Tesis Fatima Cordova (1)

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OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS FOTO-FENTON Y 
FOTOCATÁLISIS CON TIO2 MEDIANTE LA 
METODOLOGIA SUPERFICIE DE RESPUESTA HACIA 
LA DESINFECCION DE AGUA PARA CONSUMO 
HUMANO 
 
 TESIS 
 QUE PARA OBTENER EL GRADO 
 ACADEMICO DE 
MAESTRO EN CIENCIA Y 
TECNOLOGIA EN LA ESPECIALIDAD 
DE INGENIERIA AMBIENTAL 
PRESENTA 
ING. AMBIENTAL FÁTIMA GPE. CÓRDOVA OLAEZ 
Director: 
Dr. Juan Manuel Peralta Hernández 
Co director: 
Dra. Pilar Fernández Ibáñez 
 
León, Guanajuato, México, Septiembre 2013. 
 
iii 
 
 
Agradecimientos 
Hago extensivo mi agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología 
(CONACYT) por haberme otorgado una beca para realizar mis estudios de maestría así 
como la beca de movilidad al extranjero para la estancia profesional. 
La realización de este trabajo fue posible gracias al apoyo de Centro de Innovación 
aplicado en Tecnologías Competitivas (CIATEC), así como la coordinación del 
Programa Interinstitucional de Ciencia y Tecnología llevado a cabo por Desarrollo de 
Talento. 
Mi agradecimiento al Dr. Juan Manuel Peralta por el asesoramiento que recibí en todas 
las etapas del presente trabajo de investigación, por la revisión de este y sus 
importantes sugerencias para mejorar este documento, a todo el personal de CIATEC 
principalmente al área de investigación ambiental por el apoyo recibido para la 
realización de este proyecto. 
Al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) 
por la aprobación de continuar con los trabajos de comprobación de tratamiento en la 
Planta Solar de Almería, el apoyo y orientación de la Dra. Pilar Fernández Ibáñez así 
como del personal de laboratorio. 
Por su importante colaboración en el enriquecimiento del contenido de esta tesis le 
agradezco a la Dra. Iliana Medina Ramírez y a la Dra. Madai Granados Neri. 
A todas las personas que me rodean familia, amigos, maestros y doctores ya que 
juegan un papel muy importante en mi vida y son quienes a pesar de los inconvenientes 
y errores cometidos siempre tenían una palabra de aliento para que continuara 
adelante, por ellos se ha concluido esta etapa, solo me queda decir: 
 
 
“Gracias por todo” 
 
iv 
 
 
 
Medio de transferencia Tecnológica: 
 
Reconocimiento por impartir la conferencia “Degradación de Componentes Orgánicos 
en Solución Acuosa Aplicando Tecnologías Avanzadas y de Oxidación” en el marco del 
“Día del Desarrollo Sustentable” llevado a cabo el 9 de mayo de 2012, en el Instituto 
Tecnológico Superior de Irapuato. 
 
Reconocimiento por exposición de poster con el tema “Degradación de Compuestos 
Orgánicos en Solución Acuosa Aplicando Diferentes Tecnologías Avanzadas de 
Oxidación” en el IX encuentro Participación de la Mujer en la Ciencia del 16-18 Mayo 
2012, organizado en el Centro de Investigación en Óptica, A.C. 
 
Reconocimiento por impartir la conferencia “Degradación de materia orgánica presente 
en agua de consumo mediante los procesos Fenton/foto-Fenton y Fotocatálisis” a los 
alumnos de la carrera de Tecnología Ambiental el día 04 de setiembre del 2012, en las 
instalaciones de la Universidad Tecnológica de León. 
 
Constancia por haber presentado el trabajo en la modalidad oral “Optimization of photo 
assisted process for disinfection drinking water by means of Response Surface 
Methodology” dentro del congreso International Water Association México, Abril-2013 
en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica. 
 
 
 
 
v 
 
 
 
Resumen 
 
Los problemas de disponibilidad de agua de buena calidad en la cuenca Rio Turbio van 
en aumento debido a la sobreexplotación de agua subterránea esto para satisfacer las 
necesidades humanas. La contaminación de este recurso subterráneo se debe 
principalmente a las actividades agrícolas debido al empleo de agua residual para 
irrigar los campos de cultivo ya que contienen altas concentraciones de materia 
orgánica y coliformes fecales. [UNAM, Tesis de Maestría. (2009)]. 
En una tercera parte del país las enfermedades gastrointestinales se hacen presentes y 
esto se debe a la contaminación del agua por materia fecal, la población más afectada 
se encentran en las zonas rurales o bien en las zonas marginadas. Las enfermedades 
específicas de transmisión hídrica están relacionadas con los microorganismos 
patógenos, por ejemplo las bacterias causantes de la fiebre tifoidea, la disentería 
bacteriana y el cólera así como la esquitosomosis causada por gusanos (helmintos y 
larvas) y los virus que originan la hepatitis infecciosa y la poliomielitis. Actualmente las 
técnicas de purificación de agua dan solución a gran parte del problema pero presentan 
ciertas limitaciones, tales como los altos costos por mantenimiento y operación esto da 
pauta para la aplicación de nuevos tratamientos del agua sobre todo cuando es de 
consumo humano.[OMS, UNICEF, Publicación. (2011)]. 
La alternativa más atractiva para el tratamiento de agua, son los Procesos Avanzados 
de Oxidación (PAO´s), los cuales se definen como el “proceso de oxidación en el cual 
se generan radicales libres hidroxilo (OH) en cantidad suficiente, haciendo uso de 
diferentes sistemas de reacción para efectuar la destrucción de compuestos orgánicos”, 
el potencial de oxidación de 2.8 V de los radicales libres (OH) los hace especies 
sumamente oxidantes y no selectivas, estos procesos también pueden utilizarse en la 
inactivación de los microorganismos tal como se he demostrado en los últimos años [C. 
P. Huang, Waste Management. (1993)]. Los PAO´s más interesantes son aquellos que 
 
vi 
 
utilizan la radiación solar como fuente de fotones lo que reduce costos e impactos 
ambientales. 
 
El objetivo fundamental de este trabajo es optimizar los PAO´s foto-Fenton y 
Fotocatálisis con TiO2 mediante la metodología de superficie de respuesta para llevar a 
cabo la oxidación de la materia orgánica presente en agua de consumo. El trabajo de 
investigación consiste principalmente en el estudio de la eficiencia de los procesos 
Fotocatalíticos, aplicados en agua real de un pozo contaminado por materia orgánica y 
coliformes fecales, la caracterización del agua es la primera etapa y se realiza con 
mediciones tales como la determinación de Carbono Orgánico Total (COT), carbonatos 
y caracterización microbiológica, de igual forma se utiliza la metodología de superficie 
de respuesta, esta es la estrategia experimental y de análisis que permite resolver el 
problema de encontrar las condiciones óptimas de los procesos de uno o varios 
factores que influyen en el proceso. Se realizan los experimentos en un Colector 
Cilindro Parabólico Compuesto (CPC) y se fija el volumen a 25 Litros y el tiempo de 
reacción en 30 minutos. 
No obstante es necesaria la comprobación de los tratamientos óptimos para esto se 
lleva a cabo un control más estricto en los factores, en ambos procesos se fija la 
concentración inicial de microorganismos (1000 UFC/mL), para lo cual se utiliza la cepa 
bacteriana E. faecalis por ser resistente a los tratamientos convencionales y ser 
indicador de contaminación de agua por materia fecal, la agitación de los reactores se 
fija en 100 RPM y se monitorea la radiación solar a lo largo del experimento así como la 
cinética de los reactivos tanto del catalizador Fe2+ como del agente oxidante peróxido 
de hidrógeno (H2O2), se prepara una agua simulada de una planta depuradora de agua 
residual y se utilizan reactores discontinuos de 200 mL. 
La obtención de resultados positivos en desarrollo experimental demuestra la eficiencia 
de los procesos Fotocatalíticos y de los CPC para llevar a cabo la degradación de 
materia orgánica presente en agua de consumo, se demuestra que estas tecnologías 
solares son aptas para ser aplicadas en el proceso de purificación de agua y podrían 
 
vii 
 
ser escaladas para satisfacer las necesidadesde la población en cuanto a la 
purificación del agua. 
 La disminución en la concentración de los catalizadores y del agente oxidante así como 
el uso de tecnología en las poblaciones rurales o zonas marginadas es de las ventajas 
obtenidas al optimizar y utilizar estos procesos. 
Índice de Contenido 
 
