FÍSICA APLICADA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA EXPERIMENTAL

 

El Laboratorio de Termodinámica Experimental fue inaugurado el 17 de febrero de 2005 por su titular, el Dr. Rodrigo Patiño. Sus líneas de investigación están orientadas hacia la aplicación de los métodos físicoquímicos para el estudio de diversos procesos, principalmente algunos relacionados con sistemas biológicos. La aplicación y el desarrollo de técnicas experimentales para el seguimiento de bioprocesos en tiempo real son herramientas esenciales que permiten conocer mejor los mecanismos de los fenómenos estudiados y proponer aplicaciones directas en áreas biotecnológicas.

HISTORIAL DE PROYECTOS

1. Cinética y termodinámica de reacciones enzimáticas.
Las enzimas son proteínas que funcionan como catalizadores de las reacciones bioquímicas. La velocidad con la que suceden estas reacciones y los rendimientos al equilibrio dependen grandemente de las condiciones de reacción: temperatura, pH, concentraciones en disolución, etc. En este proyecto se ha probado un sistema automático de medición espectrofotométrica in situ para el estudio de algunas reacciones catalizadas por enzimas. El sistema utilizado en este Laboratorio tiene la ventaja de evitar la toma de muestras para análisis y así mantener el recipiente de reacción en condiciones controladas de agitación y temperatura. Otras técnicas espectroscópicas se desarrollan también como alternativas para complementar los estudios rigurosos de la actividad enzimática, de utilidad en ciertos procesos industriales o de análisis. Una parte de este proyecto fue financiada por los Fondos Sectoriales SEP-Conacyt para investigación básica.

2. Inhibición natural de la oxidación del aguacate y otros frutos.
El oscurecimiento o pardeamiento de tejidos vivos, principalmente de origen vegetal, es iniciado por una reacción catalizada por la enzima polifenoloxidasa. Los fenoles presentes en los tejidos celulares son oxidados enzimáticamente para formar benzoquinonas, compuestos que posteriormente se polimerizan para formar un producto pardo característico en muchos alimentos. Este proceso es útil en productos como el té y el tabaco, pero indeseable en muchos alimentos que no pueden procesarse de manera adecuada, ocasionando pérdidas económicas para los productores agrícolas. Aunque se han propuesto diversas sustancias como inhibidores de la reacción enzimática, en este trabajo se propone la utilización de un compuesto natural extraído de la semilla de aguacate. Este extracto ha sido probado con éxito en la inhibición enzimática de la pulpa de aguacate. Aunque no se pudo identificar el componente activo del extracto, se han propuesto metodologías para el procesamiento de estos alimentos. También se ha desarrollado un análisis cinético del pardeamiento de la pulpa de aguacate siguiendo el cambio de coloración por medio de imágenes digitales. Este proyecto ha sido apoyado financieramente por la International Foundation for Science (IFS) y tuvo una colaboración con el Dr. Luis Manuel Peña Rodríguez del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY).

3. Cultivo de microalgas para la producción de hidrógeno.
El hidrógeno es un combustible atractivo como fuente alternativa de energía: es abundante en la naturaleza formando agua y sustancias orgánicas, y su combustión se puede hacer de una manera limpia para el medio ambiente. Sin embargo, aún no existe un método eficiente para la producción redituable de hidrógeno. Las microalgas de la especie Chlamydomonas reinhardtii, en condiciones de estrés, activan una ruta metabólica que incluye la producción de este gas como un compuesto residual. En esta investigación se estudia el efecto del medio de cultivo, la temperatura y la iluminancia en el crecimiento celular, así como el cosechado de céluals y la producción de hidrógeno por estas algas. Los resultados se utilizan para el diseño de biorreactores al aire libre que aprovechen la luz solar para el cultivo de biomasa y la producción del gas. Los reactores deben incluir distintos sensores que permiten evaluar el correcto desempeño del sistema y el control automático del proceso. Este método es interesante para comunidades rurales porque busca una producción autosostenible, además de captar dióxido de carbono de la atmósfera y generar biomasa potencialmente utilizable como alimento para animales o como abono para cultivos agrícolas. En este trabajo se tiene una colaboración con el Dr. Daniel Robledo del Departamento de Recursos del Mar en Cinvestav-Mérida. El proyecto fue apoyado por Conacyt y por el Gobierno del Estado de Yucatán mediante Fondos Mixtos.

