Monitoreo de CO2 en bolsas plásticas herméticas

La bolsa plástica es un sistema de almacenaje hermético para granos secos. Cada bolsa plástica puede almacenar aproximadamente 200 toneladas de trigo (180 toneladas de soja). La bolsa plástica mide desde60 mde largo,2,74 mde diámetro y la cubierta, de 235 micrones de espesor, está compuesta por tres capas plásticas (con el interior negro y exterior blanco).

El monitoreo de la calidad del grano durante el almacenaje es clave para evitar pérdidas de calidad. Bartosik et. al (2008b) plantean que los métodos comúnmente utilizados en los sistemas tradicionales de almacenaje(silos o celdas)  no son los más adecuados para el monitoreo en la bolsa plástica:

- El uso de la termometría, principal herramienta de monitoreo en sistemas de almacenaje tradicionales, se basa en la detección de sectores donde la temperatura aumenta producto de una alta actividad biológica. Se demostró que la temperatura del grano almacenado en las bolsas sigue el patrón de la temperatura media ambiental, variando con las estaciones. Esto se debe a que, por su gran extensión y poco diámetro, la bolsa tiene una mayor capacidad de intercambiar calor con el aire ambiente y con el suelo. De esta manera la relación de la temperatura del grano con la actividad biológica se puede enmascarar por el efecto de la temperatura ambiente.

- El monitoreo del grano almacenado en bolsas mediante el calado tradicional disturba la hermeticidad del sistema, ya que requiere perforar la cubierta plástica para tomarla muestra. Estolimita el número de muestras que se pueden recoger de cada bolsa y la frecuencia de muestreo. Además, este monitoreo no es conveniente para detectar problemas tempranos de almacenaje (la mayor parte del proceso de descomposición del grano ocurre en lugares muy localizados de la masa del grano, típicamente en el fondo de la bolsa, donde la punta del calador tradicional no llega a recoger la muestra). Otra desventaja de esta metodología es la cantidad de mano de obra y tiempo implicado.

Los autores plantean medición del dióxido de carbono (CO₂) en el espacio intergranario  como una alternativa válida de monitoreo para el monitoreo de bolsas plásticas.

La hermeticidad generada por el plástico de la bolsa evita la normal reposición del oxígeno (O₂), gas utilizado como insumo en la respiración aeróbica de los componentes bióticos del granel (hongos, insectos y grano). También permite retener el CO₂, subproducto generado durante el proceso respiratorio. A través de la respiración es que los componentes bióticos del granel utilizan componentes del grano (principalmente reservas) para obtener energía.

La hermeticidad permite relacionar el nivel de modificación de los componentes gaseosos (O₂ y CO₂) de la atmósfera intergranaria con la actividad biológica dentro en la bolsa. Entonces, la medición de un gas como el CO₂ puede ser utilizada para detectar problemas tempranos de deterioro de calidad del grano almacenado en la bolsa.

El modelo propuesto por Bartosik et. al (2008a) indica que el grado de modificación atmosférica es un balance entre la generación de CO₂ y su pérdida del sistema (Figura 1). Este balance es afectado por:   

Figura 1: Diagrama de los principales factores que afectan la respiración de los granos y microorganismos en la bolsa, la relación entre ellos y la concentración final de O₂ y CO₂.

a) Factores intrínsecos de la condición inicial del grano (como lo son el contenido de humedad, grado de impurezas, granos dañados y/o partidos) son determinantes en la actividad biológica del granel. En general, cuanto mayor es el porcentaje de estos parámetros en el granel, mayor es su actividad biológica.

b) La temperatura ambiental determina la temperatura del grano durante el almacenaje, que también es influida por la radiación, sobre todo en las capas periféricas de grano. Dentro de un rango moderado, la actividad biológica del granel será mayor cuanto mas alta sea la temperatura ambiente.

