Evaluación de la hermeticidad, sorción y liberación residual de fosfina en el almacenamiento de arroz bajo condiciones reales en Chiclayo, Perú

1. Introducción

El control de plagas en granos almacenados representa uno de los principales desafíos para la industria agroalimentaria, debido a las pérdidas económicas directas por daño físico del grano y a las restricciones sanitarias derivadas de la contaminación por insectos vivos o residuos químicos. En el caso del arroz, un cultivo de alta importancia para la seguridad alimentaria del Perú, la fumigación con fosfina (PH₃) es una de las estrategias más empleadas debido a su alta eficacia frente a insectos en todos sus estadios y a su bajo costo relativo. Sin embargo, la efectividad de este tratamiento depende críticamente de la hermeticidad de las estructuras, la liberación controlada del gas, y su retención dentro del sistema durante un tiempo suficiente para alcanzar mortalidad completa.

Uno de los aspectos menos documentados en condiciones reales de campo es el comportamiento de sorción y liberación secundaria de fosfina, es decir, su capacidad de ser absorbida por los granos y posteriormente liberada al ambiente. Este fenómeno puede alterar las curvas de concentración esperadas, reducir la eficiencia del tratamiento o representar riesgos posteriores a la ventilación. En productos como el arroz con cáscara, donde la estructura física del grano presenta mayor superficie y porosidad, esta dinámica puede tener un impacto importante en la exposición residual al gas. Además, existe el riesgo de subestimar las pérdidas por fugas si no se diferencia adecuadamente entre la desaparición del gas por absorción y por deficiencias en el sellado.

En este contexto, el presente estudio se diseñó para evaluar experimentalmente la hermeticidad, la sorción y la liberación de fosfina en condiciones reales de almacenamiento de arroz en Chiclayo, Perú, utilizando estructuras tipo ruma cubiertas con manta plástica. Se trabajó con dos tipos de arroz (blanco y con cáscara) y se incluyó un tratamiento control sin grano. Las mediciones de concentración de fosfina se realizaron durante 197 horas utilizando tubos colorimétricos, y se analizaron distintos métodos de estimación de sorción, incluyendo el cálculo de sorción neta y el área bajo la curva de concentración.

Los objetivos del estudio fueron: (i) evaluar la hermeticidad de las mantas utilizadas en las fumigaciones de arroz almacenado, (ii) cuantificar la sorción y liberación de fosfina por parte del grano según tipo y dosis aplicada, (iii) estimar la sorción neta del grano diferenciando pérdidas estructurales, y (iv) caracterizar la liberación residual del gas posterior a la ventilación a través de la concentración mínima y el área bajo la curva (AUC). Estos resultados permitirán mejorar las prácticas de fumigación, optimizar la eficiencia del tratamiento y reducir los riesgos asociados a la exposición post-tratamiento.

2. Metodología

2.1. Condiciones generales del ensayo

El estudio se llevó a cabo en marzo de 2025 en los almacenes de la empresa en Chiclayo, Perú, bajo condiciones ambientales naturales. Durante el periodo experimental, la temperatura promedio fue de 27 °C y la humedad relativa aproximada del 70 %. No se utilizó control climático artificial.

Las unidades experimentales consistieron en estructuras rectangulares de pallets cubiertas con manta plástica, que contenían arroz blanco, arroz con cáscara o una estructura vacía de madera (control). Cada estructura fue sellada herméticamente con salchichas de arena. Las dimensiones de cada ruma fueron medidas directamente, y los volúmenes calculados se utilizaron para ajustar la dosis de aplicación de fosfina:

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2.2. Diseño experimental

Se aplicó un diseño completamente al azar con estructura no replicada por dosis: se evaluaron dos rumas por tipo de producto (arroz blanco, arroz con cáscara, control), una por cada nivel de dosis (3 y 5 pastillas/m³), dando un total de 6 unidades experimentales.

Cada tratamiento se definió por la combinación de:

Producto almacenado (blanco, cáscara o control)
Dosis aplicada (3 o 5 pastillas/m³)

La asignación de dosis a las rumas fue aleatoria y las estructuras fueron ubicadas bajo las mismas condiciones ambientales.

2.3. Evaluación de la hermeticidad

La hermeticidad de las mantas se evaluó antes de la fumigación, aplicando aire a presión por un extremo de la estructura cubierta y sellada. La velocidad del viento de salida se midió en el extremo opuesto usando un anemómetro manual, registrando valores iniciales y finales (rango observado: 14–20 mph). Estas mediciones permitieron identificar posibles fugas en las uniones de la manta y su fijación al piso.

2.4. Aplicación de fosfina

Se aplicó fosfuro de aluminio en pastillas como fuente de liberación de fosfina, en dos niveles de dosis:

3 pastillas/m³
5 pastillas/m³

El número total de pastillas se ajustó al volumen real de cada ruma. Las pastillas se distribuyeron uniformemente sobre el grano o estructura, y las mantas se sellaron inmediatamente.

2.5. Monitoreo de concentración de fosfina

Las concentraciones de fosfina se midieron usando tubos colorimétricos de alta y baja sensibilidad, conectados a una bomba manual de succión. Las mediciones se realizaron mediante válvulas en la manta para evitar pérdidas de gas durante el muestreo.

