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

За исключением агротехнических методов (посев незараженными семенами, раздельная технология уборки, лущение и зяблевая вспашка после уборки и т.д.) и биологических методов (использование естественных врагов насекомых, выведение сортов устойчивых к поражению насекомыми и т.д.). Представленные на рисунке 1.2 методы относятся к послеуборочной обработке и к истребительным мероприятиям в период хранения.

Рисунок 1.2 - Методы борьбы с насекомыми - вредителями (дезинсекции).

По принципу действия истребительные методы борьбы с насекомыми и вредителями в послеуборочный период и во время хранения разделяют на химические и физические.

Химические методы дезинсекции семян являются основными и предусматривают обработку объема семян в помещениях или емкостях различными фумигантными пестицидами (ядохимикатами).

К недостаткам химических методов дезинсекции следует отнести:

Ш необходимость обеспечения достаточной герметичности в помещениях или емкостях, где проводится обработка семян;

Ш сложность поддержания нужной концентрации препаратов для полной гибели насекомых;

Ш простой предприятий в период газации и дегазации;

Ш загрязнение зерна и окружающей среды ядохимикатами;

Ш опасность для здоровья людей;

Ш развитие устойчивости насекомых к инсектицидам

Ш однократная химическая обработка, как правило, не обеспечивает 100 % смертность насекомых, но часто приводит к снижению всхожести (в среднем на 4 %).

Физические методы борьбы с насекомыми вредителями можно разделить на физико-механические, термические, воздействие ионизирующими излучениями электрофизические.

Физико-механические методы предусматривают отделение пораженных вредителями семян от непораженных, с последующей ликвидацией зараженной части семян. Основу метода составляет то, что пораженные вредителями семена теряют массу и их можно разделить по удельному весу, например, на пневмостолах или концентрированных растворах солей. Недостатки: трудоемкость процесса, малая производительность, необходимость сушки семян после разделения в растворах солей.

Термическая дезинсекция основана на чувствительности насекомых к изменению температуры окружающей среды. Различают термическую дезинсекцию двух типов: воздействие низкими температурами и высокотемпературное воздействие.

Насекомые являются пойкилотермными организмами, т.е. имеют непостоянную температуру тела. Для разных видов насекомых существуют оптимальные температуры окружающей среды, наиболее благоприятные для развития, но, в основном, они находятся в диапазоне 15-38 ⁰С.

При понижении температуры окружающей среды в организме насекомые все физиологические процессы замедляются, наступает холодовое оцепенение, а при длительном воздействии низких температур у некоторых насекомых происходят необратимые процессы, приводящие к их гибели. Недостатками дезинсекции холодом являются: трудоемкость процесса, невозможность использования для семенных фондов, неприменим к насекомым с высокой сопротивляемостью холодом (гороховая зерновка).

При превышении порога, оптимальных для развития данного вида насекомых температур, у насекомых наступает «тепловое оцепенение», но сохраняется жизнеспособность, если убрать температурное воздействие. При слишком сильном превышении температуры, за пределы физиологических возможностей наступает гибель насекомых из-за необратимых изменения в результате перегрева и свертывания белков.

Методы высокотемпературной дезинсекции эффективны при обеззараживании зерновой массы во взвешенном состоянии, но мало эффективны при использовании шахтных сушилок и поэтому широкого распространения не получили. Кроме того, высокотемпературная дезинсекция не применима к зернобобовым, т.к. интенсивные режимы воздействия горячим воздухом вызывают растрескивание эндосперма, что снижает их стойкость к хранению и приводит к потере семенных качеств.

Методы борьбы с насекомыми вредителями с использованием энергии ионизирующих излучений разделяют на: лучевую стерилизацию насекомых и воздействие с летальным эффектом.

Метод лучевой стерилизации основан на стерилизующем действии радиации. Облучение насекомых приводит к тому, что нормальные особи при спаривании с стерильными не дают потомства - отложенные яйца насекомых оказываются нежизнеспособными, снижается численность естественной популяции.

Метод радиационной дезинсекции с летальным эффектом заключается в сокращении продолжительности жизни насекомых, подвергавшихся воздействию ионизирующих излучений, т.к., при поглощении энергии ионизирующих излучений происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул живой материи, что влечет за собой разрыв молекулярных связей, изменение химической структуры различных соединений, расщепление воды на водород и гидроксильную группу и т.д.