De los factores mencionados en a) y b) se destaca el efecto de la humedad y la temperatura del grano sobre su actividad biológica. Las mayores modificaciones atmosféricas (asociadas con un rápido deterioro de calidad) se presentan cuando el grano es almacenado húmedo durante la época calida. Esto ocurre, por ejemplo, en el caso de trigo y cebada almacenados con humedad superior a la tolerancia de recibo (14 y 12% respectivamente). Bajo esta situación los hongos del almacenaje (principal agente causal de deterioro) poseen condiciones de humedad y temperatura optimas para su desarrollo. Durante la época fría el grano, aunque húmedo, puede alcanzar temperaturas subóptimas para el desarrollo de hongos. Es así que el grano conservará su condición inicial durante más tiempo que durante la época cálida. Esto ocurre, por ejemplo, en el caso de girasol, soja y maíz almacenados con humedad por encima de la tolerancia de recibo (11, 13 y 14,5% respectivamente) en regiones templadas-frías. Se recomienda no almacenar grano húmedo en otoño en regiones cálidas (o por períodos no mayores a un mes) así como no extenderse hacia la primavera en regiones frías.

Cuando el grano se almacena seco (humedad igual o menor a la tolerancia de recibo) la humedad relativa es insuficiente para la actividad de los principales hongos del almacenaje. Ello permite conservar el grano por un periodo extenso, aun cuando la temperatura del grano sea alta a causa de un clima caluroso. En este caso la modificación atmosférica resultante será leve a causa de la escasa actividad biológica.

c) Por otra parte, las fallas estructurales (roturas o deficiencias en el cierre de la bolsa) permiten la entrada de agua de lluvia a la bolsa. Asu vez, son punto de fuga de CO₂ y de entrada deO₂ alsistema. En caso de la entrada de agua a través de una rotura, se produce un rápido aumento de CO₂ en el sector de la bolsa afectado. Esto se debe que la tasa de producción del CO₂ en el sector aledaño a la rotura es superior a la tasa de fuga. El aumento de CO₂ es producido independiente de la época del año en que se encuentra almacenado el grano.

 El deterioro de la integridad de la bolsa puede producirse tanto, durante el llenado de la bolsa, como durante el almacenaje. Perforaciones en el piso de la bolsa, por una incorrecta elección/preparación del terreno, son una causa común de roturas durante el llenado. Es imprescindible evitarlas ya que no son detectables a simple vista. Una vez causadas permiten que durante el almacenaje se produzca uno o más procesos de entrada de agua a la bolsa. Durante el almacenaje pueden producirse roturas por animales u otras causas, pero normalmente son menos problemáticas ya que pueden ser advertidos y emparchadas.

d) Otros factores, como el tiempo de almacenaje y el efecto de la modificación atmosférica sobre la tasa respiratoria, no serán tratados a fin de simplificar la explicación del modelo.   

La modificación de la composición atmosférica en la bolsa aumentará hasta que se equilibren la tasa de generación con la pérdida de CO₂ (y entrada del O₂). Una variación en uno o más de los factores que influyen en el balance producirá que la atmósfera en la bolsa modifique su composición hasta alcanzar un nuevo punto de equilibrio. Por ejemplo, si se almacena grano en buena condición la tasa de respiración será reducida, por lo que se llegará al equilibrio con una atmósfera levemente modificada. La actividad biológica puede aumentar si en el transcurso del almacenaje se altera la hermeticidad de la bolsa y se produce el humedecimiento del grano por entrada de agua. Por otro lado, los valores de CO₂ pueden disminuir al comenzar la época fría, ya que la actividad biológica merma.

Valores típicos de concentración de CO₂ fueron estudiados por el INTA para diferentes tipos y condiciones de grano almacenado en bolsas (con y sin deterioro en su integridad física) para distintas regiones y estaciones del año. Se  establecieron umbrales de riesgo para establecer si una bolsa evaluada presenta (o no) una actividad biológica superior al promedio de bolsas que poseen una condición de almacenaje segura. Incluso puede establecerse un rango de valores de modificación atmosférica que indican una pérdida de calidad inminente. Esta es la base para un sistema de monitoreo que utiliza CO₂.

La repetitividad del método se evaluó en diferentes momentos del día. La información obtenida fue altamente repetible en mediciones sucesivas de CO₂ y con variación despreciable en diferentes momentos del día (con una concentración de CO₂ estable).

La practicidad del método también radica en el hecho de que solo se requiere introducir una aguja histológica, a una profundidad de unos pocos centímetros en la bolsa, para obtener una muestra representativa de CO₂. Esto es posible por que la difusión del CO₂ en el radio de la bolsa es rápida. Esto además implica que no existan diferencias significativas entre determinaciones realizadas a diferentes alturas (o estratos), incluso si se produce un problema sectorizado en la base de la bolsa y se mide en el tercio superior dela misma. De esta forma, el muestreo será confiable a una altura de inserción de la aguja cómoda para el operario.

