Научная работа: Совершенствование технологий и средств термической обработки сельскохозяйственного сырья и продукции в электромагнитном поле

Совершенствование технологий и средств термической обработки сельскохозяйственного сырья и продукции в электромагнитном поле

РЕФЕРАТ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И СРЕДСТВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО СЫРЬЯ И ПРОДУКЦИИ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Объектом исследования являются семена сельскохозяйственных культур.

Цель проекта - Разработка теоретических основ, методов и технических средств, обеспечивающих высокое качество термической обработки сельскохозяйственного сырья и продукции в электромагнитном поле. Поставленная цель предусматривала решение следующих задач:

Разработать теорию и математические модели анализа процессов термической обработки семян в электромагнитном поле СВЧ включающие исследование напряженности электромагнитного поля в семени и исследование СВЧ нагрева семян при дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции;

Провести экспериментальное обоснование технологических требований к процессам термической обработки в электромагнитном поле СВЧ;

Провести анализ технологических особенностей процессов термической обработки семян в электромагнитном поле.

В процессе работы проведен анализ средств и методов предпосевной обработки семян с целью повышения их посевных свойств, дезинфекции и дезинсекции. Предложена общая физическая модель процесса и разработана математическая модель взаимодействия электромагнитной волны с многослойными сферическими диэлектрическими объектами. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования предпосевной обработки семян пшеницы урожая 2012 и 2013 годов. Проведен анализ влияния режимов обработки на способность прорастания семян.

В результате исследования установлены закономерности влияния факторов электромагнитного воздействия на способность прорастания семян пшеницы, что позволяет определять оптимальные режимы воздействия при предпосевной обработке.

ВВЕДЕНИЕ

Продуктивность семян зависит от многих составляющих, как от внешних факторов (среды обитания и развития), так и от биологических качеств семян. Многообразие этих факторов очень велико и, в разные периоды развития растений, они оказывают различное воздействие на го рост и созревание. Учесть их все практически невозможно, но современная агрокультура имеет в своем арсенале большое количество методов, препаратов, технологий, технических средств и т.д. для целенаправленного воздействия на семя и среду его развития, с целью получения стабильного урожая. Собственно говоря, сущность всех технологических приемов заключается в том, чтобы нейтрализовать влияние одних факторов (отрицательных) и усилить влияние других факторов (положительных).

Весьма эффективным способом наряду с традиционными методами для повышения продуктивности может стать применение электрофизического воздействия электромагнитными полями сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ).

В тоже время, сельскохозяйственному производителю для получения стабильного результата необходимо поставлять оборудование с учетом специфики биообъекта (электрофизических и теплофизических свойств) и его реакции на биотропные факторы электромагнитного поля (интенсивность потока энергии, частота, напряженность поля, модуляция, поляризация, экспозиция), проявляющиеся в тепловом и специфическом нетепловом эффекте. И, поскольку ответы на данные вопросы, согласно литературному обзору, носят хаотичный, а иногда и противоречивый характер, необходим единый научный комплексный подход, необходима разработка теории и математических методов, позволяющих качественно и количественно проанализировать процесс СВЧ обработки семян применительно к технологиям дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян с учетом электродинамических термических аспектов

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ СВЧ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕЗИНСЕКЦИИ, ДЕЗИНФЕКЦИИ И ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН

1.1 Современные технологические приемы дезинсекции, дезинфекции и предпосевной обработки семян

Продуктивность семян зависит от многих составляющих, как от внешних факторов (среды обитания и развития), так и от биологических качеств семян. Многообразие этих факторов очень велико и, в разные периоды развития растений, они оказывают различное воздействие на го рост и созревание. Учесть их все практически невозможно, но современная агрокультура имеет в своем арсенале большое количество методов, препаратов, технологий, технических средств и т.д. для целенаправленного воздействия на семя и среду его развития, с целью получения стабильного урожая [1,8,10,11,12 и др.]. Собственно говоря, сущность всех технологических приемов заключается в том, чтобы нейтрализовать влияние одних факторов (отрицательных) и усилить влияние других факторов (положительных).

В таблице 1.1 приведена группа физических и биофизических факторов, определяющих репродуктивные качества семян сельскохозяйственных культур в процессе производства продукции растениеводства.

Операции предпосевной стимуляции и дезинфекции, как правило, проводятся перед посевом и могут быть объединены в одну группу методов подготовки семян к посеву.

На рисунке 1.1 приведена классификация методов подготовки семян к посеву. Условно эти методы можно разделить на биологические, химические и физические.

Состояние биологического покоя семян (будь то послеуборочный покой обусловленный процессом дозаривания семян и формированием зародыша семени, или глубокий органический покой - может сохраняться в течении нескольких лет, обусловленный как наличием толстой водонепроницаемой оболочки, так и химической связью ферментов роста может быть нейтрализовано внешним раздражителем, вызывающим переход в свободное состояние особых групп ферментов увеличивающих проницаемость клеточных мембран и запуск механизма размножения и деления клеток.

Таблица 1.1 - Классификация наиболее существенных физических и биофизических факторов, определяющих репродуктивные качества семян сельскохозяйственных культур в процессе производства продукции растениеводства.

