e-ISSN: 1390-5902
CEDAMAZ, Vol. 13, No. 1, pp. 56–64, Enero–Junio 2023
DOI: 10.54753/cedamaz.v13i1.1844
Diseño y construcción de un prototipo de esterilización empleando radiación
UV-C para alimentos industrializados
Design and construction of a UV-C sterilization prototype for industrial food products
Jefferson Gaona-González1, Rodolfo Merino-Vivanco 2, Jorge Carrión-González 3, Andy
Vega-León 4, Jonathan González-Espinosa 3y Alba Vargas-Naula 4,*
1Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador
2Centro de Investigación, Innovación, Desarrollo de Prototipos Tecnológicos y Pruebas Electroenergéticas – I2TEC, Universidad
Nacional de Loja, Loja, Ecuador
3Carrera de Electricidad, Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador
4Carrera de Telecomunicaciones, Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador
*Autor para correspondencia: alba.vargas@unl.edu.ec
Fecha de recepción del manuscrito: 05/04/2023 Fecha de aceptación del manuscrito: 15/05/2023 Fecha de publicación: 30/06/2023
Resumen—Los alimentos que se comercializan en empaques pueden estar contaminados con distintos tipos de microorganismos que
producen enfermedades. El desarrollo de esta investigación brinda una solución para la esterilización de alimentos industrializados mediante
el uso de la Radiación Ultravioleta (UV) en 253,7 nm. Se analizaron trabajos relacionados a la tecnología UV y sus efectos en los patógenos
para determinar el valor necesario de dosis UV, y se investigó sobre la población patógena propensa a desarrollarse en materiales como:
plástico, cartón, vidrio y metal. Para el dimensionamiento y construcción del prototipo se realizó la toma de medidas de los principales
alimentos industrializados que se ofertan en los supermercados, así como se analizó el tipo de material a utilizar, seleccionando el acero
inoxidable por sus propiedades reflectivas y de anti corrosión. Para verificar la correcta aplicación de dosis UV y garantizar la seguridad de
los usuarios, se realizaron pruebas con un radiómetro y se verificó que el prototipo no genere gases tóxicos mediante el uso de un medidor
de ozono. El prototipo es capaz de trabajar en dos modos de operación: estándar y envase, arrojando una dosis UV máxima de 57,64
mJ/cm2 en el proceso más largo del modo estándar. Los resultados obtenidos mostraron que el prototipo sirve para esterilizar distintos tipos
de envases y que las dosis de radiación UV emitidas por las lámparas son suficientes para inactivar varios tipos de microorganismos, entre
ellos la Escherichia coli que es una de las bacterias más comunes encontradas en los supermercados del país.
Palabras clave—Esterilización, Ultravioleta, Prototipo, Alimentos, Microorganismos.
Abstract—Packaged foods can be contaminated with various types of microorganisms that cause disease. The development of this research
provides a solution for the sterilization of industrialized foods through the use of ultraviolet (UV) radiation at 253.7 nm. Studies related
to UV technology and its effects on pathogens were analyzed to determine the necessary value of UV doses, and research was conducted
on the pathogen population prone to develop in materials such as plastic, cardboard, glass and metal. For the sizing and construction of
the prototype, measurements were taken of the main industrialized foods offered in supermarkets, and the type of material to be used was
analyzed, selecting stainless steel for its reflective and anti-corrosion properties. In order to verify the correct application of the UV doses
and to guarantee the safety of the users, tests were carried out with a radiometer and it was verified that the prototype does not generate
toxic gases with an ozone meter. The prototype is capable of operating in two modes: standard and package, with a maximum UV dose of
57.64 mJ/cm2 in the longer process of the standard mode. The results obtained showed that the prototype can be used to sterilize different
types of containers and that the doses of UV radiation emitted by the lamps are sufficient to inactivate several types of microorganisms,
including Escherichia coli, one of the most common bacteria found in the country’s supermarkets.
Keywords—Sterilization, Ultraviolet, Prototype, Food, Microorganisms.
INTRODUCCIÓN
Alo largo de la historia, la alimentación se ha conside-
rado como un elemento primordial para la preserva-
ción de la salud humana; por lo tanto, es importante man-
tener un estricto cuidado respecto a la higiene que poseen
los alimentos que se ingieren. Pese a ello, este tema suele
pasar desapercibido cuando el alimento se ofrece dentro de
un envase o empaque, ya que estas superficies pueden estar
contaminadas con microorganismos sin que el consumidor lo
note. El procedimiento de esterilización para eliminar o miti-
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0. 56
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ESTERILIZACIÓN GAONA-GONZÁLEZ et al.
gar dichos microbios es una herramienta vital para controlar
la proliferación de enfermedades y preservar la salud de las
personas.