No obstante, la difusión del gas a lo largo de la bolsa es limitada. Se requieren al menos 10 puntos de determinación distribuidos en una bolsa de 60 metrosde largo para lograr un muestreo representativo. Esto no es visto como una limitante en la practicidad de la implementación del  monitoreo ya que la determinación de una muestra de CO₂ en cada punto solo demora unos pocos segundos. En cambio, brinda la posibilidad de obtener información sitio-específica en la bolsa, asignando niveles de riesgo a diferentes sectores de la misma.

Dos metodologías de monitoreo fueron evaluadas: 1) seguimiento en el tiempo mediante mediciones sucesivas de la concentración de CO₂ y 2) mediante  la comparación de una medición puntual de CO₂ en la bolsa con una concentración o umbral de referencia. La primera metodología es la recomendada, dado que la detección temprana del aumento de CO₂ en uno o más sectores de la bolsa permite tomar la decisión de extraer el grano de la bolsa sin pérdida de calidad comercial. El análisis de CO₂ mediante una medición puntual en el tiempo no puede establecer si la concentración del gas continuará concentrándose o se ha estabilizado. Entonces, esta medición solo será útil para comparar parcialmente con los umbrales de riesgo de CO₂ y no para establecer proyecciones tempranas (e.j. detectando niveles crecientes de CO₂, con valores aun moderados pero que alcanzarán una situación riesgosa).

 

La medición de CO₂ requiere como insumos la condición inicial del grano, el régimen de temperatura y la integridad de la bolsa. El relacionar estos parámetros con los niveles de CO₂ permite hacer diagnósticos y proyecciones del nivel de riesgo del grano almacenado. Así, por ejemplo, se podrá establecer diferentes niveles de riesgo para bolsas con similares valores de CO₂ durante la época fría, pero que poseen diferencias en el nivel de humedad. Se prevé que en la bolsa con mayor humedad la actividad biológica incrementará en mayor medida cuando la temperatura del grano suba. También se podrá asignar diferente nivel de riesgo a dos bolsas con similar condición y tipo de grano pero ubicadas en regiones con diferente régimen de temperatura.

 La extracción de muestras puede ser de utilidad para cuantificar un problema detectado con el monitoreo de CO₂. Por e.j. un aumento de CO₂ en la época cálida puede adjudicarse a la elevada humedad del grano almacenado, así como también a fallas estructurales enla bolsa. Si no se tiene información de la condición inicial del grano, el problema puede resolverse con la extracción de muestras con un calador para su posterior análisis de humedad. Si el grano de la muestra resulta seco, seguramente existe un sector estratificado de grano con alta actividad biológica, que puede o no ser alcanzado con el calador. De esta forma, las perforaciones realizadas en la bolsa (los cuales pueden ocasionar problemas si no son bien sellados) se reducen al mínimo.  

Por último, es necesario que un sistema de monitoreo se complemente con una inspección visual de la integridad dela bolsa. Elplástico de la bolsa es susceptible a roturas en todo el lapso del almacenaje, por lo que una inspección frecuente de la bolsa permitirá emparchar roturas a tiempo.

 

El INTA y Silcheck S.A. desarrollaron un sistema de monitoreo y gestión de granos almacenados en bolsas plásticas. Silcheck desarrolló un medidor de CO₂ especialmente diseñado para el monitoreo de bolsas plásticas (Figura 2). Dicho medidor cuenta con un sensor infrarrojo de gases, una bomba de precisión, GPS incorporado, sistema de almacenamiento de datos y sistema de lectura de etiquetas con radiofrecuencia (RFid). Cada bolsa que ingresa a este sistema de monitoreo es relacionada a una etiqueta de RFid con un código de identificación única. La etiqueta se adhiere a la bolsa y queda allí de manera permanente. El medidor de CO₂ solo se activa una vez que el lector del instrumento detectó el código de la etiqueta. Una vez detectado el código el instrumento comienza con un proceso de autocalibración en base a los niveles de CO₂ en la atmósfera. Posteriormente, el operador realiza las mediciones de CO₂ a lo largo de la bolsa. A los fines de refinar el monitoreo, la bolsa se divide en 10 zonas (distanciadas 6 m una de otra), correspondiendo a cada zona un punto de medición. En cada punto de muestreo se coloca una etiqueta identificatoria del mismo. Esta etiqueta además posee una zona autopresurizable para que las sucesivas extracciones la aguja del medidor de CO₂ no dejen pequeñas perforaciones y comprometan la confiabilidad de las tomas de CO₂ en muestreos posteriores. El valor de CO₂ en cada punto es automáticamente almacenado con el código de identificación de la bolsa, junto con la localización geográfica de la misma (latitud y longitud, provista por el GPS) y su posición en la bolsa (zona). Luego, el medidor se conecta a una PC con conexión a Internet y se transmiten automáticamente todos los datos recolectados a un servidor, en donde los mismos son analizados.

