Liofilización

LIOFILIZACIÓN

**CONCEPTO**
La liofilización es un proceso de deshidratación de productos bajo presión baja (vacío) y moderada temperatura. En este proceso no ocurre la evaporación del agua a partir del estado líquido -normal en procesos de secado- sino la sublimación del hielo. Por este motivo los productos deben permanecer obligatoriamente solidificados, es decir, congelados durante el secado. La liofilización viene a ser un conjunto de procesos, no solamente el secado cuyo resultado será la obtención de un producto seco pero manteniendo las características iniciales del mismo como son la textura, el color, aroma, y sabor, es lo que lo hace diferente de los procesos de deshidratación.


 * ORÍGENES DE LA LIOFILIZACIÓN**

La liofilización viene hacer un conjunto de desde el año 200 a.C, los incas, gracias a las condiciones naturales que hay en la cima de los Andes, por la noche los alimentos se congelaban a las bajas temperaturas y posteriormente, gracias al calor del sol y a las bajas presiones atmosféricas, el hielo se transformaba en vapor. Luego en el siglo XIX, dos científicos franceses redescubrieron la aplicación del principio físico de la sublimación para la conservación de productos. Por lo tanto, construyeron un pequeño liofilizador de laboratorio. Pero el desarrollo de la liofilización sucedió en 1940, es decir en la epoca donde ocurrio La Segunda Guerra Mundial, ya que gracias a la necesidad de curar a las victimas, permitió el desarrollo de muchos avances científicos, como los antibióticos, biorreactores, mediante los cuales se puede fabricar cerveza, vino etc. Por lo tanto la liofilización se desarrolla durante la guerra como un método de conservación de plasma sanguíneo y de penicilina. Así estos productos pudieron llegar en buenas condiciones desde los centros de producción hasta el frente de guerra. En la década de 1950 se perfeccionó la tecnica de liofiización y se aplico a los alimentos.Por lo cual se consiguió alimentos mas ligeros, poco voluminosos y seguros para la salud. Un ejemplo a esto es cuando se toma un café soluble o una sopa de sobre. También se fabrican raciones de campaña para el ejercito, comida destinada a montañeros y deportistas etc. La liofilización es un método eficaz, que se lo utiliza para la conservación de los alimentos, debido a que los microorganismos provocan el deterioro del mismo causando enfermedades, ya que necesitan agua para desarrollarse. El proceso de liofilización se lo hace mediante liofilizadores que son cámaras reforzadas para soportar variaciones de presión y que constan de un sistema de congelación y de una bomba de vacío. En el interior de estas cámaras hay bandejas en las que se sitúan los alimentos que van a ser procesados.

PROCESO DE LA LIOFILIZACIÓN
El primer paso del proceso de liofilización debe ser el establecimiento de una formulación o un producto reproducible, es decir, en la cual exista un control cuidadoso sobre la composición química y las concentraciones de los constituyentes activos e inactivos. Considerando los medios a través de los cuales las propiedades físicas, ópticas y eléctricas pueden ser usadas para determinar si la naturaleza de la formulación cae dentro de límites predeterminados. El punto clave en la preparación de un producto a liofilizar es la reproductibilidad. Un producto liofilizado reproducible debe comenzar con una formulación reproducible o una composición conocida.

El conocimiento de la formulación o composición del producto a liofilizar es el paso más importante en el proceso. La naturaleza, tiempo y gasto del proceso de liofilización son directamente dependientes de la naturaleza química y física del producto, su impacto sobre el proceso de secado y sobre la naturaleza del producto final no es frecuentemente bien entendido.

Antes de realizar el proceso de lioflización se debe tomar en cuenta las siguientes características:


 * En lo relacionado a la composición y formulación del producto es necesario conocer lo o los ingredientes activos y los constituyentes del producto, con la finalidad de analizar sus límites de concentración y propiedades tales como el calor, la conductividad, turbidez, etc. que al liofilizar pueden cambiar.
 * Es muy importante el agua contenida en el producto a liofilizar, por la formación de los cristales de hielo durante la congelación, el súper enfriamiento, el grado de cristalización y la conductividad del hielo.
 * En lo referente a los cambios de fase se debe determinar que tan homogéneo o heterogéneo son sus componentes y cuales son las variables de estado intensivas
 * Se debe realizar un análisis térmico, y electrotérmico

