快速評估害蟲熱特性的氣調(diào)加熱板系統(tǒng)

李 瑞，王紹金，2

（1.西北農(nóng)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(tǒng)工程系，普爾曼 99164－6120）

糧食的產(chǎn)后損耗主要發(fā)生在糧食的儲藏過程中，蟲害是導致糧食儲藏期間損失的最主要原因。目前國內(nèi)主要的糧食滅蟲法是溴甲烷熏蒸法，但此方法不可避免會產(chǎn)生化學物質(zhì)殘留，危害人體健康，而且溴甲烷還是一種消耗大氣臭氧層的物質(zhì)。因此，溴甲烷已被列入逐步淘汰物質(zhì)［1］。一些研究者采用輻照殺蟲［2］、低溫殺蟲［3］、氣調(diào)殺蟲［4］等非化學方法來殺滅糧食中的害蟲，但這些方法在實際應(yīng)用中均或多或少存在一定的問題。例如，電離輻照需專門的輻射源，設(shè)備投資相對較大，且由于放射線對人體有害，要十分注意安裝使用過程中操作人員的防護并做好輻照源的屏蔽處理，同時歐洲和日本等主要國際市場對輻照食品存有抵觸，因此控制十分嚴格［5］；低溫需要較大的設(shè)備投入，處理時間較長，易對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)造成不良影響；氣調(diào)法主要是通過改變氣體組成，造成昆蟲因缺氧而死，這種方法容易受到害蟲的呼吸和代謝的影響，而且主要受到溫度的影響［6－7］。

近年來，很多研究者采用加熱和氣調(diào)結(jié)合法來殺滅害蟲，如 Felurat［8］和 Neven等［9］研究了用快速加熱和氣調(diào)結(jié)合法來殺滅害蟲，結(jié)果表明此方法可以有效殺滅害蟲，且不會對糧食的品質(zhì)造成影響，但是他們沒有系統(tǒng)地研究不同加熱溫度和不同氣體濃度對害蟲殺滅的影響，而且系統(tǒng)研究害蟲的熱特性時間長，而且成本高，但是通過建立模型加熱系統(tǒng)，可以快速評估害蟲的熱致死情況以及確定害蟲最耐熱的蟲齡［9］。Neven［10］建立了一個氣調(diào)和水浴結(jié)合的系統(tǒng)，用來研究害蟲在氣調(diào)水浴加熱時的熱致死動力學，但是使用這個系統(tǒng)花費的時間仍然多，需要大量人力，而且不能滿足一次檢測一定害蟲數(shù)量的需求。因此需要建立一種成本低、快速評估害蟲熱特性的氣調(diào)加熱板系統(tǒng)。氣調(diào)加熱板系統(tǒng)工作時害蟲室內(nèi)氣體濃度的穩(wěn)定性、通入氣體后加熱板溫度的穩(wěn)定性均會影響害蟲的熱致死動力學模型［11－15］，因此本文設(shè)計了一種氣調(diào)加熱板系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為更好的指導和優(yōu)化氣調(diào)加熱板系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 技術(shù)設(shè)計

氣調(diào)加熱板系統(tǒng)如圖1所示，包括3個氣瓶、3個氣體減壓閥、5個玻璃轉(zhuǎn)子流量計、1個玻璃四通管、1套氣體混合裝置、1臺O2/CO2氣體分析儀、1個玻璃三通管、1套加熱板系統(tǒng)和連接各部分所需的硅膠管組成。3個氣瓶里的氣體分別為CO2、O2和N2，主要為系統(tǒng)提供所需的氣體成分；3個氣體減壓閥設(shè)置于3個氣瓶上；玻璃轉(zhuǎn)子流量計主要用于監(jiān)測和控制進入害蟲室內(nèi)的氣體成分；玻璃四通管主要用于混合和分流氣體；氣體混合裝置用電動機帶動電動攪拌棒自動攪拌使得進入害蟲室內(nèi)的氣體混合均勻；O2/CO2氣體分析儀用于監(jiān)測進入蟲室內(nèi)的O2與CO2氣體質(zhì)量分數(shù)；玻璃三通管用于氣體混合和分流；加熱板系統(tǒng)包含加熱板、溫度控制器和計算機，主要為被試害蟲提供一個理想且可自動控制的均勻加熱環(huán)境，加熱板包含上下鋁制底板，中間形成一個空腔，作為害蟲處理室；溫度控制器包括T型熱電偶溫度傳感器、固態(tài)繼電器和PID控制器，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(tài)繼電器是接通和斷開電路，PID控制器接收計算機中的指令；計算機通過串行端口與溫度控制器相連，主要包含采用Visual Basic語言編寫的控制軟件，通過控制軟件設(shè)置參數(shù)，將參數(shù)指令傳送給PID控制器，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)固態(tài)繼電器開始工作，從而實現(xiàn)對加熱溫度的控制，同時顯示和保存加熱過程中的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