Según Wilkinson (2023), la contaminación alimentaria ha-
ce referencia a la presencia de un contaminante en el alimen-
to que puede provocar alteraciones en la salud del consumi-
dor. Dicha contaminación puede producirse durante la ma-
nipulación del comestible o en las etapas del proceso de fa-
bricación. Dependiendo de su naturaleza, puede ser una con-
taminación biológica, química y cruzada. Sin embargo, en
la cadena de producción y suministro es en donde existe una
mayor posibilidad de contaminación, deterioro y/o alteración
de los alimentos (Martínez, 2013).
Existen diversos microorganismos que pueden llegar a es-
tar en contacto con los alimentos y cumplir con distintos ro-
les; por ejemplo, los probióticos que aportan en el procesa-
miento de los alimentos, los saprofitos que son un factor cla-
ve en la biodegradación y deterioro de alimentos, y los pa-
tógenos que producen infecciones e intoxicaciones alimenta-
rias (Bencko, 2020).
En la industria existe una gran cantidad de microorganis-
mos asociados a la contaminación de las superficies de los
alimentos, entre los principales están: Escherichia coli, Sal-
monella spp, Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, etc.
(Chauret, 2014). En el ámbito nacional, Pillalaza y Baque-
ro (2018), examinaron decenas de carros de compras usados
en los supermercados del cantón Quito e identificaron la pre-
sencia de varias bacterias coliformes, siendo la Escherichia
coli la predominante.
Según menciona Coba (2021), la agencia ecuatoriana de
estudios de mercado Dichter & Neira realizó una investiga-
ción en el año 2021 de cerca de 350 000 compras en 400
tiendas, obteniendo como uno de los resultados que en la lis-
ta de compras de los ecuatorianos, el primer lugar lo ocupa-
ban los alimentos provenientes de la industria, como: gaseo-
sas, snacks, agua embotellada, etc.; es decir, los ecuatorianos
muestran una fuerte inclinación hacia la compra de productos
que se comercialicen en un envase/empaque. Es por este mo-
tivo que los envases son un elemento esencial ya que son los
encargados de preservar el contenido, asegurar la calidad del
mismo y mostrar información importante sobre el alimento a
consumir; por ello, también es importante el tipo de material
del que están construidos, ya sea vidrio, metal, plástico, etc.
(Food Insight, 2020).
Respecto a los microorganismos presentes en los envases,
en Sood et al. (2019), se realizó el análisis de distintos tipos
de recipientes hechos a partir de cartón y papel, en donde se
comprobó la presencia de las bacterias: Bacillus, Staphylo-
coccus yPseudomonas. En la investigación hecha por Siro-
li et al. (2017), se mostró la presencia de Escherichia coli,
Listeria monocytogenes, Pseudomonas aeruginosa ySalmo-
nella spp en envases hechos a base de materiales plásticos.
En alimentos enlatados (atún) también existe la probabilidad
de contaminación con microorganismos, como: Clostridium
spp, Salmonella spp, Shigella spp, Campylobacter jejuni y
Escherichia coli (Traister, n.d.). Finalmente, según Pinto et
al. (2015), al analizar envases de vidrio del sector industrial,
se identificaron bacterias como Staphylococcus spp. y Baci-
llus cereus.
Una de las formas para inactivar estos microorganismos
y desinfectar superficies es el uso de radiación ultravioleta.
Debido a las características celulares de estos microbios, no
existe una dosis de radiación UV estándar que se conside-
re letal para todos. Sin embargo, en Malayeri et al.(2016),
se presentan las dosis recomendadas para la inactivación de
ciertos patógenos, obteniendo como información relevante al
objeto de estudio de este proyecto, que la mayor dosis de
radiación es de 36 mJ/cm2 para envases hechos a partir de
papel/cartón y la mínima de 4,6 mJ/cm2 para plásticos. Adi-
cionalmente, se puede concluir que el plástico es más suscep-
tible a albergar microorganismos (cerca de 6 tipos de bacte-
rias) mientras que el vidrio tiene menor posibilidad de con-
taminación (2 tipos de bacterias).
En el estudio reciente realizado por Bartolomeu et al.
(2022) se evaluó la eficacia de la radiación UV-C en la es-
terilización de superficies inanimadas, como plástico, metal,
madera y vidrio; obteniendo como resultado que las superfi-
cies de plástico, metal y madera necesitaron cerca de un mi-
nuto para lograr la inactivación de patógenos, mientras que
el vidrio requirió una tiempo total de 30 segundos. Para este
estudio emplearon lámparas UV-C con una emisión máxima
de 254 nm.
