Diseño, construcción y evaluación de un equipo tipo baúl para desinfección de sustratos agrícolas con calor*

Desing, construction and evaluation of trunk type equipment for agriculture sustrate disinfection with heat

Noel Chávez-Aguilera^1§, Eugenio Romantchik-Kriuchkova¹, Carlos Gracia-López², Marcelo Acosta Ramos³ y Enrique López-Romero³

¹ Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola. Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco, km 38.5. Texcoco, Estado de México. C. P. 56230. Tel. 01 595 9521681. (eugenior@correo.chapingo.mx). ^§Autor para correspondencia: noelcha1@yahoo.com.mx.

³ Departamento de Parasitología Agrícola. Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco, km 38.5. Texcoco, Estado de México. C. P. 56230. Tel. 01 595 9511500. Ext. 6272 (acostam14@gmail.com).

* Recibido: mayo de 2009
Aceptado: enero de 2010

Resumen

El objetivo de este estudio fue diseñar, construir y evaluar un equipo tipo baúl para desinfección en estático de sustratos agrícolas mediante aplicación de calor, a través de aire caliente y con vapor de agua aireado. La investigación se realizó en 2005 en los talleres y laboratorios de la Universidad Autónoma Chapingo, Texcoco, Estado de México, México. El diseño experimenetal utilizado fue factorial 2*2*3, el primer factor fue la fuente y medio de transferencia de calor: 1) resistencia eléctrica y aire caliente; y 2) combustión de diesel y vapor de agua aireado; el segundo, contenido de humedad del sustrato: 75 y 61%; el tercer factor fue tiempo de desinfección: 15, 30 y 45 min. Las variables respuesta fueron: tiempo para alcanzar la temperatura mínima deseada, rango de temperatura durante la desinfección, eficiencia de desinfección de Fusarium oxisporum culmorum y costo específico de energía. La desinfección con aire caliente mostró los mayores valores en tiempo para alcanzar la temperatura mínima deseada, rango de temperatura, eficiencia de desinfección y costo especifico de energía, en comparación con vapor de agua aireado.

Palabras clave: agricultura protegida, métodos físicos, pasteurización de sustratos, tecnología.

The objective of this study was the design, construction and evaluation of equipment for in static disinfection of agricultural substrates by applying heat from hot air and aerated steam sources. The research was conducted in 2005 at the workshops and laboratories of the Universidad Autonoma Chapingo, Texcoco, State of Mexico, Mexico. A factorial 2*2*3 experimental design was utilized, the first factor was the source and means of heat transfer: 1) electrical resistance and hot air and 2) combustion of diesel and aerated steam, the second factor was substrate moisture content:75 and 61% and disinfection time: 15, 30 and 45 min. The studied variables were: time to reach the desired temperature, temperature range during disinfection, disinfection efficiency of Fusarium oxisporum culmorum, specific energy cost. Disinfection with hot air showed higher values of time to reach the desired temperature, temperature range, disinfection efficiency and specific energy cost than with aerated steam.

Key words: pasteurization of substrates, physical methods, protected agriculture, technology.

INTRODUCCIÓN

En cualquier invernadero los patógenos del suelo o sustrato ingresan con el polvo arrastrado por el aire, adheridos a la maquinaria empleada para preparar el sustrato y al calzado del personal que labora dentro. Otra importante fuente de contaminación puede ser el agua de riego. Aunado a lo anterior, las poblaciones de patógenos tienden a incrementarse rápidamente cuando el sustrato no es renovado ni recibe algún tratamiento de desinfección. La esterilización parcial de los sustratos de cultivo es un procedimiento fundamental en la producción de plántulas, cultivos hortícolas y florales en ambiente protegido, ya que un sustrato libre de patógenos, insectos y semillas de maleza es una condición necesaria para que la plántula o cultivo se desarrolle con éxito (Burés, 1997; Alpi y Tognoni, 1999).

Para eliminar las enfermedades del suelo y de los sustratos, frecuentemente se utiliza el término esterilización; sin embargo, el término exacto es esterilización parcial o pasteurización. La esterilización implica que el medio de crecimiento esté completamente estéril; lo cual puede causar problemas de nutrición del cultivo, en cambio en la pasteurización el proceso de calentamiento no elimina todos los microorganismos; es decir, sólo elimina los agentes patógenos del suelo o sustrato sin perjudicar la actividad de los organismos benéficos (Walls, 1992; Boodley, 1998; Nelson, 1998; Zuzqueva, 2000).