圖1 快速評估害蟲熱特性的氣調(diào)加熱板系統(tǒng)及其工作流程示意圖

2 氣調(diào)加熱板系統(tǒng)的具體操作過程

首先連接好各進氣管和出氣管，打開氣瓶閥門，調(diào)節(jié)減壓閥使混合氣體總流量不超過流量計量程，再打開氣體混合系統(tǒng)電動機開關(guān)，調(diào)節(jié)攪拌器到合適的轉(zhuǎn)速，最后打開氣體分析儀，調(diào)節(jié)各氣體流量至所需混合氣體濃度，此時氣體通入到加熱板里；待混合氣體濃度穩(wěn)定后，將加熱板系統(tǒng)接上電源，先打開計算機和溫度控制器電源開關(guān)，在計算機中運行控制軟件，并設(shè)置加熱板系統(tǒng)的參數(shù)，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(guān)，啟動固態(tài)繼電器開始加熱，當達到加熱板系統(tǒng)設(shè)定的初始溫度后，固態(tài)繼電器暫停工作，此時將準備好的被試害蟲放入加熱板蟲室內(nèi)，若被試害蟲爬行快，可裝在尼龍布袋中一并放入蟲室內(nèi)；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(tài)繼電器又開始工作，當達到加熱板設(shè)定的最終溫度后開始保溫，保溫時間結(jié)束表示本次實驗結(jié)束；打開加熱板，將試驗害蟲立即取出，關(guān)閉加熱板系統(tǒng)程序，觀察被試害蟲的存活并獲得數(shù)據(jù)。通過設(shè)置不同O2與CO2的質(zhì)量分數(shù)組合、加熱速率、最終溫度和保溫時間，獲得被試害蟲在不同參數(shù)下的狀況，從而進行害蟲的熱致死研究。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 加熱板害蟲室內(nèi)氣體濃度的穩(wěn)定性研究

研究加熱板害蟲室內(nèi)氣體質(zhì)量分數(shù)的穩(wěn)定性主要是檢測進氣口氣體質(zhì)量分數(shù)和出氣口氣體質(zhì)量分數(shù)，若進出氣口質(zhì)量分數(shù)相差不大，說明在加熱板害蟲室內(nèi)氣體質(zhì)量分數(shù)是處于穩(wěn)定狀態(tài)。實驗中氣調(diào)加熱板系統(tǒng)主要采用的是調(diào)節(jié)O2和CO2質(zhì)量分數(shù)，0min指的是調(diào)節(jié)的O2質(zhì)量分數(shù)為1%、CO2質(zhì)量分數(shù)為15%時開始計時刻，每隔3min測量1次進出口的O2和CO2質(zhì)量分數(shù)，每1次測量3次，取平均值，共持續(xù)測量15min。表1是加熱板害蟲室內(nèi)進口O2質(zhì)量分數(shù)和出口O2質(zhì)量分數(shù)的比較，表2是加熱板害蟲室內(nèi)進口CO2質(zhì)量分數(shù)和出口CO2質(zhì)量分數(shù)的比較。由表1和表2可知，進口O2質(zhì)量分數(shù)和出口O2質(zhì)量分數(shù)、進口CO2質(zhì)量分數(shù)和出口CO2質(zhì)量分數(shù)的差異都很小，均在0.1%以內(nèi)，可以說明氣調(diào)加熱板系統(tǒng)工作時加熱板害蟲室內(nèi)進氣口和出氣口氣體的質(zhì)量分數(shù)基本一致。

表1 加熱板害蟲室內(nèi)進口O2質(zhì)量分數(shù)和出口O2質(zhì)量分數(shù)的比較

表2 加熱板害蟲室內(nèi)進口CO2質(zhì)量分數(shù)和出口CO2質(zhì)量分數(shù)的比較

3.2 通入氣體后加熱板室內(nèi)溫度變化的研究

由于害蟲在42℃以上時才敏感［16］，所以設(shè)計實驗時選擇50℃。為了驗證通入氣體后加熱板室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，實驗中比較了未通入氣體時加熱板室內(nèi)溫度和通入氣體后加熱板室內(nèi)溫度，實驗重復了3次，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，未通入氣體時加熱板室內(nèi)溫度與通入氣體后加熱板室內(nèi)溫度相差很小，均在0.05℃以內(nèi)，可以說明通入氣體與未通入氣體時加熱板害蟲室內(nèi)的溫度基本一致。

表3 通入氣體后加熱板室內(nèi)溫度變化的研究

4 結(jié)論

氣調(diào)加熱板系統(tǒng)可以為實驗害蟲提供一個理想可控的均勻加熱環(huán)境，可以為研究系統(tǒng)的加熱速率、加熱時間、加熱溫度以及不同O2/CO2的質(zhì)量分數(shù)組合殺滅害蟲時提供設(shè)備，降低提供可靠的害蟲熱致死動力學研究成本，促進害蟲殺滅技術(shù)的進步。

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