peliculas de alginato

8/10/2019 peliculas de alginato

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Ingeniera Qumica ITD Residencia Profesional

Gisleym Guadalupe Gonzlez Alvarado

CONSTANCIA DE ACREDITACIN


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Gisleym Guadalupe Gonzlez Alvarado

CONSTANCIA DE ASIGNACIN DE ASESOR INTERNO


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Gisleym Guadalupe Gonzlez Alvarado i

NDICE

NDICE DE FIGURAS ................................................................................................. ii

NDICE DE TABLAS .................................................................................................. iii

NOTACIN ................................................................................................................ iv

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................ v

I. INTRODUCCIN ............................................................................................... 1

1.1 Justificacin ............................................................................................... 1

1.2 Objetivos .................................................................................................... 2

1.2.1 Objetivo General ............................................................................. 2

1.2.2 Objetivos Particulares ..................................................................... 21.3 Caractersticas del rea de Desarrollo ...................................................... 2

1.4 Problemas a Resolver ................................................................................ 4

1.5 Alcances y Limitaciones............................................................................. 5

II. FUNDAMENTO TERICO ................................................................................... 7

2.1 Alginatos .................................................................................................... 7

2.1.1 Estructura del alginato .................................................................... 8

2.1.2 Solubilidad ...................................................................................... 9

2.1.3 Viscosidad ..................................................................................... 102.1.4 Estabilidad de los alginatos slidos ............................................... 12

2.1.5 Estabilidad de soluciones de alginato ........................................... 13

2.1.6 Formacin del gel por entrecruzamiento ....................................... 13

2.2 Intercambio inico y estabilidad del gel ................................................... 14

2.3 Produccin de partculas de alginato por extrusin ................................. 15

III. MATERIALES Y MTODOS .............................................................................. 18

3.1 Unidad experimental ................................................................................ 18

3.2 Diseo experimental ................................................................................ 20

3.3 Fabricacin de partculas ........................................................................ 21

3.4 Procedimiento para la medicin del dimetro de laspartculas ................................................................................................. 23

3.5 Determinacin del intercambio de iones calcio entre el gel yagua destilada ......................................................................................... 25


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3.6 Determinacin del intercambio de iones calcio entre el gel ycloruro de sodio ....................................................................................... 26

3.7 Determinacin colorimtrica del calcio..................................................... 26

3.7.1 Principio del mtodo ..................................................................... 26

3.7.2 Materiales ..................................................................................... 273.7.3 Procedimiento ............................................................................... 27

3.7.4 Elaboracin de curva de calibracin ............................................. 28

IV. RESULTADOS .................................................................................................. 29

4.1 Curva de calibracin ................................................................................ 29

4.2 Determinacin del intercambio de iones calcio entre el gel yagua destilada ......................................................................................... 29

4.3 Determinacin del intercambio de iones calcio entre el gel y

cloruro de sodio ....................................................................................... 31

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...................................................... 33

5.1 Conclusiones ........................................................................................... 33

5.2 Recomendaciones ................................................................................... 33

VI. REFERENCIAS ................................................................................................. 35


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NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Vista satelital del Instituto Tecnolgico de Durango ................................ 3

Figura 1.2 Organigrama del Instituto Tecnolgico de Durango ................................ 4

Figura 2.1 Algas pardas de la familia de las feofceas ............................................. 7Figura 2.2 Monmeros del cido alginico ................................................................. 8

Figura 2.3 Bloques polimricos del acido manurnico (M) y cidogulurnico (G) ......................................................................................... 8

Figura 2.4 Cadenas de alginato mostrando los bloques decopolmeros ............................................................................................ 9

Figura 2.5 Estructura del alginato de calcio. .......................................................... 13

Figura 2.6 Entrecruzamiento de alginato con iones de calcio ................................ 14

Figura 2.7 Representacin del funcionamiento del extrusor .................................. 16

Figura 3.1 Extrusor de partculas esfricas ............................................................ 18Figura 3.2 Compresor de aire ................................................................................ 19

Figura 3.3 Diagrama del equipo ............................................................................. 19

Figura 3.4 Fotografa de partculas. ....................................................................... 23

Figura 3.5 Fotografa de partculas. ....................................................................... 24

Figura 3.6 Partculas con circulo para su medicin del dimetro ........................... 24

Figura 4.1 Grafica de la curva de calibracin ......................................................... 29

Figura 4.2 Concentracin del calcio liberado de las partculas al 0.5%alginato durante la agitacin ................................................................. 30

Figura 4.3 Concentracin del calcio liberado de las partculas al 1%alginato durante la agitacin ................................................................. 30

Figura 4.4 Concentracin del calcio liberado de las partculas al 2%alginato durante la agitacin ................................................................. 31

Figura 4.5 Relacin del cambio de dimetro de las partculas ............................... 32


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NDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Condiciones de operacin del extrusor ................................................. 20

Tabla 3.2 Cantidad de alginato que se debe pesar............................................... 21

Tabla 3.3 Composicin de los reactivos para la determinacin delcalcio ..................................................................................................... 27

Tabla 3.4 Diluciones empleadas para la curva de calibracin .............................. 28

Tabla 4.1 Cambio de dimetro de las partculas debido alintercambio inico ................................................................................. 31


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AGRADECIMIENTOS

Agradezco en este trabajo primeramente a Dios, por permitirme permanecer

y darme la fuerza para seguir en este camino, que me ha llenado de tantas dichasacompaadas de momentos clidos y aventuras.

A mi Madre por ser es apoyo y soporte que hace que no me derrumbe, por

su orientacin en momentos que pareciera no haber solucin, por su amor y

comprensin en todo momento.

A mi Padre que siempre me ha enseado a enfrentar todas las situaciones

que se me presentan y por su paciencia en este recorrido.