La ingesta de alimentos contaminados o desinfectados in-
correctamente tiene repercusiones en la salud de las perso-
nas, produciendo enfermedades que van desde diarreas hasta
síndromes neurológicos. Estas afecciones pueden llegar a ser
letales y por tal motivo han sido clasificadas bajo el nom-
bre de Enfermedades Transmitidas por Alimentos (ETA) por
parte de la Organización Mundial de la Salud (OMS), la mis-
ma estima que las ETA llegan a enfermar a 600 millones de
personas cada año y miles fallecen debido a esta causa. Otro
dato para tener en cuenta es que aproximadamente el 40% de
la población que padece de ETA corresponde a niños meno-
res de 5 años (Organización Mundial de la Salud, 2020).
Frente a las desventajas y limitaciones que involucran los
distintos métodos tradicionales de desinfección y a la nece-
sidad de preservar la salud de las personas que consumen
alimentos contenidos en envases / empaques, resulta factible
implementar prototipos que involucren una tecnología con
capacidad germicida, que brinden una esterilización eficaz
y eficiente, y que no produzcan residuos químicos; es decir,
que usen radiación ultravioleta.
MATERIALES Y MÉTODOS
En esta sección se exponen los diferentes componentes ne-
cesarios para el cumplimiento de la investigación.
Contexto
El proyecto se desarrolló dentro de un marco compuesto
de dos categorías, tales como la académica y la social, duran-
te el periodo de abril 2021 a septiembre 2022, en la Carrera
de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones de la Fa-
cultad de la Energía, las Industrias y los Recursos Naturales
No Renovables (FEIRNNR) de la Universidad Nacional de
Loja (UNL).
Procedimiento
Se realizaron diversas actividades resumidas a continua-
ción:
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CEDAMAZ, Vol. 13, No. 1, pp. 56–64, Enero–Junio 2023
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1. Se realizó una revisión bibliográfica de los conceptos
fundamentales relacionados a la tecnología ultravioleta,
como espectro de operación, unidades de medida, irra-
diancia, dosis y tiempo de exposición en diversas fuen-
tes enfocadas a la investigación científica.
2. Se recopiló información de investigaciones enfocados
a la determinación de dosis UV para la inactivación de
patógenos como virus y bacterias.
3. Se analizaron los distintos tipos de materiales utilizados
para la fabricación de envases alimentarios con el fin de
recopilar las bacterias más comunes presentes en cada
tipo.
4. Se evaluaron las características dimensionales de los ali-
mentos industrializados que se ofertan en supermerca-
dos para establecer un volumen adecuado de desinfec-
ción.
5. Se diseñó un circuito de control y activación en base
a los aspectos técnicos inmersos utilizando materiales
electrónicos idóneos
6. Se realizaron los cálculos de energía necesaria para el
dimensionamiento y cantidad de lámparas.
7. Se desarrolló una interfaz GUI para el manejo del equi-
po considerando los fundamentos determinados.
8. Se fabricó el diseño desarrollado a partir del material y
componentes elegidos.
9. Se realizaron pruebas de validación de resultados del
prototipo.
Recursos de Hardware y Software
Los recursos utilizados se resumen en la Tabla 1.
Tabla 1: Recursos de Hardware y Software.
Tipo Recurso Aplicación
Hardware Raspberry Pi 3B Ejecución de operaciones
Software
Python Lenguaje de programación
PyCharm v.2022.1.2 Interfaz gráfica
Proteus v.8 Simulación de circuitos de control
Tinkercad Diseño de estructura en 3D
Lucidchart Diagrama de operación del prototipo
Presupuesto
En la Tabla 2 se detallan los materiales utilizados para el
diseño y construcción del prototipo. Todos los elementos se
adquirieron a proveedores locales y nacionales.
Para determinar el costo total para la fabricación del pro-
totipo se tomó en cuenta el valor total de los materiales, el
costo por el diseño de los elementos que componen el dispo-
sitivo y el valor por la mano de obra de construcción de la
estructura metálica (carcasa). Estos valores se resumen en la
Tabla 3.
Debido a que los materiales se compraron en el merca-
do local y nacional, y que la mano de obra para el diseño y
construcción del prototipo también es de origen local, existe
facilidad para que la población adquiera este prototipo; así
como el soporte en caso de existir alguna novedad.
Tabla 2: Presupuesto de materiales para la construcción del
prototipo
Ítem Material - Dispositivo Cantidad Unidad
Valor
unitario
($)
Valor
total
($)
1 Lámpara UV-C 2 Unidad 178,00 356,00
2 Raspberry Pi 1 Unidad 325,00 325,00
3Pantalla TFT Raspberry
Pi - 2.8"táctil PiTFT 1 Unidad 85,00 85,00
4Tarjeta electrónica de
control 1 Unidad 25,00 25,00
5 Fuente de alimentación 2 Unidad 16,00 32,00
6Estructura de acero
inoxidable 1 Unidad 245,00 145,00
7 Impresión 3D 1 Global 85,00 85,00
TOTAL 1153,00
Tabla 3: Presupuesto total para la elaboración del prototipo.