Los procedimientos empleados para la desinfección del suelo y de los sustratos en campo abierto y en invernadero son: métodos físicos que utilizan calor y microondas y químicos en los que se emplean productos fumigantes. Entre los métodos físicos utilizados con mayor frecuencia se encuentran el vapor de agua, vapor de agua aireado y solarización, el equipo empleado para cada uno varía de acuerdo a la naturaleza de cada método (Gracia y Martín-Portugués, 1983; Runia, 1983; Ortiz-Cañavate, 1987; Worf, 1990; Walls, 1992; Carrero, 1996; Burés, 1997; Boodley, 1998; Jarvis, 1998; Nelson, 1998; Runia 2000; Pizano, 2001).

Entre los factores que influyen el proceso de desinfección de los suelos y sustratos agrícolas se encuentran el contenido de humedad, temperatura letal para los patógenos y tiempo de exposición. Se ha reportado que el mejor contenido de humedad en el suelo o el sustrato para ser pasteurizado es el nivel de humedad adecuado para el cultivo; es decir, cerca de capacidad de campo (Bartok, 1994; Nelson, 1998). La temperatura para eliminar patógenos del suelo y semilla de maleza depende del punto de muerte térmica, la cual a la vez depende del tiempo de aplicación de calor (Hudson et al., 1990; Langhans, 1990; Bartok, 1994; Burés, 1997; Boodley, 1998; Jarvis 1998). Para erradicar patógenos de sustratos agrícolas se recomienda mantener la temperatura a 70 ºC (Runia, 1983; Runia, 2000; EPA, 2002), 71 ºC (Nelson, 1998) por 30 min; asimismo, se ha determinado por experiencia empírica que 84 ºC (Boodley, 1998), 82 ºC (French y Hebert, 1997), 80 ºC (Langhans, 1990) es suficiente para eliminar la mayoría de los patógenos y entre 85 y 100 ºC para erradicar virus (Runia, 2000), también se pueden obtener buenos resultados entre 71-82 ºC (Bartok, 1994). Estos autores recomiendan 30 min de exposición. Para la producción y transferencia de calor, comúnmente se usan las siguientes dos fuentes:

Resistencia eléctrica y aire caliente

Combustión y vapor de agua aireado

El vapor de agua se produce en una caldera y se libera de ella bajo ligera presión (33.77 a 101.32 Pa). La tasa de inyección del vapor de agua no debe exceder la tasa de condensación, la cual es 87.963 kg h^–1 m^–2 de superficie del medio expuesta, cuando ocurre esta condición, el vapor no fluye hacia el exterior del sustrato. Al mezclar aire con el vapor de agua, la temperatura de la mezcla se reduce de 100 ºC a temperaturas más bajas pero sin condensación del vapor. La temperatura exacta del vapor de agua aireado depende de la temperatura del aire, humedad relativa y temperatura del vapor de agua saturado (Bartok, 1994). La mezcla aire-vapor está en función de la temperatura que se fija para el tratamiento (Alpi y Tognoni, 1999); por ejemplo, para obtener una mezcla de aire y vapor a 70 °C, se deben mezclar 3.5 kg de aire con 1 kg de vapor de agua a 100 °C. Por otro lado, la capacidad del ventilador se determina de acuerdo con la cantidad de aire que debe moverse para mantener la presión estática de 49.85 a 62.31 mbar (Bartok, 1994, Boodley, 1998).

Cálculo de la cantidad de calor y de vapor de agua

Bajo la premisa de que el suelo o sustrato se encuentra a temperatura ambiente es necesario incrementar esa temperatura. La cantidad de calor requerido para elevar la temperatura inicial a la deseada se calcula con la ecuación 1.

Donde: Q_r= cantidad de calor requerida para incrementar la temperatura inicial a la deseada del suelo o sustrato, (kJ m^–3 o kJ kg^–1); = calor específico, (kJ m^–3 o kJ kg^–1°C^–1) y ΔT= incremento de temperatura, (°C).

