Способ комбинированного обеззараживания зерна и семян с использованием СВЧ-энергии
METHOD OF COMBINED DISINFECTION OF GRAIN AND SEEDS USING SHF ENERGY

Изобретение относится к способам подготовки зерна и семян сельскохозяйственных культур и дикорастущих растений к посеву, хранению и переработке и может быть использовано в сельском хозяйстве, перерабатывающей промышленности, в системе хранения зерна, а также в смежных с ними отраслях промышленности.
Известен способ обеззараживания зернового сырья /1/, включающий увлажнение его путем помещения в воду и обработку зерна в водной среде акустическим полем с широким спектром частот, включающим как звуковой диапазон, так и низкочастотную область ультразвукового диапазона при кавитационно-пороговом значении звукового давления, с одновременным диспергированием в обрабатываемой среде воздуха, поступающего в импульсном режиме из гидроакустического излучателя, создающего акустическое поле для воздействия на зерно.
К недостаткам этого способа обработки относится его низкая экологичность из-за необходимости утилизации большого количества воды сильно загрязненной минеральными примесями и органическими остатками зерна, наличие обеззараживающего эффекта только применительно к узкому видовому составу патогенов, поражающих только поверхностные ткани зерновых частиц, высокий риск вторичного заражения семян из-за их повышенной остаточной влажности после обработки, низкая производительность способа по обеззараженному материалу из-за периодического режима реализации процесса.
Известна практика применения теплового способа дезинфекции семян от патогенов и других нежелательных грибов и бактерий /2/, включающего подвод к материалу теплоты безводной газовой средой при управлении временем обработки и температурой семян таким образом, чтобы в условиях, когда нагрев семян осуществляется снаружи внутрь, а протекание процесса испарения влаги происходит с поверхности материала, не было бы охлаждения семян и предотвращалось бы изменение их влагосодержания, причем теплоподвод к семенам происходит на ленточном конвейере путем контактной передачи и состоит из пяти этапов: этапа А - подачи материала в процесс, на котором формируется тонкий слой семян, обеспечивающий равномерность его нагрева на последующих стадиях обработки; этапа В - нагрева материала путем продувания через него горячего воздуха до достижения семенами необходимой температуры со скоростью, предотвращающей изменение в них содержания влаги; этапа С - обеззараживания семян, протекающего при постоянном подводе тепла, который обеспечивает выдержку материала в течение расчетного времени в нагретом состоянии при постоянной температуре; этапа D - охлаждения семян, обеспечивающего снижение их температуры с управляемой скоростью и этапа Е - удаления зернового материала из зон активной обработки. Дополнительным вариантом реализации способа является использование в нем для нагрева семян горячего воздуха с содержанием влаги, которое предотвращает как снижение, так и увеличение влажности семян при обработке.
Недостатками способа является низкий уровень снижения общей зараженности семян из-за ингибирования им узкого видового состава возбудителей болезней зерна, содержащихся в основном на поверхности его частиц; малая производительность способа по обрабатываемому материалу и высокая продолжительность процесса обеззараживания.
2
2
Существует также способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур /3/, включающий воздействие на семена, реализующееся в течение пяти следующих друг за другом этапов, первый из которых осуществляют горячим воздухом температурой 70°С, второй и третий - импульсным инфракрасным излучением длиной волны 3,0-4,0 мкм, плотностью потока 5-10 кВт/м и экспозицией 1-2 с, четвертый - инфракрасным излучением длиной волны 1-1,4 мкм, плотностью потока 25-30 кВт/м и экспозицией 1-2 с, пятый - ультрафиолетовым излучением длиной волны 0,25-0,3 мкм и экспозицией 1-2 с.
К недостаткам данного способа предпосевной обработки относится неустойчивость эффекта обеззараживания из-за возникновения у разных видов поражающих зерно фитопатогенных инфекций взаимопротивоположных ответных реакций на ИК- и УФ-воздействия, которые отдельные виды вредной микрофлоры ингибируют, а у других вызывают стимулирование роста и развития; малая производительность способа по обрабатываемому материалу из-за низкой проникающей способности используемых видов излучений в слой зерна и в его отдельные частицы, и обусловленного этим тонкослойного течения материала при обработке.
Известен способ обеззараживания семян зерновых культур /4/, включающий приготовление рабочей смеси ядохимикатов с добавлением разбавителя, в качестве которого используют кислый анолитный электроактивированный раствор с параметрами рН 2-3, окислительно-восстановительным потенциалом +1100 мВ и содержанием активного хлора 0,05%, а затем протравливание этой рабочей смесью семян.
Недостатками этого способа является низкая экологическая безопасность и высокая стоимость процесса обработки, обусловленная использованием в нем ядохимикатов; некоторое снижение результативности обеззараживания из-за связывания ионов химического протравителя электроактивированными компонентами разбавителя в водном растворе; получение ингибирующего эффекта только для узкой группы возбудителей микробиологических инфекций, поражающих семена.
Известен способ разрушения, стерилизации и обеззараживания семян от комплексных фитопатогенных инфекций и остаточного содержания гербицидов и пестицидов /5/, включающий обработку партии материала в виде цельного или измельченного зерна одновременным воздействием пара и микроволнового поля, которые обеспечивают температуру нагрева семян до величины 95°С и выше и выдержку их в течение промежутка времени 25 мин и больше, с последующей обработкой семян озонированным воздухом с концентрацией озона в газовой смеси от 100 ppm до 5000 ppm или одновременным воздействием озонированного воздуха и микроволнового поля.
К недостаткам способа относится неполное уничтожение отдельных видов бактериальных и грибковых инфекций, особенно при высоком уровне начальной зараженности материала, что увеличивает риск повторного поражения семян от остаточных содержащихся в них возбудителей фитопатогенов; высокая энергоемкость процесса обработки; невозможность или узкая направленность хозяйственного использования зернового продукта, полученного после обеззараживания.
3
Известен также способ предпосевной обработки семян /6/, включающий увлажнение семенного материала водным раствором микроэлементов и клеящих веществ с температурой 10-20°С в количестве 10-15 л рабочей жидкости на 1 м зерна, выдержку увлажненных семян в течение 0,5-3,0 мин, после чего обработку их в поле СВЧ.
Недостатками данного способа является низкая результативность обеззараживания на этапе СВЧ-обработки из-за кратковременности периода выдержки увлажненных семян, в течение которого влага не успевает поглотиться фитопатогенными микроорганизмами, в том числе расположенными во внутренних тканях зерна и, тем самым, сосредоточить на себе ингибирующее действие электромагнитного поля; запуск в период СВЧ-обработки химических реакций разрушения вещества микроэлементных и клеящих компонентов, нанесенных с водным раствором на семена, что изменяет их технологические и химические свойства и не позволяет использовать для защиты от вторичных заражений и в физиологических процессах прорастания семян.
Самыми широко распространенными в производстве, из-за своей высокой эффективности в борьбе с комплексными фитопатогенными инфекциями зерна, являются способы химического обеззараживания, отличающиеся большим разнообразием. Среди них, в качестве наиболее характерных можно назвать два метода протравливания семян /7, 8/.
Первый из них, это способ обработки семян на производственной базе для розничной торговли и обработки семян /7/, согласно которого сначала выбирают рецептуру реализуемого процесса, затем, одновременно подают жидкие составы средств обработки с конкретными индивидуальными скоростями потоков из множества бочкообразных баков через множество соответствующих жидкостных линий согласно с рецептурой; при этом еще подают дозированный поток семян через устройство для обработки семян, и комбинируют соответствующие жидкостные линии в объединенную жидкостную линию, в которую в соответствии с рецептурой одновременно вводится с определенной скоростью поток воды, регулируемый в зависимости от влажности окружающей среды и влагосодержания обрабатываемых семян, все эти жидкие среды в виде суммарной жидкости при помощи объединенной жидкостной линии подают в устройство для обработки семян, где ее распыляют на поверхность измеренного потока семян во время их падения, после чего перемешивают обработанные (увлажненные) семена во вращающемся цилиндре. Второй вариант химического протравливания - это метод обработки семян /8/, включающий порцию материала, которую обрабатывают в течение 6-15 секунд первой смесью, содержащей, по меньшей мере, один инсектицид, по крайней мере, один фунгицид и, по меньшей мере, один агент покрытия семян, после чего проводят гомогенизацию протравленного семенного материала в течение 5-25 секунд, затем семена обрабатывают в течение 6-15 секунд второй смесью, содержащей, по крайней мере, один инокулятор, в качестве которого может использоваться культура азотфиксирующих бактерий почвы, по меньшей мере один протравитель, содержащий как минимум один вид неорганической питательной соли и как минимум один полисахарид, после чего семенной материал повторно гомогенизируют в течение 5-25 секунд, причем после второго этапа гомогенизации семена дополнительно подвергают сушке, а первая и (или) вторая смесь, применяемая для обработки, может дополнительно содержать нематицид.
Общими недостатками обоих способов является высокая стоимость проводимой в них обработки, обусловленная значительным уровнем цен на используемые химические препараты; необходимость частой смены разновидностей средств обработки (пестицидов, удобрений, микроэлементов, стимуляторов роста, агентов покрытия семян защитными оболочками, биологических средств защиты и др.) для снижения резистентности вредных микроорганизмов к применяемым химическим веществам; высокая экологическая опасность используемых для обработки семян ядохимикатов, которые не разлагаются в естественных природных условиях и загрязняют почву, воду, воздух, попадают в организмы человека и животных, вызывая внутренние заболевания, а при накоплении в тканях растений провоцируют торможение их роста и развития, мутации и даже гибель. Дополнительным недостатками, характерными для второго способа обеззараживания /8/, является техническая и технологическая сложность его реализации и невозможность длительного хранения семян из-за применения в процессе обработки микробиологических препаратов (инокуляторов), живые компоненты которых в период хранения быстро теряют жизнеспособность.
2
Разработан также способ предпосевной обработки семян зерновых культур /9/, реализующийся в два цикла, первый из которых проводят облучением импульсным инфракрасным излучением длиной волны от 3,0 до 4,0 мкм и плотностью потока от 5 до 10 кВт на 1 м в течение 10 с со скоростью температурного режима в пределах от 4,5 до 5°С/с, после чего семена закладывают на отлежку сроком на 8-10 дней, а второй цикл проводят перед высевом, путем обработки комплексным фунгицидным протравителем семян зерновых культур с антистрессовыми компонентами и с нормой расхода 0,4 литра на 1 тонну семян в течение 5-7 мин.
Недостатками способа являются: большая растянутость процесса во времени; неустойчивость эффекта ингибирования после первого цикла обработки по большинству возбудителей заболеваний семян вплоть до стимулирования в них роста и развития вредной микрофлоры, из-за чего в период отлежки высока вероятность резкого возрастания зараженности материала, ведущей к необратимому снижению его посевных свойств еще до начала химического протравливания во втором цикле обработки; высокая стоимость и низкая экологическая безопасность способа из-за применения ядохимикатов.
Известен также способ комбинированного обеззараживания зерна и семян с использованием СВЧ-энергии /10/, принятый в качестве прототипа, который включает увлажнение зерна и семян водой и последующую их обработку.
Недостатками этого способа являются: уничтожение им фитопатогенных инфекций зерна только узкого видового состава; низкое качество обеззараживания семян от возбудителей болезней, расположенных внутри зерновых частиц; высокий риск вторичного заражения семян после обработки из-за их повышенной поверхностной влажности на выходе процесса; снижение качества зерна из-за неравномерности нагрева; низкая эффективность способа при обработке партий семян с высоким уровнем зараженности плесневыми грибами, бактериями, дрожжами и другой вредной микрофлорой.
Задачей изобретения является: повышение эффективности обеззараживания партий зерна и семян с высокой исходной комплексной зараженностью фитопатогенными инфекциями; снижение уровня загрязнения окружающей среды высокотоксичными химическими компонентами ядохимикатов (пестицидов) за счет уменьшения их дозировок ниже нормативных значений в составе обеззараживающих жидких сред, но при этом без ухудшения качества протравливания; увеличение производительности способа по количеству обрабатываемого материала; универсализация применения процесса для обеззараживания зерна и семян разных сельскохозяйственных культур без снижения их показателей качества; повышение равномерности обработки и полноты уничтожения содержащихся в семенах возбудителей болезней зерна.
