СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЗЕРНА И СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
METHOD OF DISINFECTION OF GRAIN AND SEEDS OF AGRICULTURAL CROPS

Изобретение относится к способам послеуборочной и предпосевной обработки зерна и семян сельскохозяйственных культур разного целевого назначения, к способам подготовки зерновых материалов к хранению и переработке, и может быть использовано в сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности, в системе хлебопродуктов и хранения зерна, а также в смежных с ними отраслях промышленности.
Известен способ обработки семян сельскохозяйственных культур /1/, содержащих 8-14% влаги, который осуществляется путем пропускания через слой семян озоновоздушного агента, получаемого путем смешивания потоков озонированного, увлажненного и нагретого воздуха, с температурой превышающей температуру массы семян на 5-12°C и обеспечивающего увеличение влажности семян на 0,5-3%.
Недостатками данного способа обработки являются низкая эффективность обеззараживания из-за малой скорости протекания взаимодействий озона в воздушной фазе с вредной микрофлорой зерна, большая продолжительность процесса, периодичность способа и низкая производительность по обрабатываемому материалу, неравномерность обработки семян в толстом стационарном слое. Значительные выбросы озона вместе с отработанным агентом (воздухом) в окружающую среду оказывают отрицательное воздействие на здоровье обслуживающего персонала и экологию /2, 3/.
3
Известен способ стимулирования прорастания семян /4/, который включает замачивание их в воде, обработанной озоновоздушной смесью с концентрацией озона 150-900 мг/м в течение 10-30 мин, с продолжительностью замачивания в течение 6 часов и последующим проращиванием.
К недостаткам способа стимулирования прорастания следует отнести высокий риск вторичного заражения семян плесневыми грибами и бактериями и ограниченность целевого хозяйственного использования семян из-за высокой остаточной влажности после замачивания, низкую экологическую безопасность способа из-за необходимости утилизации отработанной озонированной воды, сильно загрязненной минеральными примесями и органическими остатками, большая продолжительность и низкая пропускная способность процесса по обрабатываемому семенному материалу.
3
Известен способ изготовления муки из обработанного озоном зерна 151, согласно которому очищенное и увлажненное зерно предварительно или одновременно с размолом вводят в контакт с озоном, полученным из газа-носителя, в количестве от 0,5 до 20 граммов озона на килограмм зерна, при этом служащую для увлажнения зерна воду предварительно обрабатывают озоном. При осуществлении способа продолжительность контакта зерна с озоном, содержащемся в газе-носителе, составляет от 5 до 70 мин. Используемый озон получают из сухого газа-носителя или сухого и увлажненного газа-носителя, при этом концентрация озона в газе-носителе при нормальных температуре и давлении составляет от 80 до 160 г/м. Давление газа-носителя в процессе контакта с зерном составляет от 20 до 50 кПа, а контакт зерна с озоном осуществляют в непрерывном или прерывистом режиме при внутренней рециркуляции зерна.
Недостатками данного способа являются невысокая эффективность и низкая интенсивность обеззараживания при уничтожении субстратного мицелия плесневых грибов, высокая стоимость и сложность технологической реализации процесса, узкая направленность хозяйственного использования обработанного зерна, низкая универсальность по составу обрабатываемых сельскохозяйственных культур, экологическая опасность выбросов озона с отработанным газом-носителем в окружающую среду из-за его высокой токсичности.
Известен способ для дезинфекции поверхности /6/, включающий подачу озона в воду с последующим многоструйным распылением озонированной воды на обрабатываемую поверхность при отрицательном окружающем давлении воздуха, при этом струи и брызги реакционной текучей среды расположены так, чтобы создавать перекрывающийся рисунок распыливания на дезинфицируемую поверхность. С целью повышения эффективности распыливания озонированная вода подается в распылительную головку с множеством отверстий диаметром от 0,2 до 1,5 мм под давлением от 50 до 100 мбар. Остаточный газообразный озон отводится из зоны обработки воды и химически или термически разрушается. Использованная озонированная вода поступает на повторное озонирование и снова используется для дезинфекции поверхности.