A mis hermanos y dems familiares por su apoyo incondicional que siempre

estuvieron al pendiente de m.

A mi amiga Ana que me ha demostrado que es cierto que los amigos son en

las buenas y en las malas, por acompaarme en el laboratorio sin importar el tiempo

y las malpasadas.

Al Dr. Carlos Francisco Cruz Fierro que con el apoyo, tiempo y paciencia me

otorg sus conocimientos y aportaciones que iluminaron mi conocimiento para la

realizacin de mi residencia.

Tambin se agradece a la Q.F.B. Xochitl Garca Hernndez por su ayudapara conseguir algunos de los reactivos necesarios para el proyecto.

Finalmente y no por eso menos importantes a la Dra. Adriana Martnez y el

Dr. Joaqun Pinto por su tiempo para la revisin de este trabajo.

Esta residencia profesional fue financiada indirectamente por el Consejo

Nacional de Ciencia y Tecnologa (CONACYT) a travs del Sistema Nacional de

Investigadores.


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INTRODUCCIN

El alginato de sodio es un material obtenido de cierta variedad de algas

pardas. Una de sus caractersticas ms importantes es su capacidad decombinarse con iones calcio para formar un gel slido estable. El objetivo de este

trabajo es el analizar el intercambio de iones calcio entre el gel y agua destilada, y

entre el gel y soluciones de cloruro de sodio de diferentes concentraciones.

Adicionalmente se pretende encontrar la concentracin necesaria de cloruro de

sodio para disolver completamente el gel.

1.1 JUSTIFICACINSe ha observado (Cruz-Fierro, 2005; Reed, 2006) que al colocar partculas

slidas de alginato de calcio en agua destilada, despus de cierto tiempo aumentan

de tamao. Se cree que es debido a que el calcio tiende a abandonar sus uniones

con las cadenas de cido algnico. Al aumentar el tamao de la partcula, tambin

cambian algunas de sus propiedades como su rea externa y su densidad, lo que

modifica tambin la forma en que esas partculas interactan con el medio en el que

se encuentren. Es importante evaluar esta descalcificacin del gel, para estar encondiciones de determinar si el cambio en las propiedades de las partculas puede

influir en otras pruebas llevadas a cabo con dichas partculas.

Por lo anterior y dado que lo ideal sera mantener las condiciones iniciales de

de las partculas, se requiere mantener una concentracin mnima del in

entrecruzante en la solucin en la que se mantendran las partculas. Es

conveniente evaluar

Tambin se ha considerado que si las partculas se colocan en una solucin

de iones sodio (cloruro de sodio, por ejemplo), el sodio ir eventualmente

reemplazando al calcio de tal forma que las partculas se disolveran. Es importante

verificar esta suposicin ya que habr casos en los que se desear recuperar el

material que se encuentre atrapado en el gel de alginato para su posterior anlisis.


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1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General

Estudiar el intercambio inico del gel de alginato de calcio en

agua destilada y soluciones de cloruro de sodio para determinar

las condiciones necesarias para su estabilidad.

1.2.2 Objetivos Especficos

Evaluar la descalcificacin de las partculas de alginato de calcio en agua

destilada.

Evaluar el intercambio de iones entre el gel de alginato de calcio y soluciones

de cloruro de sodio.

Determinar la concentracin mnima de iones sodio que cause la disolucin

del gel.

1.3 Caractersticas del rea de Desarrollo

El Instituto Tecnolgico de Durango es una institucin pblica con 61 aos deservicio, ubicada en Blvd. Felipe Pescador #1830 Oriente, Colonia Nueva Vizcaya,

Durango, Dgo. 34080. El Instituto ofrece 12 licenciaturas, 4 maestras y 1

doctorado.

En la Figura 1.1 se muestra una fotografa satelital (de Google Earth) del

Instituto Tecnolgico de Durango.


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localiza el extrusor de partculas esfricas (Valero Soria, 2009), que es el aparato

que utilizado para obtener las partculas empleadas en esta investigacin

La Figura 1.2 se muestra la rama del organigrama del ITD correspondiente

solamente al personal involucrado en el desarrollo de la Residencia Profesional.

Figura 1.2Organigrama del ITD (Slo la rama involucrada en eldesarrollo de la residencia)

1.4 Problemas a Resolver

La principal desventaja del uso del alginato de calcio radica en su naturaleza

hidrocoloidal lo que hace que las partculas de alginato se vuelvan susceptibles a

cambios dimensionales por el intercambio inico.

Es por ello que se requiere condiciones adecuadas en la solucin donde se

encuentren las partculas, para mantener las partculas sin cambios. Sin embargo,

otros proyectos de investigacin en progreso requieren precisamente emplear

partculas de alginato en un medio que no necesariamente contiene el calcio


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requerido para lo cual conviene establecer cul es la concentracin mnima que

permite mantener la estabilidad y tamao de las partculas.

1.5 Alcancesy Limitaciones

Este proyecto tiene en primera instancia un alcance local; dado que los

resultados que se obtengan de los anlisis realizados a las partculas sern tiles

para investigaciones posteriores dentro de la misma institucin; pero indirectamente

tambin los resultados de esta investigacin contribuirn a un mejor estudio de las

partculas utilizadas por ejemplo para el encapsulamiento de microorganismos, ya

que no se ha logrado saber con exactitud el comportamiento de estos dentro de las

partculas que ya no se encuentran en la solucin original y si es que sucedieronalgunos cambios.

Potencialmente, el alcance del proyecto puede ser mucho mayor, ya que el

fenmeno de descalcificacin fue observado durante el desarrollo de proyectos de

investigacin en la Oregon State University (Cruz-Fierro, 2005; Reed, 2006), por lo

que futuros proyectos desarrollados ah y en otros lados pueden beneficiarse de la

informacin obtenida en esta investigacin.