El calor específico por unidad de volumen o de masa de un suelo o de un sustrato resulta de la suma de los calores específicos de los materiales constituyentes y se puede calcular empleando la ecuación 2 y 3 (Langhans, 1990; Burés, 1997).

Donde: = calor específico volumétrico del suelo o sustrato, (kJ m^–3 °C^–1); x_i= cantidad relativa de cada material constituyente, (adimensional); = calor específico volumétrico de cada material constituyente, (kJ m^–3 °C^–1); n= número total de materiales constituyentes.

Donde: = calor específico porunidad de masa del suelo o sustrato, (kJ kg^–1 °C^–1); x_i= cantidad relativa de cada material constituyente, (adimensional); = calor específico por unidad de masa de cada material constituyente, (kJ kg^–1 °C^–1); ρ_b= densidad aparente del suelo o sustrato, (kg m^–3).

La cantidad de vapor de agua requerida por el suelo o el sustrato, para incrementar la temperatura inicial a la temperatura deseada de un metro cúbico de material se calcula con la ecuación 4.

Donde: Q_vr= cantidad de vapor requerido, (kg_vapor m^–3 _material o kg _vapor kg^–1 _material); Q_r= cantidad de calor requerido, (kJ m^–3 _materialó kJ kg^–1 _material); Q_va= calor de vaporización del agua, (kJ m^–3 _vaporó kJ kg^–1 _vapor).

La cantidad de vapor de agua requerida por cada desinfección se obtiene mediante la ecuación 5.

El tiempo requerido para cambiar la temperatura inicial del sustrato a la temperatura deseada se obtiene mediante la ecuación 6.

Donde: t_i–d= tiempo requerido para cambiar la temperatura inicial del sustrato a la temperatura deseada, (h); Q_vc= cantidad de vapor generado por la caldera, (kg _{vapor de agua} h^–1). Se recomienda adicionar entre 10 y 20 minutos a los tiempos ti–d obtenidos (Burés, 1997).

En la actualidad existe una gran diversidad de métodos físicos y químicos para la desinfección del suelo a campo abierto y de los sustratos agrícolas utilizados en invernadero. El equipo empleado para cada uno varía de acuerdo a la naturaleza del método. Cada uno de estos métodos presenta inconvenientes que limitan el uso generalizado; entre otros, los residuos contaminantes que producen, la baja eficiencia, rentabilidad o capacidad de trabajo. La tendencia actual en la desinfección de sustratos es utilizar equipos y métodos eficientes, de bajo costo y que no contaminen el medio ambiente; por ello, los equipos y métodos físicos son los más utilizados.

Equipos, ventajas y desventajas

Los esterilizadores eléctricos utilizan una resistencia para generar el calor seco, necesario para desinfectar suelos o sustratos agrícolas (Pierce, 1977; USGR, 2004), tienen la desventaja de tratar pequeñas cantidades de material, requieren de periodos largos para la desinfección, no tienen la facilidad para controlar la temperatura y el costo de operación es alto.

Los sistemas de politubos perforados son un ejemplo de aplicación de calor con vapor de agua solamente (Bartok, 1994). Tienen como desventaja que el período de desinfección es de 6 a 8 h, la temperatura de desinfección es alta 85 a 100 °C lo que puede liberar elementos tóxicos para las plantas y el costo de operación es alto.

Entre los equipos utilizados para aplicar calor con vapor de agua aireado, se encuentra el equipo tipo remolque (USGR, 2004). Si se compara éste equipo con el que aplica sólo vapor, tienen como ventaja que el período para desinfección es más corto, la cantidad de vapor de agua que utiliza es menor, se controla mejor la temperatura y el costo es de 40 a 50% más bajo (Langhans, 1990).

MATERIALES Y MÉTODOS

El equipo se construyó en el taller de maquinaria agrícola de la Universidad Autónoma Chapingo (UACH), durante 2005, bajo el diseño que se explica en el apartado de resultados. Los materiales y herramientas utilizados para la construcción y evaluación del equipo se clasificaron en dos conceptos básicos: material de apoyo y material de construcción y laboratorio (Cuadro 1).