Недостатками способа являются непригодность для дезинфекции большого количества дисперсных сыпучих материалов с развитой поверхностью, неравномерность обработки продукта по объему, высокая энергоемкость и стоимость способа из-за необходимости создания отрицательного давления в зоне обработки, низкая эффективность в борьбе с инфекциями внутри материала, неполное обеззараживание поверхности из-за остаточного содержания инфекций в воде, прошедшей повторное озонирование и снова используемой для дезинфекционной обработки.
Известен способ инактивации антипитательных веществ соевых бобов /7/, в котором применяется промывка цельных соевых бобов водой, замачивание их в щелочном растворе со значением pН 8,3-8,5 до степени набухания 0,3-0,35, а затем термическая обработка сырья в поле токов СВЧ при градиенте температуры 7-9°С/мин до достижения им влажности 8-12%.
К недостаткам способа относятся получение эффекта обеззараживания применительно к узкому видовому составу плесневых грибов и бактерий, поражающих зерно, потеря зерновым материалом жизнеспособности в процессе обработки, низкая производительность способа по количеству обрабатываемого материала.
Наиболее близким аналогом является способ обеззараживания зерна и семян сельскохозяйственных культур /8/, включающий увлажнение зерна и последующую его обработку.
Недостатками данного способа являются: низкая эффективность уничтожения фитопатогенной микрофлоры внутри зерновых частиц, высокий риск вторичного заражения зерна после обработки из-за его повышенной поверхностной влажности на выходе процесса, значительные непроизводственные затраты времени на подготовку к обеззараживанию, наличие эффекта обеззараживания по отношению к узкому видовому составу плесневых грибов, бактерий, дрожжей и других инфекций и паразитов зерна, снижение качества зернового материала из-за неравномерности обработки.
Задачей изобретения является повышение интенсивности и равномерности обеззараживания зерна и семян, расширение видового состава и увеличение количества уничтожаемой фитопатогенной микрофлоры, повышение эффективности обеззараживания от плесневых грибов, бактерий и других микроорганизмов, находящихся во внутренних тканях зерновых частиц, совмещение подготовительных операций к обеззараживанию с процессом обеззараживания, увеличение производительности способа по количеству обрабатываемого материала, обеспечение безопасности обслуживающего персонала и экологии окружающей среды, универсализация процесса по обеззараживанию зерна разного целевого назначения и разных сельскохозяйственных культур.
Для достижения поставленной задачи в способе обеззараживания зерна и семян сельскохозяйственных культур, включающем увлажнение зерна и последующую его обработку, на обеззараживание поступает сухое очищенное зерно, обработка которого осуществляется в три последовательных этапа: на первом этапе - перемещающееся в потоке зерно равномерно увлажняют неподогретой озонированной водой до полного насыщения влагой его плодовых оболочек, на втором этапе - зерно отволаживают до проникновения влаги в периферийные слои эндосперма или семядолей и одновременно перемешивают, на третьем этапе - зерно, непрерывно подаваемое в плотном слое, обрабатывают в электромагнитном поле сверхвысокой частоты, а после обработки сушат до безопасной для хранения влажности.
Перемещающееся в потоке зерно, это каждая отдельная зерновая частица (зерновка, семя, единичное зерно) непрерывно перемещающееся 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 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 /9-11/, связана с тем, что при данном уровне влажности плодовые оболочки и основная часть микрокапилляров в зерновых частицах, свободны от влаги, поэтому имеют максимальную влагоемкость (что обеспечивает наибольшее количество впитываемой ими озонированной воды), а процесс поглощения влаги зерновым материалом, после его увлажнения и в ходе отволаживания, будет протекать без искажения, относительно известных данных /12/, по продолжительности и глубине проникновения влаги в зерно.
Процесс очистки сам по себе снижает содержание в зерне и семенах фитопатогенной микрофлоры и токсичных продуктов ее жизнедеятельности /13/, которые в значительном количестве находятся в самих примесях. Кроме того, в процессах увлажнения и отволаживания зерна, все виды примесей, обладающие более высокой гигроскопичностью, чем зерновой материал, будут поглощать озонированную воду, тем самым снижая ее количество, попадающее в зерно, и уменьшая эффективность обеззараживания, из-за меньшего поступления озона и продуктов его разложения и взаимодействия с водой, являющихся антисептиками, что объясняет необходимость использования при реализации способа 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» /10, 11/.