Medio de transferencia Tecnológica: ............................................................................... iv 
Resumen .......................................................................................................................... v 
Índice de Contenido ....................................................................................................... vii 
Índice de Tablas ............................................................................................................... x 
Índice de Ilustraciones ..................................................................................................... xi 
Capítulo 1 Introducción .................................................................................................. 13 
1.1 Antecedentes .................................................................................................... 13 
1.2 Problemática actual ............................................................................................... 13 
1.2.1 Problemática a resolver ..................................................................................... 13 
1.3 Justificación .......................................................................................................... 14 
1.4 Objetivo general .................................................................................................... 14 
1.4.1 Objetivos específicos ......................................................................................... 15 
1.5 Hipótesis ............................................................................................................... 15 
1.6 Resumen del estado del arte ................................................................................ 15 
Capítulo 2 Marco Teórico ............................................................................................... 17 
2.1 Procesos Avanzados de Oxidación (PAO’s) ......................................................... 17 
2.2 Peróxido de Hidrogeno y radiación solar .............................................................. 25 
2.3 Radiación Solar y su efecto germicida .................................................................. 27 
2.3.1 Radiación solar terrestre ................................................................................. 27 
2.3.2 Desinfección de agua por radiación solar ....................................................... 28 
2.4 Captadores solares CPC ...................................................................................... 30 
2.5 Inactivación celular mediante OH ........................................................................ 31 
 
viii 
 
2.6 Unidades Formadoras de Colonias ....................................................................... 35 
2.6.1 Recuento en placas ........................................................................................ 35 
2.7 Enterococos intestinales ....................................................................................... 36 
2.7.1 Descripción General ....................................................................................... 36 
2.7.2 Fuentes y prevalencia ..................................................................................... 36 
2.7.3 Relevancia de su presencia en el agua de consumo ...................................... 37 
2.8 Metodología Superficie de Respuesta .................................................................. 37 
Capítulo 3 Procedimiento de Investigación .................................................................... 41 
3.1 Muestreo ............................................................................................................... 41 
3.1.1 Tamaño de muestra para la realización de estudios ....................................... 47 
3.2 Caracterización del pozo más contaminado ........................................................ 49 
3.2.1 Determinación de COT ................................................................................... 49 
3.2.2 Caracterización Microbiológica ....................................................................... 50 
3.2.3 Determinación de carbonatos ......................................................................... 51 
3.3 Diseño de experimentos ....................................................................................... 52 
3.4 Comprobación de los mejores tratamientos con diferentes variables de respuesta.
 .................................................................................................................................... 53 
3.4.1 Medición de Hierro disuelto (referencia: ISO 6332) ........................................ 53 
3.4.2 Medición de Peróxido. ................................................................................... 56 
3.4.3 Unidades Formadoras de Colonias ................................................................. 56 
3.4.4 influencia del pH en los proceso foto-Fenton y Fotocatálisis .......................... 57 
3.4.5 Radiación solar ............................................................................................... 59 
3.5 Metodología llevada a cabo en la experimentación para la obtención de 
tratamientos óptimos con mayor control de variables. ................................................ 60 
3.5.1 Preparación de medios de cultivo ................................................................... 60 
3.5.2 Preparación del inoculo .................................................................................. 61 
3.5.3 Pesar catalizadores ........................................................................................ 61 
3.5.4 Preparación del Peróxido ................................................................................ 61 
3.5.5 Preparación de Catalaza ................................................................................ 61 
3.5.6 Preparación de agua simulada de una salida de depuradora de aguas 
residuales (EDAR) ................................................................................................... 62 
3.5.7 Preparación de los reactores discontinuos ..................................................... 62 
 
ix 
 
Capítulo 4 Resultados .................................................................................................... 62 
4.1 Caracterización de pozos de abastecimiento de agua. ......................................... 63 
4.2 Resultados de los experimentos foto-Fenton ....................................................... 67 
4.2.1 Graficas de resultados del proceso foto-Fenton agrupados por pH ................ 67 
4.2.2 Análisis de los factores que afectan el proceso foto-Fenton ........................... 75 
4.2.3 Superficie de Respuesta en 3D ...................................................................... 81 
4.2.4 Ecuacion Final ................................................................................................ 82 
4.2.5 Comprobación del modelo matemático ........................................................... 82 
4.3 Resultados de los experimentos Fotocatálisis ...................................................... 83 
4.3.1 Graficas del proceso fotocatalítico con TiO2 agrupado por pH ....................... 84 
4.3.2 Análisis de los factores que afectan el proceso fotocatalítico con TiO2 .......... 90 
4.3.3 Superficie de respuesta en 3D ........................................................................ 96 
4.3.4 Ecuación Final ................................................................................................ 96 
4.4 Gráfica de comparación de tratamientosFenton, foto-Fenton y Fotocatálisis con 
TiO2 ............................................................................................................................. 97 
4.5 Resultados de la comprobación y control de variables en los tratamientos óptimos
 .................................................................................................................................... 99 
4.6 Comparación de tratamientos ............................................................................ 109 
4.6.1 foto-Fenton ................................................................................................... 110 
4.6.2 Fotocatálisis con TiO2 ................................................................................... 110 
Conclusiones ................................................................................................................ 112 
Recomendaciones ........................................................................................................ 113 
Referencias .................................................................................................................. 114 
 
 
 
 
 
 
x 
 
Índice de Tablas 
 
Tabla 1 Estado del arte .................................................................................................. 16 
Tabla 2 Tabla de Ubicación de Pozos de extracción de agua potable. .......................... 42 
Tabla 3 Ubicación de pozos seleccionados ................................................................... 48 
Tabla 4 Diseño de experimentos del proceso foto-Fenton. ........................................... 65 
Tabla 5 Diseño de experimentos del proceso Fotocatálisis ........................................... 66 
Tabla 6 Corrida 1 ............................................................................................................ 67 
Tabla 7 Corrida 6 ............................................................................................................ 68 
Tabla 8 Corrida 12 .......................................................................................................... 68 
Tabla 9 Corrida 15 .......................................................................................................... 69 
Tabla 10 Corrida 2 .......................................................................................................... 70 
Tabla 11 Corrida 3 .......................................................................................................... 70 
Tabla 12 Corrida 5 .......................................................................................................... 71 
Tabla 13 Corrida 20 ........................................................................................................ 71 
Tabla 14 Corrida 4 .......................................................................................................... 72 
Tabla 15 Corrida 8 .......................................................................................................... 73 
Tabla 16 Corrida 14 ........................................................................................................ 73 
Tabla 17 Corrida 16 ........................................................................................................ 74 
Tabla 18 Corrida 19 ........................................................................................................ 74 
Tabla 19 Resultados de la comprobación del modelo matemático del proceso foto-
Fenton ............................................................................................................................ 83 
Tabla 20 Corrida 11 ........................................................................................................ 84 
Tabla 21 Corrida 14 ........................................................................................................ 84 
Tabla 22 Corrida 17 ........................................................................................................ 84 
Tabla 23 Corrida 1 .......................................................................................................... 85 
Tabla 24 Corrida 8 .......................................................................................................... 86 
Tabla 25 Corrida 13 ........................................................................................................ 86 
Tabla 26 Corrida 15 ........................................................................................................ 87 
Tabla 27 Corrida 16 ........................................................................................................ 87 
Tabla 28 Corrida 2 .......................................................................................................... 89 
Tabla 29 Corrida 18 ........................................................................................................ 89 
Tabla 30 Corrida 4 .......................................................................................................... 89 
Tabla 31 Resultados de la comprobación del modelo matemático del proceso 
fotocatalítico con TiO2 .................................................................................................... 97 
Tabla 32 Concentraciones de los diferentes procesos ................................................... 98 
Tabla 33 Comparación de tratamientos foto-Fenton .................................................... 110 
Tabla 34 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis ............................................ 111 
 
 
xi 
 
Índice de Ilustraciones 
 
Ilustración 1 Posibles vías implicadas en la foto-inactivación de E. coli en presencia de 
Fe2+, Fe3+ y H2O2 [D. Spuhler, Cat. Today. (2010)]. ....................................................... 22 
Ilustración 2 Representación del proceso fotocatalítico heterogéneo en una partícula de 
catalizador TiO2 suspendida en agua y del proceso de generación y recombinación de 
un par e-/h+ sobre una partícula de TiO2 [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)]. .. 24 
Ilustración 3 Mecanismo de desinfección del proceso fotocatalítico con TiO2 [Blanco-
Gálvez y Cols., Journal of Solar Energy Engineering. ( 2007)]....................................... 25 
Ilustración 4 Espectros terrestres con el sol a 48,2 ° del ángulo cenital [ASTM,(1987)] y 
extraterrestre [Thekaecera, Solar Energy. (1973)]. ........................................................ 28 
Ilustración 5 Aplicación de SODIS en Indonesia. ........................................................... 29 
Ilustración 6 Principales daños biológicos por las distintas franjas del espectro UV. ..... 30 
Ilustración 7 Diagrama esquemático del funcionamiento de un colector solar. .............. 31 
Ilustración 8 Proceso de Peroxidación lipídica ............................................................... 33 
Ilustración 9 Descomposición grafica de un cromosoma (encontrado en el núcleo de la 
célula) hasta los pares de bases del ADN. ..................................................................... 34 
Ilustración 10 Dímero de Timina en la hélice del ADN. .................................................. 35 
Ilustración 11 Representación y construcción de los DCC para K= 2 y 3 factores 
[Laguna J., Diseño de Experimentos. (2011)]. ............................................................... 40 
Ilustración 12 Mapa de pozos de extracción de agua potable en la Cuenca Rio Turbio 
del Estado de Guanajuato (CIATEC). ............................................................................ 41 
Ilustración 13 Analizador de Carbono Orgánico Total. ................................................... 50 
Ilustración 14 Espectrofotómetro UV/VIS ATI UNICAM II .............................................. 55 
Ilustración 15 Incubación de placas por 24 hrs a 37°C. ................................................. 57 
Ilustración 16 Diagrama de equilibriopH-Potencial del hierro-agua a 25 °C .................. 58 
Ilustración 17 Diagrama de pourbaix del Titanio en agua pura, ácido perclórico e 
hidróxido de sodio. ......................................................................................................... 58 
Ilustración 18 pH-metro .................................................................................................. 59 
Ilustración 19 a) Pozo de extracción .......................................................................... 63 
Ilustración 20 b) Cauce del Rio Turbio ........................................................................... 64 
Ilustración 21 Fotoreactor localizado en las instalaciones de CIATEC .......................... 66 
Ilustración 22 Comparación de tratamientos con el proceso foto-Fenton a pH 3 ........... 69 
Ilustración 23 Comparación de tratamientos foto-Fenton a pH 4 ................................... 72 
Ilustración 24 Comparación de tratamientos en el proceso foto-Fenton a pH 5 ............. 75 
Ilustración 25 Factor principal pH ................................................................................... 76 
Ilustración 26 Factor principal H2O2 ............................................................................... 76 
Ilustración 27 Factor principal Fe2+ ................................................................................ 77 
Ilustración 28 Interaccion pH vs Fe2+ ............................................................................. 77 
Ilustración 29 Interacción Fe2+ vs pH ............................................................................ 78 
 
