Disenio-integral-de-un-secador-experimental-de-tunel

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y 
ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO 
PROGRAMA DE POSGRADO EN INGENIERIA DE SISTEMAS 
MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE SISTEMAS 
 
TESIS PARA OBTENER EL GRADO 
DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE SISTEMAS: 
 
 
“DISEÑO INTEGRAL DE UN SECADOR EXPERIMENTAL DE TÚNEL” 
Desarrollado en el Centro de Desarrollo de Productos Bióticos 
 y la SEPI- ESIME Zacatenco 
 
 
QUE PRESENTA EL ALUMNO 
ING. MIGUEL ÁNGEL PÉREZ GUTIÉRREZ. 
 
 
DIRECTOR DE TESIS 
DR. CARLOS LÓPEZ GONZÁLEZ, 
CENTRO DE DESARROLLO DE PRODUCTOS BIÓTICOS DEL IPN 
 
DIRECTOR DE TESIS 
DR. IGNACIO ENRIQUE PEÓN ESCALANTE, 
PROGRAMA EN INGENIERÍA DE SISTEMAS, SEPI-ESIME ZACATENCO 
 
 
2013 
 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
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Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
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Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
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Dedicatoria. 
A Lulú, con amor y gratitud por la comprensión y apoyo en cada proyecto que emprendemos 
juntos, siempre juntos. 
A Migue y Luisito con todo mi amor y esperanza en el futuro. 
A mi familia, hermanos, suegros, cuñados y en especial a mis sobrinos; Mago, Toño, Isra, 
Alan, Pau, Albe, Efrén, Dianis, Adán, Lalo, Monse, Salo, Marianita, Emi y Juanito, con el 
deseo de que esta meta cumplida sirva de inspiración para crecer y superarse cada día. 
A mis padres: Paulina y Salomón, por lo que sembraron en mí y porque sé que en alguna 
parte del cielo están juntos y cuidándonos. 
 
Agradecimientos. 
A Dios, por todas las bendiciones que nos regala a cada día y por permitirme concluir esta 
etapa de mi formación. 
Al Instituto Politécnico Nacional, a la SEPI-ESIME Zacatenco y al Centro de Desarrollo de 
Productos Bióticos, por el apoyo brindado en formación y recursos para desarrollar esta 
tesis. 
A mis directores de tesis, los Doctores Carlos López e Ignacio Peón, por su paciente y 
generosa guía. 
A mis compañeros, amigos y todos aquellos quienes participaron e hicieron posible el buen 
término de este proyecto. 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
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ÍNDICE 
RESUMEN .......................................................................................................................... 8 
ABSTRACT .......................................................................................................................... 9 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 10 
CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA INVESTIGACIÓN. .......................... 12 
1.1. Justificación ............................................................................................................ 12 
1.2. Marco contextual..................................................................................................... 13 
1.2.1. Contexto físico. ................................................................................................. 13 
1.2.2. Contexto temporal ............................................................................................ 14 
1.2.3. Contexto cultural ............................................................................................... 15 
1.3. OBJETIVOS ............................................................................................................ 17 
1.3.1. General. ............................................................................................................ 17 
1.3.2. Específicos. ...................................................................................................... 17 
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO Y METODOLÓGICO ....................................................... 18 
2.1. El proceso de secado. ............................................................................................ 18 
2.2. La conservación de alimentos ................................................................................ 18 
2.3. El procesamiento de imágenes digitales. ................................................................ 19 
2.4. La teoría general de sistemas. ................................................................................ 20 
2.5. Tipo de investigación. ............................................................................................. 21 
2.6. Metodología ............................................................................................................ 22 
2.6.1. Fases de la MITSE ........................................................................................... 22 
2.7. Etapas de la investigación. ..................................................................................... 24 
CAPÍTULO 3. APLICACIÓN DEL MÉTODO ......................................................................... 26 
3.1. Fase 1: Análisis....................................................................................................... 26 
3.1.1. Requerimientos del área................................................................................... 26 
3.1.2. Situación Inicial. ................................................................................................ 27 
3.1.3. Túnel de secado. .............................................................................................. 28 
3.1.4. Sistema de captura de imágenes. .................................................................... 28 
3.2. Fase 2: Diagnóstico ................................................................................................ 28 
3.2.1. Equipos disponibles. ......................................................................................... 29 
3.2.1.1. Termómetro digital ............................................................................................ 29 
3.2.1.2. Balanza............................................................................................................. 31 
3.2.1.3. Cámaras de video ............................................................................................ 32 
3.2.2. Definición del modelo de secado. ..................................................................... 33 
3.2.3. Variables de estudio. ........................................................................................ 34 
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3.3. Fase 3: Diseño. ....................................................................................................... 35 
3.3.1. Selección de muestras. .................................................................................... 36 
3.3.2. Diseño del túnel de secado .............................................................................. 37 
3.3.3. Diseño del sistema de comunicaciones. ........................................................... 40 
3.3.4. Diseño del sistema de procesamiento de imágenes. ....................................... 40 
3.3.5. Análisis del subsistema de información ............................................................ 41 
3.4. Fase 4 : Desarrollo. ................................................................................................. 45 
3.4.1. Desarrollo del Software. Diagrama de flujo ...................................................... 45 
3.4.2. Base de datos. .................................................................................................. 47 
3.4.2.1. Descripción de las tablas de base de datos ..................................................... 47 
3.4.3. Subsistema de adquisición de imágenes ......................................................... 50 
3.4.4. Subsistema de adquisición de datos ................................................................ 51 
3.4.5. Desarrollode la interface de usuario: ............................................................... 53 
3.4.6. Lenguaje de programación. .............................................................................. 54 
CAPÍTULO 4. RESULTADOS ............................................................................................... 55 
4.1. Fase 5: Puesta en marcha del Equipo .................................................................... 55 
4.2. Experimentos .......................................................................................................... 57 
4.3. Análisis de imágenes .............................................................................................. 58 
4.4. Caso Práctico: Secado de Manzanilla. ................................................................... 58 
4.5. Análisis estadístico ................................................................................................. 59 
4.6. Periodo de secado a velocidad constante .............................................................. 62 
CONCLUSIONES .................................................................................................................. 67 
RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 68 
ANEXOS ........................................................................................................................ 69 
ANEXO 1 Equipos en el mercado ..................................................................................... 69 
ANEXO 2 Teoría del secado ............................................................................................. 72 
Definición de conceptos ................................................................................................. 76 
Operación de secado. .................................................................................................... 76 
ANEXO 3. El procesamiento de imágenes. ...................................................................... 79 
Imagen óptica vs. imagen digital. ................................................................................... 79 
Usos actuales y tendencias. ........................................................................................... 81 
ANEXO 4. TEORÍA GENERAL DE SISTEMAS ................................................................ 83 
Bases epistemológicas de la teoría general de sistemas ............................................... 83 
Conceptos básicos de la teoría general de sistemas ..................................................... 85 
Metodologías de la ingeniería de sistemas .................................................................... 90 
Sistemas duros ............................................................................................................... 90 
Sistemas suaves ............................................................................................................ 90 
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ANEXO 5 Tendencias en tecnologías de conservación de alimentos ............................. 91 
ANEXO 6 Práctica de obtención de parámetros de secado. ............................................ 94 
ANEXO 7 El estándar RS-232 .......................................................................................... 97 
ANEXO 8.- Cotización para construcción del prototipo ..................................................... 99 
GLOSARIO DE TÉRMINOS ................................................................................................ 101 
INDICE DE CUADROS Y FIGURAS ................................................................................... 108 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 110 
 
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RESUMEN 
En el Centro de Desarrollo de Productos Bióticos (CEPROBI), se construyó un secador de 
túnel y charolas experimental, cuyo propósito es apoyar a los proyectos de investigación y 
de capacitación en los cursos que se imparten, donde interesa demostrar el proceso del 
secado de materiales biológicos. 
Se desarrolló un prototipo para la captura y análisis automático de imágenes digitales y 
datos, consistente en un conjunto de cámaras, equipos de medición y software de control. 
Este prototipo puede ser aplicado en equipos y sistemas para adquirir, clasificar y analizar 
imágenes automáticamente, y relacionar la información generada de tales imágenes con 
otras variables de operación como el peso y la temperatura. 
El desarrollo de esta tesis se centra en la integración del prototipo para la captura y análisis 
de imágenes digitales y datos con el túnel de secado, mediante interfaces de comunicación. 
Con esta integración más el desarrollo de un software para monitorear el proceso, es posible 
capturar y analizar imágenes digitales en tiempo real del material que se seca, obteniendo 
lecturas de cambios en color y forma, así como del cambio de peso (cinéticas de secado), y 
de la temperatura. 
El prototipo más el secador de túnel de charolas experimental, forman un paquete 
tecnológico de bajo costo que puede ser de utilidad para instituciones de educación en 
ingeniería o investigación y desarrollo, en la obtención de parámetros de secado de 
materiales. 
Para la realización de este trabajo se empleó una metodología basada en la de sistemas 
duros, y el proceso cibernético, la cual se describe y se denominó como “Metodología para 
la Investigación Tecnológica Sistémica Experimental” (MITSE). 
Se realizaron ensayos con el equipo ya integrado, obteniendo resultados favorables y 
comprobándose experimentalmente la factibilidad de obtener prototipos con fines de 
investigación y educativos. 
 