Недостатками радиационной дезинсекции является: высокая стоимость оборудования, которая может быть оправдана при обработке больших партий зерна (на портовых элеваторах, перевалочных пунктах); невозможность применения для дезинсекции семенных фондов; облученные особи живут до нескольких недель и санитарным службам необходимо различать стерильных и способных к размножению насекомых.

К электрофизическим методам борьбы с насекомыми вредителями следует отнести: применение оптического, ультрафиолетового и инфракрасного излучения; воздействие разрядами высокого напряжения; применение электромагнитных полей средних, высоких и сверхвысоких частот.

Излучения оптического и ультрафиолетового диапазонов применяются, в основном, для изучения популяций и борьбы с вредителями садов и не могут быть использованы для дезинсекции семян и зерна.

Метод дезинсекции инфракрасными лучами основании на поглощении различными тканями насекомого и зерна энергии инфракрасного излучения, что приводит к их нагреву. Недостатки: малая проникающая способность инфракрасного излучения; низкая производительность; ограниченности применения для крупно-семенных культур, особенно при скрытых фазах развития вредителей.

Использование разрядов высокого напряжения было исследовано для борьбы с насекомыми вредителями, обитающими на поверхности почвы. Для дезинсекции семян и зерна этот метод не применялся.

Работы по применению электромагнитных полей или радиоволн для борьбы с насекомыми вредителями, как в нашей стране, так и за рубежом, были начаты еще в конце 20-х и начале 30-х годов прошлого века. Проводимые в дальнейшем исследования разделились на исследования поискового характера о влиянии радиоволн на насекомых, применение ЭМП в борьбе с вредителями древесины, вредными почвенными насекомыми, уничтожение вшей и их яиц в одежде, исследования над насекомыми вредителями складского зерна. Было замечено, что при определенных дозах, воздействие электромагнитными полями приводит к гибели насекомых не нанося вреда живым растениям и различным растительным продуктам и материалам, облучающимися вместе с насекомыми.

По современным понятиям, гибель биообъектов растительного и животного происхождения и микроорганизмов происходит в результате денатурации белка из-за нагрева диэлектрических веществ в электромагнитном поле при темпах нагрева 0,5 - 0,8 ⁰С/с и при удельной мощности 0,09 - 0,3 кВт/кг, а при увеличении темпа нагрева до 1,2 - 1,6 ⁰С/с в результате диэлектрического разрушения клеток живой ткани. Наряду с нагревом, под действием электромагнитного поля ряд исследователей наблюдали различные биологические явления, названные нетепловыми эффектами. Однако различить эти особенности электромагнитного воздействия очень трудно.

Исследования по использованию электромагнитных волн для борьбы с насекомыми вредителями зерновых запасов проводились, как у нас в стране, так и за рубежом, начиная с конца 20-х годов. За это время были изучены особенности воздействия электромагнитного поля на вредных насекомых в широком диапазоне частот (от 1 - 2 МГц до 27 МГц) и напряжении поля (до 8 кВ/см). В основном эти работы касались разработки способа борьбы с насекомыми вредителями пшеницы, риса (долгоносики, клещи). В результате проведенных исследовании было выявлено, что эффективность воздействия на насекомых колеблется в зависимости от таких факторов, как частота поля, напряженность поля в зоне обработки, время воздействия, ориентация насекомых относительно силовых линий напряженности электрического пол, высота организации нервной системы организма, возраста насекомого, расположения вредителя внутри зерновой массы или на ее поверхности, диэлектрические параметры зерновой массы.

В отношение наиболее эффективной длины волны или частоты электромагнитного поля в литературе существуют различные мнения. Большинство исследователей считают, что длинноволновый диапазон не пригоден для промышленной технологии обработки зерна, мало пригоден также и средневолновый диапазон. Другие авторы считают, что именно средневолновый диапазон (частота 1-2 МГц) имеет ряд преимуществ по сравнению с дезинсекцией при помощи ультравысоких частот.

Что касается значения напряженности электромагнитного поля в зоне обработки и времени воздействия, то, в случае, почти все исследователи подтверждают повышение эффективности воздействия с увеличением этих факторов.

Многие авторы указывают на существенное значение ориентации насекомого по отношению к силовым линиям напряженности электрического поля. Отмечено, что гибель насекомых наступала быстрее при совпадении длинной оси тела с направлением силовых линий, а при перпендикулярном расположении оси тела гибель наступала позже.

