Potencial del Monitoreo de Dióxido de Carbono para Detectar

Potencial del Monitoreo de Dióxido de Carbono para Detectar plagas de Insectos

Shlomo Navarro

Green Storage Ltd snavarro@013.net

Hagit Navarro

Green Storage Ltd.

Nadav Inbari

Green Storage Ltd.

Para determinar la presencia de insectos en granos almacenados a granel se han utilizado muestreos manuales, trampas y sondas. La inspección manual se ha basado en tamizado, craqueo-flotación y embudos Berlese para la detección de insectos en graneles de grano. Dado que estos métodos requieren mucho tiempo, se han propuesto a la industria métodos de detección alternativos como detección acústica (Mankin y Hagstrum, 2012), medición de CO2, medición de ácido úrico, espectroscopia de infrarrojo cercano y métodos de rayos X blandos. Las ventajas y limitaciones de estos métodos de detección de insectos han sido evaluadas por Neethirajan et al. (2007).

Varios científicos han utilizado el CO2 como indicador de infestación de insectos (Howe y Oxley, 1952; Calderon y Shayya, 1961) o infección microbiana (Steele et al., 1969; White et al., 1982) o ambas (Muir et al., 1980). Sinha y Wallace (1977) midieron las concentraciones de CO2 en y alrededor de una pequeña columna (0,6% del volumen total) de colza en descomposición con un contenido de humedad del 11 al 13,5% en unas 46 toneladas de colza seca con un contenido de humedad del 8,5 al 9,4%. Las concentraciones de CO2 en la bolsa de deterioro fueron de hasta 2%. Las mediciones de CO2 en una pila de trigo en forma de cono de 27 toneladas colocada directamente en el suelo sin una cubierta indicaron que el CO2 no se difundió rápidamente fuera de la masa del grano (Muir et al., 1980). Singh y col. (1983) modelaron matemáticamente la dispersión de CO2 de tres posibles áreas de deterioro en un silo de granos (6m de diámetro llenos de trigo a 4,6m de altura) y concluyeron que un sensor de CO2 con una resolución de 2 g/m3 (0,1%) ubicado

cerca del centro del contenedor podría detectar el deterioro del grano cuando se desconoce la ubicación del mismo.

Ileleji y col. (2006) emplearon sensores comerciales de CO2 cerca de las rejillas de ventilación y la corriente de aire de escape de los ventiladores en el depósito de granos para medir el CO2. Llegaron a la conclusión de que los puntos calientes y el deterioro temprano del grano se pueden detectar dentro del contenedor de granos usando sensores de CO2.

Maier y col. (2006) estudiaron niveles elevados de CO2 en bolsas localizadas de una masa de granos causadas por insectos, hongos y el metabolismo de los granos. El objetivo principal del estudio realizado por Maier et al. (2006) debía monitorear los niveles de CO2 para la detección temprana de deterioro. Los niveles de CO2 medidos oscilaron entre el 0,05% y el 0,5% y los niveles más altos llegaron hasta el 2,5% con un monitor de CO2 portátil. Maier y col. (2010) en su trabajo sobre el monitoreo de la concentración de dióxido de carbono para la detección temprana del deterioro en el grano almacenado informaron la presencia de una población de insectos de productos almacenados pesados de hasta 27 insectos vivos / kg de grano.

Bartosik y col. (2008) llevaron a cabo monitoreos periódicos de CO2 en silo-bolsas que contenían alrededor de 200 toneladas de trigo para la detección temprana de actividad biológica y granos en mal estado. Se estableció un valor distintivo de CO2 para diferentes granos de MC, que representa la composición atmosférica típica de un silo-bolsa con y sin deterioro.

Gonzales y col. (2009) examinaron el uso de sensores de humedad relativa (RH), temperatura y dióxido de carbono (CO2) para determinar su idoneidad para determinar las condiciones adversas de almacenamiento del trigo. El trigo con aproximadamente 11% de MC se aireó con el aire que pasó a través del grano de alta humedad acondicionado a MC nominales de 14%, 16% y 18% (base húmeda). Los sensores monitorearon las condiciones del aire durante todo el período de almacenamiento. La aireación se proporcionó más de 3 períodos h a tasas de 5m3h-1tonelada-1y 10m3h-1tonelada-1. Los sensores de dióxido de carbono fueron efectivos para detectar indirectamente las condiciones del grano húmedo debido a la gran cantidad de CO2 generada a partir del grano húmedo. Los niveles de dióxido de carbono monitoreados en el escape del conducto de aireación fueron generalmente adecuados para determinar las condiciones de almacenamiento adversas. Neethirajan et al. han sintetizado una descripción detallada de los tipos de sensores de CO2, sus mecanismos de detección y las características que cubren diferentes aspectos de la tecnología del sensor de CO2 (2009). También Neethirajan et al. (2010) desarrollaron un sensor de dióxido de carbono utilizando polímero conductor de polianilina ácido borónico como región eléctricamente conductora. Se demostró que el sensor se usa para detectar deterioro en el grano almacenado.