Для достижения поставленной задачи в способе комбинированного обеззараживания зерна и семян с использованием СВЧ-энергии, включающем увлажнение зерна и семян водой и последующую их обработку, на обеззараживание поступают сухие очищенные от примесей зерно и семена, обработка которых осуществляется за пять последовательных этапов: на первом этапе движущиеся в потоке зерно и семена увлажняют равномерно по объему слоя водой, количество которой определяется полным насыщением влагой их плодовых оболочек; на втором этапе зерно и семена отволаживают до проникновения влаги в периферийные слои эндосперма или семядолей и одновременно с этим периодически или непрерывно перемешивают; на третьем этапе зерно и семена, непрерывно подаваемые в плотном слое, продувают подогретым теплоносителем; на четвертом этапе предварительно нагретые зерно и семена, непрерывно перемещающиеся в плотном слое, обрабатывают в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, обеспечивающем уровень нагрева зернового материала и семян, не снижающий их показатели качества; на пятом этапе перемещающиеся в потоке зерно и семена равномерно по объему слоя обрабатывают обеззараживающим водным раствором, обеззараживающей водной суспензией или обеззараживающей водной эмульсией пестицида или нескольких видов пестицидов, содержащим(ей) пониженную(ые) концентрацию(и) протравливающих химических веществ, величину(ы) которой(ых) составляет(ют) доза(ы) меньшая(ие) нормативной(ых) дозы(доз) пестицида(ов) в растворе или смеси, но при этом используемая(ые) доза(дозы) не может(могут) быть меньше 25-55% от нормативной(ых) дозы(доз) пестицида(ов), содержащегося(ихся) в растворе или смеси.
Первоначально описанный способ обработки зерна и семян имеет несколько вариантов реализации, незначительно отличающихся друг от друга, в которых достигаются все те же поставленные задачи, что и в первоначальном способе.
Вторым вариантом выполнения способа является такой, в котором, в отличие от первоначального способа и разных подвидов его реализации [с использованием на пятом этапе обработки одно или многокомпонентного водного раствора пестицидов с пониженной концентрацией отравляющих компонентов; одно или многокомпонентной водной суспензии пестицидов с пониженной концентрацией отравляющих компонентов; одно или многокомпонентной водной эмульсии пестицидов с пониженной концентрацией отравляющих компонентов], после третьего этапа обработки зерно и семена частично охлаждают, обеспечивая снижение их температуры на величину не более 3-8°С от температуры нагрева на третьем этапе, а затем направляют зерно и семена на четвертый этап.
Третьим вариантом выполнения способа является такой, в котором, в отличие от первоначального и второго варианта способа и разных подвидов его реализации, после четвертого этапа обработки зерно и семена охлаждают, а затем направляют на пятый этап.
Четвертым вариантом реализации способа является такой, в котором, в отличие от первоначального и второго варианта способа, на пятом этапе зерно и семена обрабатывают обеззараживающим водным раствором, обеззараживающей водной суспензией или обеззараживающей водной эмульсией нескольких видов пестицидов, в котором(ой) как минимум один из компонентов раствора или смеси имеет пониженную концентрацию протравливающих химических веществ.
Пятым вариантом реализации способа является такой, в котором, в отличие от третьего варианта способа, на пятом этапе зерно и семена обрабатывают обеззараживающим водным раствором, обеззараживающей водной суспензией или обеззараживающей водной эмульсией нескольких видов пестицидов, в котором(ой) как минимум один из компонентов раствора или смеси имеет пониженную концентрацию протравливающих химических веществ.
Шестой группой вариантов выполнения способа являются те, в которых, в отличие от первоначального, второго и четвертого варианта реализации способа, после пятого этапа обработки зерно и семена охлаждают.
Седьмой группой вариантов реализации способа являются те, в которых, в отличие от первоначального, второго, третьего, четвертого и пятого вариантов способа, после пятого этапа обработки зерно и семена сушат до влажности безопасной для хранения при температуре зернового материала и семян, не снижающей их показатели качества, и, при необходимости, охлаждают.
Движущееся в потоке зерно, это каждая отдельная зерновая частица (зерновка, семя, единичное зерно) непрерывно перемещающаяся в совокупности себе подобных частиц (то есть в потоке) в рабочей камере смесителя, транспортера или другой машины. Наличие потока материала подразумевает, что процесс его увлажнения может происходить не только в непрерывном, повышающем производительность способа (на первом этапе) и равномерность увлажнения зерна, но и в периодическом (в камере смесителя, транспортера периодического действия) режиме, улучшающем только равномерность распределения влаги в слое зерна.
Необходимость использования для процесса обеззараживания в заявляемом способе сухого зерна (семян), к которому относится зерно сухое и средней сухости /11-13/, связана с тем, что при данном уровне влажности плодовые оболочки и основная часть микрокапилляров семенных оболочек и алейронового слоя, расположенных близко к поверхности зерновых частиц, свободны от влаги, поэтому имеют максимальную влагоемкость, что обеспечивает наибольшее количество моментально захватываемой (впитываемой) ими в процессе увлажнения воды без искажения, согласно известным данным, по количеству поглощаемой влаги /14-15/ и по продолжительности и глубине ее проникновения в зерно /16/.
Процесс очистки сам по себе снижает содержание в зерне и семенах фитопатогенной микрофлоры и токсичных продуктов ее жизнедеятельности /17/, которые в значительном количестве находятся в самих примесях. Кроме того, в процессе увлажнения зерна все (содержащиеся в нем) виды примесей, обладающие более высокой гигроскопичностью, чем зерновой материал, будут активно поглощать добавляемую воду, тем самым, уменьшая ее количество, попадающее в зерно, и снижая эффективность обеззараживания на третьем и особенно четвертом этапе способа обработки, из-за поглощения меньшего количества воды вредной микрофлорой зерна и уменьшения за счет этого концентрации ингабируюших эффектов тепловых воздействий на возбудителей фитопатогенных инфекций зернового материала, что объясняет необходимость использования при реализации способа обеззараживания очищенного зерна. Установлены нормы на то, какое зерно считать чистым (очищенным) по содержанию разных видов примесей (сорных, зерновых, вредных, минеральных и др.), которые для разных сельскохозяйственных культур отличаются, поэтому в изобретении используется объединяющее все эти нормы и общее для разных культур понятие «очищенное зерно» /12, 13/.
Равномерное увлажнение движущегося (перемещающегося) в потоке зернового материала может достигаться разными способами, например, распылением воды на зерно находящееся (сыплющееся) в зоне увлажнения в падающем кольцевом тонком слое /18/, а также двигающееся во вращающемся барабанном смесителе в плотном пересыпающемся слое /19/. Кроме того, поток зерна может перемещаться рабочими органами смешивающих устройств (разными видами шнеков, лопастными и вильчатыми мешалками, пружинами, вибрационными рабочими органами и др.) /20-22/ или транспортеров /23/ при порционной или непрерывной подаче в движущийся слой обеззараживаемого материала жидкой среды (воды) разбрызгиванием, в распыленном состоянии, равномерно истекающей струей (или струями), капельно, порционно и в другой форме.
Увлажнение зерна и семян водой, в отличие от операции замачивания, подразумевает добавление в материал только технологически обоснованного количества жидкости (не более того, которое в начальный момент времени способно впитать зерно). Применение увлажнения решает проблему утилизации загрязненных водных растворов, которая актуальна для процесса замачивания материала, при этом становится менее острым вопрос удаления из зерна, после извлечения его из жидкой фазы (воды), избыточной влаги, уменьшается травмируемость зерна при транспортировании, слипаемость зерновок между собой в слое, налипание их на рабочие органы транспортирования и смешивания, на стенки бункеров, кожухов, рабочих камер и др.
Технологически обоснованное количество влаги, которое добавляют при увлажнении зернового материала в заявляемом способе обеззараживания, определяется с учетом строения зерна и физиологических особенностей процесса поглощения воды зерном (семенами) и содержащейся в нем вредной микрофлорой (плесневыми грибами, бактериями, дрожжами, их спорами и др.).
Плодовые оболочки зерна и семян сельскохозяйственных культур располагают большим количеством капилляров, пор, пустот, которые служат резервуаром для первичного накопления влаги при увлажнении /14, 15/. Полная влагоемкость этих «резервуаров» определяет то максимальное количество воды (в процентах от массы сухого зерна), которое необходимо добавить в зерно для полного насыщения влагой его плодовых оболочек, согласно условиям осуществления способа обеззараживания на первом этапе. В пределах одного вида зерна и семян (для каждой сельскохозяйственной культуры) полная влагоемкость плодовых оболочек известна и колеблется в небольшом диапазоне /14-15, 24/, а у зерна разных сельскохозяйственных культур она может быть как одинаковой, так и сильно отличаться. Поэтому в данном изобретении используется более универсальная для разных сельскохозяйственных культур формулировка, регламентирующая расчет количества воды, добавляемой в зерно (семена) при увлажнении.
Количество воды, которое поступает в зерно при полном насыщении влагой его плодовых оболочек, является достаточным (минимально необходимым) для развития в нем процессов прорастания /25/, а связанный с ними запуск ферментной системы зерна, и повышенная влажность, становятся физиологическим толчком для фитопатогенных микроорганизмов, паразитирующих на зерне, к активизации их жизнедеятельности и развития (питания, дыхания, роста, размножения [деления] и др.) /26/. Из всех физиологических процессов, связанных с развитием вредной микрофлоры (возбудителей болезней) зерна, наибольшее значение для эффективности заявляемого способа обеззараживания (на 3-м и 4-м этапах) представляет процесс поглощения ею (микрофлорой) воды, содержащейся в зерновых частицах, причем скорость поглощения и использования влаги фитопатогенными микроорганизмами значительно превышает скорость потребления воды зерном при прорастании. В связи с этим клетки бактерий, дрожжей, мицелия плесневых грибов, спор и др. возбудителей болезней зерна имеют более высокую влажность, чем ткани самого зерна (даже увлажненного).
Применение технологической операции отволаживания зерна и семян сельскохозяйственных культур в заявляемом способе необходимо для насыщения влагой поверхностных слоев (тканей) зерновых частиц и содержащейся в них микрофлоры, что обеспечит интенсификацию и повышение эффективности процесса обеззараживания по количеству уничтожаемых микроорганизмов на этапах обработки подогретым воздухом (теплоносителем) и электромагнитным полем (ЭМП) сверхвысокой частоты (СВЧ).
Продолжительность этапа отволаживания в заявляемом способе ограничивается временем проникновения влаги в периферийные слои эндосперма или семядолей зерна. Процессы влагопереноса в зерне и семенах разных сельскохозяйственных культур при отволаживании протекают по общей схеме взаимодействия зерна с водой, в которой четко выделяются три периода с известной продолжительностью /14, 16/: на первом - происходит захват влаги плодовыми и семенными оболочками, а также алейроновым слоем зерна, на втором - переход влаги из поверхностных слоев зерна внутрь эндосперма или семядолей; а на третьем - распределение влаги по тканям зерна в равновесном соотношении. Как видно из условий протекания второго этапа заявляемого способа обеззараживания, в отличие от классического процесса отволаживания, охватывающего полностью первые два периода взаимодействия зерна с водой, он включает полностью только первый период и часть продолжительности второго, сумма которых является задаваемой величиной длительности отволаживания на втором этапе /16/.
Поскольку все физико-химические процессы, связанные с проникновением влаги в зерно при отволаживании, взаимосвязаны и завершаются одновременно, а сама продолжительность их развития не зависит от режима увлажнения при неизменной температуре, а определяется индивидуальными свойствами зерна (видом сельскохозяйственной культуры), то для зерна разных сельскохозяйственных культур (иногда, разных сортов одной культуры) длительность отволаживания в заявляемом способе обеззараживания будет отличаться, поэтому в изобретении используется универсальный признак, охватывающий продолжительность процесса отволаживания для любого вида зерна (любой культуры), которым является заданная глубина проникновения влаги в зерновую частицу /16/.