Figura 2: Extracción de muestra de CO₂ en el primer punto de la bolsa.

Previamente, al inicio del periodo de monitoreo, el operador cargó en la base de datos toda la información sensible relacionada a la calidad del grano (tipo de grano, porcentaje de humedad, porcentaje de materias extrañas, etc.). En base al valor de CO₂ medido, la zona geográfica (extraída del valor de latitud y longitud provisto por el GPS), el momento del año, el tipo de grano y su calidad, el sistema clasifica las diferentes zonas de la bolsa con un determinado nivel de riego de almacenamiento. Si la bolsa, en alguna de sus zonas, es clasificada con un nivel de riesgo alto, el usuario recibe una alarma en su teléfono celular, correo electrónico o fax. A su vez, el usuario puede ingresar al servidor con su cuenta de usuario y clave, donde podrá visualizar el nivel de riesgo actual de todas sus bolsas. El monitoreo de la bolsa se realiza semanalmente, por lo que la información provista es actualizada con la misma frecuencia. La interface web (Figura 3) del programa de gestión ofrece al usuario la posibilidad de ordenar las bolsas de acuerdo a su nivel de riesgo. A su vez, las bolsas aparecen geo-referenciadas en un mapa, donde se puede visualizar la bolsa junto con las vías de acceso al establecimiento y la distancia a un determinado destino. Toda esta información le sirve al usuario para programar las ventas de grano de manera de minimizar los riesgos de pérdida de calidad (vendiendo primero las bolsas más riesgosas) y eficientizar la logística. 

Figura 3: Visualización de la pantalla de usuario de sistema Silcheck donde se observa: (a) un ranking de riesgo de las bolsas del usuario de mayor (rojo) a menor (verde) riesgo; (b) la ubicación sitio-específica de una bolsa seleccionada; (c) el nivel de riesgo de 10 diferentes sectores de la bolsa seleccionada (donde rojo es comprometido y verde seguro). 

 

Se destacan del sistema de monitoreo en base a CO2 las siguientes características:

-Posee una alta sensibilidad para detectar condiciones de almacenamiento riesgosas (alta humedad, baja calidad, anegamiento o roturas y tiempo de almacenamiento).

-El monitoreo no daña la integridad del plástico de la bolsa ya que solo se introduce en la bolsa una aguja histológica.

-Brinda una alta practicidad, ya que el equipamiento es sumamente portátil y se emplean pocos minutos para monitorear una bolsa (se pueden monitoreas entre15 a20 bolsas plásticas por hora).

 

Agradecimientos: Al Ing. Agr. Carlos Fueguín por la revisión del presente artículo y sus valiosos aportes.

 

Bartosik, R., Rodríguez, J., Cardoso. L. 2008a. Storage of corn, wheat, soybean and sunflower in hermetic plastic bags. Proceedings of the International Grain Quality and Technology Conference, 15-18 July 2008, Chicago, IL, USA.

Bartosik, R., Cardoso, L., Rodríguez, J., 2008b. Early detection of spoiled grain stored in hermetic plastic bags (silobags) using CO2 monitoring. In: Guo, D.L., Navarro, S., Jian, Y., Cheng, T., Zuxun, J., Yue, L., Yang, L., Haipeng, W. (Eds), Proceedings of the 8th International Conference on Controlled Atmospheres and Fumigation in Stored Products, 21-26 September 2008, Chengdu, China, Sichuan Publishing House of Science and Technology, Chengdu, China, pp. 550-554.