xii 
 
Ilustración 30 interacciones Fe2+ vs H2O2 ...................................................................... 78 
Ilustración 31 Deseabilidad ............................................................................................ 81 
Ilustración 32 Contornos ................................................................................................ 81 
Ilustración 33 Superficie de respuesta 3D ...................................................................... 82 
Ilustración 34 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a pH 3 ............... 85 
Ilustración 35 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a Grafica pH 5 ... 88 
Ilustración 36 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a pH 7 ................ 90 
Ilustración 37 Factor Principal TiO2 ............................................................................... 91 
Ilustración 38 Factor principal H2O2 ............................................................................... 92 
Ilustración 39 factor principal pH .................................................................................... 92 
Ilustración 40 Interacción pH vs TiO2 ............................................................................. 93 
Ilustración 41 interacción TiO2 vs H2O2 .......................................................................... 94 
Ilustración 42 Interacciones H2O2 vs pH ......................................................................... 94 
Ilustración 43 Superficie de respuesta 3D ...................................................................... 96 
Ilustración 44 Comparación de procesos ...................................................................... 98 
Ilustración 45 Experimento 1 CFU vs tiempo ............................................................. 99 
Ilustración 46 Experimento 1 concentración mg/L vs tiempo.......................................... 99 
Ilustración 47 Experimento 2 CFU vs Tiempo .......................................................... 100 
Ilustración 48 Experimento 2 Concentración vs Tiempo .............................................. 100 
Ilustración 49 Experimento 3 CFU vs QUV ................................................................... 101 
Ilustración 50 Experimento 3 Concentración vs Tiempo .............................................. 101 
Ilustración 51 Experimento 4 CFU vs QUV .................................................................... 102 
Ilustración 52 Experimento 4 Concentración vs Tiempo ....................................... 102 
Ilustración 53 Experimento 5 UFC vs QUV .................................................................... 103 
Ilustración 54 Experimento 5 concentración vs tiempo ................................................ 103 
Ilustración 55 Experimento 6 UFC vs QUV .................................................................... 104 
Ilustración 56 Concentración vs Tiempo ...................................................................... 104 
Ilustración 57 Experimento 7 UFC vs Tiempo .............................................................. 105 
Ilustración 58 Concentración vs Tiempo ...................................................................... 105 
Ilustración 59 Experimento 6 UFC vs Tiempo .............................................................. 106 
Ilustración 60 Experimento 6 Concentración vs Tiempo .............................................. 106 
Ilustración 61 Experimento 9 UFC vs QUV .................................................................... 107 
Ilustración 62 Experimento 9 Concentración vs Tiempo .............................................. 107 
Ilustración 63 Experimento 10 UFC vs QUV .................................................................. 108 
Ilustración 64 Experimento 10 Concentración vs Tiempo ............................................ 108 
Ilustración 65 Experimento 11 UFC vs QUV .................................................................. 109 
Ilustración 66 Experimento 11 concentración vs Tiempo ............................................. 109 
Ilustración 67 Comparación de tratamientos con foto-Fenton ...................................... 110 
Ilustración 68 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis..................................... 111 
13 
 
Capítulo 1 Introducción 
 
1.1 Antecedentes 
 
En la subcuenta del río Turbio se localizan tres acuíferos; Río Turbio, Valle de León y 
Pénjamo-Abasolo, en 1998 el estudio Hidrológico del Acuífero del valle del río Turbio 
llevado a cabo por la empresa Geopsa S.A. de C.V., se estableció que este es la 
principal fuente de contaminación del acuífero del valle, demostrando así el riesgo 
inminente de contaminación de los acuíferos no solo en León sino también en los 
estados por los cuales recorre la cuenca Lerma-Chápala. [Geopsa, Estudio Hidrológico. 
(1998)]. 
1.2 Problemática actual 
 
En gran parte del estado de Guanajuato, principalmente en las ciudades de León, 
Irapuato, Salamanca, Celaya se presentan problemas de disponibilidad de agua de 
buena calidad y se ha creado una dependencia con el agua subterránea para satisfacer 
las necesidades humanas. 
La mayoría de este recurso subterráneo sufre sobreexplotación y riesgo de 
contaminación debido primordialmente a las actividades agrícolas con el uso de 
plaguicidas y seguido por el empleo de agua residual para irrigar los campos con altas 
concentraciones de materia orgánica y coliformes fecales. 
1.2.1 Problemática a resolver 
 
Actualmente los procesos de purificación de agua para consumo humano son por 
sedimentación que consiste en dejar reposar el agua en un contenedor de reposo y 
aplicar un coagulante para producir el asentamiento de la materia sólida, la filtración es 
el proceso de separar un sólido del líquido en el que está suspendido al hacerlos pasar 
a través de un medio poroso (filtro) que retiene al sólido y por el cual el líquido pasa 
fácilmente, por cloración se refiere a la destrucción de microorganismos patógenos del 
agua la sustancia utilizada más frecuentemente es el hipoclorito de sodio al 5.1 % y de 
14 
 
este se agrega una gota por litro y por ozono que es el desinfectante más potente que 
se conoce pero el más costoso ya que la inversión inicial de una instalaciónpara 
tratamiento por ozono es superior a la de cloración pero tiene la ventaja de no dejar 
residuos. 
1.3 Justificación 
 
Como podemos darnos cuenta los procesos actuales utilizan el acoplamiento de varios 
procesos para obtener la calidad de agua requerida, lo cual eleva el costo de inversión, 
mantenimiento y operación, la situación es alarmante en las plantas potabilizadoras y 
dan pauta para la aplicación de nuevos procesos en el tratamiento del agua sobre todo 
cuando es de consumo humano y la extracción se realiza en pozos que han sido 
contaminados y/o cuando la degradación de los contaminantes por medio natural no se 
lleva a cabo, por ejemplo en comunidades rurales las cuales no cuentan con este tipo 
de procesos de potabilización. 
Los Procesos Avanzados de Oxidación han mostrado ser eficientes ante este tipo de 
contaminantes generalmente a pequeña y mediana escala pueden usarse solos o 
combinados entre ellos o con métodos convencionales, permitiendo así la desinfección 
por inactivación de bacterias y virus, actualmente se utilizan concentraciones de 100 
mg/L de TiO2 y los tiempo de tratamiento son de 4 a 5 horas en Fotocatálisis, en foto-
Fenton las concentraciones de H2O2 de 10 a 50 mg/L y de hierro de 5-10 mg/L. En este 
trabajo se optimizaron los procesos Foto-asistidos para disminuir costos de reactivos 
minimizando las concentraciones de los catalizadores y dosificando el agente oxidante 
utilizados en ambos. 
1.4 Objetivo general 
 
Optimizar los Procesos Avanzados de Oxidación foto-Fenton y Fotocatálisis mediante la 
metodología superficie de respuesta para llevar a cabo la oxidación de materia orgánica 
en agua de consumo. 
 
15 
 
1.4.1 Objetivos específicos 
 
 Operar una planta piloto para analizar las variables que afectan la eficiencia en la 
degradación de materia orgánica. 
 Determinar el carbono orgánico total para evaluar el nivel de mineralización de 
los compuestos orgánicos. 
 Determinar la cantidad de carbonatos para descartar la dureza del agua en la 
medición del carbono orgánico total. 
 Evaluar los tratamientos óptimos con la bacteria E. faecalis para comprobar la 
eficiencia de los mismos. 
 
1.5 Hipótesis 
 
La optimización de los Procesos Avanzados de Oxidación foto-Fenton y Fotocatálisis da 
como resultado la eficiente degradación de materia orgánica en agua de consumo. 
 
