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ENTORNO VIRTUAL PARA MONITOREAR EL
EMPAQUETADO AUTOMÁTICO DE GELATINA
PARA APLICACIONES FARMACÉUTICAS
MEDIANTE IOT
IMPLEMENTATION OF A VIRTUAL ENVIRONMENT TO
MONITOR THE AUTOMATIC PACKAGING OF GELATIN FOR
PHARMACEUTICAL APPLICATIONS USING IOT
Hernan Vinicio Morales Villegas
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Kevin Alexis Toainga Chiliquinga
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Darwin Alexander Casco Casco
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Erick Michael Vega Jacho
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
Victor Damian Changoluiza Rodríguez
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Ecuador
pág. 9053
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i4.13049
Entorno Virtual para Monitorear el Empaquetado Automático de Gelatina
para Aplicaciones Farmacéuticas Mediante IoT
Hernan Vinicio Morales Villegas
1
hvmorales@espe.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8211-1238
Univesidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga - Ecuador
Kevin Alexis Toainga Chiliquinga
katoainga@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0001-4764-065X
Univesidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga - Ecuador
Darwin Alexander Casco Casco
dacasco1@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0006-1239-7860
Univesidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga - Ecuador
Erick Michael Vega Jacho
emvega3@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0007-7273-9751
Univesidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga - Ecuador
Victor Damian Changoluiza Rodriguez
vdchangoluiza@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0006-8859-2806
Univesidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Latacunga - Ecuador
RESUMEN
En este artículo se desarrolla la simulación de envasado automático de gelatina para aplicaciones
farmacéuticas utilizando un controlador lógico programable y una interfaz gráfica en Unity. El trabajo
comienza con la investigación del proceso de fabricación de gelatina y la identificación de las etapas y
transiciones del proceso. La construcción del diagrama de flujo del sistema y su programación en el
software TIA Portal. La interfaz gráfica ayuda a visualizar una representación virtual del sistema
automatizado que permite identificar fallas en el proceso y evaluar posibles soluciones.
Palabras clave: automatización, controlador lógico programable, simulación, IoT
1
Autor principal
Correspondencia: hvmorales@espe.edu.ec
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Implementation of a Virtual Environment to Monitor the Automatic
Packaging of Gelatin for Pharmaceutical Applications Using IoT
ABSTRACT
In this article, the simulation of automatic gelatin packaging for pharmaceutical applications is
developed using a programmable logic controller and a graphical interface in Unity. The work begins
with the investigation of the gelatin manufacturing process and the identification of the stages and
transitions of the process. The construction of the system flow chart and its programming in the TIA
Portal software. The graphical interface helps to visualize a virtual representation of the automated
system that allows identifying failures in the process and evaluating possible solutions.
Keywords: automation, programmable logic controller, simulation, IoT
Artículo recibido 10 julio 2024
Aceptado para publicación: 15 agosto 2024
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INTRODUCCIÓN
La industria farmacéutica es un sector empresarial dedicado a la fabricación, preparación y
comercialización de productos químicos medicinales para el tratamiento y también la prevención de las
enfermedades (Granja & Rojas, 2013). El tratado de la tecnología farmacéutica, se enfoca en el conjunto
de conocimientos necesarios para desarrollar formulaciones farmacéuticas, en donde se debe asegurar
la calidad y eficacia terapéutica del producto final elaborado (Esteban et al., 2012).
Esta industria surgió a partir de una serie de actividades diversas relacionadas con la obtención de
sustancias utilizadas en medicina (Carballo Junco José Antonio, 2009). A principios del siglo XIX, los
boticarios, químicos o los propietarios de herbolarios obtenían partes secas de diversas plantas,
recogidas localmente o en otros continentes (Ricardo Páez, 2018). Éstas últimas se compraban a los
especieros, que fundamentalmente importaban especias, pero como negocio secundario también
comerciaban con productos utilizados con fines medicinales, entre ellos el opio de Persia o la
ipecacuana de Sudamérica. Los productos químicos sencillos y los minerales se adquirían a
comerciantes de aceites y gomas (Hidalgo-Solorzano et al., 2017). Con ellos se fabricaban diversos
preparados como extractos, tinturas, mezclas, lociones, pomadas o píldoras. Algunos profesionales
elaboraban mayor cantidad de preparados de los que necesitaban para su propio uso y los vendían a
granel a sus compañeros (Leon Saleh, 1980).