El cronograma de monitoreo fue el siguiente:

Cada hora durante las primeras 24 horas
Cada 12 horas durante los días siguientes,
Alcanzando un total de 197 horas de seguimiento por ruma.

2.6. Proceso de ventilación

Durante el ensayo se realizó una fase de ventilación controlada, en la cual se levantó parcialmente la manta durante un número específico de horas según tratamiento. Luego del periodo de ventilación, las rumas fueron nuevamente selladas (reemantado) y se continuó con el monitoreo para evaluar la liberación residual de fosfina.

2.7. Evaluación de sorción

La sorción de fosfina se estimó como la disminución relativa de la concentración de gas en el aire confinado, aplicando tres métodos complementarios:

Opción 1: Diferencia entre la concentración máxima (A) y mínima (B) registrada en la curva.
Opción 2: Diferencia entre el promedio de concentraciones antes y después de la ventilación.
Opción 3: Diferencia entre la última medición antes de ventilar y la primera tras el reemantado.

También se calculó la sorción neta, restando la pérdida de gas registrada en los controles sin grano para cada dosis, como referencia de pérdida por fuga o reacción con el ambiente.

2.8. Análisis estadístico

Para evaluar la dinámica de liberación de fosfina posterior a la ventilación, se consideraron dos indicadores clave: la concentración mínima post-ventilación, correspondiente al valor más bajo registrado tras el reemantado, y el área bajo la curva (AUC), que representa la exposición acumulada al gas y fue calculada mediante integración trapezoidal de la curva concentración-tiempo (ppm·h). Dado el carácter no replicado del diseño experimental, el análisis estadístico se centró en comparaciones descriptivas de los valores de sorción, concentración mínima y AUC por tratamiento, así como en la representación gráfica mediante boxplots y curvas concentración-tiempo, con el fin de explorar visualmente diferencias entre productos y dosis. Para obtener interpretaciones comparativas más ajustadas, se estimaron las sorciones netas restando los valores del control correspondiente a cada dosis, de modo que la pérdida atribuida exclusivamente al grano pudiera distinguirse de la asociada a fugas estructurales. Todos los cálculos y gráficos fueron desarrollados con herramientas de análisis en Python, empleando las librerías pandas, matplotlib, seaborn y scikit-learn.

3. Resultados

Opción 2 – Sorción basada en promedios antes vs después de ventilar

Representa la absorción acumulada del gas durante el tratamiento completo.
Más robusta frente a valores atípicos o momentos de baja medición.

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Opción 3 – Sorción basada en última medición antes vs primera después de ventilar

Evalúa la liberación post-absorción inmediata al remover la manta.
Útil para estimar riesgos residuales y comportamiento reversible de la fosfina.

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Comparación de métodos de cálculo de sorción

El análisis de sorción se realizó aplicando dos enfoques complementarios para estimar la proporción de fosfina que desaparece del espacio aéreo de las rumas tras la fumigación:

Opción 2: Se calculó el porcentaje de sorción en función del promedio de las concentraciones registradas antes y después del periodo de ventilación.
Opción 3: Se utilizó la última medición antes de ventilar y la primera medición después de ventilar como referencia para estimar la pérdida de gas.

En ambos casos, el % de sorción se interpreta como la proporción de fosfina que dejó de estar presente en el aire confinado de la ruma, no como gas absorbido exclusivamente por el grano. Dicha desaparición puede deberse a dos mecanismos principales:

Fugas o escapes por deficiencias en la hermeticidad de la manta u otros elementos del sellado.
Sorbción (adsorción/absorción) por los materiales presentes en la ruma: arroz (cáscara o pilado), pallets, estructuras o madera.

La fórmula utilizada fue: Sorción (%)=[(a-b)/a]x100

donde A representa la concentración de fosfina antes de la ventilación (sea como promedio o última medición), y B, la concentración después (promedio o primera medición).

Resultados por método:

Con el enfoque de promedios (Opción 2), se observaron niveles de sorción entre 95.5 % y 98.9 %, con los valores más bajos en el tratamiento con arroz cáscara y dosis baja (3 pastillas/m³). Esto sugiere una retención parcial del gas en el sistema fumigado, probablemente influenciada por la interacción con la cáscara del grano.
En la Opción 3 (última antes vs primera después), los valores de sorción oscilaron entre 96.0 % y 100.0 %, con mayor variabilidad atribuida a pequeñas fluctuaciones en los tiempos de medición y liberación gaseosa. Este enfoque evidenció pérdidas más abruptas de fosfina, reflejando principalmente la liberación repentina del gas tras retirar la manta.

Consideración del control:

Al comparar estos resultados con el tratamiento control (estructura de madera sin grano), que presentó sorciones de 97–100 %, se infiere que gran parte del gas desaparecido puede atribuirse a fugas estructurales o hermeticidad imperfecta, más que a sorción efectiva por el grano.