Необходимость перемешивания увлажненного зерна в процессе отволаживания связана с тем, что на этапе увлажнения (1-й этап процесса) достигается только первоначальное равномерное распределение влаги в слое зернового материала. При попадании в бункер для отволаживания, в котором в обычных условиях (на мельницах, комбикормовых заводах и др.) зерно находится в плотном толстом стационарном слое, равномерность распределения влаги ухудшается. Из-за кратковременности операции увлажнения, низкой естественной скорости диффузии влаги в зерно, а также из-за существующей разницы в размерах частиц зерновой массы, разной начальной температуры зерна и индивидуальных особенностей поверхности (плотности, опушенности, наличия пленок, воскового налета и др.) зерновых частиц, зависящих от вида сельскохозяйственной культуры, которые тоже влияют на интенсивность поглощения влаги зерном, не вся вода, добавленная в зерновой материал, успевает в него впитаться, часть ее удерживается в виде капель в межзерновом пространстве и на поверхности зерен (зерновок) в виде пленок влаги за счет сил поверхностного натяжения.
Оказавшись в плотном (не перемешиваемом) слое зерна, не впитавшиеся капли влаги, находящиеся между зерновыми частицами, начинают объединяться в более крупные образования, а зерновки покрытые пленками воды слипаются между собой /27/, образуя, таким образом, в зерновой массе локальные зоны повышенной влажности, из которых влага может стекать в нижнюю часть бункера для отволаживания, либо оставаться на месте. И в том и в другом случае после впитывания этой влаги в зерно, в его слое образуются участки с повышенной влажностью, а другие оказываются недостаточно увлажненными, что вызывает неравномерность эффекта обеззараживания при конвективной ингибирующей вредную микрофлору тепловой обработке (зерна) подогретым газообразным теплоносителем (на 3-м этапе), а в дальнейшем, неравномерность дезинфицирующего воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (на 4-м этапе). Поэтому в заявляемом способе обеззараживания при отволаживании необходимо выполнять периодическое или непрерывное, в зависимости от технических возможностей предприятий, перемешивание увлажненного зерна, которое обеспечит равномерное распределение влаги по толщине отволаживаемой зерновой массы.
Семена сельскохозяйственных культур, не смотря на все существующее их разнообразие, подразделяются на два основных класса: однодольные и двудольные. Типичными представителями однодольных являются семена злаковых культур: пшеницы, ячменя, ржи, овса, тритикале, кукурузы, сорго, риса и др., к двудольным относятся бобовые (горох, фасоль, соя и др.), масличные (подсолнечник, горчица, рапс, лен, клещевина, и др.) и ряд других культур. В семенах злаковых основным структурным компонентом семени, в котором концентрируется запас питательных веществ для прорастания, является эндосперм, в семенах бобовых и масличных культур в качестве такового выступают семядоли. Поэтому, чтобы учесть варианты применения заявляемого способа обеззараживания для обработки семян разных сельскохозяйственных культур (в нашем случае семян однодольных и двудольных растений), в изобретение вводят понятия и эндосперма и семядолей с возможностью использования в каждом конкретном случае какого-то одного из них, что будет зависеть от вида обрабатываемой культуры.
Токсикогенные грибы обычно поражают определенные анатомические части зерна, в которых сосредотачивается основная масса продуцируемых ими микотоксинов, причем каждый конкретный токсин вырабатывается только определенным видом или семейством плесневых грибов. Продукты размола зерна, в том числе мука разных сортов, тоже привязаны к определенным анатомическим частям зерновок. Исходя из этого, можно судить о глубине проникновения вредной микрофлоры во внутренние ткани зерна, на основе анализа видового состава микотоксинов, сосредоточенных в продуктах размола зерновых частиц. По данным существующих исследований /17/, при поражении зерна и семян фитопатогенными микроорганизмами (плесневыми грибами, бактериями, дрожжами и др.), основная их часть сосредоточена в поверхностных слоях зерна, а наибольшая глубина проникновения инфекций в зерновые частицы (семена) затрагивает только периферийные слои эндосперма или семядолей, что и определяет максимальную технологически целесообразную для обеззараживания глубину проникновения воды в зерно при отволаживании.
Мицелий многих видов плесневых грибов проникает глубоко в центральные зоны эндосперма или семядолей зерна /17/, что при установленной глубине проникновения воды в частицы зернового материала и увлажнения в этой их зоне вредной микрофлоры, на первый взгляд не охватывает всю зону распространения фитопатогенных инфекций, а значит, эта часть зерна не подвергается обеззараживанию ни тепловым воздействием подогретым воздухом [газообразным теплоносителем] (3-й этап способа), ни обработкой СВЧ-энергией [электромагнитным полем СВЧ] (4-й этап). Однако из-за того, что плесневые грибы и другая вредная микрофлора, поражающая зерновой материал, поглощают воду быстрее, чем усваивает ее организм зерна, а перемещение воды в мицелии плесневых грибов регулируется интенсивностью процессов метаболизма, происходящих в организме самих плесневых грибов (которые протекают значительно быстрее), а не интенсивностью процессов метаболизма организма семени, то к концу этапа отволаживания, когда вода в зерне насыщает только периферийные слои эндосперма или семядолей, вода в мицелии плесневых грибов успевает проникнуть до его самых глубоко расположенных в зерне участков, которые благодаря этому уничтожаются на этапе обработки ЭМП СВЧ.
Непрерывная подача (перемещение) зерна в плотном слое на этапе продувания его подогретым теплоносителем (3-й этап способа) обеспечивает выполнение процесса конвективного нагрева и обеззараживания зернового сырья в непрерывном (поточном) режиме и с высокой пропускной способностью по обрабатываемому материалу. Применение на рассматриваемом этапе способа обеззараживания плотного гравитационно движущегося слоя зернового сырья, являющегося самым часто используемым типом слоя в установках конвективной тепловой обработки (сушка, предварительный нагрев, предпосевное стимулирование, дезинфекция) зерна /28/ или плотного пересыпающегося слоя, плотного перемещаемого на ленте слоя, упрощает техническую реализацию процесса технологического воздействия на зерновое сырье на 3-м этапе заявляемого способа, обеспечивает наиболее полную и равномерную по толщине слоя передачу тепловой энергии от подогретого газообразного теплоносителя к обеззараживаемому зерновому материалу, через который он продувается, а это, в конечном счете, повышает качество ингибирования вредной микрофлоры и тепловой КПД процесса на этапе конвективной обработки.
Выполнение на 3-м этапе способа нагрева горячим воздухом прошедшего отволаживание (отлежку) зерна обеспечивает обеззараживание его от широкого комплекса возбудителей бактериальных болезней зерна и от отдельных групп восприимчивых к термическому воздействию плесневых грибов. Усиление ингибирующего действия конвективного нагрева (сушки) происходит при повышенной влажности зерна и организмов вредной микрофлоры и чем эта влажность больше, тем меньшая температура нагрева требуется для уничтожения фитопатогенных инфекций /29/.
В рассматриваемом способе обеззараживания, на 3-м его этапе, на первый взгляд, не может быть обеспечена высокая эффективность подавления жизнеспособности возбудителей бактериозов и микозов зерна, так как процесс увлажнения зернового сырья (на 1-м этапе способа) происходит на незначительную /14, 15/ для получения высокого качества дезинфекции величину /29/. Однако учитывая, что в процессе отволаживания (2-й этап) добавляемая в зерно влага (вода) не успевает равномерно распределиться по всему объему отдельных зерновых частиц, а только это при применяемом режиме увлажнения является необходимым условием для получения низкой средневзвешенной относительной влажности партии зерна, которая так нежелательна для этапа конвективного обеззараживания, так вот, эта влага сосредотачивается главным образом в организмах вредной микрофлоры и в поверхностных слоях зерновок и семянок сельхозматериала с глубиной проникновения в них жидкой фазы до периферийных слоев эндосперма и семядолей, что обеспечивает локализацию зоны повышенной влажности зерна именно в поверхностных тканях, где содержится значительная часть возбудителей болезней зернового сырья /17, 30/, причем этой влажности оказывается достаточно для эффективного обеззараживания на стадии конвективного нагрева и подсушки зерна (3-й этап способа), а в дальнейшем и на стадии воздействия на материал СВЧ-энергией (4-й этап). При этом влажность внутренних тканей зерновых частиц (кроме глубоко расположенного внутрисубстратного мицелия плесневых грибов, в который вода при отволаживании проникает) на используемом режиме увлажнения остается практически на начальном уровне, как до добавления влаги, то есть соответствует сухому состоянию зерна.
Процесс ингибирования вредных бактерий и плесневых грибов в зерновом материале при нагреве его подогретым воздухом улучшается также за счет того, что после увлажнения и отлежки, необходимой для технологически заданного распределения влаги в зерновых частицах и впитывания ее фитопатогенами, большинство микроорганизмов выходит из состояния покоя, развиваясь в вегетативную форму, при этом начинается их активный рост и размножение, что сопровождается насыщением цитоплазмы клеток микрофлоры водой и возрастанием ее (цитоплазмы) ферментативной активности. В таком состоянии (в фазе роста микробиоты) стенки клеток микроорганизмов истончаются и они в наибольшей степени подвержены губительному воздействию конвективного нагрева и вызываемому им обезвоживанию /29/. Кроме того, механизм ингибирования фитопатогенов связан с процессом удаления влаги из микробных и грибковых клеток на этапе нагрева теплым воздухом зерна, в котором они содержаться. При этом влага внутри клетки микрофлоры при тепловом обезвоживании перемещается из ее центральной части к периферии. Вместе с водой перемещаются и растворенные в ней вещества. Часть из них выходит из клетки, а часть оседает в периферийном слое цитоплазмы, прилегающем к цитоплазматической мембране. В этом слое концентрируются различные органические соединения, в том числе токсичные для клетки продукты распада, образующиеся в результате ее жизнедеятельности. Потеря воды и повышение концентрации веществ влечет за собой глубокие изменения во всей коллоидной системе клетки: происходит коагуляция белков, инактивируются ферменты в зоне цитоплазматических мембран и происходят другие нарушения процессов обмена в организме патогенов, в результате чего часть клеток отмирает, что и обеспечивает обеззараживание зерна /29/. При этом следует отметить, что снижение влажности зернового материала на этапе конвективного нагрева практически не происходит, частичное обезвоживание наблюдается только у вредных микроорганизмов.
Простота технической реализации процесса нагрева зерна подогретым воздухом на 3-м этапе способа дезинфекции обусловлена тем, что для него могут использоваться в неизменном виде (без модернизации и доработки) все конструкции технологических камер, применяемые в установках непрерывного действия для конвективной сушки (нагрева) зерновых материалов в плотном слое: шахтные жалюзийные, колонковые и с воздухораспределительными коробами сушилки (теплообменники) /31, стр. 58-59 рис. 8 ж, з, и/, в которых обрабатываемый продукт находится в плотном вертикальном гравитационно движущемся слое и, как дополнительный вариант, в искусственно перемешиваемом слое /32, стр. 83-84 рис. 49/; барабанные сушилки (теплообменники) /33, рис. 42 а/ с плотным пересыпающимся слоем и конвейерные нагревательные установки /33, рис. 42 д/, в которых плотный слой зерна перемещается во время продува воздухом в горизонтальной плоскости на транспортерной ленте.