Jian y col. (2014) estudiaron las concentraciones intersticiales de dióxido de carbono y oxígeno en semillas de canola, soja y trigo almacenadas en diversas condiciones. La suma de las concentraciones de CO2 y O2 estuvo cerca del 21% - 22% en la mayoría de los tiempos de almacenamiento hermético y dentro de cualquier cultivo.

Muir y col. (1985) probaron el CO2 como un indicador temprano del deterioro almacenado de cereales y semillas oleaginosas. Las concentraciones de CO2 se midieron en 39 graneles almacenado agrícolas de trigo, semilla de colza, cebada y maíz en Canadá y EE.UU. Deterioro fue confirmada por análisis de muestras de grano en 97% de los 34 contenedores que tienen CO2 concentraciones mayores de 0,03% de aire ambiente.

Taher et al. (2019) intentaron predecir las pérdidas de soja mediante el monitoreo de CO2 durante el almacenamiento en bolsas de silo. Con base en sus resultados, se desarrolló una correlación para predecir pérdidas de granos, la cual consideró como variables independientes la humedad del grano y un predictor relacionado con la concentración de CO2 al final del cierre del silo bolsa.

Zhang y col. (2014) estudiaron un método de detección de CO2 orientado al sitio para monitorear el deterioro de granos almacenados por insectos y hongos en almacenes horizontales chinos. El CO2 producido por la respiración del grano fue relativamente bajo, y la actividad de insectos y mohos afectó significativamente la

concentración de CO2 a granel.

Hasta ahora, los informes se concentraron en los métodos de detección principalmente en el deterioro del grano y muy pocos fueron solo para detectar la actividad de los insectos utilizando CO2. Se investigaron ampliamente la respiración de los granos, la actividad fúngica y la actividad de los insectos en la detección de CO2. Ninguno de los estudios se centró en correlacionar la infestación de insectos con la detección de CO2 dentro de los bultos de grano. Además, no se han reportado los cambios de temperatura que afectan las corrientes de convección que se producen en grandes bultos y la influencia de la aireación mecánica en la retención de CO2. Por lo tanto, el presente estudio se llevó a cabo para probar las concentraciones de CO2 que se pueden desarrollar como resultado de la infestación natural de insectos en un silo aireado vertical que contiene trigo seco.

MATERIALES Y MÉTODOS

Almacenamiento en silos

Las observaciones se realizaron durante 10 meses de almacenamiento en un contenedor de hormigón que contenía 180 toneladas de trigo. El contenedor era cuadrado de 4x4 m y 14,5m de alto con una tolva de 2m de altura desde la trampilla de descarga. La base de la tolva estaba equipada con un tubo de aireación de 20,5cm de diámetro. El contenedor tenía una abertura de carga de 60x60 cm a través de la cual se insertaron termopares, tubos de muestreo y se tomaron muestras de grano. El contenedor estaba equipado con un sistema de aireación capaz de entregar 2,8 m3/ (h/tonelada). La aireación se hizo funcionar para suministrar aire ambiental desde el fondo del depósito y el ventilador se activó mediante un termostato que seleccionó la temperatura ambiente adecuada para la aireación. El número de horas de funcionamiento del ventilador se registró mediante un termohigógrafo ubicado junto al ventilador.

Grano de trigo

El trigo almacenado en el contenedor era un cultivar local "Nanasit" con un contenido de humedad (base húmeda) en el rango de 10,5 - 12,6%. Se tomaron muestras de trigo usando un muestreador de granos Prob-A-Vac (Minneapolis, MN, EE. UU.), una sonda que usaba un vacío para muestrear el grano almacenado. Se tomaron periódicamente muestras de grano de 1 kg de las profundidades del volumen de grano a 1, 3, 5, 7 y 9m de profundidad de la superficie. El contenido de humedad se midió electrónicamente utilizando el medidor de humedad de grano Motomco Modelo 919 (Paterson, Nueva Jersey, EE. UU.) calibrado para el cultivo de grano local. Para identificar la infestación de insectos, las muestras de grano se tamizaron a través de una malla estándar de EE. UU. #10. Se identificaron y contaron los insectos vivos y muertos por separado.

Medida de temperatura y gas.

