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Título : OPTIMIZACION DE EXPERIMENTOS EN QUÍMICA ORGÁNICA. MÁXIMA EFICIENCIA MÍNIMO IMPACTO AMBIENTAL
Autor : Santos Santos, Elvira
Fecha de publicación : 2015
Resumen : Continuando con la trayectoria de trabajo que hemos seguido en los últimos años de nuestra actividad docente, durante la cual nos establecimos como visión ser creativos y estar a la vanguardia en lo referente a los procesos enseñanza-aprendizaje en el área de la química en particular de la química orgánica, con el objetivo de que nuestros egresados sean competitivos en los diferentes ámbitos profesionales donde decidan desarrollarse. La concepción del proceso enseñanza-aprendizaje debe de basarse en el marco conceptual-metodológico de la Química; respondiendo a las condiciones históricas y contextuales de nuestro país y ubicarse en el contexto internacional; en dicha concepción se deben hacer expresas las cualidades de formación, información y capacitación de los egresados de estas cualidades la información ha pasado a ser una herramienta disponible internacionalmente por lo que en la actualidad se debe hacer hincapié en la formación y capacitación del egresado para ser creativo y resolver problemas vinculados con su área de conocimiento utilizando de la mejor manera las herramientas y conocimientos adquiridos durante su formación. Habiendo transitado por las etapas de realizar el trabajo experimental individual y la obtención de objetivos académicos a través de la interpretación en equipo de los resultados obtenidos individualmente y planeados cuidadosamente, a través del uso de la Química Combinatoria (síntesis en paralelo), permitiéndonos determinar conceptos importantes de la relación estructura-reactividad y la introducción hacia el estudio del impacto de algunas variables independientes sobre los experimentos químicos que se realizan en los diferentes niveles de la enseñanza experimental de la química orgánica. Consideramos que contamos con la experiencia adecuada para pasar a la etapa de optimización de los procesos químicos de los diferentes experimentos a través del uso del diseño de optimización a través de métodos matemáticos sencillos que conduzcan a la máxima eficiencia de algunos experimentos, iniciando con las asignaturas Química Orgánica Experimental III y Química Orgánica Experimental IV y aproximarnos lo más posible hacia la generación cero de residuos peligrosos e introducirnos plenamente al área de la denominada Química Verde, cumpliendo con la mayoría de los principios en que se fundamenta la misma. ANTECEDENTES La mayoría de la investigación realizada para estudiar la efectividad del trabajo práctico en la enseñanza de las ciencias no ha mostrado resultados concluyentes, y el papel que éste ha ocupado en los currículos de ciencias en el transcurso de nuestro siglo ha sido siempre objeto de controversia. Aunque el trabajo práctico se considera de gran importancia en la enseñanza de las ciencias la investigación muestra que no siempre resulta tan valioso para su aprendizaje. Si bien para muchos, la educación científica se queda incompleta sin haber obtenido alguna experiencia en el laboratorio, no es menos cierto que el trabajo práctico no es una panacea universal en la enseñanza de las ciencias para conseguir cualquier objetivo educativo. De hecho ahora hay menos confianza entre los investigadores en que el uso del laboratorio y del trabajo de campo ayude realmente a los alumnos a mejorar la adquisición de conceptos científicos. Aun con todo esto, profesores, diseñadores curriculares, administradores educativos, gobiernos, siguen apostando con su esfuerzo por el trabajo práctico, convencidos de que éste añada una dimensión especial a la enseñanza de las ciencias que va más allá de lo que se puede obtener escuchando las explicaciones de un profesor u observando sus demostraciones en el laboratorio. El trabajo del laboratorio da la oportunidad de aprender formas de razonamiento sistemáticas y generalizadas que pueden ser transferidas a diferentes problemas planteados. El laboratorio permite al estudiante apreciar e imitar el papel del científico en la investigación.El trabajo de laboratorio propor
URI : http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/4755
metadata.dc.contributor.responsible: Santos Santos, Elvira
metadata.dcterms.callforproject: 2015
metadata.dc.coverage.temporal: 2015-2017
metadata.dcterms.educationLevel: nivel superior
metadata.dcterms.educationLevel.SEP: Licenciatura