 
 
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ABSTRACT 
A prototype system for the automatic capture and analysis of digital images and data was 
developed at the Centro de Desarrollo de Productos Bióticos (CEPROBI-IPN). This prototype 
can be used in devices and systems to acquire, classify and analyze images in real time, and 
to compare the numerical data obtained from images with other operating variables, such as 
weight, pressure, temperature, etc. In this thesis, the subject is concerned with the drying of 
materials in an experimental tray tunnel. 
The prototype system is integrated with three elements: 1) a subsystem of communication, 
which drives the instrumental of measurement, four video cameras, and the acquisition of 
data and images in a controlled and synchronized way; 2) a surveillance subsystem which 
reeds data iteratively, in previously controlled and defined lapses, selected by the operator; 
and 3) the data processing subsystem, which saves and processes the data to display plots 
and valuable information from the experiments in real time. 
An experimental try drying tunnel was developed and equipped with the prototype system for 
monitoring and acquiring images and data of temperature and weight loss in real time. With 
this device it is possible to get and analyze changes in color and form of digital images from 
the drying material, besides the weight (drying kinetics), and the temperature changes. 
The prototype and the tray drying tunnel is a low cost drying and data analysis kit which is 
useful as a tool in engineering education and research and development laboratories to 
obtain drying parameters of materials. 
This work focuses on the assembly of the basic system components, and subsystem 
development of monitoring of material surfaces during drying, so that gives cohesion to the 
existing parts and result in a technical package capable of being copied and transferred. 
What was done inthis work were found elements to propose a methodology for experimental 
systemic technological research (MITSE), which shows the characteristics of research that is 
required to develop systems that support the object of study, and that can help develop 
solutions to specific research problems. 
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 INTRODUCCIÓN 
La tecnología de alimentos es la aplicación de múltiples ciencias enfocadas a la producción, 
proceso, conservación y estudio de productos alimenticios. Por la tendencia general de 
reducir costos de operación y hacer más eficiente el uso de la energía al servicio de la 
transformación, los procesos que intervienen deben ser cada vez más eficientes y 
automatizados, requiriendo de la participación de especialistas en varias disciplinas que 
mejoren los equipos, procesos y metodologías utilizadas para las distintas operaciones que 
la componen. 
El secado de alimentos es una operación que se emplea para transformar alimentos. El 
objetivo primordial del proceso de deshidratación es reducir el contenido de humedad del 
producto a un nivel que limite el crecimiento microbiano y las reacciones químicas. Los tipos 
de secadores que existen se pueden clasificar por la tecnología que utilizan para el secado: 
convección, liofilización, aspersión, radiación, entre otros; por la forma de alimentar el 
producto, por lote o continuos. 
El aire caliente es usado como el medio para inducir la evaporación del agua en el material 
a secar en la mayoría de los secadores mencionados, y ha tenido un uso muy extendido 
desde tiempos remotos. 
Para fines educativos y de investigación, el secador de convección de tipo túnel con aire 
forzado es de los más empleados, ya que permite un control más preciso de las condiciones 
de secado y representa uno de los modelos de secador más extendidos en su uso por su 
simpleza y bajo costo de construcción y operación. 
Durante el secado, el producto sufre cambios físicos como encogimiento y cambio de color. 
Estos cambios dependen del tipo de producto y de las condiciones en que se realiza la 
operación. El registro y análisis de estos cambios se puede llevar a cabo de manera 
inmediata mediante la incorporación de otras técnicas como la inspección visual asistida por 
computadora, y el tratamiento digital de imágenes, con las ventajas de que se genera 
información en tiempo real, que es una técnica no invasiva y que reduce tiempo en los 
procesos de medición, permitiendo la retroalimentación oportuna de información al sistema. 
El diseño integral de un secador experimental de túnel realizado en el CEPROBI, tiene como 
finalidad cubrir los requerimientos mencionados anteriormente. El proceso implica que 
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durante su realización se lleve a cabo la adquisición de imágenes, su visualización, 
almacenamiento, y parte del procesamiento para su posterior análisis. 
Por lo anterior, es necesario contar con un sistema de adquisición y almacenamiento de 
imágenes digitales como parte del desarrollo de este prototipo: ésta es la principal 
aportación de este trabajo. 
La tesis está organizada en tres capítulos, más anexos, referencias bibliográficas, glosario e 
índices de ilustraciones y cuadros. 
En el capítulo 1 se describen los fundamentos y el contexto de la investigación. También se 
analiza la problemática de la caracterización de los productos de secado y se expone la 
necesidad de contar con desarrollos de sistemas y subsistemas que contribuyan a solventar 
esta situación. Así mismo, se describen las condiciones de tiempo, lugar y situación en que 
se realizó la investigación. 
En el capítulo 2 se dan los marcos teórico y metodológico con que se abordó el presente 
trabajo, se describen los principios de las disciplinas que intervienen tanto en el secado de 
alimentos, como en el tratamiento de imágenes digitales; se presenta la Metodología de 
Investigación Tecnológica Sistémica Experimental (MITSE), concluyendo que se tienen los 
elementos suficientes para abordar esta problemática y desarrollar el sistema. 
El capítulo 3 describe la aplicación del método y sus diferentes etapas, desde la 
construcción del túnel hasta el desarrollo del subsistema de software diseñado para controlar 
la adquisición y tratamiento de imágenes, así como la adquisición de las variables de peso y 
temperatura, y los algoritmos para realizar en tiempo real las gráficas de secado por cada 
experimento en proceso. 
También se explica cómo se logró concentrar en una sola interface de usuario todos los 
elementos antes descritos, con lo cual se facilita, automatiza y hace más eficiente la 
realización de los procesos. 
Finalmente, se presentan las conclusiones y resultados de los trabajos realizados, se hace 
un análisis de la aplicación de la metodología utilizada y se cierra con un conjunto de 
recomendaciones, producto de las experiencias obtenidas durante la realización de este 
trabajo, que como todo sistema -siguiendo la propia metodología- debe ser retroalimentado y 
mejorado. 
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CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA 
INVESTIGACIÓN. 
1.1. Justificación 
En la actualidad, dentro de los proyectos de investigación de las tecnologías de alimentos, 
en especial en el desarrollo de nuevos productos, suele ser necesario caracterizar las 
condiciones de secado de diversos materiales, ya que ésta es una operación muy empleada 
como medio de conservación y transformación. Un túnel de secado con aire en charolas es 
una herramienta de gran ayuda, al permitir la obtención de datos físicos y termodinámicos de 
los materiales a deshidratar, así como velocidades de secado, modelos empíricos de 
cinéticas de secado, los cuales son de utilidad en la caracterización, comprensión y 
predicción de patrones de deshidratación, tiempo de secado y consumo energético durante 
la operación. Así mismo, estos datos son de gran utilidad en el diseño de deshidratadores y 
el cálculo del costo energético del proceso. 
Con el análisis de imágenes acoplado a un sistema de secado de materiales, y con el 
desarrollo de las técnicas de tratamiento de imágenes, es posible un seguimiento más 
preciso de los cambios que experimentan los productos al someterse al proceso de secado, 
tales como el cambio de color y el encogimiento; éste último es un indicador indirecto del 
cambio de área de transferencia de masa. De lo anterior surge la necesidad de tener 
herramientas que cuenten con sistemas para monitorear los cambios en variables como la 
temperatura, humedad, peso y que además permitan capturar, procesar y analizar 
imágenes. 
Cada material, alimento o producto biológico que se estudia requiere un análisis particular. 
Caracterizar y reproducir las condiciones óptimas de secado de acuerdo con el material o 
producto que se esté procesando requiere tecnología de registro de esos cambios que sea 
adecuada, eficiente y que entregue resultados reproducibles. A pesar de que en el mercado 
existen equipos similares al que se desarrolló en esta tesis, tienen la desventaja de ser 
costosos y con frecuencia son tecnologías cerradas, lo que impide ajustarlos a las 
necesidades de una investigación o mejorarlos a bajo costo. El modelo de equipo que se 
propone en este estudio tiene la ventaja de ser más barato en su diseño y construcción, 
además de que puede obtener datos de los cambios en el material que se deshidrata en 
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tiempo real. Así mismo, se trata de un sistema de tecnología “abierta” susceptible de 