Ítem Rubro Valor total ($)
1 Materiales 1153,00
2 Diseño 2500,00
3 Construcción 350,00
Total 4003,00
RESULTADOS
Fundamentos de operación
Una vez establecidas las bases teóricas y analizado la do-
cumentación relevante respecto a sistemas de desinfección
con radiación ultravioleta germicida (UVGI) para superfi-
cies, se determinaron ciertos requerimientos necesarios para
una adecuada operación del prototipo:
La capacidad de penetración de la UV-C hace que no
pueda ir más allá de la superficie del envase, por lo que
se requieren objetos libres de polvo o grasa para el tra-
tamiento.
Los sistemas UVGI para superficies deben cubrir las
áreas sombreadas que se puedan generar, de manera que
requieren irradiar al objeto desde más de un punto, cu-
briendo distintos ángulos.
Las cabinas o cajas UV resaltan de entre todos los equi-
pos para desinfección de objetos por su facilidad de ma-
nejo y de no requerir uso de protección especial.
Las barreras contra la radiación deben ser eficaces y
además tener propiedades reflectivas para concentrar de
mejor manera la energía, a la vez que cubren las áreas
sombreadas.
La dosis UV que recibe un objeto depende de la inten-
sidad del foco de radiación y el tiempo de exposición.
La energía ultravioleta radiada sigue la ley del cuadrado
inverso, lo que minimiza su eficacia conforme aumenta
la distancia.
La incorporación de un mecanismo de seguridad como
alarmas, sensores, etc., para proteger la integridad de los
operarios es muy necesaria.
Las características dimensionales del dispositivo de es-
terilización deben proveer un espacio adecuado para po-
der incorporar fácilmente los objetos (alimentos).
58
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ESTERILIZACIÓN GAONA-GONZÁLEZ et al.
La inhibición de gas ozono es fundamental para aplica-
ciones domésticas.
Dosis de inactivación
A partir de la investigación realizada sobre las dosis de ra-
diación necesarias para inactivar los patógenos presentes en
cada material de construcción según los diferentes envases
que se pueden encontrar, se establecieron las dosis específi-
cas para cada material, teniendo en cuenta el patógeno que
requería la mayor concentración de energía para su inactiva-
ción (Tabla 4).
Tabla 4: Dosis para cada material de envase.
Material Dosis de inactivación (mJ/cm2)
Plástico 17
Papel/Cartón 36
Metal 29
Vidrio 12
El microorganismo Escherichia coli se estableció como el
más frecuente en los supermercados del país; por lo tanto,
cualquier dosis suministrada debe cubrir su dosis de inacti-
vación. De esta manera se puede establecer una dosis máxi-
ma para alcanzar una esterilización en cualquier material de
envase, comparando los microorganismos que requerían las
dosis más altas necesarias para su inactivación, lo cual puede
apreciarse en la Tabla 5.
Tabla 5: Comparación de dosis de acuerdo con distintos criterios.
Indicador Microorganismo Dosis de inactivación
(mJ/cm2)
OMS Hepatitis A 35
Industria alimenticia Cryptosporidium spp. 6
Supermercados Escherichia coli 17
Una vez contrastadas las dosis, se estableció el valor de
35 mJ/cm2como la dosis máxima necesaria para esterilizar
cualquier material de envase, lo cual es necesario para cal-
cular los tiempos de exposición durante el que operarán las
fuentes de radiación para proveer la esterilización a los obje-
tos.
Fuente de radiación
Se realizó la búsqueda de una fuente de radiación que cum-
pla con la longitud necesaria para su acoplamiento en el volu-
men de desinfección, así como con los fundamentos de ope-
ración establecidos.
Luego, se midió la intensidad UV a partir de una variación
de la distancia con el fin de determinar la intensidad emitida
a la distancia requerida. Las mediciones se pueden observar
en la Tabla 4, que muestran la intensidad medida desde 1 cm
hasta 50 cm.
Con el fin de observar de mejor manera la variación de la
intensidad UV conforme se realizaba un aumento a la distan-
cia, se elaboró la gráfica correspondiente contrastando am-
bas partes (potencia y distancia). Los valores se detallan en
la Tabla 6 y la gráfica puede observarse en la Figura 1, la cual
muestra el cumplimiento de la ley del cuadrado inverso.
Tabla 6: Comparación de dosis de acuerdo con distintos criterios.
