de temperatura a través del material y a la conductividad térmica del material. 4. La Ley de Stefan-Boltzmann: Esta ley establece que la cantidad de calor que se irradia por unidad de tiempo y por unidad de superficie es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta. El comportamiento de las líneas de calor se explica por medio de los principios de la termodinámica y la transferencia de calor, que establecen cómo la energía térmica se transfiere de un objeto a otro y cómo se distribuye a lo largo del espacio. Estos principios nos permiten comprender y predecir la dirección y densidad del flujo de calor y cómo se distribuye la energía térmica a lo largo de los materiales y el espacio. Resultados Pudimos apreciar en la realización del experimento que la variación de la posición de las resistencias tiene un efecto directo sobre el comportamiento de las líneas de calor, que pasaba de una conformación lineal a una conformación altamente variable en función de la posición adoptada por las resistencias. Apreciamos también que disminuía la velocidad de transferencia de calor al disminuir el área en contacto entre estas al cambiar la posición, por lo que el área donde podía realizarse la conducción era menor. Conclusión Es necesario el contacto adecuado entre las resistencias si se pretende que el calor pase de forma uniforme y eficiente de un objeto a otro, mientras que si se busca que el calor pase con menor velocidad a través del sistema es necesaria una configuración que reduzca el área en contacto entra el objeto de mayor calor y el de menor calor. Práctica 3 Ilustración 6 Demostración de la tercera práctica, donde una cuchara de metal y una cuchara de madera son introducidas en un medio a 100°C Ilustración 7 Después de un periodo de tiempo, podemos observar que la cuchara de metal ha aceptado mayor calor que la cuchara de madera, con una diferencia de temperatura considerable. Ilustración 8 El gráfico nos permite apreciar que no solo la transferencia de calor fue más rápida en la tasa de metal, sino que la temperatura a través del tiempo es mayor que la de la cuchara de madera. Resumen Esta práctica dispone de dos cucharas de distintos materiales introducidos en un medio a 100°C con una diferencia de calor entre la cuchara considerable. Pretende crear una reflexión sobre la influencia del material de que se compone la cuchara sobre la velocidad de transferencia. Objetivos General Realizar la práctica en que una cuchara de metal y una de madera son introducidas en un medio a 100°C Específico Determinar si el material de la cuchara influye en la temperatura de la misma a través del tiempo. Marco teórico El calor específico es una propiedad física que indica la cantidad de energía térmica que se necesita para aumentar la temperatura de una cantidad determinada de material en una cantidad específica. En otras palabras, es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado Celsius (o Kelvin) la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. El calor específico se representa por la letra "c" y su unidad de medida es J/(kg) en el Sistema Internacional de Unidades (SI). El cálculo del calor específico se puede realizar utilizando la siguiente fórmula: c = Q/(mΔT) donde: - "c" es el calor específico (J/(kg·K)) - "Q" es la cantidad de calor transferida a un objeto (J) - "m" es la masa del objeto (kg) - "ΔT" es el cambio en la temperatura del objeto (en grados Celsius o Kelvin) Para calcular el calor específico de un objeto, se debe medir la cantidad de calor transferida (Q), la masa del objeto (m) y la variación de temperatura (ΔT) que experimenta el objeto. Luego, se puede aplicar la fórmula anterior para obtener el valor del calor específico. Es importante tener en cuenta que el calor específico varía según la sustancia y su estado físico, y puede cambiar con la temperatura. Por ejemplo, el calor específico del agua es de aproximadamente 4.18 J/(g·K), mientras que el calor específico del hierro es de aproximadamente 0.45 J/(g·K). Resultados La velocidad de transferencia de calor fue mayor en la cuchara de metal como podemos ver en el gráfico, no solo llegando a un punto de equilibrio más rápido, sino que también condujo el calor hacia la mano del experimentador. Por