1.6 Resumen del estado del arte 
 
En la siguiente tabla se muestran los trabajos más significativos que sirvieron de base 
para la realización de este trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16 
 
Tabla 1 Estado del arte 
Contaminante Condiciones 
experimentales 
Desinfección Referencias 
Escherichia coli K12 5x10^6 UFC/mL 
3x10^5 UFC/mL 
99% 
95% 
Efectos de las condiciones experimentales 
sobre la sobrevivencia de E. coli durante la 
desinfección fotocatalítica del agua. 
*Cosima Sichel, Photochemistry and 
Photobiology A: Chemistry (2007). 
Fusarium solani 0-500 mg/L de 
H2O2 
1000 UFC/mL 
90% Sinergia letal de la radiación solar en las 
esporas Fusarium solani en medio silvestre 
y agua destilada. 
*C. Sichel, water research 43 (2009). 
Fusarium solani 5 and 10 mg/L Fe2+ 
H2O2 10 y 20 mg/L 
 pH 3 
35 a 70% Foto-Fenton: una herramienta eficaz para la 
eliminación de Fusarium en la simulación de 
efluentes municipales. 
*M.I Polo López, Applied Catalysis B: 
Environmental (2011) 
Esporas de hongo H2O2 50 mg/L 
Tiempo 5 horas de 
exposición solar. 
325 UFC/mL 
Máxima eficiencia Desinfección solar de esporas de hongo 
en agua ayudado por pequeñas 
cantidades de peróxido de hidrogeno. 
*M.I Polo López , Photochemical & 
Photobiological Sciences (2010) 
E. coli 50 mg/L de TiO2 
10^6 UFC/mL 
Máxima eficiencia La desinfección solar fotocatalítica con 
TiO2 inmovilizado a escala de planta 
piloto. *Carlos Sordo, Water Science & 
Technology (2010) 
Cryptosporidium 
parvum y cysts de 
Giardia muris 
Temperatura 20° a 
40° C 
Tiempo 6 a 12 h 
NMP 1/10000 
Máxima eficiencia Inactivación solar de Cryptosporidium 
parvum y cysts de Giardia muris en agua 
potable. * K.G. Mc Guigan, Applied 
Microbiology ISSN (2005). 
17 
 
 
Capítulo 2 Marco Teórico 
 
2.1 Procesos Avanzados de Oxidación (PAO’s) 
 
Los Procesos Avanzados de Oxidación (PAO´s), son una alternativa atractiva para el 
tratamiento de aguas superficiales, subterráneas y también para aguas contaminadas 
con substancias antropogénicas de difícil biodegradación. El concepto de PAO´s se 
define como “el proceso de oxidación en el cual se generan radicales libres hidroxilo 
(OH) en cantidad suficiente, haciendo uso de diferentes sistemas de reacción para 
efectuar la destrucción de compuestos tóxicos presentes en efluentes acuosos”. [C. P. 
Huang, Waste Management. (1993)]. Los radicales libres (OH) son especies 
sumamente oxidantes, y no selectivas, con un potencial de oxidación de 2.8 Volts 
comparado en la escala de Electrodo Normal de Hidrogeno (ENH), los OH son la 
segunda especie con mayor potencial oxidante tras el flúor. 
Los PAO´s generalmente se clasifican de acuerdo con el método de generación del OH 
(químico, electroquímico o fotoquímico). En este sentido, los PAO´s más utilizados son 
los siguientes: a) Los procesos de degradación fotoquímicos: UV/O3, UV/H2O2, 
fotocatálisis heterogénea (TiO2/UV) y la reacción foto-Fenton; b) Los procesos de 
oxidación química (O3, O3/H2O2, H2O2/Fe2+-reacción Fenton-), c) La sonicación a 
distintas frecuencias y d) El proceso electroquímico conocido como electro-Fenton. [S. 
Malato, Cat. Today. (2009)]. 
De estos, la reacción de Fenton es uno de los sistemas de oxidación avanzada más 
utilizado para el tratamiento de compuestos orgánicos en solución acuosa, esta fue 
descubierta por Henry J. Fenton quien en 1894 demostró que el H2O2 podía ser 
activado por sales de Fe2+ para oxidar ácido tartárico [Fenton, Journal of Chemical 
Society. (1894)]. En 1934, Haber y Weiss propusieron que el oxidante activo generado 
mediante la reacción de Fenton era el radical libre hidroxilo (OH) [Haber y Weiss, Royal 
Society of London. (1934)]. Más tarde Barb y Cols revisaron el mecanismo original 
propuesto por Haber y Weiss para dar lugar a lo que actualmente se conoce como la 
18 
 
reacción en cadena “clásica” o “vía radicales libre” de Fenton, en la que se considera 
como etapa clave del proceso la producción de radicales hidroxilo [Barb y Cols., 
Transactions of the Faraday Society. (1949)]. La aplicación de la reacción Fenton como 
proceso oxidante para la destrucción de sustancias orgánicas tóxicas comenzó a 
desarrollarse a mediados de los años 60 [Brown y Cols., Journal of Organic Chemistry. 
(1964)]. 
El proceso Fenton se lleva a cabo a través de una mezcla entre sales ferrosas (Fe2+) y 
peróxido de hidrógeno (H2O2), lo cual resulta en la generación de los radicales libres 
OH, de acuerdo con la siguiente ecuación [C. Walling, Accounts Chem. (1975)]. 
OHOHFeOHFe   322
2
 1) 
Por lo tanto los radicales OH se generan rápidamente a través del mecanismo 
propuesto en la ecuación 1, aunque la eficiencia de este proceso depende de la 
velocidad de producción y concentración de dicha especie. 
En este contexto, la velocidad de degradación de contaminantes mediante la reacción 
Fenton se ve ampliamente favorecida por la irradiación con luz ultravioleta (UV) [M. 
Umar, Waste Management. (2010)], a este tipo de proceso foto-asistido se le conoce 
como sistema foto-Fenton, ecuación 2 [D. Melgoza, Photochemical and Photobiology. 
(2009)]. 
  HOHFeOHFe hv 22
3
 2) 
El efecto positivo de la irradiación sobre la degradación de los compuestos orgánicos es 
debido a que esta energía favorece la regeneración fotoquímica de los iones ferrosos 
(Fe2+) a través de la foto-reducciónde los iones férricos (Fe3+). De esta forma los 
nuevos iones ferrosos generados reaccionan con el H2O2 generando un segundo 
radical OH y un ion férrico, de acuerdo con la ecuación 1. En este proceso se 
considera al hierro como un catalizador real. 
Ambos procesos Fenton y foto-Fenton se han aplicado con gran éxito para el 
tratamiento de una amplia variedad de compuestos orgánicos presentes en agua, 
19 
 
dentro de los cuales se incluyen a los fenoles, colorantes, compuestos halogenados, 
pesticidas y en la potabilización. 
Bandala y Cols., utilizan un sistema foto-Fenton a bajas concentraciones de Fe2+ (5-10 
mmol/L) y H2O2 (140-240 mmol/L) para inactivar huevos de helminto y degradar el 
colorante naranja acido 24 (AO24) y así determinar la dosis de radiación requerida para 
conseguirlo. Los datos de inactivación siguieron el modelo cinético de Chick-Watson. La 
dosis de radiación requerida para inactivar más de 5 Log de huevos de helminto fue 
aproximadamente 140 kJ/L (con 10 mM Fe2+ y 280 mM de H2O2 iniciales). La 
degradación completa del colorante se obtuvo en una dosis de 155 kJ/L con 0.7 mM de 
Fe2+ y 5 mM de H2O2 y lograron una inactivación de 6 log de E. coli y P. aeroginosa con 
una dosis inferior a 10 kJ/L. Los autores proponen los huevos de helminto como 
indicador apropiado para evaluar la eficiencia del proceso de desinfección fotocatalítico 
solar por su elevada resistencia [Bandala y Cols. Photochemistry and Photobiology, 
(2011)]. 
Sphuler y Cols, han presentado recientemente un estudio detallado evaluando las vías 
de inactivación seguidas por el efecto de Fe2+, Fe3+, H2O2 y foto-Fenton (Fe 2+ o Fe 3+ 
/H2O2/hv). Utilizaron bajas concentraciones de reactivos (0.6 mg/L de hierro y 10 mg/L 
de H2O2) a un pH cercano a la neutralidad (pH 5 – 5.5). Emplearon E. coli k-12 como 
indicador de la eficiencia de proceso en varios tipos de agua, agua desionizada con 
resorcinol como modelo de materia orgánica natural (NOM por sus siglas en ingles) y 
como fuente de radiación un simulador solar. Además de las propiedades altamente 
bactericidas del proceso foto-Fenton a un pH casi neutro (pH 5 – 5.5), mostraron un 
efecto bactericida positivo del Fe2+ solo y del Fe3+ bajo irradiación (Fe3+/hv). Esto se 
explicó por la difusión y generación de reacciones Fenton de Fe2+ intracelulares, 
mientras que el efecto de Fe3+/hv se atribuyó a la absorción del Fe3+ en la pared celular 
bacteriana y fotosensibilización posterior de estos complejos de hierro dando lugar a la 
oxidación directa de la membrana y la generación de especies reactivas del oxígeno 
(ROS) por sus siglas en ingles cerca de los microorganismos [Spuhler y Cols, Applied 
Catalysis Environmental. (2010)]. 
Los procesos de inactivación se subdividen en dos grupos. El primer grupo se refiere a 
procesos que llegan a incrementar la generación de ROS en los sistemas de (a-j). La 
20 
 