adaptarse y/o modificarse de acuerdo con las necesidades experimentales. 
Dentro de las actividades académicas desarrolladasen el centro, está la formación 
académica, la capacitación y la actualización tecnológica, En el departamento de Desarrollo 
Tecnológico (DDT) se pretende ampliar la oferta de cursos de propósito específico tanto 
para alumnos de los programas de posgrado, como para cualquier persona interesada en 
ésta tecnología: “fundamentos del secado de alimentos”, para el cual el desarrollo de esta 
tesis resulta útil por ser un equipo experimental. 
La necesidad de este tipo de sistemas para el desarrollo de actividades académicas no solo 
en el CEPROBI, sino en el país en general, es amplia, y el presupuesto destinado a este 
rubro es escaso; estas herramientas tecnológicas son generalmente de importación, de 
costos muy elevados tanto de compra como de operación y mantenimiento. Otros equipos 
son descontinuados por el fabricante y su reparación y/o actualización suele ser incosteable. 
Es por todo lo anterior que se requiere desarrollar la capacidad de desarrollo e integración 
de sistemas para poder adaptar las soluciones a estas necesidades, bajo un marco 
metodológico con enfoque de sistemas específico. 
1.2. Marco contextual 
1.2.1. Contexto físico. 
La presente investigación se llevó a cabo en la planta piloto del departamento de Desarrollo 
Tecnológico del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos (CEPROBI), perteneciente al 
Instituto Politécnico Nacional (IPN). 
El CEPROBI se encuentra ubicado en el municipio de Yautepec, en el estado de Morelos y 
se constituyó oficialmente en 1984. Tiene como objetivos realizar investigación básica y 
aplicada, que permita la integración de paquetes tecnológicos, tendientes a la explotación 
racional y aprovechamiento óptimo de los recursos bióticos del país y formar recursos 
humanos de alto nivel académico en las áreas de biotecnología, bioingeniería y protección 
vegetal orientadas al desarrollo científico y tecnológico del país[1]. 
Para realizar docencia e investigación, el CeProBi está organizado en cuatro departamentos 
académicos: Biotecnología, Interacciones Planta-Insecto, Desarrollo Tecnológico y Nutrición 
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y Alimentos Funcionales, con un total de 12 laboratorios, distribuidos en los cuatro 
departamentos. 
El objetivo del departamento de Desarrollo Tecnológico, es realizar investigación orientada al 
desarrollo de tecnologías para el aprovechamiento de recursos bióticos, a través del estudio 
de biomoléculas, con énfasis en el almidón y promover el desarrollo tecnológico para la 
formación de industrias procesadoras de productos biológicos. Cuenta con tres laboratorios, 
entre ellos se encuentra la planta piloto.[1] 
En el departamento se desarrolla una línea de investigación: Estudio y aprovechamiento de 
biomoléculas, y varias sublíneas de investigación; una de ellas es: Estudio de la ingeniería 
necesaria para el desarrollo de procesos y/o la transformación y conservación de las 
materias primas así como el estudio de sus propiedades físicas, dentro de la cual se 
enmarca la presente investigación. 
Son cuatro los laboratorios que existen en este departamento: 
1. Análisis Instrumental 
2. Control de Calidad 
3. Almidones 
4. Planta Piloto 
Por otro lado, en las últimas dos administraciones del IPN, se ha dado especial énfasis a la 
vinculación con el sector productivo y la pertinencia de la investigación realizada en el 
Instituto; por lo que ha sido el propósito de el CEPROBI, tener impacto en las actividades 
productivas del estado de Morelos, representando al IPN en la entidad. 
1.2.2. Contexto temporal 
Bajo la premisa institucional de asegurar la pertinencia (interacción con el entorno), de las 
actividades realizadas por el IPN, se creó el Modelo de Integración Social en el año de 2004, 
lo cual ha impulsado desde entonces la reorientación de los esfuerzos de la administración 
del CEPROBI para cumplir con esa tarea, incrementando convenios de colaboración y 
favoreciendo las condiciones para lograr estos objetivos [2]. 
En el año 2008, se desarrolla en el Centro un prototipo electrónico y de software para 
adquisición de imágenes, el cual demostró la factibilidad de contar con elementos propios 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
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para trabajar con este tipo de archivos digitales. En el año de 2009, en el Departamento de 
Desarrollo Tecnológico, se detecta la necesidad de contar con un secador de túnel 
experimental, que se pudiera utilizar tanto para la impartición de cursos, como para auxiliar 
las tareas de investigación. Ante la falta en el mercado de uno que cumpliera con los 
requerimientos del laboratorio y se ajustara a los recursos presupuestales con los que se 
contaba, se decide diseñar uno que cubriera esas necesidades y se pudiera elaborar con 
recursos existentes. 
Es entonces que, durante el proceso del diseño, se tuvo la visión de integrar el sistema con 
subsistemas de control, monitoreo y procesamiento de la información, además de permitir la 
captura de imágenes, lo que ha dado como resultado el sistema que se presenta en este 
trabajo de investigación. 
1.2.3. Contexto cultural 
El prototipo de propósito específico desarrollado en este trabajo tiene la intención de ser 
utilizado como herramienta de la investigación básica y la aplicada, así como en la docencia. 
Su influencia está en ser una tecnología que genera información válida y suficiente, con la 
flexibilidad para adaptarse a diferentes situaciones experimentales. 
Es por lo anterior, que se propone la Metodología de Investigación Tecnológica Sistémica 
Experimental (MITSE). Culturalmente, en México y específicamente en el CEPROBI-IPN, ha 
existido poco interés en este campo. Actualmente se depende tanto de tecnología como de 
equipos ajenos al Instituto, creándose una dependencia de tecnologías de empresas e 
instituciones externas, para el desarrollo del quehacer científico del CEPROBI, pero en 
especial de estudio y análisis de las operaciones unitarias en el DDT. 
En México se requiere esa vinculación entre la ciencia y la práctica para solucionar 
problemas concretos, y en el caso del IPN, eso es lo que se busca primordialmente con el 
Modelo de Integración Social. [3] 
Así, tenemos que tradicionalmente el secado ha sido la operación que más se ha usado en 
la industria para conservar productos, no solo en México, sino a nivel mundial, ya que reduce 
el contenido de humedad y la actividad de agua (Aw), inhibiendo y/o retardando tanto 
reacciones químicas de deterioro, como el desarrollo de microorganismos no deseados. 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
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Cuando se requiere escoger que fuente de calor es la mejor para deshidratar un alimento, 
debe realizarse un balance costo-beneficio. Si bien la energía solar suele ser la elección 
energética más barata, tiene los inconvenientes de ser difícil de controlar, depender de la 
incidencia solar (día-noche) y del clima, así como requerir tiempos prolongados de secado. 
El usar fuentes de calor fósiles (combustóleo, carbón o gas) debe analizarse con 
detenimiento y evaluar con suficiente exactitud su conveniencia. 
Otro aspecto a considerar, es que el proceso de secado también induce cambios en las 
propiedades del producto, afectando sus características finales en peso, color, sabor, 
textura, forma, propiedades nutricionales y capacidad de rehidratación. Para obtener 
productos con el mejor balance entre estos aspectos, es que se requieren estudios 
específicos para cada producto, y es aquí donde se utilizan secadores experimentales o de 
baja escala, que permiten con bajo costo de operación, realizar estos estudios. 
Debido a la necesidad de este tipo de secadores de túnel para investigación y educación, se 
tiene el desarrollo de varios equipos de línea como elsecador de charolas Modelo PS-SE-
200/EL marca Generatoris que se comercializa en México, o el UOP8 Tray Drier de la 
empresa Armfield de Inglaterra, por citar algunos ejemplos; sin embargo, en la bibliografía 
consultada, se encontró que estos modelos no cuentan con adquisición de datos ni de video, 
por lo que no se ajustan a la necesidad de manejo de imágenes planteado en esta tesis, 
además de que su costo oscila en los 400,000 pesos (ANEXO 1 Equipos en el mercado). 
A nivel investigación también se encontró que existen esfuerzos de desarrollo de prototipos 
con algunas de las características descritas en esta tesis. Dentro de la literatura estudiada 
se encontró un desarrollo que se enfoca en la educación a distancia, diseñando un 
laboratorio virtual donde las imágenes y vídeo que se toman y envían por la red en tiempo 
real, corresponden al equipo completo, pudiéndose observar a distancia el experimento en 
su conjunto (equipo, muestra y operadores), incluso controlándolo remotamente, poniendo 
énfasis en la operación del equipo, mientras que en esta tesis, en obtener imágenes en 
tiempo real del material que se está secando; dicho ejemplo es el caso de un túnel 
desarrollado en la Universidad de las Américas (UDLA) en puebla. Otra diferencia, es que 
aquel maneja límites de temperatura de 30 a 70°C, y el modelo que se presenta en esta 
tesis llega a los 110°, requerido para trabajar con modelos de estudio que requieran tales 
temperatura, como materiales no alimenticios: celulosa, arcillas, etc. 
 