otro lado, la temperatura de la cuchara de madera cambio poco en su sección distal manteniéndose constante en mayor parte del experimento, sin llegar a un punto de equilibrio. Conclusión La práctica anterior me ayudo a comprender de forma visual e interactiva como el paso de calor a través de dos objetos por conducción varía en función de la conformación del sistema, así como de las características propias de los objetos, su temperatura inicial y su posición Temas revisados Lo que aprendí Habilidades digitales que desarrolle Opinión de la unidad Ley de Fourier Aprendí que la Ley de Fourier nos habla de la cantidad de calor que fluye a través de un material y que este es proporcional al gradiente de temperatura a través del material y su conductividad térmica. Nos explica como es que el calor se transfiere a través de formas diversas. La ley es q=-kA (dT/dx) Aprendí a usar el software Energy2D que me ayudo a comprender de manera grafica como es que se comporta el calor a través de diversos materiales. En esta unidad el nivel de complejidad aumentó, siendo los contenidos más centrados en el área de la física. Aprendí sobre el calor y como explicar su comportamiento, siendo los ejercicios bastante divertidos. Creo que esa es la mejor parte de las unidades, el abordarla a través de ejercicios que representen un reto. Evidencia de aprendizaje unidad 3 Universidad Abierta y a Distancia de México División de Ciencias de la Salud, Biológicas y Ambientales Ingeniería en Biotecnología Fenómenos de transporte Unidad 3 Evidencia de aprendizaje Cromatografía liquida de alto rendimiento Jessica Verónica Mendoza Prado ES202104539 Grupo BI-BBFDE-2301-B2-002 7 de junio de 2023 Resumen El presente trabajo pretende dar evidencia de las actividades desarrolladas durante la realización de la evidencia de aprendizaje, donde se trabajo con el software propuesto sobre cromatografía desarrollado por la Universidad de Geneva, abordando específicamente la cromatografía liquida de alta eficiencia. Se brinda un panorama general al lector sobre esta técnica y se realiza la practica sobre vitaminas liposolubles utilizando el solvente acetonitrilo a concentraciones variables y se explora la temperatura más adecuada para el desarrollo del experimento. Finalmente, se realiza un análisis de los resultados. Objetivos de la practica 1. Describir la cromatografía de alta eficiencia 2. Describir los componentes involucrados en la cromatografía de alta eficiencia. a. Describir los componentes fijos como detector UV, columna de horno, inyector y bomba. b. Describir los componentes variables como solvente, solución a analizar y temperatura.3. Describir el efecto del cambio de los valores de las variables en el resultado cromatográfico. Marco teórico La cromatografía liquida de alta eficiencia (HPLC dadas las siglas en inglés) es la técnica analítica que determina los componentes de un producto compuesto por sustancias diversas, separándolas y permitiendo su posterior purificación. Se compone de una fase móvil que contiene las sustancias a analizar y la columna cromatográfica interacciona con la móvil que es bombeada a través de la columna y constituye la fase estacionaria. El tiempo de retención de la fase móvil en la estacionaria dependerá de los componentes y de sus características y los componentes son separados por un proceso de migración diferencia. Fase estacionaria Puede ser alúmina, sílice o resinas de intercambio iónico, siendo matrices solidas que contienen sitios activos con carga electrostática positiva o negativa. Al circular la muestra a través de la matriz, queda retenida sorbe el soporte solido por afinidad electrostática. Fase móvil Se emplea un disolvente que migra hacia abajo gravitatoriamente, impulsado muchas veces por la presión de una bomba o mediante succión vacío, separando los componentes de la mezcla que ingresan por la parte superior. Principios a) Dependiendo de la relación carga tamaño, serán los productos detenidos con mayor fuerza sobre el soporte sólido, separándose del resto. b) Las sustancias que permanecen más tiempo libre en la fase móvil avanzan más rápido sobre la misma. c) Las sustancias que quedan más tiempo unidas a la fase estacionaria avanzan menos y tardan