4. Control del proceso de fermentación en la producción de licores y etanol.
La fermentación empezó siendo en la antigüedad un proceso empírico importante en la actividad humana para la bioproducción de etanol. La biotecnología actual busca automatizar este importante proceso industrial mediante una metodología científica sistemática, económica y simple. Basados en experiencias previas con jugos de caña y agave, se pretende en este proyecto cuantificar y caracterizar los distintos carbohidratos en las etapas de extracción, cocimiento y fermentación alcohólica de varios jugos utilizados en la producción de licores y etanol. En colaboración con una empresa licorera, se propone un método rápido y preciso que combina la cromatografía simple con mediciones polarimétricas. La polarimetría es una técnica económica y muy práctica para la cuantificación de carbohidratos y otros compuestos quirales que tienen la propiedad de cambiar el ángulo de la luz polarizada incidente. El trabajo tiene una colaboración con el Dr. Víctor Fájer del Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN) en Cuba. Se contó con un financiamiento para Proyecto Bilateral México-Cuba otorgado por el Conacyt y por el Ministerio de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente de Cuba (CITMA).

5. Evaluación del crecimiento de microorganismos en superficies de piedra.
Los monumentos prehispánicos constituyen en la zona maya un patrimonio cultural de gran valor que sufre los estragos del medio ambiente al ser atacados por el crecimiento de microorganismos en su superficie. En este proyecto se propone la utilización de circuitos cerrados de video como una técnica en tiempo real para la determinación del cambio de color de los correspondientes materiales de construcción por el crecimiento de los mencionados microorganismos. Los caracterización de este fenómeno podría evitar este proceso para la conservación de monumentos históricos. El trabajo forma parte de una colaboración con la Dra. Patricia Quintana, el Dr. Juan José Alvarado y el Dr. Gerko Oskam del Departamento de Física Aplicada en el Cinvestav-Mérida, así como con el Dr. Otto Ortega de la Universidad Autónoma de Campeche. Se contó con un financiamiento por parte de Conacyt y el Gobierno del Estado de Yucatán mediante Fondos Mixtos.

6. Producción sostenible de hidrógeno en Yucatán.
El hidrógeno es un combustible alternativo que se ha propuesto como vector energético para el aprovechamiento integral de las fuentes renovables de energía. Además de ser un proceso libre de emisiones contaminantes, su transformación energética es muy versátil a calor, energía mecánica o electricidad. Sin embargo, actualmente la producción de hidrógeno es un proceso que involucra en su mayoría el uso de combustibles fósiles. En este proyecto se hace un análisis de los recursos energéticos renovables de la península de Yucatán para la producción sostenible de hidrógeno. Se ha tenido el apoyo financiero del Departamento de Estado de los Estados Unidos de América, a través de una beca Fulbright en el Programa NEXUS.

7. Fluorescencia y análisis de imágenes digitales.
Como parte del desarrollo de técnicas para el seguimiento remoto y en tiempo real de bioprocesos, se está proponiendo el uso de la fluorescencia y la luminosidad a través de imágenes digitales para seguir el crecimiento celular de cultivos de microalgas. Se ha diseñado y desarrollado una cámara de fluorescencia de bajo costo que puede acoplarse a un sistema espectrofotométrico para la detección automática. Para la excitación de la clorofila de microalgas se utilizan diodos emisores de luz como fuente de iluminación en un rango específico de longitud de onda. Por otro lado, se ha desarrollado también una metodología que permite seguir el crecimiento de cultivos microalgales a través de imágenes digitales. Las imágenes son capturadas por fotografía o vídeo, y se ha encontrado una correlación lineal de la luminosidad de las imágenes con la concentración de biomasa. Este proyecto ha sido financiado por el Conacyt y el gobierno del Estado de Yucatán.

8. Comunicación de la ciencia y cultura energética nacional.
Este proyecto busca fomentar una cultura energética en México, promoviendo el uso racional de la energía y su producción a partir de fuentes renovables. Para ello, se están organizando cuatro talleres para públicos diferentes: uno para niños, otro para jóvenes, uno artístico y otro para tomadores de decisiones. Los dos primeros se implementan en ocho entidades federativas para impartirse a mas de 8 mil niños y jóvenes, como una prueba piloto para generar talleres masivos a nivel nacional. Este proyecto está siendo financiado por el Conacyt a través de la Sociedad Mexicana para la Divulgación de la Ciencia y la Técnica (Somedicyt).

