СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ПРЕДПОСЕВНОЙ СТИМУЛЯЦИИ СЕМЯН
METHOD FOR COMBINED DECONTAMINATION AND PRE-SOWING STIMULATION OF SEEDS

Изобретение относится к способам предпосевной подготовки (обеззараживание и стимуляция) семян сельскохозяйственных культур и дикорастущих растений к посеву за счет комбинированного воздействия на семена нескольких электрофизических факторов, а так же может быть использовано для обеззараживания семян перед закладкой на хранение.
-8
-10
Известен способ СВЧ-обработки семян RU 2344590 С2, включающий низкоинтенсивное (10 - 10 Вт/м) СВЧ-воздействие на семена растений, которое проводится при частоте излучения 2400-2580 МГц. Время облучения составляет 6-12 часов в зависимости от вида растений.
К недостаткам этого способа относится низкий уровень обеззараживания семян, требующий дополнительной предпосевной обработки ядохимикатами.
2
Для обеспечения равномерного облучения семян СВЧ-энергией с частотой 2400-2580 МГц, толщина слоя семян не должна превышать 4-6 мм. Для среднего зернохозяйства потребность в семенах пшеницы составляет 800-1500 тонн. Для обеспечения этой потребности при времени облучения 12 часов и времени подготовки семян к посеву 20-30 дней, площадь зоны облучения должна быть 25000 м.
Из этого видно, что приведенный метод не пригоден для создания высокопроизводительной промышленной установки.
Известен способ обеззараживания семян овса энергией СВЧ-поля RU 2618141 С1, включающий увлажнение семян водой с температурой 24°C в течение 10 минут, затем обработку в СВЧ-поле с мощностью 650 Вт, экспозицией 30-60 сек при конечной температуре семян 38-45°C.
Недостатками данного способа являются низкий уровень обеззараживания семян от фузориозной инфекции на 50% и от альтернариозной инфекции на 11-37%, а так же необходимость введения дополнительного устройства для охлаждения семян перед закладкой их на хранение.
Наиболее близким к заявленному способу обеззараживания семян и предпосевной стимуляции семян с использованием комбинированного воздействия нескольких электрофизических факторов воздействия является способ комбинированного обеззараживания семян с использованием СВЧ-энергии (авторское свидетельство RU (11) 2640288 (13) С9). Способ осуществляется в пять последовательных этапов. На первом - семена, перемещающеюся в потоке, равномерно увлажняют водой до полного насыщения влагой плодовых оболочек. На втором - семена отволаживаются при одновременном перемешивании. На третьем и четвертом этапах соответственно - непрерывно подаваемые в плотном слое семена продувают подогретым воздухом и обрабатывают в электрическом поле сверхвысокой частоты. На пятом этапе - семена обрабатывают водным раствором, содержащим пониженные дозы пестицидов.
Недостатком данного способа является низкий уровень обеззараживания от патогенов с использованием низкотемпературной обработки семян т.к. при температуре нагрева семян выше 53°C резко снижаются посевные качества семян. Всхожесть при RU2618141 С1 температуре обработки 45°C равна 98%), а при 62°C - 56%, при 49°C - 86%).
Данный способ использует обработку семян пониженной дозой пестицидов (25-55%), что при организации органического земледелия недопустимо. Кроме этого, способ предусматривает большую часть температурного нагрева и осуществляется с помощью СВЧ-энергии. При создании высокопроизводительных промышленных установок необходимо использовать мощные дорогостоящие СВЧ-генераторы, выпускаемые единичными экземплярами. Кроме этого, для СВЧ-обработки используется заполненная семенами волноводная камера, не обеспечивающая равномерную обработку семян по всему объему камеры, поэтому часть семян не обеззараживается.
Анализ патентов, найденных при проведении патентных исследований, показал, что предложенные в них технологии не обеспечивают одновременно полное обеззараживание с одновременной стимуляцией энергии прорастания и всхожести семян (ООО «Гардиум» патентный поверенный РФ рег. №1264 Е.В. Купцова 10.06.2020 г.).