Consta de tres partes:


 * 1) **Congelación Previa**:se separa el agua de los componentes hidratados del producto, por la formación de cristales de hielo o mezclas euténicas. El congelamiento es uno de las principales etapas, se lo hace a temperaturas de -50 ºC y -80 ºC, pues de esto depende la aparencia de los productos finales, en muchos casos cuando la solución acuosa es enfriada, la cristalización del agua se inicia bajo el punto de solidificación. En este proceso que haga falta la enuclación, el producto se podrá tomar muy frío y la cristalización se realizará precipitadamente por un simple choque físico.

Los resultados obtenidos en la liofilización son influidos considerablemente por la velocidad a la cual se congelan por lo tanto se distinguen dos tipos de congelación:

La congelación rápida o duradera es un proceso a través del cual la temperatura de los alimentos desciende aproximadamente a unos -20 grados centígrados en un tiempo de 30 minutos.

La congelación lenta es un proceso que se alcanza cuando la temperatura deseada se consigue después de haber transcurrido un tiempo de 3 a 72 horas, tal como sucede en los aparatos de domésticos de refrigeración.

Si la temperatura cae lentamente estos cristales se unen para formar cristales más grandes que, al aumentar de tamaño, causan lesiones en las células por ruptura de la membrana o pared celular y estructuras internas, de forma de que al rehidratarse el producto aparece con una textura y sabor bastante diferente al original siendo imperativo, dado el caso, "no se debe volver a congelar los alimentos una vez que han sido congelado". De tal manera se puede decir que con una rápida congelación se obtienen cristales pequeños. El tamaño de los cristales define en medida la apariencia del producto, ya que un preparado con cristales demasiado pequeño tendrá una vez seco, una apariencia mucha más clara que un producto el cual tenía cristales más grandes y que fue lentamente congelado, también se debe considerar el hecho de que si lo cristales son irregulares pueden dañar la calidad del producto



**MÉTODOS DE CONGELACIÓN** Los métodos de congelación que son generalmente utilizados en la industria son los siguientes:


 * Congelación por contacto con una superficie fría denominado Método Eutectico
 * Congelación por rotación en un bano frío o Método Dinámico, empleado para congelar grandes cantidades de líquido

El método elegido para el proceso de congelación va a determinar la posición y las características del hielo y predetermina su accesibilidad para la desecación, tanto si se facilita o no mediante el tratamiento de las paredes celulares. Si la formación de hiello no cambia durante la sublimación también se ha predeterminado la porosidad, que tan importante papel juega en la readmisión de agua al espacio libre dejado por el hielo o rehidratación. El espacio entre las placas calefactoras y las bandejas (recipientes de productos) no mayor de 0,5mm La presión dentro de la cámara no debe ser menor a 0,5mbars, por lo que se debe considerar que al ir bajando la presión se va reduciendo el número de partículas de gas dentro de la cámara, de tal forma que la calefacción por convección es mínima a una presión de 10mbars, y prácticamente nula a una presión por debajo de 0,01mbars.


 * 1) **Sublimación:** de estos cristales que elimina el agua del seno del producto trabajado a presión y temperatura por debajo del triple y aportando el calor latente de sublimación. Esta es la etapa que tiene lugar en el liofilizador. En esta etapa se disminuye la presión para que así, el agua congelada se evapore sin pasar por el estado liquido

En la liofilización de alimentos el problema es más complejo debido a la existencia de compuestos sólidos y soluciones líquidas de composición determinada, por lo que es necesario operar debajo de la temperatura eutéctica del producto. En el caso del equilibrio de un sólido con su vapor saturado, que varía su presión con la temperatura, la curva se llama curva de sublimación, congelado el producto se inicia el proceso de la sublimación del agua mediante la transmisión de calor.