TRABAJOS DE TESIS

Maestría:

“Estudio cinético y termodinámico de la reacción catalizada por la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa con NAD”
Maestra en Ciencias en Fisicoquímica Julia Jazmín Sánchez Martín del Campo
Cinvestav-Unidad Mérida (2009)

Licenciatura:

“Evaluación de un método espectroscópico para medir el pardeamiento en pulpa de aguacate (Persea americana, variedad Hass)”
Ingeniera Química Graciela Guadalupe May May
Instituto Tecnológico de Mérida (2012)

“Desarrollo y análisis de una formulación para el procesamiento de la pulpa de aguacate (Persea americana, variedad Hass)”
Ingeniera Química Alma Gabriela Aguilar Chan
Instituto Tecnológico de Mérida (2012)

“Análisis cuantitativo por espectrometría del infrarrojo cercano y la transformada de Fourier en disoluciones acuosas de glucosa y sacarosa”
Ingeniera Química Roberta Berenice Itz Chiquil
Instituto Tecnológico de Mérida (2012)

“Evaluación del crecimiento de microalgas de la especie Chlamydomonas reinhardtii en fotobiorreactores tubulares verticales al aire libre”
Químico Industrial Ricardo Alejandro Escalante Paredes
Universidad Autónoma de Yucatán (2010)

“Caracterización de un inhibidor enzimático proveniente de la semilla de aguacate (Persea americana) variedad Hass”
Química Industrial María Concepción Ceballos Chuc
Universidad Autónoma de Yucatán (2010)

“Diseño y caracterización de un fotobiorreactor plano para el cultivo de microalgas”
Ingeniero Físico Gener Antonio Kauil Castillo
Universidad Autónoma de Yucatán (2010)

“Depósito y caracterización de películas delgadas de CdS crecidas por baño químico bajo el efecto de rotación del sustrato”
Ingeniero Físico Andrés Iván Oliva Avilés
Universidad Autónoma de Yucatán (2008)

 

PUBLICACIONES

Artículos de revistas:

S. Martín del Campo, J.; Patiño, R.
“Kinetic and thermodynamic study of the reaction catalyzed by glucose-6-phosphate dehydrogenase with nicotinamide adenine dinucleotide”
Thermochimica Acta 2011, 517, 40-44

von Stockar, U.; Marison, I.; Janssen, M.; Patiño, R.
“Calorimetry and thermodynamic aspects of heterotrophic, mixotrophic, and phototrophic growth”
Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2011, 104, 45-52

Tec-Yam, S.; Patiño, R.; Oliva, A.I.
“Chemical bath deposition of CdS Films on different substrate orientations”
Current Applied Physics 2011, 11, 914-920

Vega-Poot, A.G.; Rodríguez-Gattorno, G.; Soberanis-Domínguez, O.E.; Patiño-Díaz, R.T.; Espinosa-Pesqueira, M.; Oskam, G.
“The nucleation kinetics of ZnO nanoparticles from ZnCl2 in etanol solutions”
Nanoscale 2010, 2, 2710-2717

Oliva-Avilés, A.I.; Patiño, R.; Oliva, A.I.
“CdS Films deposited by Chemicals bath under rotation”
Applied Surface Science 2010, 256, 6090-6095

Patiño, R.; Janssen, M.; von Stockar, U.
“A study of the growth for the microalga Chlorella vulgaris by photo-bio-calorimetry and other on-line and off-line techniques”
Biotechnology and Bioengineering 2007, 96, 757-767

Patiño, R.; Campos, M.; Torres, L.A.
“Strenght of the Zn-N coordination bond in zinc porphyrins on the basis of experimental thermochemistry”
Inorganic Chemistry 2007, 46, 9332-9336

Liu, J.-S.; Vojinovic, V.; Patiño, R.; Maskow, Th.; von Stockar, U.
“A comparison of various Gibbs energy dissipation correlations for predicting microbial growth yields”
Thermochimica Acta 2007, 458, 38-46