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1.3. OBJETIVOS 
1.3.1. General. 
Diseñar e integrar los componentes necesarios para un secador de charolas experimental de 
túnel con registro de imágenes. 
1.3.2. Específicos. 
 Realizar un diagnóstico de la problemática del secado en la conservación de 
alimentos. 
 Diseñar un secador experimental de túnel con aire caliente y charolas. 
 Construir un prototipo del secador que incluya un subsistema de captura de 
imágenes. 
 Diseñar y construir un mecanismo automatizado de monitoreo de peso y captura de 
imágenes durante el proceso de secado (en “tiempo real”). 
 Desarrollar un sistema de registro y procesamiento de las imágenes capturadas 
 Comprobar experimentalmente los modelos obtenidos en el sistema. 
 Describir la metodología para la investigación tecnológica sistémica experimental 
(MITSE). 
 
 
 
 
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CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO Y METODOLÓGICO 
En este capítulo se presentan las bases teóricas y los antecedentes de las partes principales 
que componen éste trabajo, tanto la parte de la operación del secado, como la 
automatización y utilización del procesamiento de imágenes, pasando por el análisis de la 
problemática de la conservación de los alimentos, todas integradas bajo el enfoque de 
sistemas, del cual también se muestran los antecedentes teóricos. 
2.1. El proceso de secado. 
Las operaciones unitarias son partes o pasos específicos de los procesos industriales, cuyo 
propósito es modificar las características de las materias primas o de los materiales en 
proceso, con el objeto de obtener productos con cualidades bien definidas (Ibarz R., A y 
Barbosa-Cánovas, G.V, 2005). Estas modificaciones están encaminadas a la obtención de 
productos que tengan un mayor valor y/o aceptación en el mercado; o bien que presenten 
mayores posibilidades de almacenamiento y transporte, así como el que sirvan para cubrir 
alguna necesidad específica. 
El secado es la operación unitaria mediante la cual se extrae la humedad de un producto. 
Respecto de su origen, no se sabe exactamente desde cuando nuestros ancestros 
emplearon este proceso para conservar alimentos, pero la historia muestra que fue un 
proceso de prueba y error. El primer registro de este método data del siglo XVIII y fue 
utilizado para secar vegetales [4]. Eventualmente se logró una base científica que permitió el 
desarrollo de una industria mundial de procesamiento y conservación de alimentos. Como en 
la mayoría de los avances tecnológicos, el desarrollo de la industria del secado ha estado 
estrechamente ligado a escenarios de guerra alrededor del mundo, al requerirse conservar y 
transportar alimentos con una calidad y duración suficientes [5]. En ANEXO 2 Teoría del 
secado, se explican los principios teóricos del proceso de secado, donde se puede ver su 
complejidad al aplicarlo en productos alimenticios. 
2.2. La conservación de alimentos 
Según la FAO (Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación 
por sus siglas en inglés), las pérdidas pos-cosecha de los cultivos de alimentos exceden el 
30% en varios países en desarrollo, debido principalmente a la falta de infraestructura y al 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 19 
alto costo de las tecnologías de procesamiento. Este problema se acentúa cuando se trata 
de productos altamente perecederos, como las frutas y hortalizas, donde un promedio del 
23% (hasta un 40-50% en zonas tropicales), se pierden por deterioro microbiológico y 
fisiológico y daño mecánico durante la cosecha, envasado y transporte [6], sin mencionar las 
pérdidas por motivos económicos, como es el desplome de precios cuando hay 
sobreproducción, las políticas internas de protección de los productores locales, y el 
desperdicio provocado por el despilfarro del consumidor final. 
La reducción de las pérdidas de productos perecederos requiere la adopción de varias 
medidas durante la cosecha, la manipulación, el almacenamiento, el envasado y el 
procesamiento de alimentos frescos para obtener productos adecuados con mejores 
propiedades de almacenamiento. En ANEXO 5 Tendencias en tecnologías de 
conservación de alimentos, se presentan las tendencias tecnológicas enfocadas al envasado 
y el procesamiento para la conservación de alimentos. [7] 
2.3. El procesamiento de imágenes digitales. 
Se entiende por imagen digital aquella imagen que es captada por medios electrónicos y es 
representada en archivos digitales (a través de una serie de pulsos eléctricos basados en un 
sistema binario), que puede ser interpretada correctamente por una computadora. El 
procesamiento de imágenes es el tratamiento que se le da a este tipo de imágenes. La 
imagen digital se compone de n x m elementos llamados pixeles, a los que les corresponde 
una posición en un plano bidimensional (o cartesiano), así como un valor de intensidad (de 
“luz” y/o de color), por lo que puede representarse como una función . Donde 
son coordenadas en el plano, y es el valor de intensidad en ese punto. 
El procesamiento de imágenes es de gran interés por su amplia variedad de aplicaciones, 
principalmente para dos objetivos: 1) mejorar las cualidades de la imagen para la percepción 
del ojo humano y su interpretación, y 2) para desarrollar equipos capaces de aplicar métodos 
de adquisición, almacenamiento, transmisión y representación de imágenes[37]. En ANEXO 
3. El procesamiento de imágenes., se profundiza en la teoría sobre el procesamiento de 
imágenes digitales. 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 20 
2.4. La teoría general de sistemas. 
En un sentido amplio, la Teoría General de Sistemas (TGS) se puede ver como una forma 
sistemática y científica de aproximación y representación de la realidad y, al mismo tiempo, 
como una orientación hacia una práctica para formas de trabajo transdisciplinarias. Si la 
vemos como un paradigma científico, la TGS se caracteriza por su perspectiva holística e 
integradora, en donde lo importante son las relaciones y los conjuntos que a partir de ellas 
emergen. En su aspecto práctico, la TGS ofrece un ambiente adecuadopara la interrelación 
y comunicación fecunda entre especialistas y especialidades [8]. 
Desde la perspectiva de la TGS, todo sistema puede formar parte de un sistema mayor 
(Supra sistema), y a la vez se puede dividir en sistemas más elementales (Subsistema). La 
tarea de conectar sistemas se conoce como integración, y su objetivo es obtener resultados 
que por separado los subsistemas no podrían producir. 
Dentro de las metodologías de sistemas, se encuentran las diseñadas para sistemas 
“duros”. Partiendo de la investigación de operaciones se llega a la ingeniería de sistemas, 
como la postulada por Jenkins en los años 60, donde trata de problemas concretos, con 
objetivos y metas claras y puntuales. Sin embargo, se considera necesario complementarla 
con otras metodologías y modelos que ponen énfasis en el aprendizaje y la 
retroalimentación, tanto en las fases de diseño como en la operación. En el caso que nos 
ocupa, se trata de un secador experimental de túnel, como se verá más adelante. 
Otro concepto de interés para este trabajo, es el de proceso cibernético, (del griego 
kibernetes, timonear). Definido por Weiner en los años 40, sobre la base de tres teorías: la 
teoría de sistemas, la de información y la de control, introdujo un análisis más completo 
sobre los conceptos de retroalimentación y comportamiento dirigido a metas, lo aplicó en 
sistemas sociales, biológicos y mecánicos, también previó el rol central que tendría la 
computadora en los procesos industriales e intelectuales. Estas ideas fueron tan relevantes, 
que fueron tomadas por las ciencias de la computación, la biología, filosofía, psicología y 
muchas ramas de las ciencias sociales. Del proceso Cibernético se distinguen el control y la 
retroalimentación, mismos que se basan a su vez en la integración de subsistemas mediante 
la comunicación entre ellos, y el control que se logra con el procesamiento de esa 
información. En ANEXO 4, se dan las bases de la TGS, del enfoque de sistemas y de su 
interrelación con la investigación científica. [9] 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 21 
 