El recubrimiento de los comprimidos es quizás uno de los procesos farmacéuticos más antiguos que
todavía subsisten. Rhazes (850-932d.C.) fue uno de los primeros en recubrir píldoras, empleando para
ello el mucílago de la semilla de psyllium (Arbildo et al., 2016). Posteriormente Avicenna recubrió
píldoras con láminas de oro y plata. En 1838, Garot fue el pionero en la utilización de gelatina (Gennaro,
2003).
La gelatina es un excipiente adaptado para el uso farmacéutico, en la Industria se la emplea de diversas
formas por su amplia gama de aplicaciones. Sirve para la fabricación de cápsulas, comprimidos y
grageas y protege a los medicamentos de la influencia dañina del aire y de la luz (Martínez Vivas, 2013).
Actúa como agente aglutinante de la granulación húmeda sobre mezclas de polvo o como agente
espesante para productos oleosos (Gennaro, 2003).
pág. 9056
La materia prima principal utilizada en la elaboración de las cápsulas es gelatina disuelta en agua
desmineralizada (Tapia & Lescano, 2023) (Melgosa-Latorre et al., 2019). Algunas posibles sustancias
auxiliares o coadyuvantes, según el uso previsto de las cápsulas, son los plastificantes, colorantes,
conservadores, humectantes y materiales gastrorresistentes (Hidalgo-Solorzano et al., 2017).
La gelatina se obtiene hirviendo en agua piel y huesos de animales (Arbildo et al., 2016). La viscosidad
y el podergelificante o consistencia de la gelatina son dos propiedades esenciales para la fabricación de
cápsulas (Hidalgo-Solorzano et al., 2017).
La producción de gelatina y colágeno hidrolizado se ha convertido en un proceso crucial en la industria
farmacéutica que busca optimizar la eficiencia y la precisión en la producción de cápsulas de gelatina,
comúnmente utilizadas para encapsular medicamentos (Hidalgo-Solorzano et al., 2017). La eficiencia
y la calidad de los productos bases son elementos cruciales donde se demanda de soluciones
innovadoras, es por esto que la industrialización y automatización de los proceso es relevante.
La industria farmacéutica, se constituye en una de las industrias con mayores avances en los últimos
años y sobre todo grandes avances tecnológicos tanto en técnicas como equipamiento (Medina et al.,
2022) (Àlex Figueras, 2020).
Un cambio importante es la incorporación de maquinaria tecnológicamente más avanzada con altos
niveles de precisión y productividad para el empaquetado de gelatina (Arbildo et al., 2016). Los
sistemas de empaquetado automatizados han evolucionado desde máquinas discretas que automatizan
solo una etapa del proceso de empaquetado hasta sistemas que ahora incluyen sin problemas cada paso
del proceso (Sánchez Marmolejo & Gómez Alvarez, 2018), sin embargo, el proceso de envasado
automático actual es complejo, requiere un alto conocimiento profesional, poca universalidad y difícil
de aplicar en entornos complejos y de múltiples objetivos (Martínez Vivas, 2013).
Se estima que los productos envasados representan más del 75 por ciento del valor de los productos
comercializados en todo el mundo (Tapia & Lescano, 2023) (Serantes et al., 2023). A fin de cumplir
con las exigencias del mercado, los fabricantes de equipos de envasado se han visto obligados a
desarrollar mecanismos que no sólo cumplan la normativa vigente, sino que mejoren la precisión y
eficiencia respetando los costos (Serantes et al., 2023).