Material biológico

El patógeno utilizado fue el hongo Fusarium oxisporum culmorum., proporcionado por el laboratorio de fitopatología del departamento de parasitología de la UACH. La cantidad de inóculo aplicado fue de 10 000 conidios por gramo de sustrato. La concentración de la solución aplicada fue de 1 000 000 de conidios por mL. Previo al tratamiento de desinfección, el sustrato se inoculó y mezclo en forma uniforme. Se consideró como testigo al sustrato inoculado sin tratamiento de desinfección.

Métodos y procedimientos utilizados

Los factores considerados en el proceso de diseño fueron: 1) fuente y medio de transferencia de calor: resistencia eléctrica y volumen de aire para el equipo en la modalidad de aplicación de aire caliente y combustión (diesel) y vapor de agua aireado; 2) contenido de humedad (método gravimétrico) del sustrato (NH), 75.48 y 61.26% para aplicación de calor con aire caliente y 75.78 y 61.42% para aplicación de calor con vapor de agua aireado; y 3) tiempo de duración de la desinfección (Tef) 15, 30 y 45 min.

Evaluación

Las variables respuesta fueron: a) tiempo en el cual se alcanza la temperatura mínima deseada para la desinfección (Tmín); b) rango de temperatura sostenido durante la desinfección (Trango); c) eficiencia para erradicar el hongo Fusarium oxisporum culmorum y d) costo específico por consumo de energía.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Equipo tipo baúl con aplicación de calor mediante aire caliente

Las características técnicas del equipo diseñado y construido para la aplicación de calor con aire caliente fueron las siguientes: cavidad superior: ancho 300 mm, largo 500 mm y altura 2 500 mm. Cavidad inferior: ancho 300 mm, largo 500 mm y altura 150 mm. Camisa o chaqueta: ancho 340 mm, largo 540 mm y altura 420 mm. Material aislante: fibra de porcelana con un espesor de 25.4 mm. Tubería: diámetro 101.6 mm, con dos tramos de 500 mm cada uno, dos niples 95.25 con 40 mm de longitud; todos empotrados en el contenedor. Resistencia eléctrica: 1 600 W, 9 Ω, 900 mm de longitud en U y 2 mm de diámetro. Ventilador: 3 500 rpm, 186.42 W, gasto de 6.66 m^–3 min^–1. Capacidad del equipo: 22.5 L. Tiempo de desinfección: 41 min. Capacidad de desinfección: 24.14 L h^–1. Consumo de energía: 1 786.5 W (Figuras 1 y 2).

Equipo tipo baúl con aplicación de calor mediante vapor de agua aireado

El equipo para la aplicación de calor por medio de vapor de agua aireado se construyó con las siguientes características: tubería para conducir el vapor de agua: diámetro 25.4 mm, longitud total 5250 mm. Tubo galvanizado en L: diámetro 25.4 mm, base 50 mm y altura 100 mm. Dos codos de 90°. Válvula bola: diámetro 25.4 mm. Gasto de combustible diesel: 0.00031568 L s^–1. Gasto de vapor de agua: 0.03221 L kg^–1 de vapor. Flujo de aire: 0.02933 m³ s^–1. Relación aire-vapor: 3:1 (Figuras 3 y 4).

Variables respuesta

El equipo para desinfección con aire caliente alcanzó la temperatura mínima deseada (T_mín) en 26 min en promedio y fue 7.4% mayor al nivel de humedad 75.48% que el de 61.29%. El Rango de temperatura sostenido (T_rango) fue de 71–81.33 y de 71–80.66 ºC, para los niveles de humedad de 75.78 y 61.42% respectivamente, estos resultados coinciden con los reportados por Langhans (1990), French y Hebert (1997), Boodley (1998) (Cuadro 3).

De igual manera T_rango fue 6.45% mayor al nivel alto (75.48%) de humedad en el sustrato que el nivel 61.29%. Para el nivel de humedad de 75.48%, T_rango fue mayor en el tiempo de exposición de 45 min 1.19 y 8.33% que en 30 y 15 min, respectivamente. Para el nivel de humedad de 61.29%, T_rango en el tiempo de exposición de 45 min fue mayor en 3.57 y 8.33% que en 30 y 15 min, respectivamente (Figura 5). Las unidades de crecimiento observadas, indican que el tratamiento en los dos niveles de humedad y en los tres tiempos de exposición erradicó completamente el hongo Fusarium oxisporum culmorum.