metadata.dc.description.objective: Objetivo general El objetivo del proyecto es obtener una metodología de optimización que trabaje con varias variables que permitan maximizar (la eficiencia) o minimizar (el desperdicio de materias primas y la generación de residuos; química respetuosa con la salud y el ambiente), alguna propiedad específica de un experimento en estudio, que conforman los objetivos académicos; con base a las técnicas que se utilizan en los métodos de optimización de experimentos. Se pretende sistematizar una metodología de Optimización de métodos multirespuesta como son el método simplex y el método univariado. Esto aplicado inicialmente a algunos experimentos que sean susceptibles de optimizarse, de las asignaturas de química orgánica experimental (Química Orgánica III y Química Orgánica IV). Objetivos específicos Para una reacción química que es el sistema experimental cuyo rendimiento puede ser función, entre otros, del tiempo de reacción, la temperatura de reacción, el tipo de catalizador utilizado, las materias prima utilizadas, el tiempo y tipo de agitación, tipo de energía, etc. 1.Obtener un conocimiento inicial sobre un sistema en estudio. ¿En qué valores de los factores se puede centrar la investigación? 2.Determinar la influencia de los factores sobre las respuestas observadas. De entre todos los factores que afectan al proceso, ¿cuales influyen más? ¿cómo interaccionan entre ellos? 3.Optimizar respuestas. ¿Qué valores de los factores proporcionan las respuestas de mayor calidad? 4.Determinar la robustez del sistema. ¿Cómo afectan a la respuesta variaciones no controladas en el valor de los factores? a)Introducir la metodología de modelaje de sistemas químicos b)Obtención de parámetros significativos c)Descripción de las interacciones entre los componentes del sistema d)Estudio de la sensibilidad de los resultados en el modelo o en los datos experimentales e)Se trata de la aplicación de los modelos de diseño en base a la experiencia f)Se estudian los diferentes métodos para aumentar la calidad de los datos experimentales así como la cuantificación de la información de los mismos. g)Verificar que el experimento se pueda llevar a cabo o repetir bajo las mismas condiciones en más de una ocasión 5.Para obtener un rendimiento máximo, se escogerán todas las propiedades necesarias para describir el sistema y buscar ajustar esa propiedad a los experimentos que constituyen los programas de las asignaturas de Química Orgánica III y IV del Plan de Estudios 2005 de la Carrera de Química. 6.Definir la función objetivo (respuesta) y criterios a ser observados. 7.Buscar la combinación de los valores de los factores seleccionados que resulten en la mejor respuesta (maximización o minimización). 8.Incorporar en la formación de los estudiantes de la Licenciatura en Química, el a través del trabajo individual de calidad, que en forma adecuadamente planeada, conduzca al trabajo en equipo para resolver en forma rápida problemas complejos, además de la adquisición de los conceptos académicos seleccionados. El poseer ambas habilidades (trabajo individual y en equipo) son requisitos que se le exigen a un profesionista en la actualidad y en el futuro. 9.Estudiar el efecto de las variables independientes de una reacción (tiempo, temperatura, presión, agitación, energía, etc.), integrando los resultados del trabajo individual de cada alumno para deducir el patrón de comportamiento de una o varias moléculas, en una reacción dada, utilizando una de las dos escalas de trabajo (micro y semimicro), la que resulte más adecuada para el trabajo cuantitativo. 10.Integrar los resultados obtenidos por cada alumno en una sesión de seminario discusión dirigida por el profesor, para obtener la solución del problema de optimización de la eficiencia de una reacción, minimización de residuos peligrosos además lograr el objetivo académico planteado por los profesores. 11.Formar recursos humanos capaces de analizar la eficacia de un proceso dad
metadata.dc.description.hypothesis: Mediante el uso de modelos matemáticos sencillos (SimpleX y univariado) y la selección adecuada de las variables independientes y dependientes de un proceso químico (aplicado a los experimentos que se realizan en las químicas Orgánicas Experimentales III y IV) es posible obtener procesos con la máxima eficiencia y el uso inadecuado mínimo de las materias primas y la mínima generación de residuos peligrosos (tendencia a la generación de cero residuos). Con lo cual los estudiantes entenderán la responsabilidad personal y social del trabajo que realiza primero como estudiantes y después como profesionales del a química. Es decir el logro de la Química Verde.
