Università Politecnica delle Marche FACOLTA DI INGEGNERIA Dottorato di Ricerca in Elettromagnetismo e Bioingegneria (VII Ciclo)

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1 Università Politecnica delle Marche FACOLTA DI INGEGNERIA Dottorato di Ricerca in Elettromagnetismo e Bioingegneria (VII Ciclo) Dipartimento di Ingegneria Biomedica, Elettronica e Telecomunicazioni Disinfestazione di leguminose in camera riverberante a microonde Mi.Sy.A. (Microwaves System for Agro-Food) Disinfestation of pulses by the microwave reverberation chamber Mi.Sy.A. (Microwaves System for Agro-Food) Dottorando: Dott. Nicola Cusmai Coordinatore dottorato: Chiar. mo Prof. Ing. Graziano Cerri Tutor accademico: Chiar. mo Prof. Ing. Roberto De Leo Anno accademico

2 ABSTRACT Questa ricerca si fonda sulla possibilità concreta di utilizzare sistemi di disinfestazione a microonde per il trattamento delle derrate alimentari sfruttando l azione termica generata mediante energia elettromagnetica. Le derrate alimentari di vario genere (legumi, cereali, semi in genere..etc), immagazzinate per tempi più o meno lunghi in impianti di stoccaggio, in attesa di essere destinate al consumo, sono soggette ad attacchi di agenti parassitari (generalmente insetti) capaci di determinare danni anche ingenti. Lungo tutta la filiera, dai campi ai magazzini di stoccaggio, i semi sono facilmente esposti agli attacchi di diversi tipi di parassiti in quanto offrono loro un prezioso nutrimento ed un confortevole habitat. Solitamente la qualità del prodotto infestato risulta irrimediabilmente compromessa e di conseguenza è inevitabile il danno economico per le aziende alimentari. Le principali cause di alterazione dei semi in fase di stoccaggio sono l umidità e gli agenti infestanti. L evoluzione delle produzioni nelle industrie di trasformazione ha richiesto elevati standard qualitativi, anche dal punto di vista igienico. Questo vuol dire assenza di tracce di contaminanti biologici ed assenza di residui antiparassitari. In fase di conservazione, le leguminose da granella devono essere stoccate con contenuto limitato di impurità ed un limitato contenuto di umidità (15%), condizioni essenziali per evitare problemi igienico sanitari. Attualmente la bonifica delle leguminose mediante fumigazione rappresenta un modo estremamente efficace ed economicamente sostenibile per risolvere il problema degli insetti infestanti nelle strutture di lavorazione. Il trattamento con prodotti chimici rappresenta l unico mezzo di lotta agli infestanti soprattutto se l azienda non dispone di mezzi adeguati, di personale addestrato e di corrette procedure di monitoraggio del cereale nella fase di stoccaggio. Con questo innovativo sistema di disinfestazione, che fa uso di energia elettromagnetica alle microonde, si intende ovviare proprio alle problematiche relative ai metodi attualmente utilizzati per la bonifica, metodi che non è più possibile utilizzare a partire da gennaio 2005 (e.g. Bromuro di metile). La ricerca è indirizzata quindi, all utilizzazione dell energia elettromagnetica a microonde sfruttandone la sua azione termica al fine di elevare la temperatura corporea delle forme biologiche infestanti al di sopra della loro temperatura letale che generalmente si attesta tra i C. La struttura, progettata e realizzata dalla società EMITECH srl, all interno della quale è stato realizzato il trattamento, è costituita da una camera dalle pareti metalliche in cui è inserita un elicoide metallico che ha la duplice funzione di trasportatore e di agitatore modale nel senso che essa con il suo movimento rotatorio favorirà il mescolamento dei modi del campo elettromagnetico. All interno della camera si vuole realizzare una distribuzione del campo quanto più possibile