Por ejemplo:

En el tratamiento con arroz cáscara (3 pastillas/m³), la sorción fue de 95.5 % (Opción 2), frente a un 98.6 % en el control.
Esto sugiere una sorción neta atribuible al grano de aproximadamente −3.1 puntos porcentuales, lo que indica que el grano retuvo menos gas que el sistema vacío, posiblemente por diferencias en liberación o sellado.

Estos resultados enfatizan la importancia de considerar la sorción neta (tratamiento − control) para estimar el verdadero aporte del grano al destino del gas, y no sobrestimar la absorción en base a cifras brutas.

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Durante el análisis de las curvas de concentración de fosfina en los tratamientos con arroz con cáscara, se observó un fenómeno clave que influye directamente en la interpretación del porcentaje de sorción: la liberación secundaria de fosfina. Específicamente, tras el proceso de ventilación (retiro temporal de la manta y posterior reemantado), las concentraciones de fosfina en el ambiente no disminuyeron progresivamente como cabría esperar en un sistema sin retención, sino que, por el contrario, aumentaron nuevamente en las horas siguientes. Este comportamiento indica que el arroz con cáscara actuó como reservorio temporal del gas, absorbiendo fosfina durante la fase inicial de fumigación y liberándola gradualmente después de retirar la cobertura.

Este hallazgo tiene importantes implicancias para la estimación de la sorción real. Cuando se utiliza como referencia la “primera medición post-ventilación” (como en la Opción 3), se puede subestimar el verdadero nivel de sorción, ya que dicha medición incluye fosfina que ha sido liberada recientemente por el grano y no proviene del gas libre inicial. En consecuencia, los valores de “sorción neta” calculados en base a este método pueden ser artificialmente bajos o incluso negativos, como se observó en el tratamiento con arroz con cáscara y 3 pastillas/m³.

Por tanto, estos resultados sugieren que para cultivos con alta porosidad o presencia de cáscara, como el arroz en su estado natural, la fosfina puede exhibir un comportamiento reversible o retardado

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Los resultados obtenidos tras el análisis post-ventilación revelan diferencias marcadas en el comportamiento de liberación de fosfina entre el arroz blanco y el arroz con cáscara. Al evaluar la concentración mínima residual y el área bajo la curva (AUC) de concentración en función del tiempo, se evidenció que el arroz con cáscara retuvo y liberó significativamente más fosfina tras la ventilación. En la dosis de 3 pastillas/m³, el arroz con cáscara alcanzó una concentración mínima de 60 ppm y un AUC de 1800 ppm·h, en contraste con solo 0 ppm y 360 ppm·h para el arroz blanco. Este patrón se repitió a mayor dosis (5 pastillas/m³), reafirmando que la estructura externa del grano (la cáscara) favorece la sorción y liberación prolongada del gas. Estos hallazgos indican que, en condiciones de almacenamiento reales, el arroz con cáscara no solo absorbe fosfina durante la fumigación, sino que también actúa como fuente secundaria de liberación, lo cual debe considerarse para optimizar los tiempos de exposición, la ventilación posterior y la evaluación de riesgos por reemisión gaseosa.

4. Conclusiones

El presente estudio permitió caracterizar de forma integral la dinámica de comportamiento de la fosfina en sistemas de almacenamiento de arroz sometidos a fumigación en condiciones reales, considerando tanto la retención del gas como su liberación posterior a la ventilación. La evaluación de la hermeticidad mediante mediciones de velocidad de viento demostró que las mantas utilizadas proporcionaron un sellado aceptable, aunque la presencia de fugas mínimas contribuyó parcialmente a la pérdida de gas en los tratamientos control.

Los tres enfoques aplicados para estimar la sorción (valor mínimo, promedios antes/después, última vs primera tras ventilación) mostraron una alta concordancia y confirmaron que el porcentaje de fosfina desaparecida del aire osciló entre 95 % y 100 %, dependiendo del tipo de grano y la dosis aplicada. Sin embargo, la interpretación de estos resultados debe matizarse con base en la liberación post-ventilación: el arroz con cáscara evidenció un comportamiento de sorción reversible, registrando concentraciones residuales más elevadas y áreas bajo la curva (AUC) significativamente mayores que el arroz blanco, lo que sugiere un rol activo del grano como reservorio temporal de fosfina.

La estimación de sorción neta, obtenida por diferencia con los controles, permitió identificar qué fracción del gas fue efectivamente absorbida por el grano y no atribuible a pérdidas estructurales. Los tratamientos con arroz blanco mostraron mayor retención neta que el control, mientras que el arroz con cáscara presentó valores negativos en ciertos casos, posiblemente debido a su mayor capacidad de liberación post-ventilación.

En conjunto, los resultados refuerzan la importancia de considerar el tipo de producto almacenado en la planificación de fumigaciones con fosfina. El arroz con cáscara, en particular, requiere especial atención por su capacidad de reliberación prolongada del gas, lo que podría tener implicancias en la seguridad del personal durante la ventilación y en la reentrada a las instalaciones. Asimismo, el uso de herramientas como el AUC y la concentración mínima post-ventilación se propone como un complemento necesario a los métodos tradicionales de evaluación de sorción para mejorar la gestión técnica y sanitaria del proceso.