Предварительно нагретое и частично обеззараженное зерно после проведения 3-го этапа заявляемого способа дезинфекции сразу поступает на обработку электромагнитным полем СВЧ. Непрерывное перемещение в плотном слое материала в этот период обработки, при котором движение зерна может происходить в горизонтальной плоскости /34/, вертикально (сверху вниз) под действием сил тяжести /35, 36, 37/, по сложной траектории /38, 39/ и другим образом, обеспечивает поточность процесса, повышает производительность способа по количеству обрабатываемого материала и позволяет сохранить качество зерна и семян за счет предотвращения их перегрева. Использование на 4-м этапе процесса плотного слоя обеспечивает также наиболее полное поглощение зерном подводимой к нему СВЧ-энергии, что повышает эффективность обеззараживания и энергетический КПД процесса
Применение обработки в электромагнитном поле СВЧ зернового материала, прошедшего отлежку и обеззараживание конвективным нагревом, обеспечивает эффективное уничтожение вредной микрофлоры /40, 41/ за счет испарения воды, находящейся в зерновых частицах. Механизм гибели патогенных микроорганизмов связан с тем, что процессы интенсивного парообразования, возникающие при микроволновом (СВЧ) воздействии на подготовленное зерно, вызывают мгновенное разрушение целостности и структуры возбудителей фитопатогенных инфекций, денатурацию в них белков, поражение органелл клеток, повреждение оболочек, мембран и др. защитных покровов возбудителей бактериальных и грибковых заболеваний, содержащихся в зерне в разах фазах своего жизненного цикла (споры, гифы, конидии, мицелий и др. /42/), и ряд других летальных сбоев в их работе. Перечисленные деструктивные изменения в теле микрофлоры происходят из-за того, что вода в обрабатываемом материале находится не только внутри зерновых частиц, но и в клетках и межклеточном пространстве самих патогенных микроорганизмов, причем в последних она (вода) имеет значительно большую удельную концентрацию в единице объема сухого вещества, чем в тканях зерна, а учитывая при этом избирательность диэлектрического нагрева, происходящего только во влажных зонах биообъектов /40/, получается, что в процессе приложения к ним СВЧ-энергии гарантированно обеспечивается уничтожение возбудителей инфекций зерна изнутри.
По данным существующих исследований /17, 30/ и как уже упоминалось ранее, при поражении зерна и семян возбудителями болезней (плесневыми грибами, бактериями, дрожжами и др.), основная их часть сосредоточена в поверхностных слоях каждой отдельной зерновки, а наибольшая глубина проникновения этих инфекций в зерновые частицы (семена) затрагивает только периферийные слои эндосперма или семядолей. То есть, как видно из сущности заявленного способа, область сосредоточения в зерновках влаги, в которой в значительной мере концентрируются и ингибирующие микробиоту технологические эффекты ЭМП СВЧ, охватывает не всю зону распространения фитопатогенных инфекций, из чего на первый взгляд следует, что участки зерна за пределами проникновения искусственно внесенной водной среды не подвергаются обеззараживанию ни конвективным нагревом (3-й этап), ни электромагнитным полем СВЧ (4-й этап). Это же можно сказать и об отдельных видах плесневых грибов, мицелий которых проникает глубоко в центральные зоны эндосперма или семядолей зерна и по физиологическим, технологическим или каким-либо другим причинам не подвергается увлажнению (насыщению водой) в процессе отволаживания /17, 43/. Однако из-за того, что в организмах вредной микрофлоры даже при их низкой начальной влажности сохраняется определенное количество подвижной (слабосвязанной) воды, которая изолирована в клеточных структурах грибковой инфекции с высоким содержанием липидов и поэтому недоступна для влияния большинства внешних технологических воздействий /44/, кроме электромагнитных полей сверхвысокой частоты, это как раз и способствует высокой эффективности обеззараживания зерна на 4-м этапе заявляемого способа. А поскольку наличие свободной воды является одним из необходимых обусловленных эволюцией обязательных компонентов иммунитета, обеспечивающих сохранение жизнеспособности и высокую устойчивость вредной микрофлоры к критическим по недостатку влаги условиям развития /44/, то применение СВЧ-обработки, тепловые и нетепловые эффекты которой проявляются, прежде всего, во влажных зонах облучаемых биологических объектов /40, 41, 45/, вызывает в организмах плесневых грибов денатурацию белков и нарушение или полное прекращение процессов метаболизма разной природы, достаточные, чтобы ингибировать их развитие и привести к гибели.
Таким образом, обработка зараженного зернового материала в электромагнитном поле СВЧ обеспечивает интенсивное уничтожение наиболее устойчивых и глубоко расположенных в теле (в тканях) зерна форм фитопатогенной микрофлоры, которые недоступны для предыдущего в используемой комбинации метода ингибирующего воздействия (конвективного нагрева). Эффективность инактивации в ЭМП СВЧ возбудителей болезней зерна связана с жесткостью его теплового режима в заявляемом способе обработки, что может быть опасно для показателей качества и жизнеспособности самого зернового материала. Но благодаря высокой избирательности микроволнового нагрева и проявлению максимального удельного тепловыделения от него только во влажных зонах зерна /40/, которые сосредоточены внутри организмов вредной микрофлоры, а также поверхностных слоях зерновых частиц (в их плодовых и семенных оболочках), получается что возникновение эффекта уничтожения и разрушения биологических организмов, вызываемого СВЧ-полем, распространяется только на фитопатогенные инфекции, из-за чего качество зерна и семян не должно ухудшаться.
Кроме того, необходимо отметить, что положительный вклад в процесс обеззараживания зерна вносят реакции нетеплового воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на биологические объекты, физический механизм которых связан с нарушением нормального протекания или полным прекращением ионного обмена в клетках организмов и на мембранах клеток фитопатогенной микрофлоры /45/, причем возникновение ионных сбоев происходит не только в зонах повышенной влажности возбудителей болезней зерна.
Последовательная технологическая обработка на 3-м и 4-м этапах заявляемого способа связана с нарастающим повышением температуры нагрева обеззараживаемого зернового материала, частицы которого являются живыми биологическими организмами и имеют предельно-допустимую температуру нагрева, превышение и выдержка при которой вызывает резкое ухудшение показателей качества зернового сырья: снижение или полную потерю посевных характеристик (всхожести и энергии прорастания), а также технологических, пищевых и кормовых свойств /46, 47/.
Из-за кратковременности этапа конвективного воздействия и поточного режима его реализации величина нагрева зерна за этот период не превышает критической (предельно-допустимой) температуры нагрева, но на этапе подвода к материалу СВЧ-энергии его температура способна резко возрасти за короткий промежуток времени и при этом может перешагнуть установленный в нормативах безопасный предел, в связи с чем величину температуры нагрева зернового сырья при микроволновой (СВЧ) обработке в заявляемом способе обеззараживания необходимо контролировать и ограничивать. Поскольку у разных сельскохозяйственных культур предельно-допустимая температура их нагрева колеблется в довольно широком диапазоне, который также сильно зависит от целевого назначения, начальной влажности, интенсивности теплоподвода и продолжительности тепловой обработки нагреваемого зерна, то в формулу изобретения для учета ограничения температуры нагрева зерна (семян) на этапе СВЧ-обработки введен более универсальный признак, привязанный, в том числе, к качеству зернового сырья (семян). Этот признак сформулирован так: «… зерно и семена обрабатывают в ЭМП СВЧ, обеспечивающем уровень нагрева зернового материала и семян, не снижающий их показатели качества, …».
Нагретая в электромагнитном поле (ЭМП) сверхвысокой частоты (СВЧ) зерновая масса сразу после 4-го этапа обработки поступает на операцию жидкостного химического протравливания [водным раствором или водной смесью пестицидов] (5-й этап заявляемого способа), в ходе которой перемещающееся в потоке зерно обеззараживается от остаточного количества содержащейся в нем вредной микрофлоры (плесневые грибы, бактерии, дрожжи и др.), не уничтоженной на предыдущих стадиях технологического процесса.
Движение зернового сырья в потоке на рассматриваемом этапе комбинированного способа обработки обеспечивает выполнение процесса химической дезинфекции в непрерывном режиме и с высокой пропускной способностью по протравливаемому материалу, а учитывая, что на 1-м, 3-м и 4-м этапах заявляемого способа реализация процессов обработки тоже происходит в непрерывном режиме, то получается, что разработанный метод обеззараживания в целом также является высокопроизводительным.
Необходимость выполнения в составе предлагаемого способа обработки операции химического протравливания зерна водными растворами (суспензиями, эмульсиями, смесями) пестицидов с пониженными концентрациями протравливающих химических (действующих) веществ связана с тем, что исходный (до поступления в комбинированный процесс обеззараживания) зерновой материал имеет высокую начальную зараженность вредной микрофлорой, которую на предыдущих этапах процесса, являющихся более мягкими по механизму ингибирования, не удается до конца уничтожить или обеспечить уменьшение содержания возбудителей патогенной микробиоты до уровня ниже порога экономической целесообразности применения защитных мероприятий.
Равномерная по объему слоя обработка (увлажнение) потока зерна обеззараживающим водным раствором (водной эмульсией или суспензией) одного пестицида или смеси нескольких пестицидов, содержащим(ей) пониженную(ые) относительно нормативных значений концентрацию(и) протравливающих химических веществ (компонентов), может достигаться в разных установках, например, в специализированных машинах-протравливателях /48, 49/, и разными способами, например, распылением водной смеси пестицида на зерно, находящееся (сыплющееся) в зоне увлажнения в падающем кольцевом тонком слое /18/, а также двигающееся во вращающемся барабанном смесителе в плотном пересыпающемся слое /19/. Кроме того, поток зерна может перемещаться в процессе химобработки рабочими органами смешивающих устройств (разными видами шнеков, лопастными и вильчатыми мешалками, пружинами, вибрационными рабочими органами и др.) /20, 22/ или транспортеров /23/ при порционной или непрерывной подаче в движущийся слой обеззараживаемого материала жидкого химического (пестицидсодержащего) реагента разбрызгиванием, в распыленном состоянии, равномерно истекающей струей (или струями), капельно, порционно и в другой форме.
Известно большое количество разнообразных химических препаратов (веществ) для протравливания зерна и семян разных сельскохозяйственных культур против широкого комплекса вредителей и патогенов /50/, которые разделены (классифицированы) по целевому назначению на следующие макрогруппы: фунгициды - препараты, применяемые для борьбы с плесневыми грибами, поражающими зерно; бактерициды - для уничтожения возбудителей бактериальных инфекций; инсектициды - для обезвреживания от насекомых; гербициды - для борьбы с сорной растительностью; акарициды - препараты, используемые для ингибирования клещей; родентициды - для отпугивания и уничтожения грызунов, а также ряд других.
Заявленный способ обеззараживания в первую очередь предназначен для борьбы с возбудителями грибковых и бактериальных болезней зерна, но учитывая, что на 5-м этапе обработки могут применяться смеси нескольких видов химических протравителей, в том числе из разных по целевому назначению групп ядохимикатов, например, фунгицидно-бактерицидные смеси /51/, инсектофунгициды /52-55/ и др., то для охвата формулой изобретения максимального числа вариантов реализации способа, включая использование смесей разноцелевых химпрепаратов, в нее (в формулу) введено более универсальное наименование всех разновидностей обеззараживающих реагентов, такое как «пестициды».
Ряд производимых промышленностью химических протравителей, применяемых для обработки зерна и семян разных сельскохозяйственных культур (на 5-м этапе), при подготовке к использованию смешивается с водой, в результате чего, в зависимости от физико-химических свойств разбавляемых (растворяемых) ядохимикатов, образуется три вида жидких рабочих сред: растворы, эмульсии и суспензии. Для того, чтобы учесть все варианты реализации заявляемого комбинированного способа дезинфекции зерна в зависимости от этих применяемых видов обеззараживающих жидких сред, в изобретение вводя понятия и обеззараживающих водных растворов, и обеззараживающих водных эмульсий, и обеззараживающих водных суспензий с возможностью использования в каждом конкретном случае какого-то одного из них, что будет зависеть от вида и свойств применяемого(ой) в способе пестицида или смеси пестицидов.
В процессе химического протравливания (5-й этап способа) для обработки зерна используют обеззараживающий водный раствор, обеззараживающую водную суспензию или обеззараживающую водную эмульсию пестицида или нескольких видов пестицидов, который(ая) содержит пониженную(ые) концентрацию(и) протравливающих химических веществ. Необходимость воздействия на зерновой материал дезинфицирующей жидкой средой, составленной на основе одного пестицида или нескольких видов пестицидов, связана с существенными колебаниями (по структуре, составу и количественным значениям) зараженности партий зернового сырья, поступающих на химическую обработку, которые при этом требуется качественно обезвредить.