más en circular. Análisis de resultados Módulos más usuales en HPLC Detector UV Detecta los analitos separados que salen de la columna y produce una señal para el software de análisis. Durante el análisis, la muestra pasa a través de una celda incolora de cristal en la que se irradia luz UV, siendo una parte absorbida por la muestra y el resto detectada. La medida de ancho de onda va de 195 a 370 nm y debe estipularse en primer lugar la intensidad de la fase móvil sin la muestra. Columna empaquetada Las columnas generalmente están hechas de acero inoxidable o similares como vidrio grueso, polímeros o una combinación de estos. Van de los 3 a 25 cm de longitud y tienen un diámetro de 1 a 5 mm. El material de empaquetamiento suele ser pelicular o poroso. El primero se compone de partículas de algún polímero o perlas de cristal, que son rodeadas por una capa delgada y uniforme de silica, resina sintética, alúmina o alguna otra resina que permita el intercambio iónico. El grosor de la película es de 30 a 40 um. Las partículas porosas, por otro lado, tienen un diámetro de 3 a 10 um, pueden estar hechas de silica, resina sintética, alúmina u otros, siendo silica la mas común. Inyector Se encarga de inyectar la muestra sin perturbar el flujo y presión del sistema. Permite que los resultados sean reproducibles y son configurables en cuanto a volumen. Los requerimientos para un inyector de calidad son: 1. Introducir la muestra con presión constante y con flujo de acuerdo con el sistema 2. Introducir la muestra sin burbujas de aire 3. El volumen debe ser en microlitros y constante 4. Debe estar libre de cualquier partícula contaminante El más común es el inyector de Reodine, que tiene dos posiciones, cargar e inyectar. Bomba Se encarga del bombeo de la muestra a través de la columna de cromatografía. Es necesaria una bomba precisa y fiable para obtener resultados reproducibles. Comportamiento del cromatograma al modificar T Ilustración 9 Temperatura fijada en 20°C Ilustración 10Temperatura fijada en 30°C Ilustración 11 Temperatura en 40°C Comportamiento del cromatograma al modificar la concentración de solvente de la fase móvil Ilustración 12 Concentración a 10° Ilustración 13 Concentración a 50% Ilustración 14 Concentración a 90% Ilustración 15Concentración a 100% Identificación de cada pico del cromatograma con el componente separado El mix de vitaminas liposolubles contiene 4 vitaminas: acetato de retinol, colecalciferol, alfa tocoferol y vitamina K1. El pico de cada columna, expresado en unidades de absorbancia de UV, nos ayuda a determinar el componente que estamos analizando. Se determino que el acetato de retinol tuvo una altura de 121 que corresponde al primer pico, el colecalciferol de 111 que corresponde al segundo pico, el alfa tocoferol de 67 y la vitamina k1 de 61 correspondiendo al ultimo pico. Ilustración 16Cromatograma final a 40°C y una concentración de 100% Tabla 1 Resultados de la cromatografia con las especificaciones previas Discusión del tiempo de retención y el valor de k y su interpretación Conclusiones La cromatografía liquida de alta eficiencia es una técnica cualitativa que nos permite determinar las sustancias que componen cierta mezcla de forma sencilla en ejecución y con alta confiabilidad. Se compone de una fase móvil liquida donde se encuentran los solutos y una fase estacionaria que forma uniones químicas con los componentes, así como de un lector de UV que envía datos para su análisis. En este trabajo, tuve oportunidad de manipular los distintos valores de la cromatografía para observar su efecto sobre el resultado, siendo a mi parecer el de mayor significancia la concentración del solvente. Temas revisados Lo que aprendí Habilidades digitales que desarrolle Opinión de la unidad Cromatografía de liquida de alta eficiencia Aprendí que es la cromatografía liquida de alta eficiencia, un método útil para determinar las sustancias que componen cierta mezcla pero que también es un método que involucra el control de distintos parámetros relacionados con los fenómenos de transporte para poder obtener el resultado adecuado. Gracias al software pude darme una idea de los que conlleva cada una de estas variables y además sirvió como integración para los Aprendí