segunda categoría se refiere a la manera de cómo estas especies reactivas afectan la 
viabilidad de E. coli (1 y 2). 
a) Enzimas como la catalaza o superóxido de sodio, responsables de la eliminación 
del H2O2 generado y O2, pueden ser dañados por la luz cercana a UV-A, su 
difusión puede conducir a un aumento de las concentraciones intracelulares de 
ROS de larga vida como H2O2 y O2̇ [P.S. Hartman, Bacteriol. (1978)]. 
b) Fotosensibilizantes endógenas y exogenas absorben la luz en el espectro de los 
rayos UV-A y visible. El PS excitado puede llegar a atacar directamente las 
biomoléculas o reaccionar con el oxígeno circundante generando O2, O2●, H2O2 
y/o ●OH [R.H. Reed, Appl. Microbiol. (2004)]. 
c) Auto-oxidación de flavoproteinas celulares (FADH 2) puede generar una mezcla 
de O2, H2O2 y ●OH celular capaces de oxidar grupos de sulfuro de hierro [4Fe-
4S], lo que provoca la inactivación de proteínas de soporte, la liberación de Fe2+ 
y la generación de H2O2 [E.S. Henle, Biol. Chem.(1997)]. 
d) La luz UV-A puede dañar las proteínas que contienen hierro como la ferritina, 
dando lugar a la liberación intracelular de Fe2+.[J. Hoerter, Photochem. Photobiol. 
(1996)]. 
e) El peróxido intracelular puede reaccionar con un Fe2+ libre vía reacción Haber-
Weiss, generando un ●OH altamente toxico.[B. Halliwell, FEBS Lett. (1991)]. 
f) FADH 2, O2● o NADH pueden ser donadores de electrones efectivos y agentes 
reductores para la generación de Fe2+ a Fe3+ dentro de la célula. [J. A. Imlay, 
Rev. microbiol. (2003)]. 
g) El peróxido de hidrógeno es una especie oxidativa de larga vida, relativamente 
estable (a diferencia del ●OH) y no cargado (a diferencia del O2●), cuando se 
añade a la mayor parte, el H2O2 penetra a la membrana bacteriana y se difunde 
a las células [J. A, Imlay, Rev. Biochem.(2008)]. 
h) Añadido el Fe2+ tiene una densidad de carga menor al Fe3+ y puede difundir 
libremente en las células. 
i) Añadido el Fe3+ en la mayor parte de la suspensión no se puede mover 
libremente en las células. Fe3+ se puede absorber sobre la unión especifica de 
las proteínas, que gestionan el transporte dentro de la célula para respiración 
anaerobia facultativa a través de siderofos (agentes quelantes) en el citoplasma 
21 
 
[V. Braum, Med. Microbiol. (2001)]. El Fe3+ también podría unirse a otras 
proteínas de la membrana bacteriana y a sus grupos carboxílicos terminales. La 
deposición del Fe3+ en las células bacterianas podría dar lugar a la formación de 
Fe3+, bacterias exipleces (son bacterias con emisiones espectrales únicas 
exceptuando la fluorescencia). La fotosensibilización de estos límites del UV-A 
podría dar lugar a la oxidación directa de la membrana, iniciando las cadenas de 
peroxidación lipídica y la generación de Fe2+ y ●OH en tiro de piedra y con 
objetivo al microrganismo [J.J Pignatello, Crit. Rev. Environ. Sci Technol. (2006)]. 
j) Fe2+ extracelular es oxidado con H2O2 vía Haber-Weiss que conduce a la 
formación de ●OH altamente reactivo de corta vida y ROS en la mayor parte. La 
foto-activación de Fe3+ y compuestos de hidrogeno pueden absorber la luz visible 
y UV-A hacia la regeneración de Fe2+ y la formación de un adicional ROS la 
mayor parte vía foto-Fenton. La formación de Fe3+ y compuestos hidrogenados 
permiten que las reacciones foto-Fenton ocurran a pH cercano al neutro (pH 5- 
5.5) [A. J. Safarzadeh, Adv. Oxidation Technol, (1996)]. 
(1) Los producción de ROS (Especies Reactivas de Oxigeno) como anión superóxido 
(O2-) peróxido de hidrogeno (H2O2) y radical hidroxilo (•OH) reaccionaran con proteínas, 
lípidos y ácidos nucleicos componentes de la membrana celular, llevando la iniciación 
de las cadenas de peroxidación lipídica dentro de las células y en la membrana celular 
que lleva a la permeabilidad y por consiguiente a la inactivación celular [B. Halliwell, 
FEBS Lett. (1991)]. 
(2) El radical libre ●OH altamente reactivo es la única especie de oxigeno que puede 
dañar directamente al ADN ya que ataca las bases de azúcar provocando su ruptura, 
hasta ahora ningún mecanismo de defensa ha sido identificado por lo que conlleva a 
incativación celular [U. Sattler, Arch. Biochem. Biophys. (2000)]. 
22 
 
 
Ilustración 1 Posibles vías implicadas en la foto-inactivación de E. coli en presencia de Fe2+, Fe3+ 
y H2O2 [D. Spuhler, Cat. Today. (2010)]. 
 
La fotocatálisis es otro PAO, cuyo término se introdujo en el glosario científico en el año 
de 1930, y normalmente este término es quien hace la división entre la química 
tradicional y la química que estudia las reacciones catalizadas que proceden bajo la 
acción de la luz V. N. Parmon, Cat. Today. (1997). Pero no fue hasta 1972 que se 
descubrió su potencial aplicación, cuando Fusjishima y Honda reportaron la 
descomposición fotocatalítica del agua sobre electrodos de dióxido de titanio (TiO2) A. 
Fujishima, Nature. (1972), desde entonces la fotocatálisis se ha empleado para 
efectuar la degradación de una gran variedad de compuestos orgánicos, dentro delos 
cuales se incluyen a los alcanos, alcoholes, ácidos carboxílicos, alquenos, colorantes, 
fenoles, hidrocarburos aromáticos, pesticidas, y en la potabilización del agua P. 
Fernandez-Ibañez, Water Res. (2003). La fotocatálisis por lo tanto se define como la 
aceleración de una foto reacción química mediante la presencia de un catalizador; 
ambos, catalizador y luz son los elementos necesarios para este tipo de procesos V. N. 
Parmon, Cat. Today. (1997). 
23 
 
Como se mencionó anteriormente, el catalizador más utilizado en este sistema es el 
TiO2, cuyo mecanismo por medio del cual se efectúa la oxidación de los contaminantes 
es el siguiente D. Robert, Sci. Total Environmental. (2002): Se ilumina al catalizador 
con luz ultravioleta de energía superior a su banda prohibida, lo que origina un exceso 
de electrones en la banda de conducción y huecos positivos en la banda de valencia 
(par electrón/hueco, ecuación 6). 
)(22
  heTiOhvTiO 6) 
Por lo tanto, en la superficie del TiO2 los huecos reaccionan tanto con el agua adsorbida 
como con los grupos OH- para formar los radicales OH, de acuerdo con las siguientes 
ecuaciones: 
  HOHOHh 2 7) 
OHOHh   8) 
Mientras que los electrones en exceso en la banda de conducción reaccionan con el 
oxígeno molecular que en este caso actúa como aceptor de electrones para generar los 
radicales súper-óxido, pero cuyo potencial de oxidación es mucho menor que el del 
OH. 
Con base en la información anterior, es evidente que la aplicación de los distintos 
procesos de oxidación avanzada para el tratamiento de aguas contaminadas con 
compuestos orgánicos y potabilización son una herramienta viable, como lo demuestran 
Robert y Malato, quienes en 2002 publicaron un trabajo, en el cual exponen las ventajas 
de los sistemas foto asistidos, principalmente la Fotocatálisis empleando TiO2, como un 
proceso limpio para llevar a cabo la detoxificación de agua [Robert D. y Malato, Science 
of the total Environmental. (2002)]. 
La ilustración 2 muestra un diagrama del proceso de fotocatálisis en una partícula de 
TiO2 iluminada por luz solar. Este proceso se produce cuando la partícula es irradiada 
con una longitud de onda cuya energía es superior al ancho de banda del 
semiconductor (Longitud de onda < 387 nm; E>EG = 3.2eV) provocando el paso de un 
24 
 
electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción para generar, en 
presencia de agua radicales hidroxilo (OH). 
 
Ilustración 2 Representación del proceso fotocatalítico heterogéneo en una partícula de 
catalizador TiO2 suspendida en agua y del proceso de generación y recombinación de un par e-/h+ 
sobre una partícula de TiO2 [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)]. 
La investigación científica ha tenido un avance significativo en cuanto a la desinfección 
de aguas. La fotocatálisis heterogénea es el proceso de inactivación de 
microorganismos ha sido estudiada desde 1985, en este año se demostró por primera 
vez el potencial de este tratamiento para inactivar en 120 min especies bacterianas 
tanto gram positivas (Lactobacillus acidophilus) como gram negativas (E. Coli) 
irradiando suspensiones de TiO2/Pt. Sin embargo los microrganismos más resistentes 
como el alga Chlorella Vulgaris que también se evaluaron sobrevivieron al tratamiento 
el 55% de estas. Se atribuyó a las diferencias estructurales de las membranas y a las 
paredes celulares de los microorganismos evaluados. Los autores comentaron que se 
logró la desinfección mediante oxidación fotoquímica de la coenzima A y la 
consecuente pérdida de la función respiratoria [Matsunaga y Cols., FEMS Microbiology 
Letters. (1985)]. 
La exactitud del mecanismo de desinfección es uno de los principales retos para los 
investigadores, inicialmente se propuso que el mecanismo de desinfección era la 
dimerización de la coenzima A y consecuente inhibición de la respiración celular, sin 
embargo se han encontrado evidencias de que la acción letal ocurre sobre membranas 
y paredes celulares microbianas, se explicó esto debido a que se han detectado 
productos lipídicos de la peroxidación como cationes, ARN y proteínas, además del 
25 
 
aumento en la permeabilidad de la membrana avalando la teoría de la degradación de 
la pared celular. [Maness y Cols., Applied Environmental Microbiology. (1999)]. 
Actualmente se ha establecido que el primer ataque del TiO2 en el microorganismo se 
produce en la membrana y la pared celular [Malato y Cols., Catalysis Today. (2009)]. En 
la siguiente ilustración se muestra la generación de radicales libres OH con TiO2 y la 
desinfección con este tratamiento. Los radicales generados sobre la superficie del 
semiconductor atacan a los componentes de la pared celular, alterando la funcionalidad 
de esta y provocando la muerte celular. De igual forma cabe la posibilidad de dañar a la 
célula con la entrada de pequeñas partículas de TiO2 que producen la oxidación de 
otros componentes celulares [Blanco-Gálvez y Cols., Journal Of Solar Energy 
Engineering. (2007)]. 
 