2.5. Tipo de investigación. 
Por el objeto de estudio, se puede considerar al tipo de investigación de este trabajo como 
“Investigación aplicada”, porque “Se utilizan los conocimientos en la práctica, para 
emplearlos en un provecho social”. [10] 
Según Grajales, (2000), en su definición de investigación aplicada, comenta que “La 
investigación aplicada guarda íntima relación con la básica, pues depende de los 
descubrimientos y avances de la investigación básica y se enriquece con ellos, pero se 
caracteriza por su interés en la aplicación, utilización y consecuencias prácticas de los 
conocimientos. La investigación aplicada busca el conocer para hacer, para actuar, para 
construir, para modificar”. 
 De acuerdo con las variables que la componen, se puede considerar la investigación 
realizada en esta tesis como Investigación experimental, por el rol del investigador en “la 
manipulación de una variable experimental no comprobada, en condiciones rigurosamente 
controladas, que tiene el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce una 
situación o acontecimiento particular. [10] El objetivo de este trabajo es obtener un equipo 
para desarrollo de experimentos de secado. Es un desarrollo sistémico, porque se desarrolla 
con rigor científico: trata de definir un modelo matemático del secado de alimentos a través 
del análisis de imágenes obtenidas durante el desarrollo de corridas experimentales de 
secado. Relaciona las imágenes con las variables de temperatura y peso e integra los 
equipos de experimentación de que se compone, con equipos de medición y de información, 
valiéndose para ello, de interfaces de comunicación. El sistema resultante permite obtener y 
caracterizar en tiempo real el material a secar, obteniendo datos de relevancia para el 
análisis del proceso y realizando algunos análisis de forma inmediata. Este trabajo busca 
también lograr una reducida intervención humana en la lectura y captura de datos, con lo 
cual se verán disminuidos los factores generadores de error en los análisis. 
Bajo esta perspectiva, se acotarán los experimentos, procurando delimitar los alcances y 
características que se pueden medir, principalmente en cuanto a cambios de coloración y 
cambios en el tamaño y peso. 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 22 
2.6. Metodología 
Dadas las premisas comentadas en el punto anterior, el presente trabajo contiene elementos 
de integración, de diseño y de experimentación en tres ámbitos principalmente: 
1) construcción del equipo, 
2) elección y configuración de interfaces de comunicación y 
3) desarrollo del sistema informático. 
 
La integración de estos subsistemas, incluyendo su funcionamiento como un solo sistema, 
permitirá obtener información general que, a su vez, permitirá realizar ajustes para 
controlarlo, mejorarlo o corregirlo; con base en lo dicho, se propone la Metodología de 
Investigación Tecnológica Sistémica Experimental (MITSE), misma que está basada en una 
de las metodologías de la ingeniería de sistemas: la propuesta primero por Hall y 
posteriormente por W. Jenkins. Al tratarse de un desarrollo tecnológico, es conveniente 
utilizar conceptos y metodologías de la Ingeniería de Sistemas, porque se trata de cubrir un 
requerimiento (Contar con un equipo de laboratorio para secado con adquisición de 
imágenes), que es concreto en sus objetivos y necesidades. Lo anterior está enriquecido por 
el modelo cibernético, según el cual, mediante la integración de sistemas que se comunican 
entre ellos, se obtiene información útil que permite retroalimentar y controlar el proceso 
objeto de estudio. Para lograr la integración del sistema, se contemplan las etapas 
correspondientes de: análisis, diseño, construcción, evaluación y retroalimentación. 
Al aplicar la MITSE a procesos u operaciones básicas dentro de la tecnología de alimentos, 
(en este caso específicamente el secado), se requiere de comprobación física, cuantificable, 
verificable y reproducible. De aquí que la MITSE es intrínsecamente un método 
experimental sistemático y científico. En Figura. 1 se muestran las fases de la metodología, 
las cuales se describen a continuación. 
2.6.1. Fases de la MITSE 
FASE 1: Análisis de la problemática. La metodología inicia con un análisis de la situación a 
resolver o mejorar. Así se define el sistema y sus objetivos, y se podrá llegar a una solución 
adecuada. Al tratarse de aspectos de investigación experimental, se hará énfasis en el 
objeto de estudio y en los equipos y subsistemas a utilizar. Contempla los siguientes puntos: 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 23 
 Identificación y formulación del problema (objeto de estudio) 
 Organización del proyecto 
 Identificación del sistema y suprasistema. 
 Definición de los objetivos del suprasistema 
FASE 2: Diagnóstico de la situación actual y sus posibles soluciones. El objetivo es obtener 
un dictamen que, con base en él, permita diseñar formas potenciales de solución del 
problema; en este caso, conocer las alternativas de equipos e información para poder 
realizar la investigación, a saber: 
 Definición de las medidas de desempeño del sistema 
 Recopilación de datos e información 
 Definición de alternativas de equipo y técnicas experimentales. 
FASE 3: Diseño de prototipos y sistemas. Con base en una evaluación de las alternativas 
generadas, se selecciona la que optimice la operación del sistema, se modelan los 
prototipos y subsistemas, considerando su costo en tiempo y dinero, a saber: 
 Modelación del sistema 
 Optimización de la operación del sistema 
 Diseño del control de la operación del sistema 
FASE 4:Construcción del sistema. Los resultados del diseño se presentan a los 
investigadores responsables y se busca su aprobación para la implantación del diseño 
propuesto. Enseguida, se construyen los equipos y subsistemas de información del sistema. 
Después de que el sistema se haya construido en detalle, tendrá que probarse para 
demostrar el buen desempeño de su operación, confiabilidad, etc., a saber: 
 Documentación y autorización del sistema 
 Construcción e instalación del sistema, componentes físicos y lógicos 
FASE 5: Evaluación de resultados y propuestas de mejora. Después de la fase de 
construcción, y una vez realizadas las pruebas, se mide la eficiencia de la operación del 
sistema. En caso de que la operación del sistema no sea satisfactoria en cualquier momento 
posterior a su puesta en marcha, tendrá que iniciarse la fase 1 de la metodología, 
identificando los problemas que hicieron obsoleto el sistema diseñado, a saber: 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 24 
ANÁLISIS de la 
problemática a 
resolver 
DIAGNÓSTICO 
de la situación actual y posibles 
soluciones 
DISEÑO de 
prototipos y sistemas 
CONSTRUCCIÓN de 
prototipos y sistemas 
EVALUACIÓN de 
resultados y propuestas de 
mejora 
 Operación inicial del sistema 
 Apreciación retrospectiva de la operación del sistema 
Retroalimentación (Ver Figura. 1). Por un lado, el sistema estará operando en un ambiente 
dinámico y cambiante que probablemente tendrá características diferentes a las que tenía 
cuando el sistema fue diseñado. Por otro lado, se trata de un ambiente de investigación, en 
el que las tareas inherentes a los proyectos de investigación, muchas veces requieren de 
desarrollos a la medida o innovadores: el aprendizaje en la resolución permitirá obtener 
mejores resultados en desarrollos posteriores de este tipo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura. 1. Fases de la MITSE. 
2.7. Etapas de la investigación. 
Esta investigación se divide en dos etapas. La Primera Etapa, comprende las tres primeras 
fases de la MITSE. La Primera Fase consiste en determinar las necesidades tanto del 
Departamento de Desarrollo Tecnológico (DDT), en cuanto a la pertinencia del uso de un 
sistema como el desarrollado en esta tesis, así como el tipo de material con el que se va a 
 
 
 
 
 
 
Aplicación 
y evaluación 
de Solución 
(Mundo Real) 
 