a usar el Excel desarrollado por la universidad de valencia, que ofrece muchos experimentos relacionados con la cromatografía y permite que uno altere las variables para comprender la repercusión en el sistema. Esta fue la unidad que más trabajo me costó, a pesar de que sirvió como integración a las unidades pasadas y las actividades se relacionaban mas con procesos de metacognición, que me di cuenta me resultan muy difíciles pero que también me han ayudado a comprender que, si no puedo reflexionar sobre lo que aprendí, es porque necesito revisar los contenidos para comprenderlos completamente. La actividad final estuvo muy buena, un experimento integrador con conocimientos adquiridos a lo largo del curso. aplicación real en la biotecnología. Conclusión Los fenómenos de transporte son un área del conocimiento obligatoria para todo estudiante de biotecnología, pues tienen repercusiones diversas sobre los procesos biológicos y los diseños para el aprovechamiento de estos, siendo necesario conocer desde el flujo de la temperatura hasta el comportamiento de los fluidos. Experiencia personal Sinceramente, al principio de las actividades de la materia pensaba que iban a ser difíciles, porque mi fuerte no son las matemáticas (creo que pudo darse cuenta profesor) y me asuste aún más cuando leí sobre la formación del docente que estaba muy centrada en la ingeniería pues me asuste más. Las videoconferencias creo que fueron mi salvación, porque el profesor fue siempre muy amable en resolver las dudas, pero sobre todo paciente. Disfrute mucho de fenómenos de transporte, aprendí bastante, me enoje, lloré y me reí con los problemas, siendo siempre un reto para mantenerme motivada. Lamentablemente por mi trabajo (en un hospital) no pude dedicarle siempre el tiempo que se merecía, ni llegue tan lejos como me habría gustado.Muchas gracias, profesor por sus atenciones en el curso y por interesarse en la formación de los mas jóvenes. Referencias Charles Xie, Interactive Heat Transfer Simulations for Everyone, The Physics Teacher, Volume 50, Issue 4, pp. 237-240, 2012. Franco, A. (2015) La conducción del calor: Ley de Fourier. Curso interactivo de física en internet. Recuperado de http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/transporte/cond_calor/conduccion/conduccion.html Química.es (2023) Calor específico. Química.es Recuperado de https://www.quimica.es/enciclopedia/Calor_espec%C3%ADfico.html S.n. (2018) Mecanismos de transferencia de calor. Repositorio institucional de la universidad de Alicante Recuperado de https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/34475/1/Mecanismos%20de%20transmisi%C3%B3n %20de%20calor%20%28CONDUCCION%2C%20CONVECCION%2C%20RADIACION%29.pdf LibreTexts (2023) Chromatographic columns. Libre Texts Chemistry. 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Shimadzu. Recuperado de https://www.ssi.shimadzu.com/service-support/faq/liquid-chromatography/knowledge-base/hplc- basics/index.html#:~:text=High%20Performance%20Liquid%20Chromatography%20(HPLC)%2 0is%20a%20process%20of%20separating,separation%20medium%20(stationary%20phase). Shodex (2023) Lesson 6: Detectors for HPLC. Shodez. Recuperado de https://www.shodex.com/en/kouza/f.html#anc-01 UNAM (s.f.) Identificación y cuantificación de sustancias por hplc. UNAM. Recuperado de https://quimica.unam.mx/investigacion/servicios-para-la-investigacion/usaii/identificacion-y- cuantificacion-de-sustancias-por-hplc/ Universidad Veracruzana (s.f.) Cromatografia liquida de alta resolución. Instituto de Química Aplicada. Recuperado de https://www.uv.mx/sara/equipamiento/hplc/#:~:text=La%20Cromatograf%C3%ADa%20L%C3% ADquida%20de%20Alta,de%20identificarlas%2C%20cuantificarlas%20y%20purificarlas. What is HPLC (2023) HPLC Injector and thypes. What is HPLC. Recuperado de https://whatishplc.com/hplc-basics/hplc-injector-and-types-of-hplc-injector/ https://www.shodex.com/en/kouza/f.html#anc-01 https://quimica.unam.mx/investigacion/servicios-para-la-investigacion/usaii/identificacion-y-cuantificacion-de-sustancias-por-hplc/ https://quimica.unam.mx/investigacion/servicios-para-la-investigacion/usaii/identificacion-y-cuantificacion-de-sustancias-por-hplc/
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