Distancia del foco
de radiación (cm)
Intensidad de radiación
(uW/cm2)
Producción de
ozono O3 (ppm)
1 8785 0
3 5383 0
5 4038,8 0
10 2052 0
15 1305 0
20 907 0
25 653 0
30 494 0
35 395 0
40 318 0
45 259 0
50 217 0
Fig. 1: Variación de la intensidad UV del foco de radiación.
Dispositivo de seguridad e iluminación
Un dispositivo de seguridad es necesario en la categoría
de proyecto en el que se encuentra el presente prototipo; por
lo cual, se implementó un sensor para controlar la apertu-
ra/cierre de la puerta, de manera que condicione la operación
del prototipo y provea seguridad al usuario mientras lo usa.
El sensor usado para este proyecto es el sensor de aper-
tura de puerta MC-38, debido a su gran rango de operación
y portabilidad. Este sensor es diseñado propiamente para el
control de puertas y ventanas en gran infinidad de proyec-
tos, se compone de dos partes y sus características pueden
observarse en la Tabla 7.
Tabla 7: Características de MC-38.
Sensor de apertura de puerta MC-38
Corriente nominal 100 mA
Tensión nominal 100 V
Potencia nominal 3 W
Dimensiones 27 mm x 14 mm x 8 mm
Distancia de activación mínima 15 mm
Distancia de activación máxima 25 mm
Adicionalmente, aprovechando la implementación de este
sensor, se añadió un dispositivo para indicar cuando la puerta
se encuentre abierta. Para este caso una cinta Led se consi-
dera idónea, puesto que provee de iluminación suficiente en
entornos de baja luminosidad.
Criterios para el dimensionamiento estructural
La investigación realizada sobre las características dimen-
sionales de los alimentos analizados, arrojó medidas nece-
sarias de 32,5 cm (alto), 22 cm (largo) y 16,9 cm (ancho),
estableciendo así una forma rectangular para el primer es-
pacio. También se consideraron criterios adicionales, como
la disposición de un producto dentro del volumen (vertical u
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horizontal), características de los elementos y espacios adi-
cionales; de esta manera, las medidas se resumen en la Tabla
8.
Tabla 8: Medidas finales del volumen de desinfección.
Medida Valor (cm)
Alto (Vertical) 40
Largo (Horizontal) 60
Ancho (Profundidad) 40
Se consideró la implementación de un material que sea al-
tamente resistivo al crecimiento microbiano y a la vez cuen-
te con propiedades reflectivas, asegurando que la radiación
llegue a todos los puntos. Luego de realizar las debidas con-
sultas, el material idóneo resultó ser el acero inoxidable pues
cumple con los requerimientos antes descritos.
En la Figura 2 se aprecia la estructura física y la disposi-
ción de los dos espacios o compartimentos considerados para
abarcar las operaciones de desinfección de forma óptima. El
primer compartimiento contiene las lámparas UV (ubicadas
arriba y abajo), una rejilla para colocar los productos, una
puerta con vidrio transparente que permite visualizar el pro-
cedimiento de esterilización; y, el segundo, la pantalla de la
unidad de procesamiento (Raspberry Pi) que además sirve de
contenedor para los componentes electrónicos necesarios.
Fig. 2: Diseño estructural en 3D del prototipo.
El diseño realizado permite que, tanto el primer como el
segundo compartimento, dispongan de una cubierta desple-
gable para facilitar mantenimientos futuros y ofrecer la posi-
bilidad de incorporar nuevos componentes o realizar nuevas
conexiones.
Impresión de elementos 3D
Como medida de protección de los elementos se realizó la
impresión de una carcasa para la Raspberry Pi, según archi-
vos base de uso libre disponibles en Internet. De igual forma,
se imprimió un soporte para aislar la placa PCB y un con-
tenedor para el sensor de puerta, tal como se observa en la
Figura 3.
Fig. 3: Elementos impresos en 3D.
Fabricación de estructura física final
En base a los criterios de diseño descritos en párrafos an-
teriores, se realizó la fabricación de la estructura en acero
inoxidable que puede apreciarse en la Figura 4. Cabe men-
cionar que el material base es el acero mate, el cual es más
resistente a la corrosión y cuenta con un espesor de 1 mm pa-
ra proveer firmeza frente a las manipulaciones que pudieran
realizarse.
Fig. 4: Estructura fabricada.
También se fabricó una malla de metal (Figura 5) para el
soporte de los productos que se coloquen dentro del proto-
tipo. Posee varias perforaciones para no obstruir el paso de
la luz; sin embargo, éstas no le restan rigidez ya que soporta
normalmente los elementos que se pongan sobre la misma.
Fig. 5: Malla de soporte.