Равномерное увлажнение перемещающегося в потоке зернового материала может достигаться разными способами, например, распылением озонированной воды на зерно находящееся (сыплющееся) в зоне увлажнения в падающем кольцевом тонком слое /14/, а также двигающееся во вращающемся барабанном смесителе в плотном пересыпающемся слое /15/. Кроме того, поток зерна может перемещаться рабочими органами смешивающих устройств (разными видами шнеков, пружинами и др.) /16/ или транспортеров /17/ при порционной или непрерывной подаче в движущийся слой обеззараживаемого материала жидкого реагента (озонированной воды) разбрызгиванием, в распыленном состоянии, равномерно истекающей струей (или струями) и в другой форме.
Увлажнение зерна и семян активированной (озонированной) водой, в отличие от операции замачивания, подразумевает добавление в материал только технологически обоснованного количества жидкости (не более того, которое способно впитать зерно). Применение увлажнения решает проблему утилизации загрязненной воды, 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 и рабочих камер. При этом процесс уничтожения различных видов фитопатогенных микроорганизмов (плесневых грибов, бактерий, дрожжей и др.) и вредных (токсичных) продуктов их жизнедеятельности, содержащихся в зерновом материале, начинается с момента попадания озонированной воды на поверхность зерна и происходит на всех трех этапах заявляемого способа, то есть исключаются непроизводительные затраты времени, в которые не происходит уменьшения зараженности зерна по любому из видов вредной микрофлоры.
Интенсивность процесса дезинфекции (обеззараживания) зерна озонированной водой от вредной микрофлоры, а также универсальность и эффективность его действия по видовому составу уничтожаемых микроорганизмов связана с содержанием растворенного в воде молекулярного озона и образованием, благодаря нему, большого числа электрически и химически активных частиц - продуктов разложения и продуктов взаимодействия озона и воды /18, 19/, которые являются сильнейшими окислителями, активно вступающими в реакции, приводящие к разрушению и(или) серьезному повреждению (связанному с нарушением процессов роста, развития, жизнедеятельности и репродуктивных функций) спор микроорганизмов, оболочек бактерий, клеток дрожжей, мицелия плесневых грибов и других возбудителей болезней зерна и семян сельскохозяйственных культур /20-22/.
Использование при увлажнении зерна неподогретой озонированной воды позволяет применять более дешевый способ ее получения (за счет интенсификации процесса насыщения воды озоном, связанной с повышением растворимости озона в холодной воде /18/, достижения более высокой его концентрации в жидкой фазе за меньшую продолжительность времени и в связи с отсутствием энергозатрат на нагрев воды), кроме того в холодной озонированной воде снижается скорость процессов распада озона, что минимизирует непроизводительные потери действующего вещества (озона и продуктов его разложения и взаимодействия с водой) при транспортировании активированной жидкости до момента ввода ее в увлажняемый зерновой материал и тем самым обеспечивается более высокая скорость уничтожения фитопатогенных микроорганизмов и повышается качество обеззараживания зерна.
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 /23, 24/. 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 /23-25/, 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 /26/, 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.) /27/. Из всех физиологических процессов, связанных с развитием вредной микрофлоры (возбудителей болезней) зерна, наибольшее значение для эффективности заявляемого способа обеззараживания (на 3-ем этапе) 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 этапе обработки электромагнитным полем (ЭМП) сверхвысокой частоты (СВЧ).
Поскольку для обработки (увлажнения) зерна используется озонированная вода, содержащая растворенный молекулярный озон, продукты разложения и взаимодействия озона и воды (ионы, радикалы, ион-радикалы, перекись водорода, озониды и др.) /18, 19/, благодаря которым она сама по себе является сильным дезинфектантом (антисептиком), то уже при отволаживании происходит частичное уничтожение и повреждение вредных микроорганизмов, содержащихся в зерновом материале. Причем по мере проникновения озонированной воды от поверхности в более глубокие слои зерновок, разрушающее и(или) повреждающее воздействие озонированной воды на фитопатогенную микрофлору и токсичные продукты ее жизнедеятельности происходит сначала по отношению к поверхностным ее видам и веществам, а затем к расположенным во внутренних тканях зерна (субстратному мицелию плесневых грибов, отдельным видам микотоксинов и др.).