Las limitaciones para la realizacin de esta residencia, fueron

afortunadamente resueltas, aunque s se presentaron algunas situaciones que

dificultaron el desarrollo del proyecto:

El proveedor de reactivos qumicos tard aproximadamente dos meses en

surtir uno de los reactivos (o-cresolftalena).

El extrusor se encuentra en el laboratorio anexo y sin un espacio especfico

para guardarlo, lo que desafortunadamente dio origen a vandalismo. El

manmetro fue robado y aparentemente tambin trataron de quitar el

rotmetro, rompindolo y ocasionando que quedara suelto. El manmetro

fue repuesto y el rotmetro se repar pegndolo a la base.


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Debido aparentemente a fallas de diseo, las tuercas y tornillos de la tapa se

barrieron, por lo cual fue necesario cambiarlas. Tambin fue necesario

cambiar el empaque para evitar fugas de aire del contenedor.

El extrusor es de uso compartido con otros proyectos de investigacin.

Debido a la falta de comunicacin y a malos entendidos, hubo confusin

respecto al uso de los reactivos y de las piezas del extrusor.

Al principio de la realizacin de la residencia, al implementar el mtodo de la

o-cresolftalena para cuatificar el calcio, haba incertidumbre sobre la composicin

de una de las soluciones. Inicialmente se haba entendido que la

8-hidroxiquinolena era slo un agente para impedir la interferencia de otra

sustancia (iones magnesio). Sin embargo, al hacer las primeras corridas paraobtener una curva de calibracin, se volvi aparente que dicho reactivo era en

efecto necesario para el desarrollo de la reaccin qumica. Afortunadamente fue

posible conseguir este reactivo con lo cual se obtuvieron resultados satisfactorios.


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II. FUNDAMENTO TERICO

2.1 Alginatos

El alginato es un componente de la pared celular de las algas pardas

(Figura 2.1) de la familia de las "feofceas" (McHugh, 1987). Se encuentra formando

un complejo insoluble de cido algnico y sus sales clcica, magnsica y de metales

alcalinos en varias proporciones.

Figura 2.1Algas pardas de la familia de las feofceas

Los alginatos se emplean en productos alimenticios, farmacuticos, textiles

entre otros. En la industria alimenticia son utilizados como espesantes o

estabilizantes en jugos de frutas, salsas, cremas o cervezas. Algunas de sus

aplicaciones farmacuticas son espesantes de emulsiones, jarabes y cremas. Otras

aplicaciones industriales son las propiedades de formacin de pelculas, interaccin

con silicatos y espesantes y estabilizadores en barnices y pinturas.

La produccin comercial sostenida de alginatos comenz en 1929 por la

compaa Kelco en California (McHugh, 1987). En 1934 se inici la produccin a

escala limitada en Gran Bretaa y ms tarde, durante la Segunda Guerra Mundial,

surgi la industria de alginatos en Noruega, Francia y Japn

(http://miiksci.unizar.es/bioquimica/temas/azucares/algnato.htmL).


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2.1.1 Estructura del alginato

El cido algnico y sus sales son biopolmeros polielectrolitos. Est formado

por dos tipos de unidades monomricas (McHugh, 1987): el cido -D-manurnico y

el cido -L-gulurnico (Figura 2.2).

cido -D-manurnico cido -L-gulurnico

Figura 2.2 Monmeros del cido algnico

Tpicamente, el cido algnico est conformado como copolmero en bloques,

con secciones de unidades manurnicas alternadas con secciones de unidades

gulurnicas (Figuras 2.3 y 2.4). La estructura de un cido algnico en particular

depende de qu especie de alga se utilice como materia prima.

Bloque M

Bloque G

Figura 2.3Bloques polimricos de cido manurnico (M) y cidogulurnico (G)


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Figura 2.4Cadenas de alginato mostrando los bloques decopolmeros M y G

El grado de polimerizacin (GP) de un alginato es una medida del peso

molecular promedio de sus molculas y corresponde al nmero de unidades de

cidos urnicos en la cadena polimrica.

2.1.2 Solubilidad

El alginato, en forma de sal sdica, potsica o magnsica, es soluble en

soluciones acuosas a pH mayores de 3.5. Las sales de cationes monovalentes [Na+,

K+, NH4+, (CH2OH)3NH

+] del cido algnico y su ster de propilenglicol son solubles

en agua. Por el contrario, el acido algnico y sus sales con cationes polivalentes

como el calcio son insolubles en agua. El alginato tambin es soluble en mezclas de

agua y solventes orgnicos miscibles con ella pero es insoluble en leche, por la

presencia de calcio.

La solubilidad del alginato es influida por factores fsicos y por factores

qumicos, los cuales se detallan a continuacin.

Factores fsicos: La solubilizacin de los compuestos de alginato se ve

afectada tanto por el tamao como por la forma de las partculas. Usualmente se

prefiere un material de partculas gruesas que resultan ms fciles de dispersar y

suspender, aunque tienen una baja velocidad de hidratacin. Las partculas finas sedisolvern ms rpidamente, pero existe mayor riesgo de que se aglomeren; ste

efecto puede disminuirse mezclando el alginato con otro polvo, por ejemplo azcar.

Al incrementarse la concentracin de alginato, la solucin pasa de un estado de


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lquido viscoso a una pasta espesa, punto en el cual se vuelve muy difcil de

dispersar el alginato remanente.

Factores qumicos: La solubilizacin de estos productos en agua resulta

difcil si se realiza en presencia de compuestos que compiten con las molculas de

alginato por el agua necesaria para su hidratacin. As, la presencia de azcares,

almidn o protenas en el agua reducir la proporcin de hidratacin y se requerirn

mayores tiempos de mezcla. Las sales de cationes monovalentes (como el NaCl)

tienen un efecto similar en concentraciones cercanas al 0.5%. Por lo tanto es

recomendable agregar todas estas sustancias despus de que el alginato fue

hidratado y disuelto.