Причем диапазон воздействия может быть от слабых, действующих на информационном уровне биопотенциалов семян, до ударных шоковых.

Биологические методы предпосевной стимуляции семян заключаются в замачивании семян в различных растительных экстрактах богатых витаминами группы В, а также окислительно - восстановительными и гидролитическими фермента.

Недостатками биологических методов являются: низкая технологичность; сложность процесса получения стимулирующих веществ; неодинаковая реакция семян ввиду их разнокачественности; необходимость проведения рекогносцировочных опытов по определению оптимальных доз при обработке больших партий семян.

Рисунок 1.1 - Методы подготовки семян к посеву

Химические методы предпосевной стимуляции семян заключаются в обработке семян различными химическими препаратами - регуляторами роста. Ингибиторами, микроэлементами и их солями. Недостатками химических методов предпосевной стимуляции является то, что химические препараты содержат соли тяжелых металлов, которые токсичны, не разлагаются в природе и губительно действуют на животных и человека.

Физические методы предпосевной обработки семян классифицируются на: физико - механические; термические; радиационные; магнитные; фотоэнергетические; электрофизические.

Физико - механические методы предпосевной стимуляции семян включают:

Ш барботирование (обработка семян в воде кислородом или воздухом при температуре 20 ⁺_- 2 ⁰С);

Ш ультразвуковую обработку семян в воде;

Ш скарификацию (нарушение целостности оболочки семени).

К недостаткам физико-механических методов предпосевной стимуляции семян следует отнести: длительность процесса обработки; необходимость последующей сушки семян; низкая технологичность и трудоемкость процесса.

Термические методы предпосевной стимуляции семян включают:

Ш стратификацию (выдерживание семян при определенной температуре в течение длительного времени);

Ш обработку семян паром;

Ш воздействие на семена переменными температурами.

Недостатками термических методов являются: длительность обработки от нескольких недель до нескольких месяцев; необходимость строго поддерживать заданную температуру.

Радиационные методы предпосевной стимуляции семян заключаются в обработке семян ионизирующими излучениями.

Фотоэнергетические методы (ФЭМ) предпосевной стимуляции семян включают:

Ш обработку семян концентрированным светом;

Ш обработку семян импульсным концентрированным солнечным светом (ИКСС);

Ш обработку семян импульсным высокочастотным электрическим светом (61,62 и др.);

Ш лазерную обработку семян.

Недостатком ФЭМ предпосевной стимуляции семян является низкая производительность.

Весьма перспективным является способ предпосевной стимуляции семян в постоянном магнитном поле (ПМП), но к сожалению он не нашел еще достаточно широкого применения.

Электрофизические способы предпосевной стимуляции семян разделяются на:

Ш обработку семян постоянным электрическим током;

Ш обработку семян в поле коронного разряда;

Ш обработку семян электромагнитными полями низких, средних и высоких частот;

Ш обработку семян электромагнитной энергией инфракрасного и ультрафиолетового спектров;

Ш обработку семян электромагнитными полями сверхвысокой частоты.

Следует сказать, что из всех перечисленных электрофизических способов предпосевной стимуляции семян, благодаря наличию определенных преимуществ и достоинств, о которых будет указано ниже в пункте 1.2, наибольшие перспективы в производственном плане имеет способ обработки семян электромагнитными полями сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ).

Современные методы дезинфекции семян при подготовке их к посеву, как и методы предпосевной стимуляции, можно классифицировать на биологические, химические и физические.

Биологические методы дезинфекции семян заключаются в обработке семян веществами, подавляющими рост микроорганизмов и убивающими их.

Химические методы дезинфекции включают обработку семян химическими веществами, губительно сказывающимися на патогенной микрофлоре.

Основным недостатком химических методов дезинфекции является отрицательное воздействие на окружающую среду, животных, человека, нарушение экологического баланса в природе.

Физические методы дезинфекции семян включают:

Ш воздушную высокотемпературную обработку семян;

Ш гидротермическую обработку семян.

Недостатками указанных термических методов является: низкая технологичность, длительность обработки, необходимость длительного подсушивания семян (после гидротермической обработки семян).

Электрофизические методы дезинфекции заключаются в обработке семян электромагнитными полями высокой (ВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частот.

Для борьбы с насекомыми вредителями семян и зерна также разработан ряд мероприятий и технологических приемов дезинсекции.

Условно их можно разделить на профилактические и истребительные. Профилактические мероприятия заключаются в создании определенных условий, благоприятных для семян и неблагоприятных для жизнедеятельности насекомых, соблюдение санитарного режима, ликвидации резерваций, предупреждение расселения вредителей, подготовке технической базы к приему семян (зерна).

Истребительные мероприятия предусматривают использование различных средств и способов борьбы с насекомыми. На рисунке 1.2. приведена классификация истребительных методов борьбы с такими опасными насекомыми и вредителями, как гороховая и фасолевая зерновки. Отметим, что все указанные методы, в полной мере, могут быть отнесены и к методам борьбы с насекомыми вредителями зерновых культур.