Retroalimentación 
 Definición del 
problema 
(Mundo Real) 
Propuesta de 
Solución 
(Mundo 
Conceptual) 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 25 
trabajar. La Segunda Fase consiste en realizar un diagnóstico de las características del túnel 
de secado, de los instrumentos de medición que se ocuparán y de su funcionamiento, así 
como de las necesidades de información para el sistema. 
En esta misma fase se evaluará la posibilidad de adaptar y modificar un sistema de captura 
de imágenes de construcción propia del IPN. La Tercera Fase consiste en el diseño del 
sistema, así como de cada subsistema que lo compone. 
La Segunda Etapa de esta investigación cubre las dos últimas fases de la MITSE: la Cuarta 
Fase, cuyo objetivo es materializar los subsistemas diseñados en las etapas previas, Es aquí 
donde se lleva a cabo la construcción/adecuación del túnel, propiamente dicho, también el 
desarrollo de las interfaces de comunicación y la elaboración del sistema informático para la 
captura de imágenes y datos. 
 Posteriormente se diseñan y ejecutan los experimentos para probar el funcionamiento del 
sistema en su conjunto y por subsistema. 
Finalmente se realiza la evaluación de los resultados que arrojen los distintos experimentos 
realizados, para pasar a la última fase del ciclo, de propuestas de mejora. 
 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 26 
CAPÍTULO 3. APLICACIÓN DEL MÉTODO 
3.1. Fase 1: Análisis 
3.1.1. Requerimientos del área. 
El Departamento de Desarrollo Tecnológico (DDT) del CEPROBI, cuenta con un grupo de 
investigadores y el equipamiento para el estudio de algunas operaciones unitarias, como lo 
es el secado. Esta operación depende de muchas variables, las cuales es necesario validar 
cuando se trata de caracterizar el secado y obtener un modelo empírico o experimental para 
algún producto en particular. Contar con datos de cada proceso de manera inmediata y 
reproducible es un requisito. 
Un tipo de secador muy utilizado por la industria de los alimentos es el de convección 
forzada con aire caliente, ya que es de los secadores más baratos en su construcción, 
mantenimiento y operación, y versátiles en su uso, porque una gran variedad de alimentos 
pueden deshidratarse con él; tal es el caso de frutas y hortalizas enteras o en rodajas, 
hierbas aromáticas, secado y ahumado de productos cárnicos, algunos productos a granel 
como semillas, entre otros. El aire se calienta con resistencias eléctricas, con la combustión 
de gas o petróleo (Directo o indirecto) o con energía solar (directa o indirecta). 
El secador experimental de túnel desarrollado en esta tesis basa su funcionamiento en el 
secado por convección forzada con aire caliente. Con él puede estudiarse el secado bajo las 
condiciones mencionadas y, tanto reproducir, como escalar esas condiciones en secadores 
de igual fundamento en su operación, semiindustriales o industriales. 
En este secador experimental es necesario garantizar que la temperatura del aire pueda 
manipularse a criterio del investigador. En algunas corridas experimentales es necesario que 
la temperatura sea constante durante todo el experimento; o bien, que la temperatura se 
pueda elevar a ritmos definidos. En ocasiones, se requiere que la temperatura se mantenga 
en valores elevados (90-110 ºC). 
No obstante que la tendencia actual en los procesos industriales es la sustitución de las 
fuentes convencionales de energía (petróleo, gas, carbón), por energías verdes o más 
limpias (eólica, solar, geotérmica, etc.), un secador experimental como el desarrollado aquí, 
necesita un control de la temperatura preciso. Con energías como la solar, el control de la 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 27 
temperatura es difícil de lograr. Por lo anterior, se optó por usar resistencias eléctricas como 
fuente de energía para calentar el aire. Sin embargo, la información que se puede obtener 
del secador experimental propuesto es útil tanto en el diseño de secadores convencionales 
que usan fuentes renovables como no renovables. 
El secador experimental de túnel debe contar con la capacidad de controlar el proceso. Para 
conseguirlo, se requiere un software que por un lado permita la adquisición de datos y por 
otro almacene y procese la información obtenida. Para éste sistema de información se 
definieron las siguientes necesidades: 
 Captura en línea de las variables temperatura y peso. 
 Cálculo del área del producto a secar 
 Seguimiento a la variación del área de secado. 
 Obtención de las gráficas de secado 
 Obtención del tono/brillo de la muestra 
 Variación en el tono/brillo de la muestra 
 Cálculo del flux de masa en el secado 
 Capacidad de reproducir el proceso 
 Almacenamiento de los resultados para futuras referencias 
Con estos requerimientos, se puede proceder al diseño del sistema, previo diagnóstico de la 
situación en que se inicia este trabajo, siguiendo la metodología propuesta. 
3.1.2. Situación Inicial. 
Como resultado del análisis, se encontraron algunos elementos físicos aislados (sin 
interconexión entre ellos); es decir, antecedentes del equipo que se iba a desarrollar, así 
como esfuerzos aislados para la construcción de un sistema de caracterización delsecado. 
En vista de lo anterior, fue necesario revisar su funcionalidad y a partir de ello proponer 
alternativas de trabajo. 
Entre lo más relevante con que se contaba, era un túnel de secado experimental, sin control 
de temperatura, ni aparatos de medición, sólo se contaba con el cuerpo del túnel y la 
estructura donde éste se montaba. Otro desarrollo con que se contaba, era el de un sistema 
de adquisición de imágenes, desarrollado en el laboratorio de microscopía del CEPROBI, del 
cual se consideró integrarlo al túnel de secado para que realizara la función de adquisición 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 28 
de imágenes del material deshidratado. A continuación se hace una descripción y 
diagnóstico de estos elementos. 
3.1.3. Túnel de secado. 
Como se ha mencionado anteriormente, el cuerpo del túnel de secado es desarrollo propio 
del CEPROBI, y aunque era funcional, no contaba con control de temperatura, control de 
velocidad del aire y monitoreo de la variación del peso de la muestra, suficientemente 
confiables. El control de estas variables se realizaba manualmente y dependía de la 
habilidad del operario. 
La fabricación se hizo con materiales reciclados, fáciles de conseguir, con lo que se cumple 
con uno de los objetivos de factibilidad del proyecto. Una propuesta original era obtener un 
paquete tecnológico de bajo costo, susceptible de ser reproducido y transferido a otras 
personas y/o instituciones. 
3.1.4. Sistema de captura de imágenes. 
El sistema de captura de imágenes sisad_1 – contryal_v, 1 fue diseñado en el CEPROBI-
IPN, con la finalidad de obtener imágenes de manera automatizada en un biorreactor, 
obteniendo en esa aplicación buenos resultados. Para aplicarlo en el monitoreo de 
materiales en un túnel de secado es necesario realizarle ajustes tanto en el hardware, como 
en el software. Así mismo, debe adaptarse el sistema de captura a la montura donde será 
colocado en el túnel de secado. Se deben encontrar las mejores condiciones de iluminación, 
la posición más adecuada y el número de cámaras a utilizar y su programación. Esto 
depende de la definición y necesidades del proceso de secado. 
3.2. Fase 2: Diagnóstico 
Respecto al túnel experimental, fue posible realizar las adaptaciones necesarias para 
desarrollar el sistema. Fue necesario agregar un termostato digital, para mantener la 
temperatura constante y un reóstato, para controlar la velocidad de giro del motor del 
soplador, mismo que controla la velocidad de flujo del aire. Por otro lado, se acondicionó un 
dispositivo mecánico para monitorear y registrar la variación del peso de la muestra, 
consistente de un arnés para sostener las charolas, mismo que cuelga del plato de una 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 29 
balanza. Finalmente, la temperatura del interior del túnel se registró con un termómetro 
digital. 
En cuanto al sistema de adquisición de imágenes, se decidió usar otra opción distinta al 
sistema de captura de imágenes sisad_1 – contryal_v,1. Este aparato realiza la función 
deseada, pero requiere de tarjetas lectoras de video adicionales, con las que no se contaba. 
El hecho de no contar con una descripción escrita detallada del aparato, hacía muy difícil su 
adaptación al secador. 
Respecto a los demás equipos con que se cuenta, se eligieron los siguientes para el 
desarrollo del sistema. 
3.2.1. Equipos disponibles. 
Los instrumentos de medición a utilizar para el seguimiento de las variables a medir, son los 
siguientes: 
3.2.1.1. Termómetro digital 
Se utilizó un termómetro digital marca Cole Parmer modelo DigiSense, (Singapur), (Figura. 
2), con capacidad para realizar hasta 12 mediciones simultáneamente, con las 
características especificadas en el Cuadro 1. Los termocoples usados fueron de tipo T y J. 
 
Cuadro 1.- Características del termómetro digital 
CARACTERISTICA DESCRIPCIÓN 
Entradas 
 
• Hasta 12 termocoples para medir, cada uno conectado a 
canales separados. 
• Los termocoples pueden ser de diferentes tipos. 
• Soporta termocoples de los tipos B, E, J, K, N, R, S o T. 
• Los canales pueden activarse/desactivarse 
individualmente. 
Almacenamiento 
de datos 
 
• Se pueden almacenar hasta 4680 registros en la unidad 
(Cada registro incluye lecturas de los 12 canales, mas la 
fecha y la hora) 
• Se puede dar seguimiento a los datos. 
• Botón STORE que permite almacenar manualmente los 
datos actuales 
• Los datos se mantienen aun cuando se apaga o 
desconecta la unidad. 
Display • Despliega el número de terminal y temperatura 
conforme obtiene el dato. 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 30 
 • Intervalo de muestreo de 4 segundos a 1 hora. 
• Las lecturas se pueden guardar y desplegar en °C, °F, 
°K, o °R. 
• Resolución de 0.1°. 
• Puede mostrar: Temperatura actual, máxima, mínima o 
el promedio. 
• En el promedio también muestra el número de lecturas. 
• La función “HOLD” congela los doce canales. 
 
Salida de datos 
 
• Los 12 canales pueden enviarse a la impresora 
simultáneamente. 
• El registro de los datos o los actuales o almacenados se 
pueden enviar directamente a una impresora serial. 
• Se puede ajustar el tiempo entre ciclos de impresión. 
• El registro de los datos o los actuales o almacenados se 
pueden enviar a una computadora personal (PC)(RS-232 
serial). 
Calibración 
 
• Los canales se pueden calibrar manualmente cada uno. 
• La calibración de fábrica se almacena y puede ser 
recuperada en cualquier momento. 
Alarmas 
 
• Se pueden configurar alarmas de alta/baja temperatura 
a cada canal. 
• Un termocople abierto lanza una alarma 
automáticamente. 
• Una alarma hace que se despliegue un ícono en el 
display. 
• La alarma emite un sonido, el cual puede ser 
desactivado. 
 