3 uniforme determinando, così, una distribuzione altrettanto uniforme di potenza elettromagnetica nella regione di spazio attraversata dalla porzione di massa dei semi da trattare. Questo tipo di strutture si definiscono camere riverberanti. Dalla presente ricerca è emerso che il riscaldamento in camera riverberante a microonde, grazie alla sua omogeneità nella distribuzione della temperatura in tutto il volume in cui le leguminose vengono trattate è, un metodo innovativo molto adatto alla stabilizzazione e disinfestazione dei semi. Si è visto che portando le leguminose a temperature superiori a 60 si è ottenuto il 100% della mortalità di tutte le forme vitali, comprese le uova, degli infestanti considerate. La possibilità di raggiungere tali temperature in tempi così brevi è tipica di un riscaldamento mediante microonde ed è una ulteriore motivazione che induce a spingere la ricerca attuale nella realizzazione di un sistema a microonde per la disinfestazione di questo tipo di derrate da artropodi come A. obtectus e C. maculatus. Il trattamento a microonde pare che riduca la capacità di inglobare acqua di qualche punto percentuale ed un parametro assolutamente da considerare. Tuttavia, ad eccezione di qualche parametro qualitativo si ritiene che gli obiettivi prefissati siano stati raggiunti sia perché è stata progettata e realizzata dalla società EMITECH srl la camera riverberante a microonde Mi.Sy.A. (Microwaves System fo Agro-Food) dotata di elicoide e sia perché a temperature prossime a 60 C (valori registrati sul seme contenuto nelle provette Eppendorf pertanto a temperatura inferiore della massa che si attestava a circa 70 C) si è osservato il 100% della mortalità di tutte le forme vitali di A. obtectus e C. maculatus.

4 ABSTRACT This research work focuses on the real possibility to use microwave systems for the disinfestation of foodstuffs by exploiting the electromagnetic energy thermal action. Foodstuffs of vegetable origin (pulses, cereals, seeds, etc.), kept for long times into storage areas before consumption, are subject to the attack of parasites (generally insects) that provoke serious damages. Foodstuffs are exposed to infestation risks during all phases of the production cycle because they represent a comfortable habitat and precious nourishment for parasites. In some cases even slight infestations compromise food quality, cause depreciation in terms of economic loss for food companies and can make products totally unusable. The main causes that affect the quality of pulses are humidity and pests. Processing industries are undergoing an evolution in production processes which need increasingly high qualitative reference standards in terms of hygiene and safety. This means absence of infestation traces and absence of parasiticide residues. To avoid hygienic-sanitary problems during the storage phase it is important that pulses present a low moisture content (15%) and a low impurities content. At present organophosphate insecticides and fumigants (methyl bromide, phosphine) are still considered the most common solution for pest control of food. When a company does not have the appropriate means, a skilled staff and correct monitoring procedures of the storage phase the only pest control method is represented by the use of chemical products. But, in recent times, there is an increasing awareness about the effects of chemicals on our environment and there are very strict laws against their use. Since the Montreal Protocol curtailed the production and use of methyl bromide, the demand for environmentally and economically sustainable pest control techniques has become particularly pressing. The innovative microwave technology for disinfestations of pulses is a physical method that controls pests in all life stages. Treatments are carried out in special reverberation chambers and exploit the thermalization principle of microwaves in order to increase the body temperature of pests beyond the lethal temperature values (56-58 C). The disinfestations system planned and realized by EMITECH s.r.l. is a metallic chamber containing an Archimedean screw or cochlea with a dual function: it conveys the seeds from the hopper to the unloading unit and it forms a resonant cavity into which the movement of seeds produce the mixing of electromagnetic modes. The electromagnetic field distribution is appropriately controlled so that it is possible to obtain a particular power distribution in the area, the mass of product under treatment goes through.

5 This research work has shown that the heating by microwaves in reverberation chambers, thanks to the uniformity of temperature distribution in the product under treatment is an innovative method which is suitable for the disinfestation and stabilization in seeds. By analyzing the research outcome it can be observed that all life stages of pests (even eggs) are rapidly destroyed by the microwave treatment once their body temperature reaches values superior to 60. The possibility to achieve high temperatures in relatively short time is a typical characteristic of heating by microwaves and encourages the current research toward the realization of a microwave system for disinfestation treatments of pulses against arthropods like A. obtectus e C. maculatus. A further positive aspect that should be considered is that the microwaves treatment has also some desiccation effect. With the exception of some qualitative parameters, the research objectives can be considered fully achieved: EMITECH s.r.l. has planned and realized the microwave continuous system Mi.Sy.A. (Microwaves System fo Agro-Food) and a total mortality (100%) of all life stages of A. obtectus e C. maculates has been achieved with a temperature of about 60 C (measurement taken on the seed into the Eppendorf tubes, at a temperature that was lower than the one of the mass being about 70 C).

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