La presencia de pequeas cantidades de cationes polivalentes inhibe la

hidratacin de los alginatos y proporciones elevadas de los mismos causan su

precipitacin. El alginato sdico resulta de difcil disolucin en aguas duras y leche

debido a que ambas contienen iones calcio; stos deben ser primero secuestrados

con un agente complejante tal como hexametafosfato de sodio o cido

etilendiaminotetraactico (EDTA).

Los alginatos en general son insolubles en solventes miscibles con el agua

como alcoholes y cetonas. Las soluciones acuosas (1%) de la mayora de los

alginatos toleran la adicin de 10 a 20% de tales solventes; pero proporcionesmayores impiden una correcta hidratacin de las molculas.

2.1.3 Viscosidad

La viscosidad es la caracterstica principal de las soluciones de alginato y

junto a su reactividad frente a los cationes polivalentes como el calcio, es la que

genera las caractersticas nicas de tales compuestos como espesantes,

estabilizantes, gelificantes, etc.

Las soluciones de alginato exhiben una alta viscosidad, que depende

principalmente de la concentracin y de la estructura molecular y grado de

polimerizacin del alginato usado. Comercialmente se producen alginatos

(principalmente alginato de sodio) de baja, media y alta viscosidad (esto se refiere a

la viscosidad de sus soluciones acuosas al 1%),


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Las soluciones de alginato tienen un comportamiento no newtoniano (Corral

Martnez, 2009). A las concentraciones empleadas en la mayora de las

aplicaciones, las soluciones de alginato tienen un comportamiento pseudo plstico,

es decir que la viscosidad decrece al aumentar la rapidez de corte o gradiente de

velocidad (por agitacin o bombeo). Este efecto es reversible, excepto a

velocidades de corte muy elevadas, y es ms marcado en las soluciones de

alginatos de alto peso molecular y las de alginato sdico que contienen iones calcio.

Algunas de estas soluciones pueden presentar incluso un comportamiento

tixotrpico, en el cual la viscosidad vara con el tiempo a una velocidad de agitacin

constante.

La viscosidad de las soluciones de alginatos puede ser muy variable y es

funcin de numerosos factores, entre los que cabe mencionar los siguientes:

Peso molecular: Cuanto mayor es peso molecular del alginato, ms

viscosas resultan sus soluciones. Los productores pueden controlar el peso

molecular de los compuestos de alginato (grado de polimerizacin) variando las

condiciones de extraccin y manufactura. Se ofrecen generalmente productos con

grado de polimerizacin comprendidos entre 100 y 1000 unidades, que dan

viscosidades en el rango de 0.01 a 1 Pas para soluciones al 1%.

Concentracin: Los alginatos comerciales pueden obtenerse en diferentesgrados de viscosidad (alto, medio y bajo) la que puede controlarse variando las

concentraciones empleadas dentro de un rango ms o menos estrecho. El alginato

de sodio ms extensamente empleado presenta una viscosidad de 0.2 a 0.4 Pas

en soluciones al 1% en agua (McHugh, 1987), comparado con una viscosidad de

0.001 Pas para el agua destilada. La viscosidad se eleva muy rpidamente al

aumentar la concentracin por encima del 2%.

Temperatura: Las soluciones de alginatos se comportan igual que otros

fluidos en la dependencia de la viscosidad con la temperatura: dentro de cierto

rango, la viscosidad de tales soluciones decrece aproximadamente 2.5% por cada

grado de incremento en la temperatura. El proceso es reversible, pudiendo la

solucin volver a su viscosidad inicial por enfriamiento. Sin embargo, si las

soluciones de alginatos se mantienen a temperaturas elevadas (50C) durante


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perodos extensos, la viscosidad decrece irreversiblemente debido a un proceso de

despolimerizacin.

pH: La viscosidad de las soluciones de alginato de sodio es casi

independiente del pH en el rango entre 5 y 10, presentando un valor ligeramente

mayor cerca de la neutralidad (pH 6-8) debido a efectos repulsivos de los grupos

carboxilos cargados negativamente (COO), los que mantienen extendidas las

cadenas del polmero e incrementan su capacidad de unin de molculas de agua.

Por debajo de pH 4.5 la viscosidad tiende a incrementarse por la disminucin de la

solubilidad del cido algnico libre, el cual precipita en forma de gel a un pH de

3 a 3.5.

Fuerza inica: la viscosidad de las soluciones de alginato de sodio decrece

levemente por la adicin de sales de cationes monovalentes. Como es frecuente

con otros poli-electrlitos, el polmero en solucin tiende a contraerse al aumentar la

fuerza inica de la misma. Este efecto se hace mximo a concentraciones salinas

cercanas a 0.1 N.

2.1.4 Estabilidad de los alginatos slidos

Los diferentes compuestos de alginato presentan pequeas diferencias en

cuanto a estabilidad: con ciertas excepciones, la regla general es que loscompuestos con un elevado grado de polimerizacin son menos estables que

aquellos con un grado de polimerizacin bajo.

El cido algnico es el menos estable de los productos, ms an aquellos

materiales con alto grado de polimerizacin en los cuales las largas cadenas

pueden degradarse en unidades menores en unos pocos meses a temperatura

ambiente. Sin embargo, los compuestos de cadenas ms cortas resultan estables.

Independientemente de las diferencias mencionadas en cuanto a estabilidad,

todo compuesto algnico comercial deber almacenarse en un lugar fresco a

temperaturas de 25C o menores, pues la elevacin de la misma puede causar una

significante depolimerizacin que afecta las propiedades comercialmente tiles

como la viscosidad y la fuerza de los geles. El rea de almacenaje deber tambin

tener un medio de control de la humedad ambiente a fin de que el producto no


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supere su contenido usual de humedad (10-13%), lo que incrementa la

depolimerizacin.