Во многих работах имеются данные о том, что более централизованная нервная система наиболее чувствительна к электромагнитному воздействию и, что гибель более высоко развитых организмов (взрослые насекомые, куколки, личинки) наступает раньше, чем будет убит зародыш зерна - низший организм. Приводятся данные о том, что внутри зерна долгоносики погибают скорее, чем на его поверхности и в более толстом слое зерна смертельная доза во времени сокращается. Однако имеется информация, что гибель личинок, куколок и амбарного долгоносика наступала скорее не в зерне, а вне его и в более влажном зерне легче, чем в менее влажном. В то же время, некоторые авторы приводят сведения, что с увеличением влажности зерна возрастает значение экспозиции, смертельной для долгоносиков.

Несмотря на отмеченную всеми авторами перспективность использования электромагнитных полей для дезинсекции зерна от насекомых вредителей, к сожалению, до настоящего времени не создано промышленных установок данного типа. Видимо, одним из основных факторов, сдерживающих разработку установок промышленного типа, явились низкая надежность и малый ресурс работы ламповых генераторов, высокие затраты электроэнергии на обработку. Эффективность применения ЭМП СВЧ для защиты семян и зерна от насекомых вредителей подтверждается многочисленными исследованиями, как у нас в стране, так и за рубежом.

1.2 Специфические особенности применения электромагнитных полей сверхвысокой частоты для термической дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян

Литературный обзор современных методов и технологических приемов дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян (п. 1.1.) показывает, что перспективным направления для решения рассматриваемых проблем является разработка технологий на основе использования энергии электромагнитных полей сверхвысокой частоты. Причем СВЧ обработка применима, как при дезинсекции, дезинфекции, так и при предпосевной стимуляции семян.

В чем же состоит секрет больших возможностей СВЧ метода? Полного ответа на данный вопрос наука не дала и по настоящее время. Однако существуют достаточно серьезные исследования, в которых имеется научное объяснение феномена электромагнитного поля СВЧ.

Предпосевная стимуляция семян объясняется реакцией последних на внешний раздражитель, если интенсивность его действия превышает определенное пороговое значение. СВЧ энергия, подведенная к семенам, приводит в действие пусковой механизм реакций, которые проходят далее в клетках семян за счет их собственных энергетических ресурсов. После СВЧ воздействия отмечается увеличение числа свободных радикалов (неспаренных электронов), что приводит к изменению проницаемости биомембран, бурному развитию окислительных реакций, усилению образования и активизации ферментов, увеличение интенсивности дыхания, синтеза нуклеиновых кислот и белков темпов деления клеток, что способствует выходу семян из состояния покоя, активизации роста.

Кроме того, одно из специфических особенностей предпосевной СВЧ обработки семян является время прошедшее от обработки до посева - срок отлежки. При этом достоверно было установлено, что при подготовке семян к посеву с использованием ВЧ и СВЧ энергии оптимальный срок периода «обработка-посев» для овощных культур 2-5 дней, для зерновых культур 20-23 дня. При увеличении срока отлежки эффект СВЧ воздействия снижается, но надо также учитывать, что повторная СВЧ обработка будет менее эффективна, чем первая.

Технология СВЧ дезинфекции семян в простейшем случае заключается в предварительном поверхностном увлажнении зараженных семян с последующим термическим обеззараживанием СВЧ энергией. Физическая сущность метода объясняется следующими моментами: вода, как полярный диэлектрик, обладает диэлектрической проницаемостью, обусловленной поляризацией двух типов - электронным смещением (без потерь) и ориентацией диполей (связанной с поглощением подводимой энергии). Каждый полярный диэлектрик имеет свою резонансную частоту, которая соответствует возникновению аномальной дисперсии, сопровождающейся сильным поглощением электрической энергии, т.е. на определенной частоте тангенс диэлектрических потерь tgд максимален. Далее, по утверждению автора, указывается, что в диапазоне часто 10⁶ - 10¹⁰Гц неполярные диэлектрики, например сухое зерно, ведут себя как прозрачная среда, т.е. не поглощает электрическую энергию. Тангенс потерь воды равен 0,95 и он примерно в 600 раз больше, чем сухого зерна пшеницы (0,0016). Таким образом, при кратковременном увлажнении семени, вирусы, грибки и бактерии (в силу большой влагопоглатительной способности) быстро впитывают воду и при помещении их в электромагнитное поле поглощают основную часть энергии и в результате избирательного нагрева инактивируют (гибнут). Температура семян при этом повышается незначительно.