Se instalaron termopares y tubos de muestreo de gas utilizando el tubo externo del Prob-A-Vac a la misma profundidad que se tomaron las muestras de grano (a 1, 3, 5, 7 y 9m de profundidad desde la superficie a granel). La temperatura del grano se midió de forma semanal a quincenal. La temperatura del aire ambiente y la humedad relativa se registraron utilizando un termohigrógrafo que registró datos desde el interior de una estación meteorológica ubicada junto al ventilador de aireación del depósito.

Las muestras de gas se tomaron de las profundidades indicadas utilizando tubos de PVC de muestreo de gas de 3mm de diámetro interno. Las muestras de gas se analizaron utilizando un medidor de conductividad térmica (Gow Mac, Bethlehem, PA, EE. UU.). Las muestras de gas se tomaron y analizaron en los mismos días en que se tomaron las muestras de temperatura y grano. El analizador de gases se probó y calibró frente a concentraciones conocidas de CO2 tomadas del gas CO2 embotellado antes de cada fecha de muestreo.

RESULTADOS

Infestación de insectos

La población de insectos consistió en Sitophilus oryzae (L.), Rhyzopertha dominica (F.), Oryzaephilus surinamensis (L.) y Tribolium castaneum (Herbst). Sus números contados totales sirvieron para evaluar la relación de su presencia en las muestras de trigo y las concentraciones de CO2 medidas asociadas detectadas en las distintas profundidades del volumen del trigo. Aunque todas las muestras y medidas se tomaron a 1, 3, 5, 7 y 9m de profundidad desde la superfi-

cie del grano, en la Fig. 1 solo se presentaron las profundidades de 1, 5 y 9m. La Figura 1 muestra que los insectos estuvieron presentes durante todo el período de observación desde junio hasta mediados de abril. El examen de las muestras de trigo indicó la presencia de una infestación inicial a mediados de junio, desde un promedio de 0,15 insectos vivos por kg de trigo hasta 2,05 insectos vivos por kg de trigo en marzo. Esta población de insectos fue mayor a profundidades de 3m (no se muestra en la Fig. 1) y a 5m de la superficie del grano. El examen de las poblaciones de insectos reveló que hacia diciembre hubo un ligero aumento en el tamaño de la población total, luego una disminución gradual y significativa hacia marzo. La población inicial de insectos fue de 1 a 4 insectos vivos / kg de trigo. Esta población creció hasta 25 insectos / kg de trigo en octubre-noviembre. Al final de las observaciones a mediados de abril, la población de insectos se redujo a un rango de 1 a 5 adultos vivos/kg bajo la influencia de la aireación durante los meses fríos del año.

Cambios en la temperatura del grano a granel y del ambiente.

La temperatura del trigo era inicialmente alta, de unos 30oC. Mediante la operación del sistema de aireación hubo una disminución gradual de la temperatura en todas las profundidades probadas de acuerdo con el enfriamiento del aire ambiental, particularmente después de octubre y durante los meses fríos que prevalecen en Israel (octubre-marzo). A profundidades de 3m (no mostradas en la Fig. 1) y 5m hubo un ligero aumento de temperatura de 1oC y hasta 5,5oC, respectivamente. La aireación se realizó de forma intermitente para reducir la temperatura del grano a granel de 28,3o-34,8oC iniciales en junio a 16,5o-20,0oC en marzo.

Cambios en las concentraciones de dióxido de carbono

Las concentraciones de dióxido de carbono se midieron en todas las profundidades muestreadas y variaron desde niveles cercanos a indetectables en las muestras iniciales hasta un 8% cuando la temperatura del trigo descendió a 20oC en marzo. Las concentraciones de dióxido de carbono se detectaron en todas las profundidades probadas y durante el período de observación desde junio hasta mediados de abril. Hubo una fluctuación en las concentraciones de gas que aumentó constantemente después de cada

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operación del sistema de aireación. Esas concentraciones aumentaron gradualmente con el aumento de las poblaciones de insectos. Sin embargo, las concentraciones de CO2 estaban en su nivel mínimo justo antes de operar el sistema de aireación y aumentaron inmediatamente después del cese de operación del sistema de aireación y luego disminuyeron gradualmente hasta la siguiente operación del ventilador. Este aumento en la concentración de CO2 se observó después de cada período de aireación.

Contenido de humedad del trigo

El contenido de humedad inicial (base húmeda) de las muestras de trigo al inicio de las observaciones en junio estuvo en el rango de 10,5% a 12,6%, mientras que al final de las observaciones en abril fue de 10,4% a 10,9%. El examen de las muestras tomadas de diferentes profundidades del grano a granel no mostró aumento en el contenido de humedad.