Для эффективной борьбы с комплексной микозной зараженностью зерна, включающей в себя поражение семенного материала несколькими разными видами плесневых грибов, в хозяйственной практике применяют системные фунгициды (пестициды) с одним действующим веществом /52-54/ или многокомпонентные по количеству действующих веществ (двух- /51, 54, 56-57/, трех- /53, 59-60/, четырехкомпонентные /51, 53/ и более). Одно действующее (отравляющее, ингибирующее) вещество является основным компонентом одного простого пестицида (фунгицида), а протравитель (препарат) сочетающий в себе несколько обеззараживающих химических (действующих) веществ, является, по сути, смесью нескольких (простых, однокомпонентных) видов пестицидов.
Комбинированные (многокомпонентные) фунгициды (смеси нескольких видов пестицидов) содержат в своем составе несколько отравляющих препаратов с разными механизмами подавления жизнедеятельности плесневых грибов [ингибирующие энергетический метаболизм в грибах, подавляющие биосинтез важных для гриба веществ, нарушающие проницаемость клеточных мембран и др. /61/], охватывающих своим действием все существующее их (грибов) многообразие, содержащееся в данной конкретной партии зерна. Поскольку возбудители грибковых заболеваний всегда в тех или иных сочетаниях комплексно поражают зерновой материал, то использование для его обработки сложносоставных протравителей (из одного или нескольких видов пестицидов) позволяет эффективно уничтожать фитопатогенные инфекции зерна в любом их составе и количестве, как при нормативных дозировках химических препаратов, так и при пониженных концентрациях водных смесей фунгицидов в составе заявляемого способа обеззараживания.
Следует отметить, что комбинированные пестициды (фунгициды, инсектициды, бактерициды и др.), состоящие из нескольких препаратов (действующих веществ, пестицидов, протравителей) могут изготавливаться как на промышленных предприятиях, так и составляться (смешиваться) в хозяйствах из нескольких более простых по составу протравителей.
Применение в процессе химической дезинфекции зернового материала (5-й этап) обеззараживающего водного раствора или обеззараживающей водной смеси (суспензии или эмульсии) пестицида или нескольких видов пестицидов, содержащего(ей) пониженную(ые) концентрацию(и) протравливающих химических (действующих) веществ, становится возможным только при условии ингибирования значительного количества возбудителей грибковых и бактериальных заболеваний зернового сырья на предыдущих этапах заявляемого комбинированного способа обработки, потому что только тогда при рассматриваемом технологическом воздействии обеспечивается требуемый в производстве уровень снижения зараженности партий семенного (кормового, технического) зерна.
В этом случае на этап химического протравливания поступает зерновой материал, содержащий только наиболее устойчивые к ранее применяемым методам уничтожения (конвективный нагрев и СВЧ-обработка) формы фитопатогенов, а также группы разного рода плесневых грибов и бактерий, находящихся в зерне в разных фазах своего жизненного цикла (споры, гифы, конидии, вегетирующие формы грибов, внутрисубстратный мицелий [скрытая форма инфекции] и др.) и с разным уровнем микро- и макроповреждений в защитных оболочках, мембранах и тканях организмов патогенов, которые вызваны предыдущими этапами обработки способа и в результате которых вредная микрофлора сохраняет свою жизнеспособность, но имеет ослабленный иммунитет к ингибирующим воздействиям и развивается с какими-либо нарушениями или заторможено. Так вот, обработка на 5-м этапе способа таких частично обеззараженных партий зерна с остаточной, но еще высокой зараженностью вредной микрофлорой специально подобранными к ее видовому составу химическими протравителями с пониженной концентрацией отравляющих веществ, обеспечивает высокую эффективность уничтожения этих возбудителей инфекций.
Имеющиеся нарушения целостности в теле микроорганизмов (плесневых грибов, бактерий, дрожжей и др.), а также наличие разнообразных повреждений в защитных оболочках, покровных тканях, клеточных мембранах и органеллах клеток у разных форм возбудителей фитопатогенных инфекций облегчает проникновение в них протравливающего(их) химического(их) компонента(ов) пестицида(ов) на 5-м этапе обработки и ускоряет процессы ингибирования жизнедеятельности у вредной микрофлоры зерна.
Для обработки зерна на 5-м этапе заявляемого комбинированного способа дезинфекции применяется обеззараживающий водный раствор или обеззараживающая водная смесь пестицида или нескольких видов пестицидов, содержащий(ая) пониженную(ые) концентрацию(ии) протравливающих химических веществ, величину(ы) которой(ых) составляет(ют) доза(ы) меньшая(ие) нормативной(ых) дозы(доз) пестицида(ов) в растворе или смеси. Необходимость использования для протравливания зерна и семян пониженной(ых) дозы(доз) пестицида(ов) в рамках рассматриваемого способа обработки связана с требованием повышения экологической безопасности и экологической чистоты разрабатываемого процесса обеззараживания, что как раз и выполняется за счет снижения химической нагрузки на биоагроценозы и окружающую среду в целом при практическом применении способа.
Все разнообразие используемых в производстве химических протравителей (однокомпонентных и многокомпонентных [смесей нескольких видов пестицидов]) имеет установленные разработчиком (производителем) и проверенные исследованиями ученых нормативы применения препаратов (нормативные дозы пестицидов), которые являются справочными данными /50, 53 и др./. Числовые значения нормативных доз разных видов однокомпонентных и комбинированных пестицидов (фунгицидов) колеблются в широком диапазоне, зависят от начальной зараженности обрабатываемых ими партий зерна, и при этом, нередко, нормативные дозы одного и того же обеззараживающего препарата могут существенно изменяться при применении его для протравливания разных сельскохозяйственных культур, не говоря уже о разбросе количественных значений у нормативных доз пестицидов из разных химически классов и составленных на основе разных действующих веществ и их сочетаний.
Существующие значительные колебания в интервале числовых значений нормативных доз пестицидов, обеспечивающих эффективное обеззараживание зерна от фитопатогенных инфекций в обычных производственных условиях, сохраняются и для пониженных доз этих же ингибирующих химических препаратов, применяемых для качественного обеззараживания зерна на 5-м этапе заявляемого способа. Нашими исследованиями установлен диапазон минимальных значений пониженных доз пестицидов, выраженный в процентах от нормативной дозы, который может использоваться на этапе химического протравливания комбинированного способа обеззараживания не вызывая при этом снижение эффективности ингибирования в зерне возбудителей грибковых и бактериальных болезней. В формуле изобретения этот относительный количественный признак сформулирован следующим образом: «…, при этом используемая(ые) доза(дозы) [в обеззараживающем водном растворе или в обеззараживающей водной смеси (одного) пестицида или нескольких видов пестицидов] не может(могут) быть меньше 25-55% от нормативной(ых) дозы(доз) пестицида(ов), содержащегося(ихся) в растворе или смеси».
Характерной особенностью реализации заявляемого комбинированного способа обеззараживания на 5-м этапе является применение в нем только пониженных доз протравливающих химических веществ, независимо от того используется для обработки зерна однокомпонентный пестицид или смесь нескольких видов пестицидов. В последнем случае все виды ядохимикатов (фунгицидов), входящие в состав комбинированного (многокомпонентного) протравителя, имеют пониженные дозы действующих веществ в рабочей жидкости, при этом количественные значения пониженных доз каждого из препаратов в растворе или смеси могут быть как одинаковыми, так и отличаться между собой.
Температура нагрева зерновой массы на выходе с этапа СВЧ-обеззараживания контролируется и ограничена предельно-допустимой температурой нагрева зерна (семян), согласно введенному условию неухудшения качества материала на 4-м этапе обработки. Однако, такой температурный режим для свойств зернового сырья (посевных, кормовых, технологических) все равно является достаточно критическим, поэтому сразу после выполнения микроволнового воздействия температуру нагрева материала необходимо частично снизить, что достигается на 5-м этапе заявляемого способа путем смешивания горячего зерна с обеззараживающим водным раствором или обеззараживающей водной смесью (эмульсией или суспензией) пестицида или нескольких видов пестицидов с пониженной концентрацией протравливающих химических веществ, который(ая) имеет температуру окружающей среды. При этом, одновременно с уменьшением температуры обрабатываемого зерна (на 5-м этапе) происходит нагрев (теплообменом) добавляемого(ой) в зерновой материал раствора или смеси одного или нескольких ядохимикатов, что ускоряет его(их) впитывание в зерновые частицы и одновременно активизирует проникновение протравителя(ей) внутрь организмов вредной микрофлоры через защитные оболочки и разрывы в них, полученные на 4-м этапе, вызывая тем самым интенсификацию процессов гибели фитопатогенов.
После 5-го этапа обработки зерно обеззаражено от вредных микроорганизмов до безопасного для хозяйственного использования уровня, при этом процессы ингибирования в материале единичных объектов микробиоты продолжаются и после завершения заявленного способа дезинфекции (после высева, в ходе сушки и хранения) и происходят за счет остаточного содержания компонентов пестицидов на поверхности и в плодовых оболочках зерновых частиц, которые также предотвращают и вторичное заражение зерна фитопатогенными инфекциями.
Непосредственно после завершения процесса обеззараживания заявленным способом обезвреженный от возбудителей болезней, увлажненный и все еще теплый зерновой материал может использоваться для посева, а после дополнительных подготовительных операций (мойки и отжима) - для переработки на технические и кормовые цели.
Необходимость частичного охлаждения зерна и семян после 3-го этапа обработки связана с тем, что из-за жесткости режимов конвективного нагрева зернового материала в процессе продува его подогретым теплоносителем, которые назначаются (по результатам фитоэкспертизы семян и до поступления их в заявляемый способ) для максимально полного уничтожения наиболее чувствительных к данному воздействию представителей вредной микрофлоры, и способны при этом повысить температуру нагрева продукта до предельно-допустимых значений и более, что на следующем этапе способа приведет к перегреву и резкому снижению посевных и ухудшению технологических и кормовых свойств. С целью предотвращения подобных недостатков температуру нагрева зерна снижают на величину не более 3-8°С от температуры нагрева на 3-м этапе, при этом оставшейся температуры материала хватает для пролонгации в нем тепловых эффектов ингибирования фитопатогенов и не требуется повышения энергозатрат на дополнительный нагрев зерна от более низких температур (на следующем этапе), обусловленных неоправданно оправданно сильным охлаждением продукта, после чего зерновое сырье направляется на 4-ый этап.
Возникает необходимость охлаждения зерна и после 4-го этапа обработки, что связано с жесткостью режимов обеззараживания зернового сырья СВЧ-энергией (электромагнитным полем СВЧ), которые устанавливаются (по результатам фитосанитарной экспертизы семян и до поступления их в заявляемый способ) с целью наиболее полного уничтожения всех чувствительных к данному воздействию видов фитопатогенной микрофлоры, и при этом повышают температуру нагрева до предельно-допустимых значений и более, притом, что в рассматриваемом варианте процесса снижение температуры нагрева продукта за счет смешивания его с ненагретыми водными растворами, суспензиями или эмульсиями протравителей с пониженными дозировками действующих веществ (5-й этап) не может быть применено из-за термочувствительности компонентов используемых ядохимикатов, которые начнут разлагаться при взаимодействии с горячим зерном, в результате чего может снизиться эффективность ингибирования патогенов на 5-м этапе процесса. Для предотвращения данного недостатка проводится операция охлаждения зернового материала, после чего он поступает на 5-й этап заявляемого способа.
Снижение температуры зерна и семян после 5-го этапа обработки может проводиться во всех вариантах реализации комбинированного способа обеззараживания, кроме тех, в которых зерно охлаждалось после 4-го этапа. Необходимость охлаждения зернового сырья после операции химического протравливания пониженными дозами ядохимикатов в заявляемом способе, связана с общим требованием о снижении температуры зернового материала после любой его тепловой обработки (когда процесс закончен). В связи с этим, после операции охлаждения температура зерна (семян), не должна превышать температуру атмосферного (охлаждающего) воздуха более чем на 5-10°С /47/, либо должна равняться температуре окружающей среды. Проведение охлаждения зернового материала на рассматриваемой стадии процесса обеспечивает его соответствие базовым требованиям как к сырью для любых операций хозяйственного использованная (кроме пищевой промышленности), позволяет предотвратить мокрение зерна при хранении, которое возникает за счет выделения из его частиц остаточной парообразной влаги при их пассивном охлаждении, и сводит на нет порчу зерновой массы, которая вызывается ее вторичным заражением вредными микроорганизмами.