 
Figura. 2.- Termómetro digital de 12 Canales. 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 31 
3.2.1.2. Balanza. 
Uno de los parámetros más importantes durante la operación del secado, es el peso, ya que 
la forma inicial de calcular la cantidad de masa de agua que pierde el producto, es la 
variación de peso en el tiempo. Para realizar esta medición en las muestras a deshidratar, se 
utilizó una balanza digital marca TorRey, modelo L-EQ-5, (México), con división mínima de 
0.1 g, (Figura. 3), con comunicación vía puerto serial RS-232 y con las características 
mostradas en el Cuadro 2: 
Cuadro 2 Características de la balanza digital. 
CARACTERISTICA 
 
VALOR 
 
Capacidad 5Kg/10lb/160oz 
División mínima 1g / 0.002lb / 0.05oz 
Display Cuarzo Líquido 
Pantalla Iluminada 
Energía 110V/60Hz 
Conector serial RS-232 
Tara máxima 5Kg 
Plato 20 cm X 24 cm (7.8” x 
9.4”) 
Temperatura de 
Operación 
-10 a 40 ºC 
Temperatura de 
almacenaje 
-20 a 50 ºC 
Material de fabricación Acero inoxidable grado 
alimenticio 
Peso Neto 3.5Kg./10lb 
 
 
Figura. 3.- Balanza digital con interface de comunicaciones. 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 32 
3.2.1.3. Cámaras de video 
Se utilizaron 4 mini-cámaras alámbricas cromáticas de televisión (Ruiye, RY-208C, 
Guangdong, China), integradas en el sistema de captura mediante conectividad RCA y 
acopladas al túnel de secado como se ve en la Figura. 4. Las especificaciones de las 
cámaras se muestran en el Cuadro 3. El costo de estas cámaras fue de aproximadamente 
USD$ 20, cada una. 
Cuadro 3.- Especificaciones de las cámaras de video 
CARACTERÍSTICA 
 
VALOR 
Sistema NTSC 
Tecnología CMOS 
Enfoque Manual 
Resolución 
Estandarizada para 
televisión: 320 x 240 
líneas Salida de video RCA 
Impedancia 75Ω 
Amplitud de la señal de video 1Vpp 
Frecuencia de exploración 
(Velocidad de la imagen) 
25 f/sec 
Tensiones de alimentación8, 9 y 12 Vdc 
Consumo de corriente 100 y 150 mA 
 
 
Figura. 4.-Cámara de video a color. 
Como complemento al equipo principal, se contó con una PC armada, con procesador AMD 
Atthlon™ II X4 645 Processor 3.11 GHz, con 4.0 GB, 100 Gb en disco duro, que controla la 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 33 
adquisición y el registro de los datos de cada variable, almacena las imágenes adquiridas 
por las cámaras acopladas a ésta y analiza los datos matemáticamente. 
También se usó un anemómetro manual de propela marca Airflow, modelo LCA-6000, 
(Estados Unidos), para medir la velocidad del aire a la salida del túnel. 
La humedad relativa al interior y a la salida del túnel de secado se midió con un psicrómetro 
de onda o “matraca” de mercurio marca Brannan, modelo BRANA135442 (Inglaterra), el cual 
consta de un termómetro de bulbo seco y otro de bulbo húmedo. La temperatura y la 
humedad relativa ambiental se midieron con un Termo-Higrómetro digital marca Extech 
Instruments, Modelo445702 (China). 
3.2.2. Definición del modelo de secado. 
La definición del modelo de secado depende de las características intrínsecas del material a 
secar y de su consecuente comportamiento durante las corridas de secado. Los alimentos 
fibrosos y/ o compactos en su estructura presentan comportamientos en la transferencia de 
masa y calor de tipo Fickeano. En los materiales de tipo granular o porosos (como arena 
suelta) la transferencia de masa y energía obedecen a mecanismos de capilaridad y tensión 
superficial, principalmente (Foust, 2001). 
1ª Ley de Fick. La difusión es un fenómeno de transporte por movimiento atómico, es decir, 
movimiento de átomos o moléculas, que se puede dar en un material (sólido, líquido o 
gaseoso) o entre más materiales. Es un proceso dependiente del tiempo y en un 
determinado momento es importante conocer la rapidez con que ocurre la difusión; se llama 
velocidad de flujo al número de átomos o moléculas que atraviesan una determinada 
superficie por unidad de tiempo; se calcula mediante la siguiente ecuación: 
 
 
 
 
Y su forma diferencial: 
 
 
 
 
 
 
Y si se considera que la velocidad es constante y el gradiente de concentración es conocido 
y también constante (estado estacionario), la velocidad de flujo se expresa con la ecuación: 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 34 
 
 
 
 
Denominada primera ley de Fick. 
Donde: 
 J: es el Flux o flujo de masa, medido en 1/cm2.s 
D: difusividad = cm2/s 
dC: diferencial o gradiente de concentración = g/cm3 
dx: diferencial de la distancia entre la zona menos y más concentrada = cm 
 
2ª Ley de Fick. En muchos fenómenos estudiados, la difusión ocurre en régimen transitorio. 
En este caso, tanto el flujo como la concentración varían con el tiempo. Esta ley establece 
que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual al coeficiente de 
difusión por la velocidad de cambio del gradiente de concentración. La solución de la 
segunda ley de Fick es: 
 
 
 
 
 
 
Donde 
C: Concentración = g/cm3 
D: Difusividad = cm2/s 
 
Se espera que el análisis de imágenes complemente la información generada a partir de las 
otras variables, como área, temperatura y pérdida de humedad en la integración del modelo. 
3.2.3. Variables de estudio. 
Las variables a estudiar permiten caracterizar el proceso de secado para cada producto y 
determinar bajo qué condiciones se obtienen mejores resultados en dicho proceso; 
asimismo, uno de los objetivos particulares del presente trabajo es explorar la posibilidad de 
obtener resultados inmediatos al contar con el monitoreo automatizado y en línea con la PC, 
Miguel Ángel Pérez Gutiérrez Diseño integral de un secador experimental de túnel 
 
 Página 35 
la cual podrá realizar los cálculos necesarios en cada muestreo. Las variables a estudiar en 
la muestra son las siguientes: 
 Peso. 
 Temperatura. 
 Superficie de transferencia de masa y calor. 
 Propiedades ópticas: (color) 
 Respuesta: tiempo de secado 
3.3. Fase 3: Diseño. 
Al diseñar el sistema, se consideraron los elementos tanto físicos como de información con 
los que se contaba. A partir de ahí, se diseñó la integración del túnel de secado ya existente 
con los equipos de medición y los subsistemas de comunicaciones y de información. Por lo 
tanto es conveniente hablar de tres subsistemas integrados: El túnel de secado, el 
subsistema de comunicaciones y el desarrollo informático, que aunque cada uno tienen sus 
propios objetivos -incluso se puede aplicar la MITSE para cada subsistema -, en conjunto 
tienen como objetivo específico, mostrar las ventajas de su integración en un solo sistema, 
mediante la aplicación del enfoque sistémico. En Figura. 5, se pueden observar los 
subsistemas que componen el prototipo. 
 
Figura. 5 Diseño de la integración 
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3.3.1. Selección de muestras. 
El material a secar se escogió como objeto de estudio de acuerdo con los siguientes 
criterios: 
 Se esperaban cambios evidentes por efecto de la deshidratación, mismos que 
pueden ser fácilmente detectados por el sistema (MASA, FORMA, COLOR) 
 
 El material ha sido estudiado antes, por lo que hay información con la cual 
comparar los resultados obtenidos. 
 
 El material es de interés agronómico e industrial en la zona de influencia del 
CEPROBI. 
 
Tomando en cuenta estas premisas, se decidió utilizar muestras representativas de varios 
grupos de alimentos, así se eligió jitomate (Lycopersicum esculentum), que es de gran 
importancia por su producción en el estado de Morelos, el nopal (Opuntia ficus-indica), de 
igual manera, ya que Morelos es actualmente el segundo productor en México y existe un 
gran interés por sus distintas propiedades. En Cuadro 4, se muestra la información sobre 
producción de estos dos alimentos en el estado de Morelos [11]. 
También se consideraron la manzanilla (Chamaemelum nobile) y epazote (Dysphania 
ambrosioides) ambos frescos, por su relativa velocidad de secado, lo cual da la posibilidad 
de revisar resultados en menor tiempo. Finalmente se consideró la carne de res en filete, 
que es el principio de la materia prima utilizada para la elaboración de la cecina, platillo típico 
y referente de la gastronomía Morelense. 
 