Целью предлагаемого изобретения является создание технологии и оборудования, позволяющего одновременно полностью обеззаразить семена без использования ядохимикатов и произвести стимулирование энергии прорастания и полевой всхожести за счет комплексного воздействия на семена нескольких электрофизических факторов.
Такая обработка позволяет повысить классность семян, отказаться от предпосевной обработки семян ядохимикатами, значительно повысить морозо- и засухоустойчивость посевов, повысить урожайность практически всех полевых зерновых культур на 15-35%, а зернобобовых и масличных - до 60%.
Поставленная задача решается тем, что комбинированное обеззараживание с одновременной предпосевной стимуляцией семян с использованием нескольких электрофизических факторов воздействия на семена осуществляется в пять последовательных этапов.
На первом этапе семена, отсортированные и откалиброванные на стандартной зерноочистительной установке, поступают в бункер приемный с помощью зернопогрузчика. Через дозирующее устройство, состоящее из заслонки, регулирующей размер выходного отверстия, и вибрирующего транспортера, семена поступают на вибротранспортер, на котором с помощью выравнивающего устройства формируется равномерный тонкий непрерывный поток семян толщиной от 4 до 8 мм в зависимости от вида семян. Сверху поток семян нагревается карбоновыми инфракрасными нагревателями, установленными в параболические отражатели, обеспечивающие равномерное распределение ИК-энергии. Длина волны, излучаемой ИК-нагревателями, составляет от 1,2 до 4,5 мкм.
Глубина проникновения ИК-энергии такого диапазона в семена составляет от 4 до 7 мм.
Мощность ИК-нагревателей должна обеспечивать равномерный плавный нагрев до 38-43°C в зависимости от типа семян (определяется экспериментально для каждого вида семян).
уд
2
Удельная плотность потока ИК-энергии Р равна 0,5-1,5 Вт/см.
ик
нач
нагрева
где ΣР - суммарная мощность ИК-нагревателей, Вт; непроизводительность установки, кг/час; С - удельная теплоемкость семян (сухого - 1,8 кДж/кг×К, влажного - 2,6 кДж/кг×К); Δt - температурный скачок при ИК-нагреве, Т - Т.
Во избежание температурного шока, ухудшающего посевные свойства семян, темп нагрева не должен превышать 5°C за 1 сек.
2
Площадь зоны нагрева ИК Sсм равна:
2
2
уд
Экспериментально установлено, что масса семян на 1 см (m) на вибротранспортере в зависимости от типа семян, угла наклона и частоты вибрации вибротранспортера составляет от 0,6 до 1,5 гр/см.
вт
уд
Масса семян на транспортере m=S×m гр.
сек
Время нахождения семян в зоне ИК нагревателей Т равно:
Для обеспечения равномерного нагрева семян со всех сторон, семена после каждого ИК-нагревателя перемешиваются с помощью ступенчатого ворошителя. Высота ступенек составляет от 3 до 5 длин семян. Производительность регулируется углом наклона вибротранспортера от 5° до 25°. Каждый градус изменения наклона меняет производительность на 10-15%.
Для уменьшения тепловых потерь с большей поверхности вибротранспортера, между ворошителем и несущим желобом вибротранспортера, проложен слой базальтовой теплоизоляции.
Производительность можно регулировать так же изменением частоты вибрации вибротранспортера от 300 до 800 колебаний в минуту, меняя производительность в 3-4 раза.
Основная масса патогенов, споры и мицелии грибов, болезнетворные микроорганизмы, яйца насекомых, питающихся семенами, содержатся на поверхности семя. При обеззараживании семян с использованием только СВЧ-энергии необходимо нагреть поверхность семян до 60-65°C, но из-за распределения СВЧ-энергии в нагреваемом продукте большая часть энергии выделяется в центре продукта и это приводит к перегреву эндосперма и зародыша, и, как следствие, к резкому снижению посевных качеств семян.