El costo específico de energía (CEE) fue $3.40 kg-1sustrato y fue 3.5% mayor en el nivel de humedad de 75.48% que en 61.29%. Para el nivel de humedad de 75.48% con 45 min de exposición, el CEE fue 20.83 y 14.66% mayor que en los tiempos de exposición de 30 y 15 min respectivamente. Para el nivel de humedad de 61.29% con 45 min de exposición, el CEE fue 21.42 y 42.85% mayor que en los tiempos de exposición de 30 y 15 min respectivamente (Cuadro 3).

En el equipo con vapor de agua–aireado se determinó el tiempo en el cual se alcanzó la temperatura mínima deseada (T_mín), ésta fue de 1 min para los dos niveles de humedad en el sustrato y los tres tiempos de exposición fijados. El rango de temperatura sostenido (T_rango) fue 71–73 ºC y de 71–73.66 ºC para las niveles de humedad de 75.78% y de 61.42%, respectivamente. El T_rango fue mayor en el nivel de humedad de 75.78% en 24.98% que en el nivel de humedad de 61.29% (Cuadro 4). Para el nivel de humedad de 75.78%, T_rango fue igual en los tres tiempos de exposición, pero para el nivel de humedad de 61.42% fue igual en los tiempos de 30 y 45 min; sin embargo, mostró 33.33% menos en el tiempo de exposición de 15 min (Figura 6).

En los Cuadros 5 y 6, se presentan los análisis de varianza para el testigo y tratamiento respectivamente, y en el Cuadro 7 se muestran las pruebas de Tukey , para las fuentes de variación, nivel de humedad (NH) y tiempo de exposición fijado (Tef), sobre las colonias o unidades de crecimiento (UC g^–1 de sustrato) del hongo Fusarium oxisporum culmorum, para el testigo y tratamiento; en donde, el número de observaciones fue de 6 y 4 para NH y Tef respectivamente.

Se determinó que el testigo (sin desinfectar), el número de colonias o unidades de crecimiento fue 4 041.66 UC g^–1 de sustrato en promedio y fue 17.66% mayor en el nivel de humedad de 75.78% que el de 61.42%. En los sustratos tratados, las UC g^–1 mostraron en promedio 41.66 UC g-1 de sustrato y fueron 74.99% mayores en el nivel de humedad de 61.42% que en el nivel de 75.78%. En el tiempo de exposición de 30 min las UC g^–1 de sustrato fueron mayores en 33.33 y 100% que en 15 y 45 min, respectivamente. La eficiencia de erradicación del patógeno con 71 °C y 30 min de exposición fue similar a la reportada por Runia (1983); Bartok (1994); Nelson (1998); Runia (2000); y EPA (2002).

Al comparar las UC g^–1 entre el sustrato testigo y el tratado con vapor de agua-aireado, se observó que en general las unidades de crecimiento se redujeron 98.45% al tratar el sustrato, así como en 98.14 y 99.98% para los tiempos de exposición de 15 y 30 min, respectivamente. En relación con el costo específico de la energía por operación del equipo, éste mostró un promedio de $ 4.5186 kg^–1 y fue 37.16% mayor en el nivel de humedad de 61.42% que en el de 75.78 %. Para el nivel de humedad 61.42% el CEE se incrementó en el tiempo de exposición de 45 min en 31.77 y 64.96% comparado con los tiempos de exposición de 15 y 30 min, respectivamente. Para el nivel de humedad 75.78% el CEE fue mayor en el tiempo de exposición de 45 min en 31.97 y 64.72% que en los tiempos de 15 y 30 min, respectivamente.

CONCLUSIONES

Con 15 min de exposición y con cualquier nivel de humedad del sustrato, la aplicación de aire caliente erradicó en forma efectiva el patógeno Fusarium oxisporum culmorum. Con aplicación de calor con vapor de agua-aireado se erradicó a partir de los 30 min de tiempo de exposición.

El costo específico de la energía con la aplicación de calor con aire caliente, es menor que con vapor de agua aireado.

LITERATURA CITADA

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