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Así mismo, la implementación de IoT y la Inteligencia artificial con técnicas de aprendizaje automático
supervisado en los sistemas de envasado permite la construcción de sistemas inteligentes para la
automatización, monitoreo y control de distintos parámetros del proceso de pesaje y empaquetado, lo
que puede mejorar significativamente la eficiencia y la predicción de condiciones óptimas del proceso
(Baloira Reyes & Biosca Rojas, 2024). Este artículo se enfoca en la virtualización del proceso del
empaquetado automático de gelatina mediante IoT para su posterior uso en aplicaciones farmacéuticas.
Principalmente, el proyecto va enfocado a las etapas de pesaje y empaquetado del sistema.
METODOLOGÍA
Propuesta de trabajo
El tiempo y uso de mucho personal en el área de empaquetamiento, además de la poca eficiencia y
precisión en el pesado se ha convertido en un ancla para las empresas que producen gelatina para usos
farmacéuticos. En la actualidad, la necesidad de tener procesos automatizados es indispensable para
mejorar la calidad de los productos (D’Addario, 2017). Este proyecto está enfocado a la automatización
de los procesos en las áreas de pesaje y empaquetado de gelatina para industria farmacéutica.
La importancia de este proyecto se centra en el uso de entornos virtuales e interfaces humano máquina
(HMI) que permiten controlar el sistema desde otra perspectiva.
Descripción del proceso industrial
El proceso de manufactura de la gelatina consta de 11 etapas (ver Fig. 1), sin embargo, la
automatización se centra en los procesos de mezclado, pesaje y empaque.
Figura 1. Gelatin manufacturing process developed by GELCO S.A. (Gelco S.A, s. f.)
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Propuesta de conceptualización del diseño
La automatización mecatrónica se apoya en sistemas mecánicos, eléctricos y computacionales, en la
búsqueda de soluciones a problemas determinados (Martínez Meza & Quinchimba Cóndor, 2016).
La conceptualización del sistema se divide en dos partes fundamentales, hardware y software. La parte
de hardware incluye los elementos de campo del sistema (sensores), el controlador (PLC S71500), los
dispositivos de conexión a internet (módulo SIMATIC IOT2050) y paneles de control (HMI). Por otra
parte, el software agrupa programas como TIA Portal V17, WinCC, y Unity, apropiados para la
programación de los controladores, virtualización de la planta y el monitoreo del sistema. Todos estos
elementos trabajan en conjunto y realizan tareas de adquisición de datos, procesamiento de señales,
virtualiza-ción y monitoreo de procesos y conexión a la nube (ver Fig. 2).
Figura 2. Conceptualization of the process.
Diagrama de Flujo del sistema de empaquetado automático de gelatina
En el diagrama de flujo (ver Fig. 3) se describe el proceso propuesto,
Figura 3. Flow chart automatic gelatin packaging.
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El proceso de empaquetado automatico de gelatina comienza con el inicio del proceso en el cual se
evalúan dos situaciones, la primera es en si existe materia prima en el depósito; si la respuesta es SI, se
evalúa si existe la necesidad de mezclar (Mezclador bicónico); si la respuesta es NO, se dirige a la etapa
de encendido del elevador; en el caso de que no exista materia prima se finaliza el proceso y si se
necesita mezclar, se apaga el elevador.
En caso de que no se necesite mezclar y exista materia prima se enciende el elevador, señal necesaria
para continuar a la etapa de pesaje en la cual se detecta la presencia de una bolsa donde se deposita la
gelatina dependiendo de la cantidad que se requiera.
Una vez culminado este proceso, la siguiente etapa es la de empaquetado, en ésta un brazo robótico
coloca las bolsas previamente pesadas en la banda transportadora que las lleva a la maquina de sellado.
La última etapa es la de etiquetado y despacho, en esta etapa se realiza el control de calidad de los sacos
para su distribución.
La siguiente tabla (ver Tabla 1) muestra las etapas que conforman el sistema de empaquetado
automático de gelatina.
Tabla 1. Stages of the automatic gelatin packaging process.
Stage Number
Description
1
Pesaje
2
Empaquetado
3
Etiquetado
4
Despacho
DESARROLLO
Desarrollo de la Interfaz Humano – Máquina
En primer lugar, se detallan cada uno de los requisitos de la interfaz Humano – Máquina (HMI) para
satisfacer las necesidades del operario. Los requisitos se dividen en funcionales y no funcionales.