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 /12, 23/: 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 /12/.
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 /12/.
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 /28/, 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, что вызывает неравномерность эффекта обеззараживания от действия озонированной воды, а в дальнейшем, неравномерность дезинфекционной обработки электромагнитным полем сверхвысокой частоты (на 3-ем этапе). Поэтому в заявляемом способе обеззараживания при отволаживании необходимо выполнять 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 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 /13/, 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 озонированной воды в зерно при отволаживании.
Мицелий некоторых видов плесневых грибов проникает глубоко в центральные зоны эндосперма или семядолей зерна /13/, что при установленной глубине проникновения озонированной воды в частицы зернового материала, на первый взгляд не охватывает всю зону распространения фитопатогенных инфекций, а значит эта часть зерна не подвергается обеззараживанию ни активированной жидкостью (1-й и 2-й этапы способа), ни обработкой электромагнитным полем СВЧ (3-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.
Вода является ассоциированной жидкостью, молекулы которой представляют собой диполи из-за чего объединяются в устойчивые комплексы (ассоциаты, кластеры) /29/, что относится к одной из причин низкой скорости диффузии воды в зерно. Озонированная вода, является активированной. В ней за счет растворения озона, его распада и взаимодействий с водой образуется большое количества ионов /18, 19/, которые способствуют нарушению структурированности воды, разрыву межмолекулярных связей между ее молекулами и разрушению образуемых в воде кластеров /30/, при этом каждая из молекул воды становится независимой и приобретает дополнительную энергию, что повышает интенсивность диффузии влаги в зерно /26/. Применение в процессе увлажнения зерна неподогретой активированной (озонированной) воды, позволяет сократить продолжительность этапа отволаживания и тем самым интенсифицировать протекание всего заявляемого способа обеззараживания.
Подача прошедшего отволаживание зерна на этапе обработки электромагнитным полем СВЧ непрерывным потоком в плотном слое (в этом случае перемещение может происходить в горизонтальной плоскости /31/, вертикально (сверху вниз) под действием сил тяжести /32/, по сложной траектории /33, 34/ и другим образом), что обеспечивает поточность процесса, повышает производительность способа по количеству обрабатываемого материала, и позволяет сохранить качество зерна и семян за счет предотвращения их перегрева. Использование на третьем этапе процесса плотного слоя обеспечивает также наиболее полное поглощение зерном подводимой к нему энергии ЭМП СВЧ, что повышает эффективность обеззараживания и энергетический КПД процесса.
Применение обработки в электромагнитном поле СВЧ зернового материала, прошедшего отволаживание, обеспечивает интенсивное уничтожение наиболее устойчивых и глубоко расположенных в теле (в тканях) зерна и недоступных для предыдущего способа антисептического воздействия форм фитопатогенной микрофлоры. Эффективность инактивирующего воздействия ЭМП СВЧ к возбудителям болезней зерна связана с жесткостью его теплового режима обработки, что может быть опасно для жизнеспособности самого зернового материала. Но благодаря высокой избирательности микроволнового воздействия и проявлению максимального удельного тепловыделения от него только во влажных зонах зерна /35, 36/, которые предыдущими этапами обработки способа сосредоточены внутри организмов самой микрофлоры (в клетках бактерий, дрожжей, спор, в мицелии плесневых грибов, в гидратах микотоксинов и др.), возникновение эффекта уничтожения и разрушения биологических организмов под действием СВЧ-поля распространяется только на фитопатогенные инфекции, при этом качество зерна и семян не ухудшается, так как находящаяся в нем влага расположена в поверхностных слоях зерновых частиц в значительно меньшей удельной концентрации на единицу объема сухого вещества, чем в микрофлоре, имеет низкую прочность связей с сухим веществом зерна и при испарении не создает критического давления, способного разрушить зерновую частицу. Кроме того, положительный вклад в процесс обеззараживания зерна вносят реакции нетеплового воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на биологические объекты, которые связаны с нарушением нормального протекания или полным прекращением ионного обмена в клетках организмов и на мембранах клеток фитопатогенной микрофлоры /36/. Причем дисбаланс ионного обмена в организмах возбудителей инфекций зерна закладывается еще на двух предыдущих этапах заявляемого способа обработки из-за воздействия ионов, поглощенных микрофлорой из озонированной воды.