2.1.5 Estabilidad de soluciones de alginato

Las soluciones neutras de alginatos de baja a media viscosidad pueden ser

mantenidas a 25C por varios aos sin apreciable prdida de viscosidad y adems

con muy baja susceptibilidad al ataque microbiano. La disminucin de la viscosidad

de las mismas (que se produce comnmente durante almacenaje prolongado) es

una medida de la extensin de un proceso de depolimerizacin del alginato.

Adems, las soluciones de alginatos altamente polimerizados son poco

estables an a temperatura ambiente y tienen tendencia a sufrir depolimerizacin a

medida que se incrementa la temperatura.

2.1.6 Formacin de gel por entrecruzamiento

Entrecruzamiento (crosslinking en ingls) es el proceso de unirse

qumicamente dos o ms molculas, generalmente polmeros, por enlaces

covalentes o inicos.

Cuando dos cadenas de bloque G de alginato se alinean, se forma sitios de

coordinacin debido a la forma de bucles de estas cadenas. Las cavidades que se

forman entre ellas tienen el tamao adecuado para acomodar un catin como por

ejemplo al in calcio. Adems, los grupos carboxlicos y otros tomos de oxgeno

electronegativos son ligandos favorables y permiten un alto grado de coordinacin

con los iones calcio (Acha de la Cruz, 1999). Este modelo es llamado el modelo de

la caja de huevos (Morris et al.,1978), ilustrado en la Figura 2.5.


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Figura 2.5 Estructura del gel de alginato de calcio

Por esta afortunada circunstancia estructural, se puede emplear cationes

polivalentes como agentes entrecruzantes para solidificar soluciones de alginato de

sodio y formar geles mecnicamente estables. El catin ms empleado es el calcio

(Ca2+), pero tambin se emplean Ba2+ y Al3+, entre otros. Al suministrar dichos

cationes, stos comienzan a reemplazar al sodio en los extremos carboxlicos del

alginato. Por su valencia mltiple, estos cationes actan atrayendo

electrostticamente los extremos aninicos de dos cadenas adyacentes de alginato

(Figura 2.6).

2Ca +

2Ca +

Figura 2.6 Entrecruzamiento de alginato con iones calcio (Kendall,2006)

La estabilidad del gel depende de la composicin qumica del alginato

empleado (Kendall, 2006) y del catin polivalente entrecruzante empleado

(Darrabie, 2006). Se requiere que el medio en el que se mantendrn las partculas

tenga una concentracin mnima del in entrecruzante para evitar la disgregacin

del alginato entrecruzado (por ejemplo, 0.003 M Ca+2). Adems, no debe incluir

agentes quelantes o secuestrantes, como el cido etilendiaminotetraactico (EDTA).


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2.2 Intercambio inico y estabilidad del gel

El intercambio inico es una reaccin qumica reversible que tiene lugar

cuando un ion de una disolucin se intercambia por otro ion de igual signo que se

encuentra unido a una partcula slida inmvil. Este proceso tiene lugar

constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgnica como en las clulas

vivas.

En el caso del alginato, al entrecruzarse las cadenas del polmero con el

cloruro de calcio est ocurriendo una reaccin de intercambio inico, en la que el

sodio es remplazado por calcio, dando al gel su consistencia slida caracterstica.

Dado que la reaccin se supone reversible, es posible en principio remplazar el

calcio a su vez con otros iones. Por ejemplo, si las partculas de alginato de calciose dejan en una solucin que contenga iones aluminio Al3+, el aluminio puede

intercambiarse con el calcio. Por su mayor valencia, el gel de alginato de aluminio

tiene una mayor dureza que el alginato de calcio.

Si las partculas de alginato de calcio se colocan en una solucin con cero

concentracin de calcio, pueden eventualmente sufrir una reaccin de intercambio

inico en la que pierdan iones calcio a favor de otros iones presentes en la solucin,

originando la descalcificacin del gel y la modificacin (o prdida) de sus

caractersticas deseables.

En agua destilada, el intercambio ocurrira entre los iones calcio Ca2+ y los

iones hidrgeno H+, dando lugar a la formacin de cido algnico. Por otro lado, si

la solucin contiene una elevada concentracin de iones sodio Na+, stos

remplazaran al calcio, regenerando as el alginato de sodio.

La bsqueda bibliogrfica realizada no dio indicacin de que este tipo de

intercambio inico en gel de alginato haya sido estudiado con anterioridad.

En principio, si la concentracin de iones sodio es suficientemente elevada,todo el calcio sera intercambiado y el gel se volvera inestable, volviendo a

convertirse en una fase lquida. Tampoco hay indicaciones en la bibliografa de que

este lmite de estabilidad de las partculas haya sido determinado.


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2.3 Produccin de partculas de alginato por extrusin

En trminos generales la extrusin consiste en dar forma o moldear una

masa hacindola salir por una abertura especialmente dispuesta. En la industria, la

extrusin consiste en la utilizacin de un flujo continuo de materias primas para la

obtencin de productos, generalmente metalrgicos, plsticos y alimenticios, en la

que las materias primas son sometidas a fusin, presin, transporte o deformacin.

Un mtodo para producir partculas slidas de alginato consiste en extruir

una solucin de alginato de sodio a travs una aguja para formar gotas esfricas

que caen a una solucin entrecruzante de cloruro de calcio. Este tipo de partcula

slida ha sido empleada en diversas investigaciones, como en el estudio del

comportamiento de partculas magnetizables en un lecho fluidizado (Pinto-Espinoza,2002), as como tambin los efectos hidrodinmicos de la formacin de cadenas de

partculas en un lecho magnetofluidizado, (Cruz-Fierro, 2005).