Ilustración 3 Mecanismo de desinfección del proceso fotocatalítico con TiO2 [Blanco-Gálvez y 
Cols., Journal of Solar Energy Engineering. ( 2007)]. 
 
2.2 Peróxido de Hidrogeno y radiación solar 
 
El H2O2 en los procesos de oxidación avanzada se ha utilizado con ozono, como 
reactivo en el proceso foto-Fenton o bien con lámparas UV-C [Malato y Cols., Catalysis 
Today. (2009)]. Su uso en dichas técnicas se debe a que la generación de radicales 
libres hidroxilo por la fotolisis de H2O2 se produce al ser irradiado por fotones de 
longitudes de onda inferiores a 300 nm de acuerdo con la siguiente reacción 
26 
 
[Jones,C.W., Royal Society of Chemistry.( 1999); Goldstein y Cols.,Environmental 
Science Technology.( 2007)]. 
H2O2 + hv 2 OH 
Dado que la radiación solar que alcanza la superficie de la tierra contiene una pequeña 
fracción de UV-B (280-300 nm) y la mayoría de UV-A espectro (320-400nm), la 
ausencia de fotones UV-C solares de la superficie terrestre impide que se produzca la 
reacción. Sin embargo se han encontrado evidencias experimentales del efecto letal 
cuando se combina el H2O2 con radiación UV-Vis sobre la viabilidad de varios 
microorganismos. 
En 1976 se obtuvo la primer evidencia de la sinergia letal de la luz solar con H2O2 
[Anathaswamy y Eisenstark, Journal of Photochemistry and Photobiology. (1976); 
Journal of Bacteriology. (1977); Anathaswamy y Cols., Journal of Photochemistry and 
Photobiology.(1979)]. Ellos publicaron más tarde un trabajo sobre el efecto bactericida 
del H2O2 y radiación UV-cercana en E. coli K-12. Ambos atribuyeron los resultados al 
estrés oxidativo generado por la formación de un cromoforo (producto procedente de la 
irradiación del aminoácido L-triptofano) [McCormick y Cols.,Science. (1976); Hartman y 
Eisenstark,Mutation Research. (1980)]. La explicación es que este nuevo fotoproducto 
era tóxico para mutantes de Salmonella Typhimurium [Yoakum y Eisenstark, Journal of 
batecriology.(1972)] y E. Coli [Yoakum y cols., Journal of batecriology.(1974)] 
En 2005 Rincón y Pulgarin describen el aumento de la inactivación de E. coli en 
presencia de H2O2 y radiación solar, aunque este ensayo fue resultado del control en 
una reacción fotocatalítica con foto-Fenton, la inactivación fue atribuida a la elevada 
sensibilidad a la desinfección solar por la presencia de H2O2 [Rincon y Pulgarin, Applied 
Catalisys Environmetal. (2005)]. 
Sciacca y Cols., en 2010 describieron el efecto benéfico que presenta la adición de 10 
mg/L de H2O2 a la desinfección solar (SODIS) en botellas de PET para la desinfecciónde aguas superficiales que contienen de forma natural hierro disuelto (0.3 mg/L) a pH 
neutro. Analizaron que la desinfección solar no lograba la inactivación completa de 
Salmonella sp y coliformes durante 6 horas de irradiación solar y 72 horas en oscuridad 
post-tratamiento, mientras que la adición de 10 mg/L de H2O2 resultó en un fuerte 
27 
 
aumento de la inactivación, sin observar recrecimiento de las bacterias tras el 
tratamiento [Sciacca y Cols., Chemosphere.(2010)]. 
Si se realiza una comparación con otros agentes oxidantes, el peróxido de hidrogeno 
es barato, seguro, fácil de manejar y no representa una amenaza para el medio 
ambiente ya que se descompone fácilmente en agua y oxígeno, lo cual, sumando al 
fuerte efecto positivo generado sobre inactivación microbiana, lo convierte en una 
alternativa a los procesos convencionales de desinfección. Además de no ser tóxico a 
concentraciones menores de 50 mg/L y descomponerse a temperaturas mayores a 50 
°C ó después de 24 horas de haberse añadido. 
 
2.3 Radiación Solar y su efecto germicida 
 
2.3.1 Radiación solar terrestre 
 
A la superficie de la tierra llegan longitudes de onda comprendidas entre 320 y 900 nm, 
correspondientes a la radiación UV-B lejana, UV-A, radiación visible e infrarroja. De 
toda la radiación que incide sobre la superficie terrestre, la densidad superficial de 
energía radiante se distribuye en un 7,8 % de ultravioleta, un 47,3 % de visible y un 
44,9 % de infrarroja [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)]. 
La radiación global se clasifica en directa y difusa, la radiación directa es la que llega a 
la superficie de la tierra sin haber sufrido cambio en su trayectoria lineal desde el disco 
solar. La radiación difusa es dispersada por nubes y vapor de agua de forma diferente a 
la directa, debido a los procesos de absorción y dispersión de luz. 
De toda la energía radiante emitida por el sol en un año (Potencia = 1033 erg/s ; 
energía = 3,15 x 1034 J = 8,75 x 1027 kWh), tan solo llegan a la tierra 5,4 x 1024 J. 
Debido a la absorción y dispersión de la energía radiante emitida por el sol sufre una 
modificación en la intensidad que es dependiente de los componentes atmosféricos con 
los que interacciona y de la longitud de onda de la radiación. [Thekaecera, Solar 
Energy. (1973)]. 
28 
 
Podría establecerse un valor promedio estimado de irradiación global UV recibida, este 
puede variar con la localización del emplazamiento (longitud, latitud) y con el tiempo. 
Para medir la radiación se emplean piranometro de radiación UV global. 
 
Ilustración 4 Espectros terrestres con el sol a 48,2 ° del ángulo cenital [ASTM,(1987)] y 
extraterrestre [Thekaecera, Solar Energy. (1973)]. 
 
2.3.2 Desinfección de agua por radiación solar 
 
La desinfección de agua mediante radiación solar enfocada a la disminución de la 
capacidad de reproducción de los microorganismos se conoce desde años atrás. Acra y 
Cols definen el concepto de desinfección solar (SODIS) en agua de consumo y 
rehidratantes en solución [Acra y cols, 1980]. La OMS aprobó este tratamiento SODIS 
para desinfectar el agua en uso doméstico. Con ello fueron beneficiados los países en 
vías de desarrollo. [OMS, Publicación. (2009)]. 
SODIS es un método barato y eficaz para desinfectar el agua usando solo botellas 
plásticas transparentes, la exposición a la luz ha demostrado desactivar 
microorganismos que causan diarrea. El tiempo requerido para la desinfección es de 6 
horas como mínimo para obtener la sinergia entre temperatura y radiación [Wegelin y 
Cols., Journal of Water SRT-Aqua. (1994)], sin embargo en días nublados se requieren 
2 días consecutivos. 
29 
 
 
 
 Ilustración 5 Aplicación de SODIS en Indonesia. 
 
El daño a las células bacterianas depende de la fracción del espectro UV como se 
muestra a continuación: 
UV-Vacío (100-200 nm): esta se disipa en el agua rápidamente y no alcanza la 
superficie terrestre por lo que las células no sufren efecto alguno. 
UV-C (200- 280 nm): Esta es retenida principalmente en la capa de ozono pero se ha 
utilizado en lámparas para desinfección de agua; es la longitud de onda de máxima 
adsorción del ADN por lo que es la más energética y peligrosa para las células. 
UV-B (280-320 nm): de igual forma queda retenida en la capa de ozono pero puede 
provocar alteraciones al ADN. 
UV-A (320-400 nm): es similar a la UV-B sin embargo requiere mayores dosis para 
generar el mismo efecto al ser menos energética. 
En la siguiente figura se pueden observar los principales daños generados sobre las 
células por las distintas franjas del espectro solar que corresponde a cada rango de 
radiación UV. Dependiendo del rango de radiación UV empleado se llevaran a cabo 
distintos mecanismos de inactivación celular. [Malato y Cols., Catalisys Today. (2009)]. 
30 
 
 
 Ilustración 6 Principales daños biológicos por las distintas franjas del espectro UV. 
 