Requisitos Funcionales
Los requisitos funcionales definen el propio comportamiento de la aplicación. Indican cómo tiene que
reaccionar, o cómo no, la interfaz ante ciertos eventos (Corral González, 2021).
Después de haber estudiado las necesidades del proyecto, y aclarando la estructura jerarquizada de este
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mediante dos tipos de usuarios definidos por un rol (Administrador y Trabajador), se definen los
siguientes requisitos funcionales (ver Tabla 2):
Tabla 2. System functional requirements
System functional
requirements
RF1
RF2
RF3
RF4
RF5
Requisitos no funcionales
Los requisitos no funcionales, por el contrario, no definen las funciones específicas que ha de
proporcionar el sistema, sino que se encargan de manejar las propiedades del sistema que surgen de la
necesidad del usuario y que no están directamente relacionadas con la funcionalidad del sistema (Corral
González, 2021).
Los requisitos no funcionales del sistema son (ver Tabla 3):
Tabla 3. Non-functional systema requirements.
Non-functional
system requirements
Description
RNF1
La interfaz del sistema debe ser visible a cierta distancia, teniendo sus
elementos, tales como botones, enlaces o paneles, un tamaño adecuado que
permita
su tratamiento de forma cómoda a usuarios con capacidades visuales medias.
RNF2
El sistema no debe permitir el acceso a personas no autorizadas.
RNF3
El sistema debe tener un coste de instalación y mantenimiento mínimo.
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Diagrama de Casos de Uso
La Fig. 4 presenta el diagrama que muestra las funciones previstas del sistema, así como los actores
exclusivos responsables y capaces de llevar a cabo dichas acciones.
Figura 4. System use case diagram.
Interfaz Humano – Máquina (HMI)
La interfaz humano – máquina consta de 3 ventanas, la ventana de inicio, la ventana principal y la
ventana de histórico de datos (ver Fig. 5).
Figura 5. Human - Machine Interfase
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La ventana de inicio (ver Fig. 5a) muestra la pantalla de acceso al sistema. Dentro del header se
encuentra el boton Login, el cual redirige de manera rápida y sencilla a la ventana principal del proceso.
Esta acción se completa después de realizar el Login correspondiente (Administrador o Trabajador). La
ventana principal muestra una representación general del sistema (ver Fig. 5b). El panel de control
ubicado a la derecha de la ventana permite arrancar y parar el proceso en cualquier instante, asi mismo,
cuenta con indicadores que permiten visualizar la etapa en la que se encuentra el proceso el tiempo real.
La ventana de histórico de datos o de registro de datos permite contabilizar y llevar el registro de
producción de la planta (ver Fig. 5c).
Virtualización del proceso
Diseño y Distribución de la Planta
En el modelado de la línea de producción se emplean las herramientas de diseño SolidWorks y Autodesk
Inventor con el fin de utilizar las librerías de los accesorios y demás módulos para la elaboración de
todos los componentes del sistema de pesaje y empaquetado de gelatina. Unity, por otra parte, permite
agregar caractristicas físicas y movimientos controlados a los elementos para obtener una perpectiva
más realista del sistema (ver Fig. 6).
Figura 6.
Process diagram for the virtualization of the automatic gelatin weighting and packaging process.
La linea de producción cuenta con varias etapas bien distribuidas (ver Fig. 7) (ver Tabla 1). Parte desde
un mezclador bicónico donde se encuentra inicialmente la gelatina para luego ser pesada y
empaquetada, etiquetada y despachada.
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Figura 7. General distribution of the plant with all its stages realized in Unity.
Virtualización de las etapas del proceso
El sistema consta de 3 etapas: pesaje, empaquetado, etiquetado y despacho.
Figura 8. Stages of the automatic gelatin weighing and packaging process.