Circuito de control y activación
Para el diseño del circuito electrónico requerido para acti-
var y controlar el equipo, se utilizó el software de simulación
electrónico Proteus. En la Figura 6 se observa el circuito, el
cual está compuesto por: capacitores, diodos, un módulo relé
de dos canales, Leds (integrados en el módulo relé), diodos,
un regulador de voltaje que provee una alimentación estable
de 5 V para el módulo relé.
También se incluyó la esquematización de lámparas de
110 V, simulando las lámparas UV; la cinta Led y las señales
de activación utilizando pulsadores, lo que simula las seña-
les de los pines GPIO de la Raspberry Pi. De esta forma, se
realizó el diseño de la placa PCB que se observa en la Figura
7.
60
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ESTERILIZACIÓN GAONA-GONZÁLEZ et al.
Fig. 6: Circuito de activación y control.
Fig. 7: Placa PCB de circuito de control y activación.
Medición de intensidad UV efectiva y cálculo de tiem-
pos de exposición
En base a las dosis requeridas y la intensidad proporciona-
da por la fuente de radiación, se calculó el tiempo de exposi-
ción necesario para esterilizar cada material y un tiempo ne-
cesario que abarque la esterilización de todos los materiales
para envases establecidos, en base a la dosis proporcionada
por la Tabla 9.
Tabla 9: Dosis para cálculo de tiempos de exposición.
Material Dosis UV para esterilización
(mJ/cm2)
Plástico 17
Papel/Cartón 36
Metal 29
Vidrio 12
General 36
La ecuación 1 sirve para encontrar una expresión que per-
mita calcular el tiempo requerido de manera matemática para
alcanzar la dosis necesaria:
D=Et∗IR
Et=
D
IR
(1)
En donde:
D = Dosis UV necesaria (mJ/cm2)
Et= Tiempo requerido (segundos)
IR= Intensidad de radiación UV (µW/cm2)
Durante la medición, la intensidad generada mostró ser no
lineal respecto al paso del tiempo, esto debido a que empe-
zó con un valor que fue aumentando conforme transcurrían
los segundos. Luego, tras mantener encendidos los focos de
radiación durante un minuto, la intensidad alcanzó un pico
máximo de 633,5 uW/cm2. A partir de este tiempo no existió
una mayor variación respecto a la potencia generada; por lo
tanto, este valor es el que se empleó como intensidad de ra-
diación UV para realizar los cálculos correspondientes; En la
Tabla 10 se resumen las mediciones realizadas en 5, 30, 45 y
60 segundos.
Tabla 10: Mediciones de intensidad UV efectiva.
Tiempo (s)
Intensidad UV de
las fuentes
(mJ/cm2)
5 604,2
30 608,4
45 613,1
≥60 633,5
Ya que las propiedades físicas de cada material son dife-
rentes, es necesario considerar un margen de seguridad para
garantizar que la dosis requerida, sea suministrada en su tota-
lidad. Se considerará un margen del 15% para plástico, 30%
para vidrio, 45% para metal y 60% para el papel/cartón.
Además, debido a que las lámparas UV requieren de un
tiempo para estabilizarse y suministrar una dosis estable, es-
te tiempo debe adicionarse al inicio de cualquier periodo de
esterilización. Las mediciones realizadas indican que es ne-
cesario un tiempo de 1 minuto de calentamiento para estabi-
lizar la intensidad UV suministrada, considerando estos cri-
terios los tiempos de exposición finales fueron calculados y
se muestran en la Tabla 11.
Tabla 11: Tiempos de exposición finales.
Tipo
Tiempo
calculado
(s)
Margen de
seguridad
(s)
Tiempo de
exposición
(s)
Tiempo de
exposición
(min, s)
Plástico 27 4 91 1’ 31”
Papel/Cartón 57 34 151 2’ 31”
Metal 46 21 127 2’ 7”
Vidrio 19 6 85 1’ 25”
General 57 34 151 2’ 31”
Los tiempos finales consideran el tiempo de calentamiento
(60 s). Sobre los valores que poseen decimales, se recomien-
da considerar el redondeo al inmediato superior. Una vez ob-
tenidos los tiempos de exposición finales, se editó el código
fuente para establecerlos dentro de cada modo de operación
en el prototipo; para ello se accedió de forma remota median-
te la herramienta VNC Server que permite establecer una co-
nexión inalámbrica y manipular el sistema de la Raspberry
Pi desde un computador.
Medición de radiación UV externa y generación de
ozono
Para garantizar que no existan fugas de radiación UV, se
realizaron mediciones con el radiómetro LS126C UV Light
Meter en puntos estratégicos del prototipo, como en las unio-
nes de la puerta con la estructura; obteniendo valores de 0,0
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µW/cm2. También se realizó la verificación interna y exter-
na de que no existe la generación de ozono con el Detector
de gases HD-P900. Estas pruebas se pueden observar en la
Figura 8.