2.4 Captadores solares CPC 
 
La utilización de la energía solar a través de la concentración es una alternativa 
promisora. Dentro de los usos de la energía solar los sistemas de concentración más 
usadas es el CPC (Colector Parabólico Compuesto). En 1981 Rapp [D. Rapp, Solar 
Energy. (1981)]., desarrollo el CPC utilizando una descripción matemática basada en 
geometría analítica y, a través de esta, obtuvo los parámetros geométricos importantes 
para el diseño. Las ventajas de este sistema para su aplicación en la fotocatálisis se 
muestran a continuación [Romero y Cols., Solar Energy. (1999)]. Aprovechamiento de 
radiación directa y difusa, frente a los de seguimiento de la trayectoria solar, los cuales 
solo captan la directa. 
 Su rendimiento óptico es muy alto ya que aprovechan toda la radiación que les 
llega y puesto que no recibe un flujo fotónico excesivo, se obtiene una eficiencia 
en las reacciones de fotocatálisis muy elevada. 
 No se producen aumentos en la temperatura importantes en el seno de la 
reacción fotocatalítica, por lo que se evitan problemas de pérdidas o volatilización 
de compuestos orgánicos. 
31 
 
 Permite el uso de reactores presurizados, tanto para evitar pérdidas de volátiles 
como para aumentar la concentración de O2, si fuese necesario. 
 Requiere el uso de un reactor tubular evitando los problemas de los sistemas no 
concentradores, que tienen un flujo laminar y ofrecen una transferencia de 
materia muy baja. En el tubular se produce un flujo turbulento, favorable para la 
fotocatálisis. 
 Sus costes de construcción, instalación y mantenimiento se pueden abaratar 
bastante si se compara a los colectores de seguimiento. 
 
El funcionamiento de estos colectores consiste básicamente en recoger la radiación 
solar y tenerla disponible para los procesos fotocatalíticos. Dicha radiación es 
concentrada mediante espejos parabólicos o superficies reflectantes [Luis Fernando 
Garces, revista lasallista de la investigación, Vol. I No. 1]., conduciéndolas hacia el foco 
de dicha parábola a lo largo de la cual se encuentra el tubo absorvedor tal como se 
muestra en la siguiente ilustración 
 
 Ilustración 7 Diagrama esquemático del funcionamiento de un colector solar. 
 
2.5 Inactivación celular mediante OH 
 
32 
 
La generación de especies reactivas del oxígeno (ROS por sus siglas en inglés) tales 
como el superóxido, el peróxido de hidrogeno y el radical hidroxilo son los mecanismos 
principales en el proceso de inactivación celular de los microorganismos. 
Los radicales libres son moléculas inestables y muy reactivas su vida biológica es de 
microsegundos, para conseguir la estabilidad modifican a moléculas de su alrededor 
provocando la aparición de nuevos radicales, por lo que se crea una reacción en 
cadena que dañara muchas células y puede ser indefinida si los antioxidantes no 
intervienen. 
Los radicales libresproducen daño a diferentes niveles de la célula: 
Atacan a los lípidos y proteínas de la membrana celular por lo que la célula no puede 
realizar sus funciones vitales (transporte de nutrientes, eliminación de desechos, 
división celular, etc.) 
El radical superóxido O2‾ se encuentra normalmente en el metabolismo provoca una 
reacción en cadena de la lipoperoxidación de los ácidos grasos de los fosfolípidos de la 
membrana celular [Federación Café. Publicación, (2012)]. 
La peroxidación lipídica o lipoperoxidación es una reacción catalítica donde las 
especies reactivas del oxígeno o radicales libres sustraen los átomos de oxigeno de 
hidrogeno a las moléculas de ácidos grasos poliinsaturados (Ilustración 8) [Dra. Susana 
Llesuy, Tesis.] 
Al igual que cualquier reacción con radicales libres, esta consiste en tres pasos 
fundamentales: iniciación, propagación y terminación. 
Iniciación es el paso en donde el radical de ácido graso es producido. Los iniciadores 
de células vivas más notables son ROS tales como el OH el cual combina un 
hidrógeno para dar lugar a agua y a un ácido graso radical. 
Propagación el ácido graso radical no es una molécula estable, de modo que 
reaccionan rápidamente con oxígeno molecular, creando de este modo un ácido graso 
peroxil radical. El mismo también es una especie muy inestable por lo cual reacciona 
con otro ácido graso dando lugar a un ácido graso radical diferente y a un peróxido 
33 
 
cíclico si ha reaccionado consigo mismo. Este nuevo ciclo continúa ya que el nuevo 
ácido graso radical se comporta de la misma manera. 
Terminación cuando un radical reacciona siempre se produce otro radical, es por ello 
que se trata de un mecanismo de reacción en cadena. La reacción radical se detendrá 
cuando dos radicales reaccionen y producen una especie no radical. Esto ocurre 
solamente cuando la concentración de especies radicales es lo suficientemente alta 
como para que exista la probabilidad de que se encuentren dos radicales. 
Los OH atacan la membrana celular, que consiste principalmente de lípidos, además 
los productos finales de la peroxidación lipídica pueden ser mutagenicos y 
carcinogénicos. 
 
 
 Ilustración 8 Proceso de Peroxidación lipídica 
 
El producto final malondialdehido reacciona con la deoxiadenosina y la deoxiguanosina 
del ADN formando aductos (exposición a una sustancia extraña en este caso 
malondialdehido que resulta en una mutación) del ADN. 
34 
 
La luz UV induce a la formación de enlaces covalentes por reacciones localizadas en 
enlaces dobles C=C induciendo a la formación de dímeros de pirimidina, estos son 
lesiones moleculares formadas a partir de bases de citosina o timina en el ADN. Los 
más frecuentes son los dímeros de timinas (Ilustración 9 y 10) estos producen un 
bloqueo en la replicación del ADN y por lo tanto la célula muere. 
 
Ilustración 9 Descomposición grafica de un cromosoma (encontrado en el núcleo de la célula) 
hasta los pares de bases del ADN. 
 
 
35 
 
 Ilustración 10 Dímero de Timina en la hélice del ADN. 
 
2.6 Unidades Formadoras de Colonias 
 
 2.6.1 Recuento en placas 
 
El método utilizado con más frecuencia para la medición de las unidades bacterianas es 
el recuento en placa. Se basa en la premisa de que cada célula microbiana crece y se 
divide de forma aislada para generar una colonia, aunque no es siempre cierto y más 
en las bacterias que crecen normalmente formando cadenas o grupos, Una ventaja 
importante de esta técnica es que mide el número de células viables. Una desventaja 
es que se requiere bastante tiempo por lo general 24 horas o más para que se formen 
colonias visibles. 
Para reflejar esta realidad en los recuentos en placa suelen informarse como Unidades 
Formadoras de Colonias. 
Cuando se realiza el recuento en placa es importante que crezca solo un número 
limitado de colonias en la placa. 
Cuando hay demasiadas colonias algunas células se encuentran apiñadas y no pueden 
desarrollarse; esta situación es causa de inexactitudes en el recuento. La convención 
de la Food and Drug Administration de los Estado Unidos recomendó que se cuenten 
solo las placas con 25 a 250 colonias, si bien muchos microbiólogos prefieren las 
placas con 30 a 300 colonias. 
La técnica del recuento en placa se puede realizar mediante dos procesos diferentes; 
bien mediante placa vertida o por diseminación en superficie. La técnica de vertido en 
placa consiste en adicionar sobre una placa Petri la muestra y a continuación añadir el 
medio de cultivo semisólido sobre la placa, de modo que el medio termina en solidificar 
conjuntamente con la muestra. Para ello se mantiene en baño maría hasta a 50°C, para 
evitar su solidificación. Tras agitar suavemente la placa y esperar que solidifique, se 
incuban las placas y finalmente se pueden contar las colonias que han crecido en el 
36 
 
interior del agar. Esta técnica presenta algunos inconvenientes tales como el posible 
daño térmico ocasionado sobre las células microbianas. 
Por ello la técnica de diseminación en superficie de una placa es más empleada para el 
recuento en placa. Esta se basa en la adición sobre la superficie de una placa 
conteniendo el agar previamente solidificado de un determinado volumen de muestra 
(entre 50 y 500 microlitros) y se extiende suavemente empleando para ello un asa de 
plástico esterilizada y desechable las cuales tienen la forma típica de “L”. 
2.7 Enterococos intestinales 
2.7.1 Descripción General 
 
Los enterococos intestinales son un género de bacterias del ácido láctico. Estas 
bacterias son grampositivas y relativamente tolerantes al cloruro sódico y al pH alcalino. 
Son anaerobias facultativas y pueden encontrarse aisladas, en parejas o en cadenas 
cortas. Todos los estreptococos fecales, incluidos los enterococos intestinales, dan una 
reacción positiva con antisueros anti grupo D de Lancefield y se han aislado en las 
heces de animales de sangre caliente. El subgrupo de los enterococos intestinales está 
formado por las especies Enterococcus faecalis, E. faecium, E. durans y E. hirae. Este 
grupo separó del resto de los estreptococos fecales porque son índices relativamente 
específicos de contaminación fecal. Sin embargo, ocasionalmente, algunos enterococos 
intestinales aislados del agua pueden también proceder de otros hábitats, como el 
suelo, en ausencia de contaminación fecal [Pinto B et al., Letters in Applied 
Microbiology, (1999)]. 
 