Задача первого этапа состоит в том, чтобы перераспределить поглощение СВЧ-энергии в объеме каждого семени, в именно максимально увеличить поглощение СВЧ-энергии патогенами и уменьшить поглощение СВЧ-энергии зародышем и эндоспермом. Это возможно за счет изменения влажности каждого компонента семян. Для этого на первом этапе семена равномерно в тонком слое нагреваются ИК-энергией с удельной мощностью потока ИК-энергии 0,5-1,5 Вт/см и диапазоном излучения от 1,2 до 4,5 мкм. С теплом нагрева менее 5°C за секунду не выше 38°C семена нагреваются по всей толщине слоя (4-7 мм) до 38-42°C и подсушиваются, теряя часть влаги, без потери посевных свойств. Диэлектрические свойства всех компонентов снижаются с 3,4 до 2,3. Температура нагрева контролируется бесконтактными датчиками температуры, по показаниям которых ПИД регулятор регулирует мощность ИК-нагревателей, необходимую для поддержания заданной температуры.
На втором этапе семена увлажняются при интенсивном перемешивании мелкодисперсным аналитом или водой в зависимости от степени заражения из расчета 2-3% от массы семян.
На третьем этапе семена отволаживаются в течение 3-5 мин. Количество влаги и время отволаживания должно быть минимально необходимы для насыщения плодовой оболочки и патогенов. Скорость поглощения воды фитопатогенами значительно превосходит скорость поглощения влаги эндоспермом и зародышем. Повышается влажность и в зерновой оболочке, имеющей множество микрокапилляров.
1
1
Из-за кратковременности процесса увлажнения и разной скорости поглощения влаги не происходит выравнивание процента содержания влаги в центре семени и оболочке семени, патогенах (спорах, микроорганизмах, мицелиях грибов). В результате этого диэлектрические свойства эндосперма и зародыша Е повышаются незначительно, a E патогенов и оболочки увеличиваются до 3,8. Вода в межклеточном и клеточном пространстве патогенов имеет большую концентрацию, нежели в тканях семенин, а учитывая, что СВЧ-энергия осуществляет избирательный диэлектрический нагрев пропорционально содержанию влаги, температура нагрева СВЧ-нагрева патогенов и оболочки семени, на которой сосредоточено большее число микроорганизмов, спор, мицелий будет выше, чем нагрев тканей семени на 10-15°C, что позволит гарантированно уничтожить патогены как внутри, так и на поверхности семян без снижения посевных качеств семян.
Непоглощенная семенами влага удерживается в виде капель в межсеменном пространстве и пленки на поверхности семян могут создавать локальные зоны повышенной влажности, ухудшающие уровень обеззараживания и требующие дополнительной СВЧ-энергии для испарения воды. Поэтому, в заявленном способе обеззараживания отволаживание осуществляется в непрерывно медленно движущемся потоке с постоянным перемешиванием, которое обеспечивает равномерное распределение влаги. Отдельные капли непоглощенной воды объединяются в более крупные и стекают в низ бункера отволаживания, где вместе с семенами проходят через устройство с перфорируемыми стенками, через отверстия которых избыточная влага удаляется из потока семян.
За время отволаживания температура нагрева семян снижается на 3-6°C, что облегчает осуществление СВЧ-нагрева семян без критического перегрева.