Salazar, Y.A.; Patiño, R.; Peña, J.L.; Cauich, W.; Oliva, A.I.
“Physical Properties of CdS/ITO Thin Films Growth by CBD Technique with Substrate Oscillating Agitation”
Brazilian Journal of Physics 2006, 36, 1058-1061

Herrera, S.; Ramos, C.M.; Patiño, R.; Peña, J.L.; Cauich, W.; Oliva, A.I.
“Analysis of the Chemical Bath and its Effect on the Physical Properties of CdS/ITO thin Films”
Brazilian Journal of Physics 2006, 36, 1054-1057

Muñoz, J.; Cahue-López, A.; Patiño, R.; Robledo, D.
“Use of plant growth regulators in micropropagation of Kappaphycus alvarezii (Doty) in airlift bioreactors”
Journal of Applied Phycology 2006, 18: 209-218

von Stockar, U.; Maskow, T.; Liu, J.; Marison, I.; Patiño, R.
“Thermodynamics of microbial growth and metabolism: An analysis of the current situation”
Journal of Biotechnology 2006, 121, 517-533

Janssen, M.; Patiño, R.; von Stockar, U.
“Application of bench-scale biocalorimetry to photoautotrophic cultures”
Thermochimica Acta 2005, 435, 18-27

Artículos para congresos:

Patiño, R.
“Influence of local context on energy policy and innovation”
AAAS Annual Meeting
Boston, Massachusetts (Estado Unidos de América, 2013)

González, R., Muñoz, G., Escobar, B., Patiño, R.
“Sostenibilidad y fuentes renovables de energía en México”
1er Foro Universitario de Energía
México, D.F. (México, 2012)

Patiño, R.
“Sustainable Hydrogen Production in Yucatan”
XII International Congress of the Mexican Hydrogen Society
Mérida, Yucatán (México, 2012)

Patiño, R.; Robledo, D.; S. Martín del Campo, J.
“Production of microalgae biomass and biohydrogen in solar bioreactors”
World Renewable Energy Congress 2011
Linköping, Östergötland (Suecia, 2011)

Cobá, E.; Naranjo, S.; Mora, W.; Fajer, V; Patiño, R.
“Estudios de la fermentación alcohólica en Yucatán por métodos polarimétricos y cromatográficos”
II Simposio Nacional de Fisicoquímica
Ramos Arizpe, Coahuila (México, 2011)

Escalante, R.; Kauil, G.; S. Martín del Campo, J.; Patiño, R.
“Producción de biomasa y biohidrógeno de microalgas en reactores al aire libre”
II Congreso de la Sociedad Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal
Cancún, Quintana Roo (México, 2010)

S. Martín del Campo, J.; Robledo, D.; Patiño, R.
“Producción sostenible de biohidrógeno a partir de microalgas”
II Congreso de la Sociedad Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal
Cancún, Quintana Roo (México, 2010)

S. Martín del Campo, J.; Patiño, R.
“Prototipo para la bioproducción de H2 por Chlamydomonas reinhardtii
X Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno
Toluca, México (México, 2010)

S. Martín del Campo, J.; Patiño, R.
“Métodos de bioproducción de hidrógeno”
X Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno
Toluca, México (México, 2010)

Patiño, R.
“Ecología contra economía: ¿es el biohidrógeno el combustible del futuro?”
IX Congreso Internacional de la Sociedad Mexicana del Hidrógeno
Saltillo, Coahuila (México, 2009)

S. Martín del Campo, J.; Patiño, R.
“Análisis termodinámico y cinético para la oxidación enzimática de la glucosa-6-fosfato con nicotinamida adenina dinucleótido”
XXIV Congreso Nacional de Termodinámica
Puebla, Puebla (México, 2009)

Patiño, R.; Panti, L.; Chávez, P.; Robledo, D.
“A solar photobioreactor for the prooduction of biohydrogen from microalgae”
SPIE Optics+Photonics
San Diego, California (Estados Unidos de América, 2007)

Castro, D.; Patiño, R.
“Estudios espectrofotométricos para evaluar la cinética y la termodinámica de la reacción catalizada por la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa”
XXII Congreso Nacional de TermodinámicaToluca, México (México, 2007)

Otras presentaciones en congresos internacionales:

S. Martín del Campo, J.; Patiño, R.
“Prototypes for the production of biohydrogen from microalgae in solar bioreactors”
1st International Conference on Algal Biomass, Biofuels and Bioproducts
Saint Louis, Missouri (Estados Unidos de América, 2011)

Ceballos, C.; Molina, M.; Escalante-Erosa, F.; Peña-Rodríguez, L.M; Patiño, R.
“Natural inhibition of polyphenol oxidase enzymatic activity in avocados”42nd IUPAC Congress: Chemistry Solutions
Glasgow, Escocia (Reino Unido, 2009)

Santamaría, E.; Kauil, G.; Escalante, R.; Patiño, R.
“Sustainable cultures of microalgae for biohydrogen production”
42nd IUPAC Congress: Chemistry Solutions
Glasgow, Escocia (Reino Unido, 2009)

S. Martín del Campo, J.; Patiño, R.
“Kinetics and thermodynamics of glucose-6-phosphate dehydrogenase-enzymatic reaction with NAD+”
IV International Symposium on Biochemistry and Molecular Biology
La Habana (Cuba, 2009)

Castro, D.; Canché, C.; Patiño, R.
“On-line spectrophotometry to evaluate thermodynamics parameters for the enzymatic reaction with glucose-6-phosphate dehydrogenase”
20th International Conference on Chemical Thermodynamics
Varsovia (Polonia, 2008)

Canul, L.; Sosa, B.; Robledo, D., Patiño, R.
“Solar photobioreactors for sustainable cultures of Chlamydomonas reinhardtii”
11th International Conference on Applied Phycology
Galway, Irlanda (Reino Unido, 2008)

Moo, D.; Ceballos, C.; Trejo, R.; Patiño, R.
“Using the stone of avocados to inhibit the enzymatic oxidation by polyphenol oxidase”
Chemistry in Nature, Natural Resources: chemical, biological and environmental aspects
Montevideo (Uruguay, 2008)

Patiño, R.
“Kinetics and thermodynamics of enzymatic reactions from spectrophotometric in situ measurements”
19th International Conference on Chemical Thermodynamics
Boulder, Colorado (Estados Unidos de América, 2006)

Muñoz, J.; Cahue, A.; Patiño, R.; Robledo, D.
“Micropropagation of red algae Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty for bioreactor culture”
International Conference on Applied Phycology "Algae in Biotechnology and Environment”
New Dehli (India, 2006)

Herrera, S.; Ramos, C.M.; Patiño, R.; Peña, J.L.; Cauich, W; Oliva, A.I.
“Analysis of the chemical bath and its effect on the physical properties of CdS/ITO thin flims”
12o Latin American Conference on Surface Science and its Applications
Angras dos Reis, Rio de Janeiro (Brasil, 2005)

Salazar, Y.A.; Patiño, R.; Peña, J.L.; Cauich, W.; Oliva, A.I.
“Physical properties of CdS/ITO thin films growth by CBD technique with substrate oscillating agitation”
12o Latin American Conference on Surface Science and its Applications
Angras dos Reis, Rio de Janeiro (Brasil, 2005)

Capítulos de libro:

Carlos, S.; Díaz, L.; Patiño, R.
"Capítilo 6. Fundamentos de la bioproducción de hidrógeno"
Tecniologías de hidrógeno y celdas de combustible de fuentes renovables.
Editorial Académica Española, Berlín, 2012

S. Martín del Campo, J.J; Patiño, R.
"Capítulo 5. El biohidrógeno"
La producción de biocombustibles y sus impactos: estudio de casos.
CYTED, La Habana, 2011

Patiño, R.
"Capítulo 7. Las algas"
La producción de biocombustibles y sus impactos: estudio de casos.
CYTED, La Habana, 2011

Carlos, S.; Díaz, L.; Patiño, R.
“Capítulo 6. Bioenergía y biohidrógeno”
Tecnologías solar-eólica-hidrógeno-pilas de combustible como fuentes de energía.
Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, México, 2009.

Patiño Díaz, R.T.; Castillo Herrera, N.A.; Dorantes Camargo, W.R.
“V. Estrategias para la enseñanza innovadora de la química”
Estrategias para la innovación de la enseñanza de las ciencias en secundaria.
Universidad Autónoma de Yucatán, Mérida, 2007.