La extrusin es el principio bsico del funcionamiento del prototipo de

produccin de partculas. Se va a emplear una solucin de alginato de sodio, ya que

debido a su alta viscosidad se puede aplicar aire a alta presin o ya sea una bomba

de jeringa para forzar a que la solucin salga por la aguja, de donde caer por

medio de la gravedad.

La partcula comienza a formarse como un menisco liquido en forma de cono

invertido, en la punta de la aguja una vez que se suministra el aire al generador de

partculas. Cuando el lquido fluye hacia abajo forma un filamento que se rompe y

crea una forma esfrica (Rhee, 1998).

El tamao de la gota se puede controlar haciendo pasar una corriente de aire

(aire de corte), para ejerce mayor fuerza para que se desprenda la gota (Figura 2.7).


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Figura 2.7Representacin del principio de funcionamiento del

extrusor

Adems de la concentracin de la solucin de alginato, el tamao de las

partculas tambin depende de la presin de aire dentro del contenedor, del flujo de

aire de corte y de la viscosidad de la solucin.


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III. MATERIALES Y MTODOS

3.1 Unidad experimental

El equipo utilizado fue el extrusor de partculas esfricas (Figura 3.1), el cual

consta de un contenedor presurizado para la solucin de alginato y una cmara de

corte. El aire a presin requerido para el funcionamiento del extrusor es

proporcionado por un compresor marca Husky Pro modelo VT631503AJ

(Figura 3.2).

Figura 3.1Extrusor de partculas esfricas


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Figura 3.2Compresor de aire

En la Figura 3.3 se muestra el diagrama esquemtico del funcionamiento del

extrusor que se utiliz para la elaboracin de las partculas esfricas.

Figura 3.3Diagrama del equipo de extrusin(Adaptado de Valero Soria, 2009)


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Para la produccin de las partculas se introduce la solucin de alginato de

sodio en el tanque y esta fluye hasta llegar a la punta de la aguja, por efecto de la

presin proporcionada por el compresor. Las gotas de alginato caen en un vaso de

precipitado en el cual se encuentra la solucin de cloruro de calcio; al entrar las

soluciones en contacto se solidifica el gel formando las partculas.

El aire que se suministra por medio del compresor nos permite controlar el

flujo de corte, y as el dimetro de las partculas.

3.2 Diseo experimental

Para desarrollar este trabajo se hicieron varios lotes de partculas a tres

diferentes concentraciones de alginato de sodio: 0.5%, 1% y 2% peso. Lascondiciones de operacin del extrusor (Tabla 3.z) se mantuvieron constantes y

fueron definidas en base a los resultados obtenidos por Valero Soria (2009).

Tabla 3.1 Condiciones de operacin del extrusor

Presin en el contenedor de la solucin 103 kPa (15 psi)

Flujo del aire de corte 5 L/min

Aguja Calibre 20

Para la reaccin de las partculas en cloruro de sodio se parti de una

concentracin mnima de 0.1% hasta una concentracin saturada.


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3.3 Fabricacin de las partculas

A continuacin se muestran los pasos a seguir para la preparacin de las

soluciones de alginato para la produccin del gel.

1. Medir 100 mL de agua destilada en una probeta de 100 mL.

2. Vaciar el agua destilada en un vaso de precipitado de 250 mL.

3. Colocar el vaso de precipitado en el agitador de propela.

4. Pesar la cantidad de alginato necesaria para la concentracin que se va a

utilizar (ver Tabla 3.2) en un vidrio de reloj.

5. Agregar poco a poco el alginato de sodio al vaso de precipitado,manteniendo la agitacin constante, y evitando la formacin de grumos y/o

burbujas.

6. Mezclar la solucin por unos minutos hasta tener una mezcla homognea. La

velocidad del agitador puede mantenerse constante a medida que aumenta

la viscosidad de la solucin.

7. En caso de que la mezcla presente burbujas en la parte superior despus de

la agitacin, dejar reposar unos minutos para que las burbujas formadas

desaparezcan.

Tabla 3.2Cantidad de alginato que se debe pesar

Concentracin dealginato ( %peso )

Cantidad a pesar( g )

0.5 0.51.0 1.02.0 2.0

Una vez preparada la solucin se lleva a cabo el siguiente procedimiento

para la elaboracin de las partculas:


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1. Lavar el contenedor y la cmara para evitar que alguna basura tape la salida

de la solucin durante la extrusin.

2. Instalar la aguja del calibre requerido dentro de la cmara de corte,

asegurndose de que quede bien centrada.

3. Vaciar la solucin de alginato de sodio al contenedor.

4. Tapar el contenedor de solucin y verificar que no haya fugas de aire.

5. Regular la presin del contenedor al nivel requerido.

6. Regular el flujo de aire en la cmara al nivel requerido.

7. Colocar el vaso con la solucin de entrecruzante de CaCl2 a una

concentracin de 0.1 M debajo de la aguja en donde van a caer las gotas de

alginato de sodio.

8. Una vez terminada la extrusin, se dejan reposar las partculas de alginato de

sodio en la solucin entrecruzante alrededor de 15 a 30 minutos para permitir

la solidificacin del interior de la gota.

Es importante mantener constante la presin y flujo en la cmara para

intentar mantener el dimetro de las partculas lo ms uniforme posible. Las

partculas se pueden conservar en una solucin de cloruro de calcio 0.003 M, (Cruz-

Fierro 2005).Una vez terminado de extruir la solucin de alginato de sodio se procede a la

limpieza y desmonte del equipo de produccin de partculas, de acuerdo al

procedimiento siguiente:

1. Cerrar el regulador de presin del equipo.

2. Retirar el canalizador de flujo de corte.

3. Retirar la cmara de corte.

4. Quitar la aguja y limpiarla con agua y a su vez introduciendo un alambre para

quitar cualquier residuo de solucin.