La etapa de mezclado incluye el mezclador bicónico en el cual se encuentra la gelatina y el sistema de
pesaje (ver Fig. 8a). La etapa de empaquetado consta de un brazo robótico que coloca las bolsas en la
banda transportadora para su poaterior sellado (ver Fig. 8b). La estapa de etiquetado y despacho es la
etapa final del proceso, incluye una banda transportadora que traslada los sacos de gelatina a la
etiquetadora y luego hacia el área de control de calidad para su posterior distribución y ventas (ver Fig.
8c).
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Conectividad con la nuve (IoT)
La conectividad con la nube sucede gracias al módulo IoT y la configuración del node red que sirve
como enlace para poder enviar datos de la planta en tiempo real hacia cualquier dispositivo en red (ver
Fig. 9).
Figura 9. IoT module connection diagram.
Configuración de Node – Red y ThingsBoard
Node – RED permite conectar dispositivos Hardware a servicios en línea.
ThingsBoard permite visualizar y gestionar los datos del proceso. La interfaz incluye gráficas de
evolución del sistemas, leds que permiten visualizar la etapa en la que se encuenta el proceso en tiempo
real y contadores para el registro de datos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La implementación del entorno virtual para monitorear el empaquetado automático de gelatina arrojó
los resultados esperados. La programación del proceso en TIA Portal V17 permite desarrollar de manera
efectiva, el funcionamiento de todos los componentes del proceso.
Para validar la funcionalidad de la propuesta se presenta la simulación del proceso y todas las etapas
que incluye. La interfaz Humano – Máquina ayuda al operario a introducirse en el proceso. Da la señal
de puesta en marcha del proceso y permite visualizar la etapa en la que se encuentra el mismo. El
historico de datos es útil para llevar un registro de la producción que se realiza (ver Fig. 10).
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Figura 10. Operation of the human machine interface (HMI).
Por otra parte, la virtualización de la planta ayuda a adentrarse en el proceso en si, visualizandolo desde
otra perspectiva. Unity ofrece una gran variedad de herramientas que ayudan a emular el proceso como
si de un entorno real se tratase. Mediante la simulación se comprueba que el proceso cumple sus 3
etapas principales como se desea (ver Fig. 11).
Figura 11. Virtualization of the automatic gelatin weighing and packanging process.
Finalamente, la conexión con la nube permite crear entornos virtuales que se visualizan en vario
dispositivos en red. ThingsBoard ofrece múltiples herramientas para el monitoreo de la planta en tiempo
real, sin embargo, se pueden utilizar otras plataformas para realizar el diseño de la interfaz en linea.
CONCLUSIONES
La implementación de un entorno virtual para monitorear el pesaje y empaquetado automático de
gelatina es una alternativa innovadora y de bajo costo que permite probar diferentes escenarios y ajustes
de funcionamiento del proceso en un entorno seguro y controlado. Por otra parte, la conexión con
internet mediante el modulo Simatic IoT2050 ofrece multiples beneficios como monitoreo en tiempo
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real, la detección de anomalías y problemas, el mantenimiento predictivo y la integración con sistemas
existentes.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Àlex Figueras. (2020, noviembre 25). Informe OBS: La industria farmacéutica: impacto sanitario,
social y económico. OBS Business School.
https://www.obsbusiness.school/actualidad/informes-de-investigacion/informe-obs-la-
industria-farmaceutica-impacto-sanitario-social-y-economico
Arbildo, J., Ventoncilla, G., Macavilca, E., Diaz, F., & Mallqui, M. (2016). Obtención de Gelatina del
Colageno de la Piel y Huesos del Cuy. Big Bang Faustiniano, 5.
https://doi.org/10.51431/bbf.v5i4.31
Baloira Reyes, A., & Biosca Rojas, D. (2024). IOT SYSTEM FOR MONITORING THE TOBACCO
CURING PROCESS WITH A MULTI PROBE THERMO-HYGROMETER. Revista
Telem@tica, 22, 21-32.