свч
На четвертом этапе отволоженное семена поступают в камеру СВЧ-нагрева семян, в которой осуществляется диэлектрический нагрев составных частей семян пропорционально объему влаги, содержащейся в каждой частице семени и в патогенных микроорганизмах. Нагрев осуществляется при удельной СВЧ-энергии 0,5-1,5 Вт/см и темпе нагрева менее 5°C/сек. длительность нагрева (экспозиция) и предельная температура нагрева подбирается экспериментально для каждого вида семян. Так для семян пшеницы оптимальная экспозиция составляет 60 секунд, предельная температура нагрева - 46°C. В любом случае предельная температура нагрева эндосперма не должна превышать 53°C. При температуре нагрева эндосперма выше 53°C происходит гидролиз крахмала с переходом его в декстрин, что резко ухудшает посевные качества семян. Необходимая мощность СВЧ-энергии для нагрева семян до заданной температуры Р равна:
СВЧ
к
0
свч
к
o
где ΔТ=Т-Т - температурный скачок нагрева семян в СВЧ-камере; ΣР - суммарная мощность СВЧ-генераторов, кВт; m - производительность, кг/час; С - удельная теплоемкость семян, кДж/кг×К; Т - конечная температура нагрева; T - температура семян после отволаживания на входе в СВЧ-камеру; η - КПД преобразования СВЧ-энергии в тепло.
у
Камера СВЧ-нагрева выполнена в виде прямоугольного короба, у которого с двух сторон широких стенок через радиопрозрачные окна установлены в шахматном порядке щелевые СВЧ-излучатели. Толщина зернового слоя (узкой стенки) при облучении с двух сторон СВЧ-энергией Н должна равняться двум размерам скин-слоя (слой семян, поглощающий 50% СВЧ-энергии) для частоты 2450 МГц 50-70 мм.
3
Объем камеры СВЧ-нагрева Q (дм) равен:
3
3
э
где Q - объем камеры, дм; m - производительность, кг/час; Т - время экспозиции 20-120 сек; ρ - насыпная удельная плотность, кг/дм.
кш
2
Площадь широкой стенки камеры S (дм) равна:
г
Число СВЧ-генераторов n, необходимых для нагрева семян, высчитывается по формуле:
г
е
где n - число единичных СВЧ-генераторов; Р - мощность единичного СВЧ-генератора.
Единичный генератор питается от высоковольтного источника, работающего с использованием схемы удвоения и позволяющего ступенчато менять мощность СВЧ-энергии на 50%.
и
Площадь излучения единичного излучателя S равна:
и
е
уд
2
2
где S - площадь излучения единичного излучателя, см; Р - мощность единичного генератора, кВт; Р - удельная мощность СВЧ-энергии равная ~0,5-1,5 Вт/см.
В качестве единичного излучателя используется волноводный щелевой излучатель, обеспечивающий равномерный нагрев семян по всей поверхности.
Единичные излучатели с СВЧ-генераторами размещены в шахматном порядке с двух широких сторон камеры. Для подключения взаимного влияния СВЧ-генераторов источники питания соседних СВЧ-генераторов подключены к разным фазам первичной электросети. Температура нагрева контролируется бесконтактными ИК-измерителями температуры и поддерживается за счет изменения мощности излучения единичных генераторов.
Такая конструкция камеры СВЧ-нагрева позволяет использовать в качестве источника СВЧ-энергии большое количество дешевых серийно выпускаемых магнетронов.
Длительность экспозиции СВЧ-нагрева регулируется за счет изменения производительности задаваемой модулем ИК-нагрева или изменением площади облучения путем отключения части единичных СВЧ-генераторов, что позволяет изменять экспозицию от 20 до 120 сек.
Камера СВЧ-нагрева установлена вертикально или под углом 35-45°C. Семена из бункера отволаживания под собственным весом проходит через камеру СВЧ-нагрева. Скорость прохождения через камеру СВЧ-нагрева регулируется установленным под СВЧ-камерой вибротранспортером, выполняющим одновременно и роль дозатора за счет изменения частоты вибрации, и угла наклона вибротранспортера. Заданная производительность во всех модулях поддерживается автоматически за счет поддержания постоянного уровня семян в бункерах и скорости заполнения бункеров, контролируемых бесконтактными датчиками уровня. При прерывании потока семян отключают магнетроны и саму установку. Благодаря оригинальной технологии подготовки семян на первом-третьем этапах (досушка, увлажнение, отволаживание) вода в межклеточном и клеточном пространстве патогенов имеет большую концентрацию, нежели в тканях семян, а учитывая, что СВЧ-энергия осуществляет избирательный диэлектрический нагрев пропорционально содержанию влаги, температура нагрева СВЧ-нагрева патогенов и оболочки семян, на которой сосредоточено большее число микроорганизмов, спор, мицелий будет выше, чем нагрев тканей семян на 10-15°C, что позволит гарантированно уничтожить патогены как внутри, так и на поверхности семян без снижения посевных качеств семян.