El suministro de calor al producto que ya se encuentra congelado se puede hacer mediante conducción, radiación o fuente de microondas, La conducción y la radiación son utilizados comercialmente combinándose su efecto al colocarse el producto en bandejas sobre placas calefactores separadas una distancia bien definida, de esta manera se puede conseguir calentar por conducción, en contacto directo desde el fondo y por radiación desde la parte superior

Por otro lado la calefacción con microondas es ideal, aunque se presenta dificultades para controlar la cantidad de calor anadida que puede conducir a la fusión del producto, por lo que actualmente no se conoce de su aplicación comercial. Numerosas pruebas efectuadas bajo consideración de todos los parámetros de operación, ha efectos de una óptima transmisión de calor dieron los siguientes resultados:

Al comenzar el proceso, el hielo se sublima de la superficie del producto, retrocediendo el nivel de sublimación dentro de él, teniendo entonces que pasar el vapor por capas ya secas para la salida del producto, el calor es requerido en las zonas límites, punto en el cual el hielo pasa de la forma sólida a la gaseosa. Debido a la temperatura máxima admisible y a la pobre conductividad térmica del producto, el gradiente de temperatura necesaria se hace siempre mayor, debiendo cuidar de no sobrepasar la temperatura máxima admisible para el producto, a fin de no ocasionar danos en él y al mismo tiempo evitar el descongelamiento. Para obtener una liofilización buena y rápida es necesario poder controlar exactamente la temperatura de palas y tener la posibilidad de regular la presión total y parcial del sistema.
 * 1) **Evaporación del agua:** la cual queda todavia en el interior del producto, es decir, una vez sublimado todo el hielo, todavía queda una cierta cantidad de agua retenida en el alimento, para retirarla se debe aumentar la temperatura del liofilizador manteniendo el vacío lo cual favorece a su evaporación o el producto es llevado a un secadero



El proceso se da de la siguiente manera:

En la liofilización el material original esta constituido por un núcleo central de material congelado. A medida que el hielo se sublima, el plano de sublimación, que se inicia en la superficie exterior, penetra al interior dejando atrás una corteza porosa de material ya seco. El calor para el calor latente de sublimación del hielo, es equivalente a 2838kJ/kg, procede por conducción a través de la corteza del material seco.

En algunos casos, también se conduce a través de la capa congelada desde la parte posterior, el vapor de agua que se forma se transfiere a través de la capa del material seco, el agua congelada se sublima a menos cero grados centigrados y a una presión de 627 Pa o menos. Por consiguiente las transferencia de calor y de masa se verifican simultáneamente. Durante este proceso hay absorción de calor y hay que evitar que la mezcla supere la temperatura eutéctica, a fin de que durante todo el proceso permanezca en estado sólido, procediendo de este modo a que los productos orgánicos termolábiles conserven sus propiedades independientemente y recuperen su forma y estado primitivo al hidratarlos. En los estudio biológicos la liofilización supone el poder de conservar indefinidamente cepas de bacterias y virus sin necesidad de resiembras.

En el secado mediante liofilización se distinguen tres fases o etapas, si el proceso de liofilización empieza por el calentamiento se forma un frente de sublimación o interfase entre la capa seca y la capa congelada de la muestra el cual avanza progresivamente, y para un determinado instante, a una temperatura de interfase le corresponde una determinada presión de saturación. La transferencia de masa ocurre por la migración de vapores a través de la capa seca de la muestra bajo acción de una diferencia de presión, esta transferencia es alta cuando la diferencia de presión es grande

Generalmente, al liofilizar adecuadamente un material se puede almacenar por períodos muy largos con reducciones muy bajas de sus características organolépticas, físicas y biológicas.



En esta figura se ilustra un proceso de liofilización de un material donde el calor transferido desde la fase gaseosa por conducción, convección o radiación, llega a la superficie seca y se transfiere por conducción hasta la capa congelada.

En algunos casos, el calor tambieén pasa a través del material congelado para llegar al plano de sublimación. El tiempo total de secado debe ser lo suficientemente largo como para que contenido final del humedad será inferior al 5% en peso, y evitar así la degradación del producto final durante su almacenamiento.

Las temperaturas máximas que se alcanzan en alimentos secos y productos congelados deben ser bastante bajas para mantener la degradación de un mínimo. El proceso más común de liofilización se basa en que los gases que rodean el material suministran a la superficie del sólido el calor de sublimación necesario. Después el calor se transfiere por conducción a través del material seco hasta la superficie congelada.