metadata.dc.description.strategies: 1.Seleccionar los experimentos susceptibles a ser optimizados (mayor eficiencia) y menor generación de residuos peligrosos 2.Definir qué tipo de información es exactamente la que interesa, ya que no podemos medir o variar todos y cada uno de los componentes de un experimento. 3.Antes de planear la optimización de un experimento se investigará y. analizará el conocimiento y datos que ya se tengan (propios o existentes en la literatura) sobre este experimento. La participación activa de los alumnos y el personal académicos involucrados en el problema de optimización es de vital importancia en este paso. 4.Identificación de variables. Se identificarán dos tipos de variables, variables dependientes o variables independientes. 5.Definir el diseño del experimento. Esto implica definir de qué manera se efectuarán las pruebas y qué modelo matemático describe mejor el experimento. 6.Diseñar el experimento de optimización con la estructura lo más adecuada posible a la situación que se desea estudiar y a los medios disponibles. a)Planteamiento general del problema b)Selección y definición de la o las variables propuestas. Al seleccionar la respuesta o variable dependiente, verificar que la respuesta que se va a medir realmente provea información útil acerca del proceso de estudio. c)Elección de los factores y niveles que intervendrán en el experimento. Se deben elegir los factores que variarán en el experimento, los intervalos de dicha variación y los niveles específicos en los cuales se hará el experimento. También se debe considerar la forma en que se controlarán estos factores para mantenerlos en los valores deseados, y cómo se les medirá. d)Elección del diseño experimental. Se considerará el número de repeticiones de los ensayos experimentales, seleccionando el orden adecuado parapara los mismos. Es importante tener presente los objetivos experimentales al seleccionar el diseño, se identificarán qué factores causan diferencias para estimar la magnitud del cambio en la respuesta. En algunas situaciones se habrá además, interés en verificar la repetibilidad del experimento. e)Realización del experimento. 7.Realizar la experimentación de acuerdo con el plan previamente establecido en el diseño. 8.Elección de factores y niveles. Se deben elegir los factores que variarán los resultados del experimento, los intervalos de dicha variación y los niveles específicos de interés a los cuales se hará el experimento. También debe considerarse la forma en que se controlarán estos factores para mantenerlos en los valores deseados, y cómo se les medirá. Para ello es necesario conocer el proceso de manera práctica y teórica. 9.Analizar los resultados obtenidos y comprobar si el problema planteado y el modelo de diseño elegido fueron los adecuados para obtener la respuesta esperada. 10.Realizar las modificaciones oportunas para ampliar o modificar el diseño. 11.Obtención de conclusiones acerca de los resultados de optimización planteados.
metadata.dc.description.goals: El primer año se trabajará en la realización de las metas aplicadas a la asignatura de Química Orgánica Experimental III (Clave) Determinar cuáles experimentos (procesos químicos) de la Química Orgánica Experimental III son susceptibles de ser optimizados en eficiencia y minimización de residuos peligrosos para ser estudiados aplicando el método simplex o el método univariado. 1.Obtener la información disponible (propia y descrita en la literatura), para determinar qué componentes son útiles en un experimento dado. 2.Planear la optimización de cada experimento seleccionado utilizando la información de la meta 2. 3.Determinar para cada experimento las variables dependientes y las independientes, útiles para el proceso de optimización. 4.Realizar el diseño del experimento de optimización para establecer qué modelo matemático se aplica mejor para la optimización de cada uno de los procesos químicos. 5.Realizar los experimentos de optimización que tengan la estructura más adecuada para el proceso químico que se desea estudiar y los medios disponibles para lograrlo. 6.Determinar la respuesta para cada variable dependiente o independiente de tal manera que provea la información útil acerca del proceso de optimización de cada proceso químico en estudio. 7.Determinar los intervalos de las variaciones propuestas de manera que las respuestas que se van a medir provean realmente información útil al proceso de optimización en estudio y en su caso realizar las repeticiones que se requieran. 8.Documentar los resultados obtenidos y analizarlos resultados obtenidos para establecer si el modelo de diseño de optimización elegido fue el adecuado para lograr la optimización. 9.Determinar si se requiere realizar modificaciones para ampliar o modificar el diseño de optimización. 10.Obtener las conclusiones acerca de los resultados de optimización realizados. En el segundo año se trabajará en la realización de las metas 1 al 11 pero aplicadas a la asignatura de Química Orgánica Experimental IV (Clave). En el tercer año se experimentará con el uso de diferentes fuentes de energía para la realización de experimentos químicos y establecer el uso mínimo de energía como se requiere en la actualidad.