5. Abrir el regulador de presin al mximo para que expulse todos los residuos

de la solucin, hasta que deje de salir alginato de sodio.


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6. Cerrar el regulador y desconectar la manguera que suministra aire al tanque

y abrir la tapa.

7. Retirar el contenedor y limpiarlo con agua.

8. Colocar el contenedor, tapar el tanque conectar la manguera y cerrar la

vlvula del compresor de aire.

3.4 Procedimiento para la medicin del dimetro de las partculas

Para la medicin del dimetro de las partculas se utiliz un software

CorelDRAW 12, una caja de petri, una regla de 30 cm y una cmara digital de alta

definicin.

1. Colocar una muestra representativa de partculas de alginato de sodio de un

lote en la caja petri y agregar agua hasta cubrirlas.

2. Colocar la caja de petri sobre una superficie plana y de color uniforme. Ya

que a las partculas no se les agrega ningn aditivo que las haga ms

visibles, en este caso lo ms recomendable es usar una cartulina negra de

fondo.

3. Colocar una regla como referencia a un lado de la caja de petri.

4. Tomar una fotografa de la caja de petri junto con la regla, utilizando la mejor

resolucin posible (Figura 3.4). Es conveniente utilizar un tripi para colocar

la cmara para obtener una fotografa ntida.


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Figura 3.4 Fotografa de partculas

5. Empleando un software de procesamiento de fotografas, ajustar el brillo y

contraste de la imagen para resaltar las partculas (Figura 3.5).

Figura 3.5 Fotografa digital de las partculas antes (izquierda) ydespus (derecha) de ajustar el brillo y el contraste.

6. Transferir la fotografa contrastada al software de dibujo vectorial.

7. Elegir la herramienta para dibujar crculo o elipse y trazar sobre cada

partcula un crculo que corresponda a su tamao (Figura 3.6).


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Figura3.6Partculas con circulo para su medicin del dimetro.

8. Como las partculas no son perfectamente esfricas, el crculo trazado es en

realidad una elipse, por lo que se obtiene un promedio del crculo entre elancho y el alto de la elipse reportado por el programa. Este valor no es el

dimetro real de la partcula por que depende del tamao dado a la fotografa

cuando se import. Para obtener el dimetro real, usar la herramienta de

cotas para medir 1 cm de la regla en la parte superior y 1 cm en la parte

inferior, y promediar estas medidas para compensar por la perspectiva. El

dimetro real se obtiene entonces con la Ecuacin 3.1.

=

reglalaencm1delongitud

cm1crculodeldimetropartculaladeDimetro (3.1)


agua destilada

Para utilizar las partculas antes de los anlisis se hace lo siguiente:

1. Desaguar en un colador ya que es necesario separarlas de la solucin de

cloruro de calcio en el que estaban contenidas.


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2. Lavar tres veces en medio litro de agua destilada durante 10 minutos cada

vez, para eliminar por difusin el calcio que se encuentra en la solucin que

permea el gel (calcio libre).

3. Ubicar en una parrilla un vaso de precipitado con 1 L de agua destilada y un

agitador magntico.

4. Vaciar las partculas en el vaso de precipitado y comenzar la agitacin. Este

momento corresponde al tiempo cero.

5. Tomar muestras de 0.5 mL del lquido agitado a intervalos de tiempo

regulares.

6. Analizar las muestras para determinar su contenido de calcio.


solucin de cloruro de sodio.

1. Desaguar en un colador ya que es necesario separarlas del cloruro de en el

que estaban contenidas

2. Lavar tres veces en medio litro de agua destilada durante 10 minutos cada

vez, para eliminar por difusin el calcio que se encuentra en la solucin que

permea el gel (calcio libre).

3. Preparar una solucin con diferentes concentraciones de cloruro de sodio en

100 mL de agua destilada.

4. Colocar las partculas de las diferentes concentraciones segn sea el caso

previamente preparadas en la solucin de cloruro de sodio y observar si se

disuelve la partcula.

5. Tomar una fotografa digital para luego medirles el dimetro.


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3.7 Determinacin colorimtrica de calcio

3.7.1 Principio del mtodo

La medicin del calcio se basa en la formacin de un complejo coloreadoentre el calcio y la complexona de la cresolftaleina en 8-hidroxiquinolena, en medio

alcalino:

Ca+++ o-Cresolftalena ComplexonaOH

Complejo coloreado

El complejo de color prpura absorbe a 570nm (550-580nm). La intensidad

del color es proporcional a la concentracin del calcio. Ocasionalmente se agregan

intensificadores del color y agentes estabilizadores para minimizar la interferencia atravs de otros iones metlicos.

Esta prueba es muy sensible, por lo que el uso de materiales desechables es

aconsejable. La cristalera debe lavarse con cido clorhdrico diluido y despus a

fondo con agua destilada.

Rastros de agentes quelantes tales como EDTA, que pueden estar presentes

en los detergentes, pueden impedir la formacin del complejo coloreado.

Es importante mencionar que esta tcnica fue adaptada de tcnicas

reportadas en la bibliografa (Chronolab, 2002).

3.7.2 Materiales

Se requieren los siguientes materiales bsicos para aplicar la tcnica

colorimtrica:

Pipetas de 5 y 1 mL.

Vasos de precipitado de 250 mL. Tubos de ensayo.

Rejilla.

Cronmetro.

Espectrofotmetro.


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Celdas para espectrofotmetro.

Las soluciones reactivas empleadas se preparan con la siguiente

composicin:

Tabla 3.3 Composicin de los reactivos para la determinacin del calcio

R 1Tampn

Etanolamina 500 mmol/L

R 2Cromgeno

o-Cresolftalena8-Hidroxiquinolena

0.62 mmol/L69 mmol/L

3.7.3 Procedimiento

1. Preparar los reactivos de trabajo.

2. Identificar los tubos por blanco y enumerarlos.

3. Agregar 0.5 mL de la muestra a los tubos respectivos y mezclar.

4. Agregar 1.5 mL de cada reactivo.

5. Permitir descansar durante al menos 5 min a temperatura ambiente.

6. Ajustar el espectrofotmetro a cero frente a agua destilada a 570nm.

7. Leer y registrar la absorcin de todos los tubos. El color es estable por lo

menos 40 min.