После проведения операции охлаждения (после 5-го этапа) обеззараженное увлажненное зерно может использоваться в качестве посевного материала, допускается также его временное (не более 1-2 суток) хранение, а после прохождения дополнительных подготовительных операций (мойки и отжима) - переработка на технические и кормовые цели.
Процесс охлаждения зернового материала может проводиться разными способами, например, активным вентилированием атмосферным, искусственно охлажденным или электроактивированным, содержащим озон, аэроионы или их смеси воздухом при нахождении зерна в процессе обработки в толстом стационарном (в бункерах, силосах, буртах, охладительных колонках), в плотном гравитационно движущемся /33, рис. 41а-в/, плотном пересыпающемся /33, рис. 42а/ или падающем слое /33, рис. 41 г/. Кроме того, снижение температуры прошедшего обеззараживание зерна может обеспечиваться путем смешивания его с сухим ненагретым и незараженным зерном, при перелопачивании зерновой массы (вручную, зернометателями, перегрузочными транспортерами и т.д.), в процессе пневмотранспортирования, при размещении зерна тонким неподвижным слоем на специальных площадках (пассивное охлаждение за счет естественной отдачи тепла от нагретого зерна в окружающую среду) и другими методами.
Поскольку все известные способы охлаждения зерновых материалов обеспечивают необходимый для разработанного процесса обеззараживания технологический результат, то в связи с этим в формуле изобретения для обозначения данной операции обработки зерна используется универсальное понятие, которое охватывает все существующее разнообразие методов снижения температуры нагрева зерновых материалов и позволяет при реализации заявляемого способа дезинфекции применять любой из используемых на практике видов охлаждения, который наиболее удобен или экономически выгоден для потребителя.
На 5-м этапе заявляемого комбинированного способа дезинфекции зерно может также обрабатываться обеззараживающим водным раствором или обеззараживающей водной смесью (суспензией или эмульсией) нескольких видов пестицидов, в котором(ой) как минимум один из компонентов раствора или смеси имеет пониженную концентрацию протравливающих химических веществ. При этом в качестве раствора или смеси нескольких видов пестицидов, применяемых на этапе обработки, могут использоваться многокомпонентные протравители, состоящие из групп действующих веществ (ядохимикатов), которые имеют одно целевое назначение, то есть включают разные виды только фунгицидов /51-60/, только бактерицидов или др. специализированных пестицидов; или разное целевое назначение, например фунгицидо-бактерицидные смеси /51/, инсектофунгициды /52-55/ и др.
Сущность заложенных в формуле изобретения разных сочетаний в составе обеззараживающих водных растворов или смесей препаратов с нормативными и пониженными дозировками состоит в следующем: если пестицид состоит из двух компонентов, то один из них имеет пониженную дозу, а другой - нормативную; если трехкомпонентный, то пониженные дозы действующих веществ могут быть только у одного или двух, а у остальных, соответственно нормативные; если четырехкомпонентный, то пониженные дозы ядохимиката могут быть минимум - у одного препарата, у остальных нормативные, а максимум - у трех, а у одного - нормативная. Принципы сочетаний в водных смесях комбинированных пестицидов препаратов с нормативными и пониженными дозировками действующих веществ, в случае, когда пестициды содержат ядохимикаты разные по целевому назначению, совершенно отличаются от тех, в которых используются химреагенты с одинаковым целевым назначением.
В качестве примера рассмотрим два вида трехкомпонентных инсектофунгицида. В первом из этих сложных пестицидов содержится один фунгицид и два инсектицида, во втором - два фунгицида и один инсектицид. Для этих вариантов принцип сочетаний следующий: в первом пестициде только один фунгицид будет иметь пониженную дозировку действующего вещества, а оба инсектицида будут содержаться в рабочем растворе или смеси всегда только в нормативных дозировках; во втором - пониженную дозировку будет иметь либо один, либо оба фунгицида, а доза инсектицида всегда останется нормативной.
Необходимость реализации рассматриваемого варианта процесса связана с тем, что при определенных составах комплексной зараженности партий зерна в них могут присутствовать и составлять значительную количественную долю устойчивые к большинству ингибирующих воздействий, кроме химического протравливания, формы плесневых грибов, при этом для их эффективного уничтожения в применяемом растворе или смеси пестицидов нужна только нормативная доза препарата, специализированного против данного вида патогена, а для остальных возбудителей микозов, входящих в комплексную зараженность, достаточно обработки материала обычным для разработанного способа обеззараживания режимом воздействия: тепло-электрофизическими факторами и химпротравливанием пониженной(ыми) дозой(ами) фунгицида(ов).
Необходимость сушки зерна и семян после их обеззараживания заявляемым способом (на выходе с 5-го этапа процесса) связана с тем, что после проведения операций увлажнения и химпротравливания добавленная в зерновой материал водная среда (на 1-м и 5-м этапах) не удаляется из него, поэтому после обработки, по величине влажности, он (материал) соответствует категории влажного или сырого /11/, а в таком состоянии зерно и семена не могут длительное время храниться без ухудшения качества и вторичного заражения фитопатогенной микрофлорой.
Учитывая, что при некоторых вариантах реализации заявляемого способа обеззараживания прошедшее обезвреживание от возбудителей фитопатогенных инфекций зерно поступает на удаление влаги в нагретом состоянии (остаточная температура нагрева с тепловых этапов) и, принимая во внимание, что отдельные из высокоинтенсивных тепловых способов сушки могут эту температуру нагрева зернового сырья еще больше увеличить, превысив при этом ее предельно-допустимые значения, безопасные для качества обезвоживаемого зерна. В связи с этим, при проведении операции удаления влаги из зерна в условиях рассматриваемого способа дезинфекции вводится технологическое ограничение, согласно которому температура нагрева зернового материала в процессе сушки должна поддерживаться на уровне, не снижающем его показатели качества. Таким образом, сушка обеззараженного материала может производиться разными способами (высокотемпературным или низкотемпературным конвективным способом, активным вентилированием, пропусканием через слой зерна разных видов электроактивированного воздуха, воздействием ультразвуковых колебаний, ИК-обработкой и др.) и заканчивается при достижении зерном влажности безопасной для хранения, т.е. тогда, когда зерно становится сухим /11/, после чего, при необходимости, зерно может охлаждаться.
Прошедшее обеззараживание и доведенное до кондиционной влажности зерно в заявленном способе обработки может длительное время храниться без ухудшения всего комплекса своих свойств, а после этого свободно использоваться в качестве посевного материала или сырья для переработки на технические и кормовые цели. Причем для двух последних вариантов применения физико-химически обезвреженное зерно должно пройти специальную подготовку - мойку и отжим, для удаления из него токсичных компонентов пестицидов.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется тремя чертежами.
На фиг. 1 показан один из вариантов компоновки конструктивно-технологической схемы линии для реализации способа комбинированного обеззараживания зерна и семян с использованием СВЧ-энергии. На фиг. 2 - разрез А-А установки химического протравливания с фиг. 1, показывающий направление перемещения зернового материала в рабочей камере при его протравливании водным(ой) раствором или смесью пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а). На фиг. 3 - разрез Б-Б установки химического протравливания с фиг. 2, показывающий расположение в установке окон загрузки и выгрузки зернового материала, форму рабочих органов транспортирования и смешивания и устройство рабочей камеры (ее сдвоенность).
Предлагаемый способ комбинированного обеззараживания выполняется в технологической линии (фиг. 1), которая включает увлажнительную машину 1, состоящую из горловины загрузки зерна 2, корпуса машины 3, рабочей камеры увлажнения 4, винтового рабочего органа 5 для транспортирования и перемешивания зерна и воды, форсунки 6 для подачи в увлажнительную машину воды, горловину выгрузки увлажненного зерна 7, привод винтового рабочего органа 8 и приводную шестеренчатую передачу винтового рабочего органа 9. Конический бункер для отволаживания зерна 10 /62/, включающий загрузочное окно увлажненного зерна 11, рабочую камеру бункера 12, перемешивающий шнек 13, привод перемешивающего шнека 14, задатчик режима работы шнека 15, планетарную шестеренчатую передачу привода поступательного движения шнека 16, шестеренчатую передачу привода вращательного движения шнека 17, планетарную шестерню 18, патрубок выгрузки зерна из бункера 19 и плоскую заслонку 20. Установку непрерывного действия для комбинированной обработки зерна подогретым теплоносителем и СВЧ-энергией 21 /63/, состоящую из вертикальной проточной рабочей камеры волноводного типа для обработки зерна ЭМП СВЧ 22 /36/, защитного корпуса СВЧ-блока 23, корпуса конвективного теплообменника-нагревателя зерна 24, приемно-распределительного бункера зерна 25, верхнего перфорированного конуса теплообменника-нагревателя 26, нижнего (обратного) перфорированного конуса теплообменника-нагревателя 27, магнетрона, генерирующего СВЧ-энергию 28, вентилятора индивидуального охлаждения магнетрона 29, гибкого рукава 30, соединяющего вентилятор охлаждения с теплоотдающим радиатором магнетрона, трубы-продуктопровода из радиопрозрачного материала 31, конуса выгрузки зерна из камеры СВЧ-обработки 32 и зарешеченного отверстия 33 для забора окружающего воздуха в систему индивидуального охлаждения магнетронов. Установку химического протравливания 34 /20/, которая включает окно загрузки зерна 35, корпус машины 36, рабочую камеру ввода в частично обеззараженное зерно водного(ой) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а) и их предварительного перемешивания 37, рабочую камеру окончательного перемешивания водного(ой) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а) с зерном 38, перегородку 39, разделяющую камеры 37 и 38, прохода 40 для перемещения перемешиваемых компонентов из камеры 37 в камеру 38, рабочие органы транспортирования и смешивания 41, представляющие собой валы 42 с установленными на них по всей длине по винтовой линии вильчатыми элементами 43 и с размещенными в начале и в конце валов (у торцевых стенок камеры) витками шнека с обратной навивкой 44, форсунки 45, установленные в камере 37 вдоль всей длины вала 42 и служащие для подачи в установку химического протравливания в распыленном состоянии водного(ой) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а), дроссели 46, предназначенные для выравнивания давления и регулирования производительности форсунок, которые установлены перед форсунками 45 на трубопроводе 47 для подачи водного(ой) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а), окно выгрузки обеззараженного зерна 48, привода 49, который соединен через редуктор 50 и шестеренчатую передачу 51 с валами 42 рабочих органов транспортирования и смешивания 41.
Кроме того, технологическая линия (фиг. 1) включает: установку конвективного нагрева зерна 52 и охладитель зерна 53 (две отдельные машины одинаковой конструкции) /32, стр. 83-84 рис. 49/, и установку СВЧ-обработки зерна 54 /35/.