El siguiente gráfico, se lo conoce como Diagrama de Fases, el cual nos representa el estado del agua en función de la presión y la temperatura. Durante la liofilización, en la fase de congelación, el agua pasa de estado líquido a estado sólido (como se indica en la flecha azul). En fase de sublimación, el agua pasa de estado sólido a estado gaseoso (como se indica en la flecha roja)


 * Transferencia de masa y calor durante la liofilización**

Los perfiles de temperatura y humedad en el interior del alimento durante la liofilización dependen de las velocidades de transferencia de masa y calor. El calor se transfiere a través del frente de sublimación o línea frontera entre las fases congelada y seca del producto. Dependiendo de la fuente de calor la transferencia podrá ser a través de la capa congelada, la capa seca o ambas. En los sistemas de liofilización el material congelado es colocado en bandejas. Se da lugar al inicio de vacío en una cámara hermética comenzando así la sublimación del hielo y el flujo de vapor pasa a través de la cámara al condensador. El calor es suministrado a través de platos o placas calefactoras, por conducción o radiación. En el siguiente esquema se puede apreciar lo mencionado anteriormente:



Se debe tomar en cuenta que una vez liofilizado el alimento, para sacar el alimento del liofilizador hay que romper el vacío, utilizando nitrógeno líquido. En el proceso de liofilización sucede dos procesos:

> Y por tanto, hay una transferencia simultánea de calor y de masa. Y durante la etapa de liofilización coexisten dos capas bien diferenciadas en el producto sometido a secado: Una capa congelada y con toda el agua inicial presente, y otra, ya deshidratada y separada de la anterior por la denominada superficie de sublimación del hielo. Esta superficie no esta perfectamente definida, sino que es un frente difuso de sublimación. Al final del proceso, obtenemos un alimento integro, que conserva su color, aroma y permanece con su forma original. Sin embargo presenta poros debido a la ausencia de agua.
 * Transferencia de Vapor de agua desde el frente de hielo a través de la capa seca hasta la zona calefactora por difusión
 * Transmisión de Calor desde la zona calefactora a la superficie del hielo a través de la capa seca o liofiliza por conducción

**Modelo en estado estacionario**

Según sea la forma de introducir el calor a la interfase de sublimación se tendrán distintas alternativas que modificarán la matemática involucrada a saber:

• Por conducción a través de la capa seca • Por conducción a través de la capa congelada • Por radiación desde cualquiera de las placas calefactoras (superior o inferior)

Se han desarrollado diversos modelos para describir en estado estable y en estado transitorio el proceso de liofilización para geometrías simples. En general estos modelos hacen las siguientes suposiciones:

• El flujo de calor y masa son unidimensionales y normales a la interfase (z = Z) y a la superficie (z= 0) • La sublimación ocurre en la interfase paralela, a distancia Z de la superficie de la muestra • El espesor de la interfase es infinitesimal • A través de la capa seca fluye solamente el gas sublimado que es vapor de agua • En la interfase de sublimación, el vapor de agua está en equilibrio con el hielo • El medio poroso y el gas encerrado en él están en equilibrio térmico • La región congelada es homogénea, de propiedades físicas uniformes y contiene una insignificante proporción de gases disueltos • El recipiente que contiene la muestra ofrece una mínima resistencia a la transferencia de calor • Las resistencias de transferencia de masa y calor externas a la muestra son insignificantes • El volumen inicial y final de la muestra son idénticos

** PARTES DE UN LIOFILIZADOR ** En la Figura mostrada en la parte inferior se ilustra un esquema de un liofilizador típico, con un condensador externo. Éste tiene tres componentes principales: la cámara de secado, el condensador y el sistema de vacío. La función básica del liofilizador es crear el entorno necesario para el proceso de liofilización. Esta sección, en general, no se ocupará de la operación de este equipo, sino del efecto que diversos componentes en los secadores pueden tener sobre el proceso.




 * 1) **Cámara del liofilizador:** La cámara del secador sirve al proceso de liofilización mediante las siguientes funciones:(a) proporcionar un entorno limpio y a veces estéril para el proceso; y (b) proporcionar lastemperaturas y presiones necesarias para congelar y secar el producto.
 * 2) **Condensador**: La principal función del condensador es eliminar los vapores condensables antes de queentren en el sistema de bombeo de vacío.
 * 3) **Sistemas de vacío:** El sistema de vacío, está conectado a la cámara del condensador y su función es proporcionar las presiones necesarias para las fases desecado primario y secundario. Los dos rasgos principales de un sistema de vacío que requieren consideración son la tubería de comunicación con el condensador y lanaturaleza de la bomba de vacío.
 * 4) **Instrumentación**: La instrumentación asociada con liofilizador es de gran importancia. El logro de un óptimo producto requiere un sistema de control que reproduzca el proceso de liofilización,siempre que esté dentro de los límites del equipamiento y de un sistema de recolección de datos que verifique la consistencia del proceso.