Fig. 8: Mediciones de UV y de ozono.
Con los parámetros configurados y los valores necesarios
obtenidos, se realizaron pruebas de operación para verificar
el cumplimiento del tiempo de exposición para cada uno de
los modos de operación del dispositivo: estándar y envases
(Figura 9). En el modo “estándar” es posible desinfectar dis-
tintos tipos de empaques, mientras que en el modo “envases”
se considera específicamente el material del que está hecho
el envase del alimento, es decir, se usa únicamente cuando
los envases a desinfectar son del mismo material.
Fig. 9: Procesos de esterilización para distintos tipos de alimentos
industrializados.
En la Tabla 12 se resumen las características de los modos
de operación, los tiempos necesarios según la dosis efectiva
medida y el material a esterilizar.
Tabla 12: Características de modo de operación.
Modo
Tiempo de
exposición
(min, s)
Intensidad
UV
efectiva
(µW/cm2)
Material
Dosis UV
suministrada
(mJ/cm2)
Estándar 2’31” 633,5 Hasta
Cartón 57,64
Envases
1’31”
633,5
Plástico 19,63
2’31” Papel /
Cartón 57
2’7” Metal 42,44
1’25” Vidrio 15,83
Se debe tener en cuenta que las dosis UV de inactivación
para los patógenos difieren en su valor; por lo cual, el proto-
tipo diseñado es capaz contrarrestar una mayor gama de los
expuestos en la Tabla 13, siempre y cuando se encuentren
dentro del rango de operación. En otras palabras, la dosis de
inactivación debe ser igual o menor que la dosis UV máxima
que puede generar el prototipo (57,64 mJ/cm2) mediante el
proceso más largo.
DISCUSIÓN
El proceso inmerso en el diseño y la construcción de un
dispositivo que opera con tecnología ultravioleta debe estar
Tabla 13: Dosis UV para inactivar microorganismos.
Microorganismo Tipo
Dosis de
inactivación
(mJ/cm2)
Bacillus cereus Bacteria 12
Bacillus subtilis Espora 36
Campylobacter jejuni Bacteria 5,80
Clostridium spp. Espora 8,40
Cryptosporidium spp. Parásito 6
Enterococcus spp. Bacteria 15
Escherichia coli Bacteria 17
Listeria monocytogenes Bacteria 4,60
Hepatitis A Virus 35
Norovirus Virus 30
Pseudomonas aeruginosa Bacteria 17
Salmonella spp. Bacteria 29
Serratia spp. Bacteria 2,20
Shigella spp. Bacteria 8,20
Staphylococcus aureus Bacteria 10
Vibrio cholerae Bacteria 8,90
sujeto a investigación, con el fin de establecer los fundamen-
tos acordes a los requerimientos de esta tecnología. Por otro
lado, tanto el dimensionamiento como la estructuración de
los subsistemas que lo componen se determinan en base a las
características de sus componentes, los cuales se implemen-
tan en base a las necesidades del dispositivo.
De entre todos los materiales, el acero inoxidable resulta
ser el candidato más equilibrado la construcción de dispo-
sitivos que operan con tecnología UVGI, debido a su dura-
bilidad, capacidad de reflexión a los rayos UV (permitiendo
cubrir las zonas obscuras de un objetivo) y es altamente re-
sistente a la corrosión y crecimiento microbiano. Debido a
esto múltiples trabajos como los de Ochoa y LLanos (2021)
y Guairacaja y Cevallos (2021), lo utilizan como material de
construcción para la estructura de su prototipo.
Al medir la intensidad generada, es posible calcular la do-
sis UV que se alcanza; de esta forma, comparando esta dosis
con las expuestas por Malayeri et al. (2016), se puede ve-
rificar que se han alcanzado 5 o más niveles de reducción
logarítmica para los patógenos objetivos, lo cual, según la
investigación realizada, permite alcanzar la esterilización en
los productos sometidos.
Las mediciones realizadas indican que la intensidad UV
que recibe un producto, se estabiliza tras estar expuesto al-
rededor de un minuto a la radiación, lo cual resultó muy im-
portante para el cálculo correcto de los tiempos de exposi-
ción para cada uno de los modos de operación. Cabe desta-
car que en el diseño realizado por Ochoa y LLanos (2021),
se establecen tiempos similares para cada uno de los tipos
de productos que se pueden usar; sin embargo, dentro de los
alimentos industrializados, únicamente se tratan enlatados.