Способ комбинированного обеззараживания зерна и семян с использованием СВЧ-энергии осуществляется следующим образом. Сухое очищенное зараженное зерно поступает через горловину загрузки 2 в рабочую камеру увлажнения 4 увлажнительной машины 1, где винтовым рабочим органом 5, вращающимся в корпусе машины 3, транспортируется непрерывным потоком. При перемещении в рабочей камере в зерно форсунками 6 в постоянном режиме впрыскивается вода, после добавления которой, в процессе транспортирования, винтовой рабочий орган 5 машины перемешивает воду с зерновым материалом, обеспечивая его равномерное увлажнение. Вода, попадая в зерно, уже при увлажнении частично впитывается в оболочки зерновых частиц. После завершения операции увлажнения зерно через горловину выгрузки 7 удаляется из увлажнительной машины и поступает через загрузочное окно 11 в рабочую камеру 12 конического бункера для отволаживания зерна 10, при заполнении которого, посредством привода 14 включается в работу перемешивающий шнек 13, осуществляющий непрерывное или периодическое перемешивание зерна, управляющееся задатчиком режима работы 15, в процессе отволаживания, что позволяет избежать возникновение в зерне зон неравномерной влажности, характерных для плотного стационарного слоя материала. Повышение качества распределения влаги по объему отволаживаемого зерна обеспечивается за счет сложного движения шнека, совершающего кроме вращательного движения, посредством шестеренчатой передачи 17, еще и поступательное вокруг конусной рабочей камеры бункера движение, посредством планетарной шестеренчатой передачи 16, сообщающего слою материала в бункере движение по спирали. Отволаживание происходит при полностью закрытой плоской заслонке 20 патрубка выгрузки зерна 19 из бункера. В процессе отволаживания вся ранее остававшаяся на поверхности зерновых частиц и в межзерновом пространстве вода (влага) полностью поглощается зерном, проникает в организмы разных видов фитопатогенной микрофлоры и, в частности плесневых грибов, мицелий которых может глубоко прорастать в зерновые частицы из-за чего его трудно уничтожить. Процесс отволаживания заканчивается после проникновения влаги в периферийные слои эндосперма или семядолей зерна, в которых вместе с оболочками сосредоточена основная часть вредной микрофлоры, поражающей зерновой материал, при этом заслонка патрубка выгрузки зерна открывается и отволоженное зерно поступает в приемно-распределительный бункер 25, расположенный в корпусе конвективного теплообменника-нагревателя 24 установки комбинированной обработки зерна 21. Из этого приемно-распределительного бункера зерно подается на верхний перфорированный конус 26, по которому равномерно распределяется и движется тонким плотным слоем, при этом через зерно продувается подогретый теплоноситель, поступивший из систем индивидуального охлаждения магнетронов, и нагревает его. Затем зерно попадает на нижний (обратный) перфорированный конус 27, по которому также перемещается тонким плотным слоем и через который также продувается подогретый теплоноситель, в результате чего нагрев зерна продолжается и обеспечивает его обеззараживание от части вредных микроорганизмов. С нижнего конуса предварительно нагретое зерно поступает в трубу-продуктопровод из радиопрозрачного материала 31, расположенную в вертикальной проточной рабочей камере волноводного типа 22, где проводится четырехсторонняя обработка непрерывно перемещающегося в плотном слое материала в электромагнитном поле СВЧ, но при этом обеспечивается уровень нагрева, не снижающий показателей качества зерна. Причем магнетрон, генерирующий СВЧ-энергию 28, и передающий электромагнитное поле СВЧ по согласующему волноводу в рабочую камеру установки, включается и работает только при заполненной зерном рабочей камере, а выключается, когда приемно-накопительный бункер зерна становится пустым, что необходимо соблюдать для предотвращения выхода из строя магнетронов. Надежную работу магнетрона обеспечивает также система его индивидуального охлаждения, включающая вентилятор 29, который забирает воздух из окружающей среды через зарешеченное отверстие 33 установки и подает его через гибкий рукав 30 к теплоотдающему радиатору магнетрона, на выходе из которого получаем отработанный охлаждающий воздух (подогретый теплоноситель). Теплоноситель из систем индивидуального охлаждения всех магнетронов СВЧ-блока установки комбинированной обработки зерна складывается в защитном корпусе СВЧ-блока 23 в общий поток, который направляется для нагрева зерна к перфорированным конусам в корпус конвективного теплообменника-нагревателя. СВЧ-обработка увлажненного и прошедшее отволаживание зерна вызывает интенсивный нагрев и испарение содержащейся в нем воды, при этом зерновой материал не повреждается, а погибает еще одна часть содержащихся в нем вредных микроорганизмов и плесневых грибов, так как они содержат в единице объема своего организма значительно больше влаги, чем зерно. В недоступных для увлажнения зонах зерновых частиц материала паразитическая микробиота тоже ингибируется за счет тепловых и нетепловых СВЧ-эффектов, возникающих в тканях и клетках фитопатогенов, содержащих изолированную свободную влагу, обязательное наличие которой связано с физиологическими особенностями и иммунитетом вредных микроорганизмов с низкой начальной влажностью. Прошедшее микроволновую обработку частично обеззараженное зерно через конус выгрузки зерна 32 удаляется из рабочей камеры СВЧ-воздействия установки комбинированной обработки зерна, после чего, в зависимости от принятых режимов обеззараживания, напрямую или после охлаждения поступает через окно загрузки 35 в рабочую камеру ввода в частично обеззараженное зерно водного(ой) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а) и их предварительного перемешивания 37, где захватывается вильчатыми элементами 43 рабочего органа транспортирования и смешивания 41, вращающегося в корпусе машины 36, и перемещается непрерывным потоком. По ходу движения зерна в рабочей камере 37 на поверхность его слоя происходит равномерное распыление в непрерывном режиме форсунками 45 водного(ой) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а) (фиг. 2), после добавления которого(ой), в процессе транспортирования, рабочий орган 41 установки предварительно перемешивает жидкий протравливающий реагент с зерновым материалом. Переместившись к концу рабочей камеры 37 химически протравленное зерно рабочим органом транспортирования и смешивания 41 направляется через проход 40 в рабочую камеру окончательного перемешивания водного(ой) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а) и зерна 38, где захватывается вильчатыми элементами 43 находящегося в ней рабочего органа транспортирования и смешивания 41 и перемещается к окну выгрузки 48 химически протравленного материала из установки, при одновременном перемешивании и повышении равномерности распределения по поверхности зерновых частиц жидкого протравливающего реагента. Таким образом, водный(ая) раствора или смеси пестицида(ов) с пониженной концентрацией протравливающего(их) веществ(а), попадая в зерно, впитывается в его плодовые и семенные оболочки, его компоненты проникают глубоко в инфицированные ткани зерновых частиц и за счет отравляющего(их) действующего(их) вещества(в) содержащегося(ихся) в пестициде или смеси пестицидов, уничтожает оставшихся в материале возбудителей фитопатогенных инфекций. Прошедшее химическое протравливание зерно поступает на охлаждение или на сушку, а затем охлаждение, или сразу же (в течение одних суток после обработки) используется в качестве посевного материала, а после предварительной подготовки, как сырье для переработки на технические и кормовые цели.
В одном из вариантов способа комбинированного обеззараживания зерна и семян с использованием СВЧ-энергии, в котором необходимо охлаждение зерна между этапом конвективного нагрева и этапом обработки материала в ЭМП СВЧ, процесс обезвреживания зернового материала, согласно технологической линии (фиг. 1), протекает с немного другим составом технических средств. Зерно после отволаживания, на выходе из патрубка выгрузки зерна 19 конического бункера 10, поступает в установку конвективного нагрева 52 /32, стр. 83-84 рис. 49/, в которой за счет продува через плотный гравитационно перемещающийся слой материала подогретого теплоносителя он нагревается и частично обеззараживается, затем предварительно нагретое зерно поступает в охладитель зерна 53, который по конструкции одинаков с установкой 52, только вместо горячего теплоносителя через слой зерна в ней продувается атмосферный воздух. В процессе охлаждения обеспечивается снижение температуры зерна на величину не более 3-8°С, что гарантирует сохранность качества зерна при тепловой обработке на последующих этапах способа. После снижения температуры зернового сырья оно все еще остается нагретым и поступает в установку СВЧ-обработки 54 /35/, в которой в плотном непрерывно перемещающемся слое интенсивно нагревается и обеззараживается, а затем, в зависимости от принятых режимов комбинированной дезинфекции, напрямую или после охлаждения поступает на химическое протравливание (фиг. 1).
Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение качества обеззараживания зерна и семян с высокой исходной зараженностью фитопатогенными инфекциями, снижает загрязнение окружающей среды пестицидами, увеличивает производительность способа, повышает эффективность процесса по количеству уничтожаемых возбудителей болезней зерна, обеспечивает равномерность обеззараживания и универсальность при обработке зерна и семян разных сельскохозяйственных культур.
Источники информации
1. Заявка №2013131878 РФ, МПК В02В 5/00. Способ обеззараживания зернового сырья / Г.С. Тесленко, Н.А. Агудаличева, Г.В. Акопян, О.Г. Бамбура, Е.Г. Волина, О.А. Чурикова, Л.Е. Саруханова, Я.Р. Саруханова. - №2013131878/10, заявл.: 11.07.2013, опубл.: 20.01.2015, Бюл. №2.
2. Patent application number WO №97/38734 A1, Int. C1. A61L 2/04, A01C 1/00. Heat disinfection of seeds / K. Alness, S. Andersson, S. Bergman (ACANOVA AB, SE), Agent: Perneborg H. et al., Uppsala  AB (SE). - №9601382-6 SE (Int. Application Number PCT/SE 97/00549, 10.04.1997), Priority Date: 12.04.1996; Int. Publication Date: 23.10.1997.
3. Патент №2537919 РФ, МПК A01C 1/00. Способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур / В.А. Федотов, И.В. Алтухов, В.Д. Очиров. - №2013100424/13, заявл.: 09.01.2013, опубл.: 10.01.2015, Бюл. №1. - 7 с.
4. Патент №2222133 РФ, МПК А01С 1/08. Способ обеззараживания семян зерновых культур / Н.А. Болотов, Е.Е. Кашкин; Заявители и патентообладатели: Воронежский гос. аграрный ун-т им. К.Д. Глинки, ООО НПФ «Айболит». - №2000111678/13, заявл.: 10.05.2000, опубл.: 27.01.2004, Бюл. №3.
5. Patent application number №2521786 СА, Int. C1. A01M 21/04. Procede de destruction des semences / P. Klaptchuk, Agent: Furman & Kallio. - №2521786 (Int. Application Number PCT/CA04/000524, 07.10.2005), Filing Date: 07.04.2004; Publication Date: 07.10.2005.
6. A.c. №950214 СССР, МКИ A01C 1/00. Способ предпосевной обработки семян / Н.В. Цугленок; Заявитель и патентообладатель: Красноярский сельскохозяйственный ин-т. - №3262574/30-15, заявл.: 22.12.1980; опубл.: 15.08.1982, Бюл. №30. - 2 с.
7. Заявка №2013128970 РФ, МПК G06Q 50/02. Производственные базы, способы и устройство для обработки семян / Г.А. Рейнессиус, Д.Э. Ван дер Вестхейзен, А.В. Гейсс, Б.В. Мэй, Т.С. Раманараянан, М.Ж. - М. Андрие; Заявитель и патентообладатель: БАЙЕР КРОПСАЙЕНС ЭлПи (US). - №2013128970/13, заявл.: 08.12.2011, опубл.: 20.01.2015, Бюл. №2. - 13 с.
8. Patent application number №20140051573 US, Int. Pat. C1. A01N 63/00. Seed treatment method and composition / C. Becco, Buenos-Aires (AR); Assignees: Syngenta Participations AG, Basel (CH). - Application №14/114,234 (Int. Application Number PCT/EP12/5 8331, 07.05.2012); Filing Date: 28.10.2013; Publication Date: 20.02.2014.
9. Патент №2538817 РФ, МПК A01C 1/00. Способ предпосевной обработки семян зерновых культур / В.А. Федотов, О.Н. Цыдыпова, И.В. Алтухов, В.Д. Очиров; Заявитель и патентообладатель: ФГБОУ ВПО Иркутская государственная сельскохозяйственная академия. - №2013133067/13, заявл.: 16.07.2013, опубл.: 10.01.2015, Бюл. №1. - 4 с.
10. А.с. №563938 СССР, МКИ A01C 1/00. Способ обработки семян сельскохозяйственных культур / Н.В. Цугленок, Г.И. Цугленок; Заявитель и патентообладатель Челябинский ин-т мех. и электр. сельского хозяйства - №2054666/15, заявл.: 23.08.1974; опубл.: 05.07.1977, Бюл. №25. - 2 с.
11. Птицын С.Д. Зерносушилки / С.Д. Птицын. - М.: Машиностроение, 1966. - С. 38.