 * CARACTERÍSTICAS DE LOS PRODUCTOS A LIOFILIZAR**


 * 1) Productos inestables
 * 2) Sustancias termolábiles
 * 3) Cuando se requieran condiciones de asepsia
 * 4) Resolución rápida y completa
 * 5) Productos de elevado costo

Los productos liofilizados han de envasarse al vacío o en gas inerte, en recipientes impermeables al vapor y opacos. En ciertas circunstancias puede permitirse la descarga y el empaquetado en habitaciones de temperaturas y humedad controladas, donde también se tengan estrictas condiciones de asepsia y manipuleo que descarten la contaminación microbiana y cruzada. En condiciones medias los alimentos liofilizados empaquetados adecuadamente y preparados según especificaciones apropiadas, tienen una vida media de hasta dos anos en climas tropicales. Los alimentos liofilizados se reconstruyen con una cantidad de agua que se aproxima al contenido original de modo que los constituyentes solubles de las células vuelvan a su estado primitivo, los productos que son pre cocidos al momento de reconstruirse brindan todas la cualidades de las comidas que han sido preparadas recientemente.

DIFERENCIA ENTRE SECADO Y LIOFILIZACIÓN

 * PRODUCTO LIOFILIZADO**

Un producto liofilizado debe tener las siguientes características para determinar si es de buena calidad o no


 * Cuando su reconstrucción es de poco tiempo
 * Cuando la potencia del ingrediente activo es medible
 * Cuando se puede almacenar el producto de por vida


 * VENTAJAS**


 * Se obtienen productos de redisolución rápida
 * La forma y característica del producto final son esencialmente originales
 * Es un proceso idoneo para sustancias termolábiles
 * Contenido muy bajo de humedad final
 * Compatible con la elaboración en medio séptico
 * Pérdida mínima de constituyentes volátiles
 * Empleo de temperaturas muy bajas, circunstancia que permite aumentar la estabilidad del producto y disminuir la pérdida de sustancias volátiles
 * Ocupa poco volumen y poco peso
 * Producto final liofilizado, es decir, con alta porosidad, solubilidad rápida y completa y condiciones estériles
 * Contenido final de humedad < 0.5 %
 * Empleo de vacío: no existe oxidación
 * Los productos serán estables en un amplio rango de temperaturas, eliminando la necesidad de una complicada cadena de frio y distribución.
 * El bajo peso y la facilidad de manejo harán que los costos de envío sean reducidos dramáticamente.
 * Quitar el agua guarda el alimento del estropeo por un período largo de tiempo: El alimento se estropea cuando los microorganismos tales como bacterias, se alimentan en la materia y la descomponen, las bacterias tienen la capacidad de lanzar productos químicos de desecho que causan enfermedad o pueden hacer que el alimento no tenga buen sabor y contribuyan al estropeo del alimento.
 * Rehidratación instantánea sin necesidad de cocción
 * Técnica de conservación que no necesita aditivos
 * Detiene el crecimiento de microorganismos, inhibiendo el deterioro de sabor y color por reacción química, y pérdida de propiedades fisiológicas.

**DESVENTAJAS**
 * Costo elevado de los equipos. Por lo tanto solo se somete a ellos, alimentos de valor en los que interesa conservar integros los aromas(como café, hierbas aromáticas, especias) o que van a ser destinadas a un fin determinado
 * Elevado gasto energético
 * Proceso largo (24 horas), por lo cual es muy elevado su coste
 * Alimentos que son muy ricos en agua (sandías, algunas verduras) por lo cual no pueden someterse a este proceso
 * Durante el almacenamiento se puede producir oxidaciones con mas facilidad