El hecho de incluir investigaciones nacionales como inter-
nacionales respecto a los patógenos propensos a desarrollarse
en un determinado material de envase para alimentos, permi-
te establecer criterios más sólidos respecto a la población pa-
tógena objetiva por cada modo de operación, produciendo un
tratamiento más específico y efectivo. Asimismo, esta con-
62
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE ESTERILIZACIÓN GAONA-GONZÁLEZ et al.
dición, proporciona compatibilidad para su uso en entornos
nacionales e internacionales.
Otro aspecto para tener en cuenta, es el estado del envase
respecto al cambio en sus características físicas, tales como
el color. Durante las pruebas realizadas, los productos que se
sometieron a los procesos de esterilización, no presentaron
cambios en la integridad de su envase. Estos resultados son
similares a los obtenidos por Castillo y Ulloa (2017), don-
de se expusieron láminas de papel encerado de color verde
(material de protección para la piel de banano) a la radiación
ultravioleta, y luego se verificó que el papel conservaba su
color y no presentaba quemaduras luego de la exposición.
CONCLUSIONES
En el presente proyecto se diseñó y construyó un sistema
de esterilización que actúa sobre la superficie del envase de
alimentos industrializados aprovechando la capacidad germi-
cida de la luz ultravioleta de onda corta.
Los conceptos teóricos adquiridos a través de la revisión
de múltiples fuentes bibliográficas, permitieron el estableci-
miento de las bases de desarrollo del prototipo; tales como,
la dimensión estructural, material de construcción, población
patógena objetiva, categorías de envases, dosis UV necesa-
rias y fuentes de radiación UV.
La utilización de una Raspberry Pi como unidad de control
permite concentrar y controlar varios subsistemas a través de
una sola placa, de manera que favorece la proyección a fu-
turo a la vez que facilita su integración a nuevas tecnologías
emergentes.
Las dimensiones estructurales del prototipo estuvieron su-
jetas principalmente a las dimensiones de los productos (ali-
mentos) sobre los cuales se realizaron las respectivas medi-
ciones, teniendo en cuenta criterios como las distintas formas
de disposición de estos dentro del dispositivo.
El diseño del prototipo en dos compartimentos permitió
centralizar el control y ofrecer un acople ideal entre los pro-
cesos que se ejecutan, a la vez que muestra flexibilidad para
extender su capacidad, facilitar el mantenimiento y prestar
nuevas opciones de uso.
Las pruebas realizadas demostraron la nula emisión de ca-
lor por parte de las fuentes de radiación al extraer los pro-
ductos luego de un proceso de esterilización, esto permitió
desestimar la idea de la generación de calor externo que pue-
da afectar al usuario durante la manipulación del dispositivo.
El desarrollo de mecanismos de seguridad resulta impor-
tante en dispositivos que operan con tecnología UVGI, de
esta forma se precautela la integridad del usuario frente a los
efectos resultantes de la exposición a la radiación ultraviole-
ta.
Los tiempos de exposición finales incluyeron un tiempo
de calentamiento para las fuentes de radiación con el fin de
estabilizar la intensidad irradiada, un tiempo extra acorde a
las características de cada material y el tiempo calculado que
relaciona la intensidad UV y dosis UV necesaria a través de
las ecuaciones obtenidas en la revisión literaria.
Las mediciones realizadas con el radiómetro UV permi-
tieron verificar que el dispositivo es capaz de producir la ra-
diación necesaria para alcanzar la dosis UV de inactivación
para la población patógena tendiente a desarrollarse acorde
al material de un envase.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece a la carrera de Ingeniería en Electrónica y Te-
lecomunicaciones de la Universidad Nacional de Loja y a sus
profesores, en especial al director del proyecto, el Ing. Pa-
bel Merino, encargado del Centro de Investigación, Innova-
ción, Desarrollo de Prototipos Tecnológicos y Pruebas Elec-
troenergéticas – I2TEC.
CONTRIBUCIONES DE LOS AUTORES
Conceptualización: RMV; metodología: RMV; análisis
formal: AVL.; investigación: JGG; recursos: JGE; curación
de datos: JCG; redacción — preparación del borrador origi-
nal: JGG; redacción — revisión y edición: AVN; administra-
ción de proyecto: RMV; adquisición de financiamiento para
la investigación: JGG. Todos los autores han leído y aceptado
la versión publicada del manuscrito.
Rodolfo Merino-Vivanco: RMV. Andy Vega-León:
AVL. Jefferson Gaona-González: JGG. Jonathan González-
Espinosa: JGE. Jorge Carrión-González: JCG. Alba
Vargas-Naula: AVN.
FINANCIAMIENTO
El financiamiento para el desarrollo del proyecto se obtuvo
de los propios recursos de los autores.
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