用于研究害蟲熱致死動力學的加熱板系統研制

李 瑞, 王紹金,2

(1. 西北農林科技大學 機械與電子工程學院, 陜西 楊凌 712100；2. 華盛頓州立大學 生物系統工程系, 美國 普爾曼 99164-6120)

用于研究害蟲熱致死動力學的加熱板系統研制

李 瑞1, 王紹金1,2

(1. 西北農林科技大學 機械與電子工程學院, 陜西 楊凌 712100；2. 華盛頓州立大學 生物系統工程系, 美國 普爾曼 99164-6120)

設計了一種加熱板系統,包括鋁制保溫盒、鋁制上下底板、上下電加熱膜、氣體循環通道、T型熱電偶溫度傳感器、PID控制器、變壓器、固態繼電器和計算機。并通過實驗證明了該加熱板系統可以用于研究害蟲的熱致死動力學。

加熱板系統； 技術設計； 害蟲； 熱致死動力學

糧食產后損耗大部分發生在糧食的儲藏過程中,其中蟲害是導致糧食儲藏期間損失的最主要原因,發展中國家有超過20%的糧食在貯藏期間由于蟲害而損失[1]。目前國內的糧食滅蟲法主要以甲基溴熏蒸處理為主,該法在衛生檢疫、建筑物殺蟲和水果殺蟲中已被廣泛使用,具有高效、穿透性強、殺蟲譜廣等優點。近年來,由于環保與健康意識增強,人們逐漸發現甲基溴具有破壞臭氧層、威脅操作人員身體健康的負面作用,且殘留在農產品中的甲基溴對人體中樞神經也具有較強毒害作用[2]。因此,甲基溴已被列入逐步淘汰產品。按照《蒙特利爾議定書哥本哈根修正案》的規定,美國等發達國家已于2005年開始逐步限制以至最終禁止甲基溴的使用,而中國等發展中國家也擬在2015年停止使用[3]。國內外已有部分加工企業嘗試采用其他新開發的更安全的化學殺蟲劑替代甲基溴,但也均存在化學殘留、抗藥性和環境危害等潛在的負面影響。很多研究者采用非化學法如低壓[4-5]、低溫貯藏[6]、輻射[7]、射頻[8]和微波[9]對糧食中的害蟲進行了殺滅實驗,但均存在著不同缺陷。例如,用低壓和低溫貯藏法來滅蟲需要很長時間,這可能會導致糧食質量的損失；輻射法可以有效地防治采后糧食的害蟲,但可用的專用輻射設備很少,且我國主要糧食出口國家和地區限制或禁止輻射糧食[10]；射頻和微波處理法對殺滅低水分農產品中的害蟲比較有效,但加熱過程中會有不均勻加熱現象發生[11]。因此急需一種能把害蟲加熱到致死溫度殺滅但又不破壞農產品品質的物理殺蟲技術,為了提高此技術的有效性,需要建立可靠的害蟲熱致死動力學。本文提出了一種用于研究害蟲熱致死動力學的加熱板系統。

1 技術設計

加熱板系統由加熱板、溫度控制器和計算機組成,如圖1所示。加熱板包括鋁制保溫盒、鋁制上下底板、上下電加熱膜、氣體循環通道,其內部結構如圖1(b)所示。選擇鋁制材料主要是由于鋁具有低熱容量和高導熱性,能在加熱和保溫過程中為系統提供平滑的溫度分布曲線,且在設定溫度不超過60 ℃時,可實現0.1～15℃/min的加熱速率調節。鋁制上下底板結合在一起形成一空腔,作為害蟲處理室；上下電加熱膜用來加熱,黏合在鋁制上下底板表面；氣體循環通道是為將來加熱與氣調組合使用殺蟲時準備的。溫度控制器包括T型熱電偶溫度傳感器、PID控制器、變壓器、固態繼電器。T型熱電偶溫度傳感器連接加熱板,用來測量加熱板上下底板的溫度；固態繼電器主要是接通和斷開電路。計算機主要包含采用Visual Basic語言編寫的控制軟件,通過控制軟件設置參數,將參數指令傳送給PID控制器,根據設定的參數固態繼電器開始工作,從而實現對加熱溫度的控制,同時顯示和保存加熱過程中的實時數據,實現數據采集。

圖1 害蟲熱致死動力學的加熱板系統及加熱板內部構造

2 加熱板系統的具體操作過程

將加熱板系統接上電源后,先打開計算機和溫度控制器電源開關,在計算機中運行控制軟件,并設置加熱板系統的參數,主要是加熱速率、加熱初始溫度、最終溫度和保溫時間。此時PID控制器接收到控制軟件的指令,打開溫度控制器加熱開關,啟動固態繼電器開始加熱,當達到加熱板系統設定的初始溫度后,固態繼電器暫停工作,此時將準備好的試驗害蟲放入加熱害蟲室內,若試驗害蟲爬行快,可裝在尼龍布袋中一并放入處理室內。合上加熱板上底板,保證密封完好。啟動計算機中的控制軟件,固態繼電器又開始工作,當達到加熱板設定的最終溫度后開始保溫,保溫時間結束表示本次試驗結束。打開加熱板,將試驗害蟲立即取出,關閉加熱板系統程序,觀察實驗害蟲的存活并獲得數據。通過設置不同的加熱速率、最終溫度和保溫時間,獲得試驗害蟲在不同加熱參數下的死亡數據,從而進行害蟲的熱致死動力學研究。