В семени каждого растения содержится генетическая информация о том, как себя вели в той или иной жизненной ситуации (когда всходить, при какой температуре и влажности всходить, как реагировать на засуху, заморозки, когда зацветать и т.д.). Несмотря на малые размеры, семена имеют тысячи сенсоров. Именно сенсоры «дают» сигналы: «появилась влага», «подходящая температура», «пора прорастать», «засуха». У семян есть сенсоры, которые «открывают» полноту использования генетического потенциала. Эти сенсоры, единожды запущенные, вызывают повышение сопротивляемости неблагоприятным факторам окружающей среды, вирусным, бактериальным и грибковым заболеваниям, и в итоге приводят к резкому повышению урожайности. В основе низкоэнергетической СВЧ-обработки семян с определенной экспозицией и температурой нагрева, характерной для каждого вида растений, лежит информационно-энергетическое воздействие электромагнитного поля на сенсоры семян, при котором происходит своеобразное «включение» механизмов роста, что обеспечивает повышение всхожести и энергии прорастания семян, и, как следствие, повышение урожайности на 20-30%. Эффективность стимуляции проявляется через шесть часов после обработки, достигая максимума после 20-30 дней, и сохраняется до 2 месяцев (Морозов Г.А. Низкоинтенсивные СВЧ технологии. // Журнал «Антенны» №7-8. - М.: "Радиотехника", 2003, 32 с).
При нагреве семян любой влажности СВЧ-энергией внутренняя влага выдавливается на поверхность семян. Нагретое и увлажненное семя нельзя закладывать на хранение. Необходимо удалить избыточную влагу и охладить семя до допустимой температуры хранения. Кроме этого, из-за биологических особенностей семена разных видов культур имеют разную предельную температуру нагрева для стимуляции от 40 до 53°C. Высокий уровень обеззараживания возможен при температуре нагрева семян выше 45°C, при этом нагрев патогенов будет на 10-15°C выше, что достаточно для их подавления (инактивации). Такой режим подходит для большинства сельхоз культур.
При более низкой температуре нагрева часть некоторых термостойких спор могут сохраниться на поверхности семян (при СВЧ-нагреве температура нагрева в центре семени всегда выше температуры оболочки). Для устранения этих недостатков на пятом этапе предусмотрено охлаждение семян за счет продувки холодным воздухом с одновременной досушкой с использованием электростатической стимуляции сушки и дополнительного обеззараживания поверхности семян с помощью полей коронного разряда.
На пятом этапе семена из бункера поступают на ступенчатый вибротранспортер, одновременно служащий дозатором для СВЧ-камеры. Дозированный отбор семян из нижнего выходного устройства СВЧ-камеры обеспечивает непрерывный регулируемый самоточный поток семян из бункера отволаживания в СВЧ-камеру.
Для охлаждения и досушки семян через канал над вибротранспортером продувается холодный воздух навстречу потоку семян, который сначала поступает в нижнюю (выходную) часть вибротранспортера и проходит под игольчатыми электродами коронного разрядника. Величина напряжения на электродах составляет от 3,5 до 5 кВ на 1 см зазора между электродом и семнем. При коронном разряде возникает ток, вызывающий выделение озона и появление электромагнитных колебаний широкого спектра, в том числе и рентгеновского излучения, а так же образуется ионный ветер. Такое сочетание электрофизических факторов позволяет производить электроантисептирование воздуха и дополнительное обеззараживание поверхности семян (Болага М.К. Электроантисептирование в пищевой промышленности. Кишинев: Штиинца. 1988 г).