metadata.dc.description.selfAssessment: El proyecto Optimización de experimentos en Química Orgánica: Máxima eficiencia mínimo impacto ambiental se desarrolló de acurdo a lo planeado: 1. En la hipótesis planteamos el uso del modelo matemático simplex pero solo nos daba una área en donde posiblemente se encontraba la respuesta por lo que se decidió emplear el diseño factorial completo 2^k con la selección adecuada de las variables independientes y dependientes de un cierto proceso químico, (aplicado a algunos de los experimentos que se realzan en las químicas orgánicas experimentales III y IV de la Licenciatura de Química. 2. Es posible obtener procesos con la máxima eficiencia y el inadecuado mínimo de las materias primas así como la mínima generación de residuos peligrosos (tendencia a la generación de cero residuos). Con lo cual los estudiantes entendieron su responsabilidad personal y social del trabajo que realizan ahora como estudiantes y después como profesionales de la química; es decir: "El logro de la Química Verde" Para lograr lo anterior planteamos los siguientes objetivos: a) Obtener una metodología de optimización que trabaje con varias variables que permitieran maximizar la eficiencia o lo que es lo mismo, minimizar el desperdicio de materias primas y la generación de residuos; química respetuosa con la salud y el ambiente. Se seleccionó alguna propiedad específica de cada experimento en estudio que conforman los objetivos académicos de cada asignatura. b) Se logró sistematizar una metodología de optimización con diseño factorial completo 2^k. Estos métodos se aplicaron experimentalmente a algunos experimentos que tenían posibilidad de optimizarse de las asignaturas de química experimental III y IV. c) Se determinó que la eficiencia sistema experimental puede ser función entre otros del tiempo de reacción, la temperatura de reacción, el tipo de catalizador utilizado, las materias primas utilizadas, el tiempo y tipo de agitación, el tipo de energía, etc. d) Seleccionamos los siguientes experimentos por la posibilidad que se veía podrían ser sujetos de un sistema de estudio los cuales fueron: Para la Química Orgánica III : 1. OBTENCIÓN DE DIARIL AMINAS Y DIARIL FENOLES 2. SÍNTESIS DE COLORANTES AZOICOS 3. SÍNTESIS DE SULFANILAMIDAS N-SUSTITUÍDAS Y par la Química Orgánica IV: 1. OBTENCIÓN DE DERIVADOS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS (ANHÍDRIDOS, AMIDAS Y ÉSTERES) 2. OBTENCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS (AROMÁTICOS Y ALIFÁTICOS) 3. EXTRACCIÓN DE ACEITES VEGETALES CONTENIENDO ÁCIDOS OMEGA 3 Además de cumplir con los productos comprometidos (2 tesis, guía de optimización de experimentos; prácticas de Química orgánica III y Química Orgánica IV), se lograron otros productos como son carteles y ponencias orales presentados en congresos, artículos en memorias de congresos y estancias cortar de investigación.
metadata.dc.description.goalsAchieved: 1. Para la meta 1 se determinó que los experimentos de la Química Orgánica Experimental III susceptibles de ser optimizados fueron: a) Obtención de Diarilaminas y Diaril fenoles; b) Síntesis de diaril aminas y diaril fenoles; c) Síntesis de Sulfanilamidas N-sustituídas De las metas 2, 3 y 4 con el método simplex solo se obtuvieron áreas (sombreado en verde) en donde podría estar la respuesta a las condiciones óptimas. (Ver ANEXO DE RESULTADOS MÉTODO SIMPLEX);por tal motivo se procedió a utilizar otro método para optimizar este experimento con el “DISEÑO FACTORIAL COMPLETO 2k” el cual nos ayudó a determinar las condiciones óptimas para realizarlos experimentos empleando energía térmica a reflujo, ultrasonido y microondas con potencia de 750 Watts y 1250 Watts. Para las metas 5, 6 y 7 se realizó el número de experimentos que arrojó el diseño factorial completo dependiendo de la fuente de energía utilizada Para las metas 8 y 9 se reportaron en la guía y en las tesis realizadas los resultados de todos los experimentos realizados y en los carteles presentados en los congresos asistidos Para la meta 10 se obtuvieron conclusiones en base a los resultados obtenidos del diseño factorial completo reportadas también en la guía y en las tesis realizadas y en los carteles presentados en los congresos asistidos. En el 2 segundo año para la meta 1 los experimentos susceptibles a ser optimizados fueron: a) Obtención de derivados de ácidos carboxílicos (aromáticos y alifáticos); b) Obtención de ácidos carboxílicos (aromáticos y alifáticos); c) Extracción de aceites vegetales conteniendo ácidos omega 3 Para la meta 2 solo se empleó el “DISEÑO FACTORIAL COMPLETO 2k” ” el cual nos ayudó a determinar las condiciones óptimas para realizarlos experimentos empleando energía térmica a reflujo, ultrasonido y microondas con potencia de 750 Watts y 1250 Watts. Para las metas 5, 6 y 7 se realizó el número de experimentos que arrojó el diseño factorial completo dependiendo de la fuente de energía utilizada. Para las metas 8 y 9 se reportaron en la guía y en las Estancias Cortas de Investigación los resultados de todos los experimentos realizados y en los carteles presentados en los congresos asistidos. Para la meta 10 se obtuvieron conclusiones en base a los resultados obtenidos del diseño factorial completo reportadas también en la guía y en las Estancias Cortas de Investigación realizadas y en los carteles presentados en los congresos asistidos.
metadata.dcterms.provenance: Facultad de Química
metadata.dc.subject.DGAPA: Química
metadata.dc.type: Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones: 2. Área de las Ciencias Biológicas, Químicas y de la Salud

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