3.7.4 Elaboracin de curva de calibracin

Para el anlisis de la determinacin de calcio fue necesario primero hacer

una curva de calibracin, partiendo de una solucin de calcio de concentracin

conocida. El procedimiento fue el siguiente:

1. Se prepar una solucin estndar de 0.250 gr de CaCl2 en 250 mL de agua

(6.802 mmol/L).

2. En tubos de ensaye de mezclo cloruro de calcio y agua de la siguiente

manera:


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RESULTADOS

4.1 Curva de calibracin

La Figura 4.1 muestra la curva de calibracin obtenida para la determinacin

colorimtrica de calcio por el mtodo de la o-cresolftalena.

y = 0.0063x + 0.0284

R2= 0.9915

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5

CONCENTRACIN (mmol/L)

ABSORBANCI

A

Figura 4.1Grafica de la curva de calibracin basada en la solucinestndar de cloruro de calcio.


agua destilada

Las Figuras 4.2 a 4.4 muestran la evolucin de la concentracin de calcio enel agua destilada en funcin del tiempo, para cada una de las concentraciones de

alginato empleadas. Puede apreciarse un comportamiento similar a un proceso de

primer orden. Se esperara que la concentracin de calcio en la solucin fuera

proporcionalmente mayor dependiendo de la concentracin de alginato en las


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partculas. Sin embargo, no se observa una clara tendencia acorde con esa

expectativa.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100

TIEMPO(min)

CO

NCENTRACION(mmol/L)

Figura 4.2Concentracin del calcio liberado de las partculas de0.5% alginato durante la agitacin en agua destilada.


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0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

TIEMPO(min)

CONCENTRACIN(m

mol/L)

Figura 4.3Concentracin del calcio liberado de las partculas de1% alginato durante la agitacin en agua destilada.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 20 40 60 80 100

TIEMPO(min)

CONCENTRACIN(mmo/L

Figura 4.4Concentracin del calcio liberado de las partculas de2% alginato durante la agitacin en agua destilada.


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solucin de cloruro de sodio.

Al determinar los resultados de este experimento la base fue el dimetroinicial y el final, despus de haber estado en contacto con el agua destilada y el

cloruro de sodio.

Tabla 4.1 Cambio de dimetro de las partculas debido al intercambio inico

Dimetro promedio (mm)0.5% 1% 2%

En CaCl2 2.18 2.01 2.39Despues de 90 min en H2Odestilada 2.38 2.48 2.75Despues de 15 hs en NaCl al35% 1.53 1.98 2

Error! Objects cannot be created from editing field codes.

Figura 4.5 Relacin del cambio del dimetro de las partculascuando fueron colocada en agua (serie 1) y cuando estuvieron en

cloruro de sodio (serie 2).

El comportamiento de las partculas en la solucin de cloruro de sodio no fue

el esperado, y menos an el hecho de que stas disminuyeran de tamao. Se

esperaba observar la desintegracin de las partculas debido a la regeneracin del

alginato de sodio al darse el intercambio inico entre el calcio y el sodio.

Adicionalmente se observ que la consistencia del gel cambiaba despus de

permanecer en la solucin de cloruro de sodio: las partculas conservaban la forma

esfrica pero haban perdido mucho de su resistencia mecnica y eran fcilmente

aplastables.


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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

De acuerdo a los objetivos planteados inicialmente en el proyecto, se puede

concluir lo siguiente:

Que el determinar la estabilidad de las partculas tendra que llevarse a cabo

con ms tiempo, para poder cuantificar el calcio liberado por el gel al realizarse el

intercambio inico. Desafortunadamente en este trabajo no se logr concretar, sin

embargo, los resultados nos sirven de punto de comparacin para investigaciones

posteriores.

Utilizar el alginato en un proceso de gelacin inica servira para inmovilizarclulas; pero debe tenerse en cuenta que si posteriormente se quiere analizar

dichas clulas no puede llevarse a cabo desintegrando el gel por intercambio con

iones sodio. Se comprob que la formacin de alginato de calcio es un proceso

bsicamente irreversible, ya que unos de los objetivos era encontrar la

concentracin de cloruro de sodio necesaria para desintegrar completamente las

partculas, pero no se desintegraron incluso en salmuera saturada.

Por otro lado el hecho de que las partculas se ensanchen o expandan enagua destilada nos lleva a suponer que este proceso se debe ms a smosis que a

intercambio inico, y que alginato como gel al estar inmerso en un lquido lo

incorpora a su estructura.

5.2 Recomendaciones

Se recomienda que se hagan ms anlisis a las partculas pero en

soluciones de cloruro de sodio, ya que su desintegracin no se logr, una

sugerencia seria calentarlas dado que los alginatos se deterioran con rapidez a

temperaturas elevadas, probablemente se deba a la despolimerizacin del alginato.


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Se deben tomar en cuanta todas las condiciones que se crea pueden afectar;

como el hecho de dejar las partculas expuestas al medio ambiente hace que estas

tiendan a contraerse al ir perdiendo agua por evaporacin.

Por ultimo recomendara que se buscara algn otro compuesto o sustancia

que permitiera la desintegracin total de las partculas o disolucin del gel, no se

pretende que una vez que ya se hicieron se deshagan, simplemente que si se les

da un uso para encapsular algn microorganismo en el momento que se requiera

saber que esta sucediendo con ellos dentro de stas, puedan ser analizados.


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