12. Горелова Е.И. Основы хранения зерна / Е.И. Горелова. - М.: Агропромиздат, 1986. - С. 77-78, 82, 85, 87, 90, 95, 99, 103, 108, 110, 113, 118.
13. Бутковский В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства / В.А. Бутковский. - М.: Колос, 1981. - С. 50.
14. Технология переработки зерна / Я.Н. Куприц, Г.А. Егоров, Е.М. Гинзбург и др.; Под ред.: Г.А. Егорова. - Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Агропромиздат, 1977. - С. 103-105.
15. Егоров Г.А. Технологические свойства зерна / Г.А. Егоров. - М.: Агропромиздат, 1985. - С. 195-196.
16. Егоров Г.А. Технология и оборудование мукомольно-крупяного и комбикормового производства / Г.А. Егоров, Е.М. Мельников, В.Ф. Журавлев. - М.: Колос, 1979. - С. 100-101, 105, 90.
17. Мачихина Л. Микробиологические аспекты сохранности и безопасности зерна и зернопродуктов (окончание) / Л. Мачихина, Л. Львова, О. Кизленко // Хлебопродукты. - 2005. - №11. - С. 36-39.
18. А.с. №393974 СССР, МКИ А01С 1/08. Камера протравливания / Б.В. Пушкарев, В.А. Вялых; Заявитель и патентообладатель: ВНИИ защиты растений. - №1752998/30-15, заявл.: 28.02.1972; опубл.: 22.08.1973, Бюл. №34.
19. Кленин Н.И. Сельскохозяйственные машины (элементы теории рабочих процессов, расчет регулировочных параметров и режимов работы) / Н.И. Кленин, И.Ф. Попов, В.А. Сакун. - М.: Колос, 1970. - С. 174.
20. Патент на полезную модель №123346 РФ, МПК B01F 7/00. Устройство для внесения жидких смесей в сухие корма / В.И. Пахомов, А.С. Алферов, А.В. Смоленский, В.А. Михайлов; Заявитель и патентообладатель: ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии. - №2012131981/05, заявл.: 25.07.2012, опубл.: 27.12.2012, Бюл. №36. - 3 с.
21. Патент на полезную модель №147218 РФ, МПК В02В 1/00. Увлажнитель зерна / А.А. Жашков, И.Н. Маслов; Заявитель и патентообладатель: ФГБОУ ВПО Воронежский гос. ун-т инженерных технологий. - №2014128921/13, заявл.: 14.07.2014, опубл.: 27.10.2014, Бюл. №30.
22. Патент №2539207 РФ, МПК В02В 1/04. Машина и способ для увлажнения зерновой культуры жидкостью / Д.О. Греф; Заявитель и патентообладатель: ВИБРОНЕТ ГРЕФ ГМБХ УВД КО. КГ, Федеративная республика Германия. - №2013132391/13, заявл.: 06.12.2011 (конвенц. приор.: 17.12.2010 DE, №102010061318.5), опубл.: 20.01.2015, Бюл. №2. - 21 с.
23. Корнеев Г.В. Транспортеры и элеваторы сельскохозяйственного назначения / Г.В. Корнеев. - М. - Киев: Машгиз, 1961. - С. 170-171, 173, 181.
24. Бутковский В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства / В.А. Бутковский. - М.: Колос, 1981. - С. 47.
25. Егоров Г. Термодинамическое взаимодействие зерна с водой / Г. Егоров // Хлебопродукты. - 2004. - №2. - С. 22-23.
26. Мачихина Л. Повреждение зерна на поле и при хранении / Л. Мачихина, Л. Львова, Л. Алексеева // Комбикорма. - 2006. - №3. - С. 65-66.
27. Грабовский Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1974. - С. 184.
28. Жидко В.И. Зерносушение и зерносушилки / В.И. Жидко, В.А. Резчиков, B.C. Уколов. - М.: Колос, 1982. - С. 59.
29. Смирнова Т.А. Микробиология зерна и продуктов его переработки / Т.А. Смирнова, Е.И. Кострова. - М.: ВО «Агропромиздат», 1989. - С. 121-123.
30. Родникова А.А. Экспресс-контроль уровня микотоксинов в зерне и продуктах его переработки при длительном хранении / А.А. Родникова, С.Л. Белецкий // Хлебопродукты. - 2016. - №12. - С. 46-47.
31. Сакун В.А. Сушка и активное вентилирование зерна и зеленых кормов / В.А. Сакун. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Колос, 1974. - 216 с.
32. Установки для сушки зерна за рубежом. Обзор зарубежной литературы / Г.С. Окунь, С.Д. Птицын, А.Г. Чижиков; Под ред. и с предисл. Н.Н. Ульриха. - М.: Сельхозиздат, 1963. - 255 с.
33. Жидко В.И. Зерносушение и зерносушилки / В.И. Жидко, В.А. Резчиков, B.C. Уколов. - М.: Колос, 1982. - С. 85.
34. А.с. №1238490 СССР, МКИ F26B 3/347. Сверхвысокочастотная сушилка непрерывного действия / В.А. Железников, В.И. Пахомов, В.И. Шустов, Н.В. Карамышев, В.К. Стребнюк; Заявитель и патентообладатель: ВНИПТИМЭСХ; Гриф «Для служебного пользования». - №383672/24-06, заявл.: 03.01.1985, не публиковалось.
35. Патент №2382529 РФ, МПК Н05В 6/64. Устройство для электромагнитной обработки сыпучих диэлектрических материалов / О.А. Морозов, М.Ф. Воскобойник, А.Н. Каргин, И.Г. Воробьев, В.И. Пахомов; Заявитель и патентообладатель: ЗАО «НГШ «Магратеп». - №2009111520/09, заявл.: 31.03.2009; опубл.: 20.02.2010, Бюл. №5.
36. Патент на полезную модель №134726 РФ, МПК Н05В 6/64. Устройство для непрерывной СВЧ-обработки сыпучих сельскохозяйственных материалов/ А.И. Пахомов, В.И. Пахомов, В.А. Максименко; Заявитель и патентообладатель: ГНУ СКНИИМЭСХ Россельхозакадемии. - №2013107522/07, заявл.: 20.02.2013; опубл.: 20.11.2013, Бюл. №32.
37. А.с. №1316645 СССР, МКИ A230L 3/32, Н05В 6/78. Устройство для непрерывной СВЧ-обработки продуктов / В.В. Ершов, Л.И. Кац; Заявитель и патентообладатель: НИИ механики и физики Саратовского государственного ун-та. - №3770010/31-13, заявл.: 06.07.1984; опубл.: 16.06.1987, Бюл. №22. - 3 с.
38. Патент №2311002 РФ, МПК Н05В 6/78. Устройство для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов / А.В. Бастрон, А.В. Мещеряков, Н.В. Цугленок; Заявитель и патентообладатель: ФГОУ ВПО Красноярский ГАУ. - №2006119391/09, заявл.: 02.02.2006; опубл.: 20.11.2007, Бюл. №32.
39. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Ю.С. Архангельский. - Саратов: Саратовский гос. техн. ун-т, 1998. - С. 295.
40. Бородин И.Ф. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве / И.Ф. Бородин, Г.А. Шарков, А.Д. Горин // Серия: «Механизация и электрификация сельского хозяйства». - М.: ВНИИТЭИ Агропром, 1987. - С. 3-4, 8-9.
41. Юсупова Г.Г. Обеспечение микробиологической безопасности зернового продовольственного сырья / Г.Г. Юсупова, Ю.И. Кретова, Э.И. Черкасова, М.О. Черкасова // Хлебопродукты. - 2013. - №4. - С. 60-63.
42. Трисвятский, Л.А. Хранение зерна / Л.А. Трисвятский. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985. - С. 96-135.
43. Львова Л.С. Переработка зерна пшеницы пораженного фузариозом / Л.С. Львова, А.В. Яицких // Пищевая промышленность. - 2013. - №8. - С. 34-36.
44. Горячев С.Н. Изучение состояния воды у микроорганизмов с малой влажностью: автореф. дис. … канд. биол. наук: 03.00.02. - М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 1979. - 21 с.
45. Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений / Э.Ш. Исмаилов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С. 86-87, 103-104, 121-123.
46. Птицын С.Д. Зерносушилки / С.Д. Птицын. - М.: Машиностроение, 1966. - С. 52-57.
47. Жидко В.И. Зерносушение и зерносушилки / В.И. Жидко, В.А. Резчиков, B.C. Уколов. - М.: Колос, 1982. - С. 154-157.
48. Патент №2492613 РФ, МПК А01С 1/06. Устройство для протравливания семян / С.М. Яхин, Р.Ш. Марданов, И.И. Алиакберов; Заявитель и патентообладатель: ФГБОУ ВПО Казанский ГАУ. - №2012106940/13, заявл.: 27.02.2012, опубл.: 20.09.2013, Бюл. №26 - 6 с.
49. Костюкевич Н.Ф. Протравливатель семян ПСШ-5 / Н.Ф. Костюкевич // Техника в сельском хозяйстве. - 1983. - №4. - С. 31-32.
50. Список пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации. Справочное издание (по состоянию на 15.01.2015 г.) / Приложение к журналу «Защита и карантин растений». - М., 2015. - 720 с.
51. Абеленцев В.И. Возможности современных протравителей семян зерновых колосовых культур / В.И. Абеленцев // Защита и карантин растений. - 2011. - №2. - С. 19-21.
52. Шильцова М.А. Храните ваши деньги в пестицидах / М.А. Шильцова // Защита и карантин растений. - 2016. - №4. - С. 33-34.
53. Долженко В.И. Протравливание семян зерновых культур / В.И. Долженко, Г.И. Сухорученко, Л.Д. Гришечкина, Л.А. Буркова, Л.И. Силаев, С.Д. Сдрожевская, Е.Б. Белых, А.С. Комарова // Защита и карантин растений (приложение к журналу). - 2014. - №2. - С. 61-67.
54. Павлюшин В.А. Интегрированная защита озимой пшеницы / В.А. Павлюшин, В.И. Долженко, A.M. Шпанев, А.Б. Лаптев и др. // Защита и карантин растений (приложение к журналу). - 2015. - №5. - С. 51-54.
55. Веневцев В.З. Комплексное действие протравливания озимых зерновых культур / В.З. Веневцев // Защита и карантин растений. - 2014. - №9. - С. 21-22.
56. Гришечкина Л.Д. Фунгицид для защиты озимой пшеницы от комплекса инфекций / Л.Д. Гришечкина, Т.И. Ишкова, О.В. Кунгурцева // Защита и карантин растений. - 2013. - №6. - С. 46-48.
57. Чирков М.В. Протравливание семян зерновых культур препаратом тир / М.В. Чирков, Г.П. Москаленко, К.А. Балашова // Защита и карантин растений. - 2011. - №3. - С. 24.
58. Кулагин О.В. Для оздоровления семян пшеницы / О.В. Кулагин, М.Т. Егорычева, П.И. Кудашкин // Зашита и карантин растений. - 2011. - №2. - С. 23.
59. Семынина Т.В. Особенности инфицирования семян зерновых культур патогенами/ Т.В. Семынина // Защита и карантин растений. - 2012. - №2. - С. 20-21.
60. Назарова Л.Н. Защита семенных посевов озимой пшеницы от болезней в Центральном регионе РФ / Л.Н. Назарова, Т.П. Жохова, Т.М. Полякова, Л.Г. Корнеева // Зашита и карантин растений. - 2013. - №5. - С. 54-55.
61. Тютерев С.Л. Механизмы действия фунгицидов на фитопатогенные грибы / С.Л. Тютерев. - Санкт-Петербург: ИПК «Нива», 2010. - С. 7-53.
62. Пахомов В.И. Организационно-технологические основы создания блочно-модульных внутрихозяйственных комбикормовых предприятий. Монография/ В.И. Пахомов. - Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2001. - С. 176-178.
63. Пахомов А.И. Рациональные принципы построения сельскохозяйственных СВЧ-установок / А.И. Пахомов // Хранение и переработка зерна. - 2014. - №7. - С. 53-56.