3 實驗結果與分析

3.1 加熱板系統溫度的穩定性測量

害蟲在42 ℃以上時才敏感[12],所以設計試驗時選擇了44、46、48、50 ℃。為了驗證加熱板系統溫度的穩定性,每個溫度試驗時采用手提式熱電偶直接測量害蟲處理室的溫度3次,取其平均值與T型熱電偶測量的溫度進行對比,結果如表1所示。

表1 加熱板系統溫度的穩定性測量結果

實測結果顯示，T型熱電偶傳感器的溫度(加熱板系統顯示的溫度)與用手提式熱電偶測的溫度差值很小,說明設計的加熱板系統準確度較好。

3.2 害蟲熱致死動力學公式

選擇米象作為研究害蟲熱致死動力學的對象,取44、46、48、50 ℃ 4個溫度來研究米象的熱致死動力學,建立的方程如表2所示。

表2 害蟲熱致死動力學方程

3.3 驗證米象熱致死動力學公式的準確性

每個溫度各選50只米象,將50只米象放入害蟲處理室中處理。對比殺死99%米象所用的保溫時間與依據動力學公式得出的保溫時間。結果見表3。

表3 米象熱致死動力學公式的準確性

從表3看出，測試值和公式計算的值相差很近,表明害蟲的熱致死動力學公式可以很好地預測殺死99%的害蟲時所需保溫時間。

4 結論

本文設計的加熱板系統可以為實驗害蟲提供一個理想可控的均勻加熱環境,可系統地研究不同加熱速率、加熱時間以及加熱溫度對殺蟲效果的影響,可提供足夠且可靠的害蟲死亡數據,降低了研發成本,促進了害蟲熱殺滅技術的進步,具有科學研究價值。

References)

[1] Doumbia M,Douan B G, Kwadjo K E, et al. Effectiveness of diatomaceous earth for control of Sitophilus zeamais (Coleoptera:Curculionidae),Tribolium castaneum and Palorus subdepressus (Coleoptera:Tenebrionidae) [J].Journal of Stored Products Research,2014,57：1-5.

[2] Bulathsinghala A T,Shaw I C.The toxic chemistry of methyl bromide [J].Human and Experimental Toxicology,2014,33(1),81-91.

[3] Samtani J B,Gilbert C,Ben Weber J.Effect of steam and solarization treatments on pest control,strawberry yield,and economic returns relative to methyl bromide fumigation [J].Hortsci,2012,47(1),64-70.

[4] Jiao S S,Johnson J A,Fellman J K,et al.Evaluating the storage environment in hypobaric chambers used for disinfesting fresh fruits [J].Biosystems Engineering,2012,111(3),271-279.

[5] Kucerova Z,Kyhos K,Aulicky R,et al.Low-pressure treatment to control food-infesting pests (Tribolium castaneum,Sitophilus granarius) using a vacuum packing machine [J].Czech Journal of Food Sciences,2013,31(1),94-98.

[6] Nakakita H,Ikenaga H.Action of low temperature on physiology of Sitophilus zeamais Motschulsky and Sitophilus oryzae (L.) (Coleoptera:Curculionidae) in rice storage[J].Journal of Stored Products Research,1997,33(1),31-38.

[7] FollettPA,Snook K,Janson A,et al.Irradiation quarantine treatment for control of Sitophilus oryzae (Coleoptera:Curculionidae) in rice[J].Journal of Stored Products Research,2013,52：63-67.

[8] Wang S,Monzon M,Johnson J A,et al.Industrial-scale radio frequency treatments for insect control in walnuts II:Insect mortality and product quality[J].Postharvest Biology and Technology,2007,45(2),247-253

[9] VadivambalR,Jayas D S,White N D G.Mortality of stored-grain insects exposed to microwave energy [J].Transactions of the ASABE,2008,51(2),641-647.

[10] FollettP A,Weinert E R.Phytosanitary irradiation of fresh tropical commodities in Hawaii:generic treatments,commercial adoption and current issues[J].Radiation Physics and Chemistry,2012,81(8),1064-1067.

[11] WangY,Zhang L,Gao M,et al. Evaluating radio frequency heating uniformity using polyurethane foams[J].Journal of Food Engineering,2014,136：28-33.

[12] Neven L G,Mitcham E J.CATTS (ControlledAtmosphere/Temperature Treatment System):A novel tool forthe development of quarantine treatments [J].J Am Entomol，1996,42(1):56-59.

Heating block system for studying thermal death kinetics of insect pests

Li Rui1, Wang Shaojin1,2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China; 2.Department of Biological Systems Engineering,Washington State University,Pullman,WA 99164-6120,USA)

A heating block system was designed,which consists of an insulation box,aluminum top and bottom heating blocks providing insect holding chamber,top and bottom heating pads,gas circulation channels,type-T thermocouple temperature sensors,PID controller,potential transformer,solid-state relay and a computer.The results show that the heating block system is suitable for studying thermal death kinetics of insect pests.

heating block system; technical design; insect pest; thermal death kinetics

2015- 01- 07 修改日期：2015- 03- 10

國家自然科學基金項目(31371853)；教育部博士點基金項目(20120204110022)

李瑞(1985—)，女，陜西綏德，碩士研究生，助理實驗師，主要從事食品與農產品加工技術研究.

E-mail：ruili1216@nwsuaf.edu.cn

S379.5

B

1002-4956(2015)8- 0094- 03