Discusión

Los primeros trabajos realizados por varios investigadores ya han indicado las ventajas de detectar insectos por su producción de CO2 (Calderon y Shayya, 1961; Howe y Oxley, 1952; Muir et al., 1980; Muir et al., 1985; Neethirajan et al., 2007) y más recientemente Zhang et al. (2014) ha informado sobre un método de detección de CO2 dirigido al sitio para monitorear el deterioro de los granos almacenados por insectos. Aunque todos esos primeros trabajos condujeron a resultados prometedores, la producción de CO2 probada por los insectos no fue perturbada por las corrientes de aire. Además, algunos de los trabajos se realizaron en condiciones de laboratorio y se dispuso de muy poca información para correlacionar el efecto de las corrientes de convección o el efecto del sistema de aireación en la detección de concentraciones de CO2 en relación con la población de insectos. Por lo tanto, esos trabajos no han considerado la rapidez con que el CO2 producido por los insectos puede detectarse y correlacionarse fácilmente cuando hay un movimiento de aire dentro de la masa del grano. Además, parte de esos trabajos han considerado en particular detectar solo el deterioro del grano, principalmente bajo la influencia de la actividad microbiana desarrollada en contenidos de humedad por encima de su nivel crítico para un almacenamiento seguro (Bartosik et al., 2008; Maier et al., 2006; Maier et al., 2006; Maier et al., 2010; Jian et al., 2014) y no debido a la actividad de los insectos.

El presente estudio indica que el CO2 producido se puede atribuir solo a la actividad de los insectos porque la masa de trigo analizada tenía un contenido de humedad muy bajo (10,4% a 10,9%). Esta humedad, en términos de humedad relativa de equilibrio en el aire, es muy cercana al 53%. Esa humedad elimina la posibilidad de cualquier producción de CO2 debido a la actividad de la microflora.

Un desarrollo peculiar inesperado interesante fue el aumento en la concentración de CO2 inmediatamente después de la aireación. Cuando comparamos las concentraciones de CO2 inmediatamente después de la aireación, siempre hubo un aumento de la concentración de CO2, casi en todas las profundidades probadas del volumen del grano. En el presente estudio, para condensar el informe, solo se reportaron tres profundidades (1m, 5m y 9m de profundidad). Sin embargo, en realidad, probamos dos profundidades más (3m y 7m de profundidad) que exhibieron el mismo patrón que en las profundidades reportadas. Los autores no tienen una explicación lógica para este notable desarrollo peculiar del aumento de la concentración de CO2.

Las concentraciones de dióxido de carbono aumentaron progresivamente con el aumento de las poblaciones de insectos. A 5m de profundidad fue del 8% y a 9m de profundidad fue del 7%. Aunque el silo no estaba sellado y no se realizaron operaciones de estanqueidad a los gases, se detectaron concentraciones de CO2 incluso después de operar el sistema de aireación que prácticamente debería haber eliminado todo el CO2. Aunque estos resultados indican la posibilidad de detectar la infestación de insectos en la profundidad del grano, al final de las observaciones, a 1m de profundidad, la concentración de CO2 fue de solo 0,5%. Estos resultados indican la dificultad de correlacionar la concentración de gas con el tamaño de la población de insectos. Postulamos porque el gas CO2 está constantemente bajo la influencia de las corrientes de convección creadas debido al cambio de temperatura en la masa del grano, principalmente en el caso particular ensayado, por efecto de la aireación ambiental. Este estudio reveló el potencial y las limitaciones de la aplicación del CO2 como indicador para detectar la infestación de insectos.

Conclusiones

Se reveló la posibilidad de que incluso en graneles de trigo seco aireados, la presencia de insectos pudiera detectarse por su actividad metabólica que genera niveles de CO2 significativamente detectables de hasta un 8% en el aire intersticial. Hubo un aumento progresivo en el tamaño de la población de insectos y las concentraciones de CO2 detectadas. También hubo un desarrollo peculiar inesperado de la concentración de CO2 inmediatamente después de cada aireación intermitente. Estaba claro que las lecturas de CO2 se vieron fuertemente afectadas, debido a la influencia de las corrientes de convección, que impidieron la posibilidad de correlacionarse con las poblaciones de insectos existentes.

Fig.1 - Concentraciones de CO2 monitoreadas, temperaturas y número de insectos vivos/kg de trigo encontrados en muestras de grano tomadas a profundidades de 1m (izquierda) y 5m (derecha) durante 10 meses de observación de una masa de trigo de 180 toneladas almacenadas en un contenedor vertical de 14,5m de altura.