Обеззараженный воздух, проходя над подвижным слоем семян, снимает часть избыточной влаги, с фазовым переходом снижая температуру семян. Над верхней половиной вибротранспортера установлен наклонно-изолированный плоский электростатичекий электрод. Высоковольтное статическое электрическое поле напряжением 30-100 кВ, даже при отсутствии токов, интенсифицирует удаление влаги. Величина интенсификации пропорциональна величине статического напряжения на изолированном электроде. Часть влаги с поверхности семян отрывается от нее за счет мощного электростатического поля, и в виде мелкодисперсного облака без фазового перехода удаляется потоком воздуха, ускоряя низкотемпературную сушку на 25% при снижении энергетических затрат более чем на 30% (Колесников С.А. Электрическое поле - фактор, ускоряющий сушку травы: сборник статей. Ижевск: ИжСХИ).
Чтобы избежать повторного заражения семян при их хранении до посева и инфицирования семян после посева почвенными патогенами непосредственно после комбинированной обработки семян электрофизическими методами, семена целесообразно покрыть защитными органическими препаратами на основе эндофитных штаммов по методике, предложенной Краснодарским НИИ биологической защиты растений на стандартном барабанном инкрустаторе.
Предлагаемое изобретение за счет комплексного воздействия нескольких электрофизических факторов, в том числе ИК-нагрева, изменения диэлектрических свойств патогенов с последующей обработкой СВЧ-энергией и коронным разрядом, одновременно обеспечит высокий уровень обеззараживания и стимуляцию семян, что позволяет:
- улучшить посевные качества семян за счет повышения энергии их прорастания, силы роста, полевой всхожести на 10-40% в зависимости от начального качества исходного посадочного материала;
- ускорить развитие растений и их созревание за счет сокращения вегетационного периода на 6-10 дней;
- увеличить биомассу урожая и выход основной продукции на 10-30% в зависимости от вида обрабатываемого продукта;
- повысить урожайность семян от полученного после обработки урожая на 25-40%, всхожесть семян нового урожая повышается на 15-20%;
- активизировать накопление в растениях полезных веществ и общее повышение качества продукции (повышение содержания сахара, крахмала, белка, витаминов, эфирных масел и др. на 10-20%);
- снизить содержание нитратов в овощах в 2-3 раза;
- повысить сохраняемость корнеплодов урожая при их длительном хранении на 15-20%;
- снизить общую зараженность семян за счет комплексного воздействия нескольких электрофизических факторов, в том числе энергии электромагнитного поля от возбудителей болезни;
- повысить собственный иммунитет растений к возбудителям заболеваний;
- получить экологически чистый продукт с пониженным содержанием нитратов и пестицидов.
1. Зернопогрузчик.
2. Приемный бункер с заслонкой дозатора.
3. Датчики уровня бесконтактные.
4. Датчик температуры бесконтактный.
5. Вибротранспортер дозатор входной.
6. Карбоновый ИК-нагреватель.
7. Датчик температуры бесконтактный.
8. Модуль приготовления раствора.
9. Увлажнитель.
10. Бункер отволаживания.
11. Датчики уровня бесконтактные.
12. Датчик температуры.
13. Датчик влажности семян в потоке.
14. Камера СВЧ-нагрева.
15. СВЧ-излучатели с магнетронами.
16. Высоковольтные источники питания магнетронов.
17. Система охлаждения магнетронов.
18. Датчики температуры.
19. Модуль сопряжения.
20. Вибротранспортер дозатор финишный.
21. Устройство электростатической сушки.
22. Устройство обработки коронным разрядом.
23. Бункер выходной.
24. Измерители влажности в потоке.
25. Датчики уровня.
26. Датчик температуры.
27. Пульт управления.
28. Система охлаждения семян (вентилятор).