2.7.2 Fuentes y prevalencia 
 
Los enterococos intestinales se excretan habitualmente en las heces humanas y de 
otros animales de sangre caliente. Algunas especies de este grupo también se han 
detectado en suelos, en ausencia de contaminación fecal. Hay concentraciones altas de 
enterococos intestinales en las aguas residuales y en los medios acuáticos 
contaminados por aguas residuales o por residuos humanos o animales. 
37 
 
 
2.7.3 Relevancia de su presencia en el agua de consumo 
 
El E. faecalis es una cepa de microorganismos responsables de muchas afecciones, 
tales como infecciones urinarias e intestinales. El análisis médico y el tratamiento son 
necesarios para estas infecciones y evitar su reproducción, las cepas sensibles de 
estas bacterias pueden tratarse con ampicilina y vancomicina. 
Para prevenir y controlar la contaminación biológica del agua debería realizarse un 
seguimiento de la calidad bacteriológica de las aguas de suministro en zonas rurales, 
así como desarrollar y adoptar nuevas tecnologías que permitan la inactivación celular 
de dichos microorganismos. 
2.8 Metodología Superficie de Respuesta 
 
Después de una primera etapa experimental quizá sea necesario desplazar la región 
experimental (moverse de lugar) en una dirección adecuada, o bien explorar en forma 
más detallada la región experimental inicial. La forma de realizar ambas cosases parte 
de la llamada metodología superficie de respuesta (MSR). 
La MSR es la estrategia experimental y de análisis que permite resolver el problema de 
encontrar las condiciones de operación optimas de un proceso, es decir, aquellas que 
dan por resultado “valores óptimos” de una o varias características de calidad de 
producto. 
Región experimental es el espacio delimitado por los rangos de experimentación 
utilizados por cada factor. La región de operabilidad está delimitada por el conjunto de 
puntos o condiciones donde el equipo o proceso puede ser operado. 
Elementos de Superficie de Respuesta implica tres aspectos: diseño, modelo y técnica 
de optimización; diseño en MSR experimento apropiado basado en el conocimiento 
actual acerca de la posible ubicación del punto óptimo y el modelo de regresión que se 
requiere ajustar, modelo de MSR es la ecuación matemática que relaciona la variable 
de respuesta con los factores a estudiar en el diseño, optimización es la técnica 
38 
 
matemática que sirve para extraer la información sobre el punto óptimo que tiene el 
modelo ajustado. 
Se distinguen tres etapas en la búsqueda del punto óptimo, que son: cribado, búsqueda 
I o de primer orden y búsqueda II o de segundo orden. 
Cribado: la optimización de un proceso se inicia con esta etapa cuando tiene muchos 
factores (más de 6 u 8) que influyen en la variable de interés. 
Búsqueda de primer orden: etapa de MSR en la que se utiliza un diseño-modelo de 
primer orden para caracterizar de manera preliminar la superficie y detectar curvatura. 
Búsqueda de segundo orden: etapa de MSR en la que se utiliza un diseño-modelo de 
segundo orden con el que se caracteriza adecuadamente la superficie de respuesta, 
incluyendo la curvatura. 
Si la superficie no tiene curvatura y es descrita de manera adecuada por el modelo de 
primer orden, entonces el modelo se utiliza para moverse experimentando en la mejor 
dirección hasta detectar un cambio de tendencia, en este caso se aplica de nuevo la 
búsqueda I. pero si hay curvatura o la superficie es más complicada se pasa a la 
búsqueda II. 
Los modelos que se utilizan en MSR son básicamente polinomios, de esta manera si se 
tienen k factores, el modelo de primer orden está dado por: 
𝑦 = 𝛽
0 + ∑ 𝛽𝑖𝑥𝑖 + 𝜀
𝑘
𝑖=1
 
Y el modelo de segundo orden es: 
𝑦 = 𝛽
0 + ∑ 𝛽𝑖𝑥𝑖 + ∑ 𝛽𝑖𝑖𝑥2𝑖+∑ ∑ 𝛽𝑖𝑗𝑥𝑖𝑥𝑗
𝑘
𝑗=1 +𝜀
𝑘
𝑖=1
𝑘
𝑖=1
𝑘
𝑖=1
 
 
Cuando un modelo es de primer orden se observa que su superficie es plana, si es de 
segundo orden pueden ser superficie máximo (montaña), superficie mínimo (valle) y 
superficie de punto silla (minimax). 
39 
 
Diseños de superficie de respuesta se clasifican con base en el grado del modelo que 
se pretende utilizar. Estos diseños proporcionan los tratamientos a correr para generar 
datos que permitan ajustar un modelo que describa una variable de respuesta en una 
región experimental. 
Diseños de primer orden suponga que se desea utilizar el modelo de primer orden para 
estudiar el comportamiento de cierta característica de calidad, que se supone depende 
de k factores de proceso. En principio, al proponer un diseño de primer orden se 
supone que solo son importantes los efectos principales. 
Los diseños que satisfacen este criterio son los que tienen la propiedad de 
ortogonalidad. Entre los más útiles están los siguientes: 
1.-Diseños factoriales 2k 
2.-Diseños factoriales fraccionados 2k-p 
3.- Diseño de Plackett-Burman 
4.- Diseño simplex 
Todos estos diseños, excepto el diseño simplex, emplean dos niveles en cada factor, lo 
cual tiene que ver con el hecho de que solo interesa detectar el efecto principal de 
cada factor. 
 
 
Diseño de segundo orden 
Se llaman así aquellos que permiten ajustar un modelo de segundo orden para así 
estudiar, además de los efectos lineales y de interacción, los efectos cuadráticos o de 
curvatura pura. Por consiguiente estos se emplean cuando se requiere explorar una 
región que se espera sea más compleja o cuando se cree que el punto óptimo se 
encuentra dentro de la región experimental. 
Los diseños de segundo orden más recomendados son: 
40 
 
1.- Box-Behnken 
2.- Diseño central compuesto 
El diseño Box-Behnken se aplica cuando se tienen 3 o más factores y suelen ser muy 
eficientes en cuanto su número de corridas. 
El Diseño Central Compuesto es el más utilizado en la etapa de búsqueda de segundo 
orden debido a su gran flexibilidad: se puede construir a partir de un diseño factorial 
completo 2k o fraccionado 2k-p agregando puntos sobre los ejes al centro. 
Este diseño se compone con tres tipos de puntos: 
1.- Una réplica de un diseño factorial en dos niveles, completo o fraccionado. A esta 
parte del DCC se le llama porción factorial. 
2.- n0 puntos o repeticiones al centro del diseño, con n0 ≥ 1. 
3.- Dos puntos sobre cada eje a una distancia α del origen, estos puntos se llaman 
punto axial [Pulido y Salazar, Publicación. (2008)]. La manera en que se ensambla y el 
DCC resultante se muestra en la siguiente figura: 
 
 
 Ilustración 11 Representación y construcción de los DCC para K= 2 y 3 factores [Laguna 
J., Diseño de Experimentos. (2011)]. 
41 
 
Capítulo 3 Procedimiento de Investigación 
3.1 Muestreo 
 
Para la etapa del muestreo se utilizó la Ilustración 11 Mapa de pozos de extracción y la 
tabla número 2, elaborados por el Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías 
Competitivas, en el cual se ubicaron geográficamente los pozos de extracción de agua 
localizados en la Cuenca Rio Turbio. 
 
Ilustración 12 Mapa de pozos de extracción de agua potable en la Cuenca Rio Turbio del Estado de 
Guanajuato (CIATEC). 
En La siguiente tabla se caracteriza cada uno de los pozos de acuerdo al nombre, 
longitud, latitud, elevación, profundidad al nivel estático y la profundidad total del pozo, 
esto ayudó a localizar los pozos mediante sus coordenadas ahorrando tiempo en la 
búsqueda de estos. 
 
42 
 
 
Tabla 2 Tabla de Ubicación de Pozos de extracción de agua potable. 
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1 
Hacienda el 
Castillo - Efrén 
González 
Hernández 21.24 101.79 833761.90 2351591.54 1986.83 121.07 
 
2 
Mario Santos 
Amezquita Murillo 
- la venta de la 
Purísima 21.25 101.80 832309.15 2353253.00 1990.33 91.34 
 
3 
A. potable las 
tortugas iii 21.14 101.97 814810.93 2340883.67 1850.72 74.38 
 
4 
A. potable las 
tortugas i 21.13 101.96 815878.08 2339644.88 1820.72 52.95 
 
5 
A. potable las 
tortugas ii 21.12 101.96 816084.34 2338206.70 1834.72 62.36 
 
6 
Ángel Morales - 
las tortugas – 
agrícola 21.15 101.94 817584.24 2342145.23 1873.72 55.10 
 
7 
Rancho San 
Ignacio 21.12 101.94 817642.02 2338791.33 1833.72 82.05 
 
8 
Gigantes tepa - 
estación pedrito 21.13 101.92 819722.01 2339806.73 1800.73 41.10 
 
9 
A. potable san 
José del caliche 21.13 101.92 820299.78 2339899.04 1798.22 28.90 
 
10 
Estación pedrito – 
agrícola 21.14 101.91 820675.33 2340268.28 1800.16 21.12 
 
11 
A. potable estación 
pedrito 21.17 101.91 820617.55 2344145.26 1808.66 28.51 
 
12 
La presa de los 
patos 21.15 101.89 822784.21 2341775.99 1840.66 34.46 
 
13 
La presa de los 
patos 21.13 101.90 822119.77 2339899.04 1812.66 58.05 
 
14 
Estación pedrito – 
agrícola 21.13 101.91 820762.00 2339991.35 1797.66 22.18 
 
15 
Estación pedrito – 
agrícola 21.11 101.93 819274.23 2337862.08 1798.22 24.46 
 
16 
Estación pedrito - 
la curva 21.12 101.91 821339.77 2338822.10 1789.66 24.90 
 
43 
 
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