Carballo Junco José Antonio. (2009). Breve historia de la industria farmacéutica. Imbiomed.
https://www.imbiomed.com.mx/articulo.php?id=59568
Corral González, M. (2021). Diseño y desarrollo de un sistema HMI para una aplicación de Industria
4.0. https://uvadoc.uva.es/handle/10324/50032
D’Addario, M. (2017). Automatización Industrial - Tomo 1: Tecnología, Representación y Funciones.
CreateSpace Independent Publishing Platform.
Esteban, M. del C. L., Díaz, D. C., & Díaz, M. C. (2012). Manual de tecnología farmacéutica. Elsevier
España.
Gelco S.A. (s. f.). Líderes en la fabricación de gelatina para uso comestible y farmacéutico.
Gennaro, A. R. (2003). Remington Farmacia. Ed. Médica Panamericana.
Granja, W. B., & Rojas, C. (2013, marzo 6). La visita médica virtual como alternativa en la promoción
de los productos farmacéuticos. https://www.semanticscholar.org/paper/La-visita-
m%C3%A9dica-virtual-como-alternativa-en-la-de-Granja-
Rojas/4219fecaf7de67a4bab8b7c24b585c190bc529e9
pág. 9067
Hidalgo-Solorzano, L., Palacios-Garcia, F., & Navarrete, M. (2017). Diseño de una máquina
encapsuladora automática de comprimidos de gelatina dura de 500 miligramos. Dominio de las
Ciencias, 3, 13. https://doi.org/10.23857/dc.v3i4.667
Leon Saleh, M. A. (1980). Instructivo para la elaboración de un trabajo de normalización para formas
farmacéuticas /. Universidad de el Salvador,.
Martínez Meza, A. S., & Quinchimba Cóndor, E. J. (2016). Diseño, construcción e implementación de
un sistema automatizado para el empaquetado de huevos en la empresa GRANPIAVE Cía.
Ltda. [bachelorThesis, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Carrera de Ingeniería en
Mecatrónica.]. http://repositorio.espe.edu.ec/jspui/handle/21000/12084
Martínez Vivas, V. L. (2013). Influencia del recubrimiento de gelatina 260 bloom USP en el rango de
disolución de comprimidos de Acetaminofén.
https://www.dspace.uce.edu.ec/entities/publication/www.dspace.uce.edu.ec
Medina, H., Peña, J., & Campoverde, D. (2022). Tecnología farmacéutica: Trabajos prácticos.
https://doi.org/10.26871/Edunica.978.9942.27.168.6
Melgosa-Latorre, M., Montero-Zeledón, E., Murillo-Ferández, M. A., Gutiérrez-Fallas, D., Pacheco-
Molina, J., Vargas, R., Melgosa-Latorre, M., Montero-Zeledón, E., Murillo-Ferández, M. A.,
Gutiérrez-Fallas, D., Pacheco-Molina, J., & Vargas, R. (2019). Caracterización de tabletas
farmacéuticas recubiertas por el método de aspersión aleatoria. Tecnología en Marcha, 32(7),
Article 7. https://doi.org/10.18845/TM.V32I5.4173
Ricardo Páez. (2018). Pautas bioéticas: La industria farmacéutica entre la ciencia y el mercado.
https://www.google.com.ec/books/edition/Pautas_bioe%CC%81ticas/U_Z5DwAAQBAJ?hl=
es-419&gbpv=1&dq=industria+farmaceutica&printsec=frontcover
Sánchez Marmolejo, D. M., & Gómez Alvarez, Y. (2018). Diseño de un sistema automático para el
empaquetado de tubulares en la empresa Propilflex Disgomez Ltda.
https://red.uao.edu.co/entities/publication/8156c31f-7981-485d-8b8f-4f1fa4f1adfd
Serantes, M., González, M., & Corengia, M. (2023). Planificación de producción en la fabricación de
envases flexibles multicapas (p. 1658).
https://doi.org/10.1109/INDUSCON58041.2023.10374910
pág. 9068
Tapia, N., & Lescano, W. (2023). Recycling of wet blue from a tannery to obtain Gelatin using basic
hydrolysis of magnesium hydroxide. Medwave, 23, eUTA331.
https://doi.org/10.5867/medwave.2023.S1.UTA331