Cuadro 4,. Producción de Nopal y Jitomate en Morelos 
Tipo/modalidad Estacionalidad 
Superficie en 
hectáreas 
Producción anual 
por hectárea 
Nopal Todo el Año 500 ha 80 ton 
Jitomate Saladette 
Hidropónico 
Todo el año 60 hectáreas 220 ton 
Jitomate Saladette 
cielo abierto 
Marzo – Diciembre 2,250 hectáreas 23 ton 
Jitomate Bola 
Hidropónico 
Todo el año 10 hectáreas 220 ton 
 
 
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3.3.2. Diseño del túnel de secado 
El túnel de secado experimental, se diseñó y construyó en el departamento de Desarrollo 
Tecnológico del Centro de Desarrollo de Productos Bióticos del IPN, basados en las 
premisas de que se trata de un secador de bajo volumen por ser experimental, de bajo 
costo, fácil mantenimiento y reproducible, se definió un diseño es modular, aprovechando los 
recursos con que se contaba en ese momento, sin perder funcionalidad y con posibilidad de 
integrar más componentes en caso necesario. 
El túnel consta de las siguientes partes: 
 
Cuerpo del túnel.- De 1.8 m de longitud y 20 cm. de alto por 20 cm de ancho. Incluye la zona 
donde se localiza el soplador (entrada del aire), hasta la salida del mismo. Está compuesto a 
su vez por 3 secciones acopladas. El material del que está hecho es lámina galvanizada de 
1mm de espesor, donde se albergan los demás componentes (Figura. 6). 
Zona del Soplador. Es lazona del secador por donde es conducido el aire de secado. En 
esta zona se encuentra un soplador de propela axial de tres aspas de aluminio, impulsadas 
Figura. 6 Vista exterior del secador de túnel. 
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por un motor monofásico (115V C.A.) de 1/8 HP. El rotor del motor gira, en su velocidad 
máxima a 1750 rpm. Este soplador entrega una corriente de aire con velocidad de hasta 2 
m/s, para el plano de la luz del túnel de secado. El flujo másico máximo de aire es de 8.8 
m3/min, a la velocidad mencionada. 
 
 
Zona de calentamiento del aire: es la zona donde se eleva la temperatura del aire que emite 
el soplador, a través del cuerpo de calentamiento compuesto por tres resistencias eléctricas 
de acero negro, en forma de espiral, con una potencia de 900 watts, de fabricación 
mexicana; las tres resistencias conectadas en configuración estrella, permiten alcanzar 
temperaturas de hasta 115oC en las charolas de muestreo, ubicadas en la zona de secado 
(Figura. 7). 
Zona de secado: Consta de tres charolas para colocar las muestras; cuenta con una 
ventanilla para maniobras y en la parte superior las charolas se acoplan a la balanza digital y 
se colocan las cámaras digitales para toma de muestras. 
Figura. 7. Vista interior, soplador y cuerpo de calentamiento. 
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Aislantes térmicos: Dos paneles tipo radiador que evitan la pérdida de calor y que optimizan 
el funcionamiento del túnel, una colocada entre el soplador y el cuerpo de calentamiento y 
otra colocada a la salida del túnel. La zona de calefacción y la zona de secado se 
encuentran aisladas mediante una cubierta de lana de fibra de vidrio de 1 pulgada de 
espesor, para disminuir pérdida de calor por disipación del túnel (Figura 8). 
Tablero de control: Es donde se encuentran los dispositivos que permiten controlar el 
funcionamiento del túnel en cuanto a temperatura, velocidad de rotación del soplador, e 
intensidad de iluminación de la zona de secado, consta de un gabinete de 20 x 20 x 15 cm, y 
contiene al pirómetro digital marca XMT-808, de fabricación china y un relevador 
electromecánico que suministra corriente a las resistencias de calentamiento Para el control 
de la velocidad del motor se cuenta con un potenciómetro y para el control de la intensidad 
de luz en la zona de muestreo un dimmer. 
 
Figura. 8.Zona de charolas, control y equipos de medición. 
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3.3.3. Diseño del sistema de comunicaciones. 
Una vez terminado de construir el túnel de secado, se procedió a la instalación de los 
instrumentos de medición y su sistema para la obtención de datos (Figura. 9), es decir, las 
interfaces de la balanza y termómetro digitales, para su comunicación con la computadora, 
así como del dispositivo de captura de video. Finalmente se desarrolló el software que 
permite la captura de los datos en tiempo real y que almacena los datos de manera 
organizada y de fácil recuperación para su análisis posterior. 
 
Figura. 9 Subsistema de Comunicaciones. 
3.3.4. Diseño del sistema de procesamiento de imágenes. 
Para el diseño del sistema fue necesario determinar los parámetros de interés para medir y 
controlar. Interesaba seguir en tiempo real el cambio de aspecto (forma y color) de los 
materiales a deshidratar. En cuanto al análisis de la forma se estudió la posibilidad de 
emplear los siguientes índices: diámetro de Feret, circularidad, longitud y/o dimensión fractal 
de contornos, etc., optando inicialmente por medir el encogimiento de la muestra durante el 
 
 
Secador 
de 
Tunel 
 
B 
al 
Balanza 
 
 
Termómetro 
 
 
Módulo de 
Videocámaras 
 
 
 
Equipo 
de 
Cómputo 
 
Termo Par 
“J” X 4 
RS-232 
RS-232 
RCA X 4 
RS-232/ 
USB 
USB 
USB 
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secado (cambio de área), parámetro que permite obtener las cinéticas del secado y dejar la 
posibilidad abierta para utilizar alguno de los índices mencionados anteriormente. 
Una vez contando con los requerimientos y con los datos a obtener, fue posible iniciar el 
diseño y desarrollo del sistema, el cual a su vez, consta de las fases de elaboración de un 
sistema de software, las cuales son: análisis, diseño, desarrollo, pruebas, retroalimentación, 
afinación y puesta en funcionamiento. De acuerdo con el modelo para el Desarrollo de 
Sistemas de Cascada [12], las etapas a cubrir en el desarrollo de sistemas de información 
son las siguientes: 
 Fase 1.- Análisis 
 Fase 2.- Diseño 
 Fase 3.- Desarrollo 
 Fase 4.- Pruebas 
 Fase 5.- Retroalimentación-Ajustes 
 Fase 6.- Liberación- Propuestas de mejora. 
A continuación se detallan las etapas descritas anteriormente. 
3.3.5. Análisis del subsistema de información 
Esta etapa consiste en definir alcances, necesidades y funcionalidades de la información 
requerida para el sistema, considerando el sistema físico con el cual se interactuará. 
La metodología para determinar los atributos del sistema, consistió en validar el 
funcionamiento del túnel, mediante la realización de varios experimentos de secado, a 
distintas temperaturas y velocidades del aire de secado. Se comprobó el funcionamiento 
adecuado ya que las curvas de secado obtenidas corresponden con las esperadas para este 
tipo de equipos. [13] 
Una vez validado el funcionamiento del túnel se corroboró que es posible automatizar la 
adquisición de datos de entrada para el sistema, con las variables peso de la muestra, 
temperatura del aire de secado, así como de las imágenes digitales en distintos intervalos. 
Con esto, se mantiene otro de los objetivos del sistema, el cual es permitir la caracterización 
del secado de diferentes materiales, mediante el análisis de imágenes obtenidas durante el 
secado. 
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El análisis de dichas imágenes consiste en comparar tamaño (área) del producto así como 
sus variaciones en tonos y/o brillos, graficar los resultados y relacionarlos con los 
parámetros de secado que se usan comúnmente para la evaluación experimental del mismo, 
de tal manera que al concluir el secado, se obtengan de manera inmediata los siguientes 
datos: 
 Pérdida de humedad 
 Variación de tamaño 
 Variación de coloración. 
 Flux de masa en el secado (primera y segunda leyes de Fick) 
También es necesario que se almacenen los resultados obtenidos en cada corrida, 
identificando cada experimento con una clave y descripción, y cada lectura también con una 
clave y los datos obtenidos, con la intención de tenerlos clasificados y disponibles para 
futuras referencias y poder utilizarlos para cálculos posteriores que no estén integrados en el 
sistema. 
El funcionamiento del sistema se representa en Figura. 10, donde se pueden apreciar las 
diferentes etapas que lo conforman. 
 
Figura. 10.-Diagrama de Bloques. Etapas del Proceso. 
1.-Datos de 
entrada: HR, 
Vaire, 
Intervalo 
2.-Adquiere 
y almacena 
datos: T, W, 
e imagen 
3.-Grafica y 
calcula 
variaciones 
en tamaño y 
tono 
4.-Obtiene 
resultados y 
almacena 
corrida 
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Inicio del Sistema 
Abre comunicación con instrumentos: 
- Termómetro (hasta 4 lecturas) 
- Báscula 
- Cámaras de vídeo (hasta 4 cámaras) 
Solicita datos de Inicio: 
 -Nombre y descripción de la corrida. 
 -Velocidad del Aire, Humedad relativa, 
Intervalo entre lecturas. 
En el bloque 1 se indica el inicio del proceso. Aquí se prepara el experimento, colocando la 
muestra en las charolas del equipo, y estas a su vez, colocándolas