**APLICACIONES**
 * En el campo farmacéutico: Existen moléculas que para su uso como fármaco requieren de una previa liofilización Ejemplo: agentes quimioterapéuticos cisplatino y doxorubicina doxorubicina.
 * La liofilización de microorganismos se hace actualmente de forma rutinaria; muchos de ellos se mantienen en medios de cultivos para almacenarse y distribuirse en forma liofilizada.
 * En el área de la alimentación, por medio de la liofilización los alimentos se mantienen intactas todas sus cualidades: forma, gusto, sabor, color y valores nutricionales, libre de aditivos y conservantes. Tienen larga vida útil. No necesitan demasiados cuidados de almacenamiento, solo requieren ser almacenados en un lugar fresco y seco. Son de fácil aplicación, rehidratación instantánea y excelente microbiología.
 * En la investigación por ejemplo en microscopía de muestras húmedas, pueden distorsionarse debido a un secado por evaporación en condiciones normales. Estas distorsiones son debidas a las fuerzas de tensión superficial generadas durante todo el tiempo que dure la evaporación evaporación. Si la muestra es previamente liofilizada la distorsión se reduce enormemente, generando resultados más fiables

En el siguiente esquema se puede observar el proceso de liofilización de los granos de café en la industria:



Aqui se puede observar una liofilización de gelatina con una trampa de frío:

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 * DESHIDRATACIÓN VS. LIOFILIZACION**

Estos dos procesos permiten la eliminación del agua. La diferencia entre ellos es que la deshidratación es un proceso mucho más agresivo, ya que el agua se elimina por evaporación, al aplicar calor. Por lo cual el calor transforma algunos de los componentes del alimento, lo que provoca cambio en el color, olor y sabor. Ademas el alimento debe ser sometido en una reducción de tamaño, para asi ser deshidrata eficazmente, es decir no mantiene su estructura como en el caso de la liofilización. A continuación se presenta un video sobre este tema:

media type="youtube" key="BnoRcouqoBE" height="315" width="420" align="center"

**LIOFILIZACIÓN**

media type="youtube" key="SPCPFdKAheM" height="315" width="560" align="center"

A continuación, un video del proceso de liofilización en la industria cosmética:

media type="youtube" key="rdWyoMYay2M" height="315" width="420" align="center"

La liofilización es un proceso por el que se elimina el agua (proceso de sublimación) de un producto pasando directamente de estado sólido (congelación) al gaseoso sin pasar por el estado líquido ni aplicar calor al proceso con lo que se preserva la estructura molecular de la sustancia liofilizada. Es una técnica costosa y lenta si se la compara con los métodos tradicionales de secado, pero resulta en productos de una mayor calidad, ya que al no emplear calor, evita en gran medida las pérdidas organolépticas; las materias activas liofilizadas y conservadas en envases herméticos tienen una caducidad indefinida.

Y un video del proceso de liofilización de materiales biológicos:

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Adjunto, por último un video didáctico acerca del proceso de liofilización en alimentos (liofilizador CUDDON FD80):

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Otro video sobre liofilización de alimentos mostrando las diferentes etapas:

media type="youtube" key="SASvvWXFeKo" height="283" width="504" align="center"

El proceso de liofilización conserva al máximo el sabor, las vitaminas, los minerales y aromas que poseen los productos originales. La liofilización proporciona un producto completamente natural que está libre de aditivos y conservadores. Las ventajas para emplear ingredientes liofilizados son: larga vida de anaquel, almacenamiento a temperatura ambiente, facilidad de manejo durante la producción, una rehidratación instantánea y una excelente microbiología.

A continuación se presenta un video en el cual se ve como mediante la liofilización permite la conservación de libros y documentos. La eliminación de agua provoca este tratamiento e impide el crecimiento de microorganismos que degradan las celulosa del papel, ademas de impedir el deterioro que provoca el agua por sí misma.

media type="youtube" key="LwbQhVUJPqU" height="315" width="420" align="center"

Por ultimo, un documento presentacion con informacion sobre liofilizacion

media type="custom" key="20304792" align="center"

**Bibliografía** > > >
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 * [|http://www.uv.es/~mbermejo/Freeze-drying98.pdf]
 * []
 * Orrego Carlos. Procesamiento de Alimentos. Curso en línea de la Universidad Nacional de Colombia: Sede Manizales. [Online]: http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4070035/lecciones/cap1/leccion11_2.htm