Необходимость сушки зерна и семян сельскохозяйственных культур после их обеззараживания заявляемым способом (на выходе с третьего этапа процесса) связана с тем, что ни на одном из этапов после увлажнения добавленная в зерновой материал влага не удаляется и после обработки, по величине влажности, он соответствует категории влажного или сырого /9/, а в таком состоянии зерно и семена не могут длительное время храниться без ухудшения качества и вторичного заражения фитопатогенной микрофлорой. Сушка обеззараженного материала может производиться разными способами (высокотемпературным или низкотемпературным конвективным способом, активным вентилированием, ИК-обработкой и др.) и заканчивается при достижении зерном влажности безопасной для хранения, т.е. когда зерно становится сухим /9/. Кроме того, непосредственно после обработки зерно может использоваться как посевной материал, так как уровень его влажности не ухудшает качество выполнения процесса посева, реализуемого в современных сеялках.
Сущность технического решения поясняется чертежом.
На фигуре показан один из вариантов компоновки конструктивно-технологической схемы линии для реализации способа обеззараживания зерна и семян сельскохозяйственных культур.
Предлагаемый способ обеззараживания выполняется в технологической линии (см. фиг.), 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 озонированной воды, горловины выгрузки увлажненного зерна 7 и привода винтового рабочего органа 8. Бункер для отволаживания зерна 9 /37/, включающий горловину загрузки зерна 10 в бункер, шнек с вертикальной осью вращения 11 для перемешивания зерна, привод шнека 12, экран (кожух) шнека 13, патрубки выгрузки зерна из бункера 14 и плоские заслонки 15. Перегрузочный скребковый транспортер 16, состоящий из горловин загрузки 17 и выгрузки 18 зерна из транспортера, цепи 19 со скребками, приводной звездочки цепи 20 и привода 21 скребкового транспортера. Установку для обработки зерна в ЭМП СВЧ 22 /32/, которая включает вертикальную проточную камеру СВЧ-обработки зерна 23, бункер-накопитель зерна 24, магнетрон 25, волноводы 26, защитный корпус СВЧ-установки 27 и конус выгрузки зерна 28 из камеры СВЧ-обработки.
Способ обеззараживания зерна и семян сельскохозяйственных культур 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 неподогретая озонирована вода, после добавления которой, в процессе транспортирования, винтовой рабочий орган 5 машины перемешивает воду с зерновым материалом, обеспечивая его равномерное увлажнение. Озонированная вода, попадая в зерно, еще при увлажнении частично впитывается в оболочки зерновых частиц и за счет содержащегося в ней растворенного озона и продуктов его распада и взаимодействия с водой (радикалов, ион-радикалов, перекиси водорода и др.) уничтожает или повреждает (нарушает целостность оболочек и тканей вредных микроорганизмов) поверхностную фитопатогенную микрофлору зерна, а также вступает в химические взаимодействия с микотоксинами, изменяя их строение на молекулярном уровне и тем самым нейтрализуя вредоносность. После завершения операции увлажнения зерно через горловину выгрузки 7 удаляется из увлажнительной машины и поступает через горловину загрузки 10 в бункер для отволаживания 9, по мере заполнения которого включается в работу шнек с вертикальной осью вращения 11, осуществляющий непрерывное перемешивание зерна в процессе отволаживания, что позволяет избежать возникновение в зерне зон неравномерной влажности, характерных для плотного стационарного слоя материала. Отволаживание происходит при полностью закрытых заслонках 15 патрубков выгрузки зерна 14 из бункера. В процессе отволаживания вся ранее остававшаяся на поверхности зерновых частиц и в межзерновом пространстве озонированная вода (влага) полностью поглощается зерном и при этом в нем продолжают происходить реакции обеззараживания от вредных микроорганизмов, инициируемые озоном и продуктами его распада и взаимодействий, с постепенным углублением зоны протекания этих реакций во внутренние ткани (слои) зерновых частиц (по мере впитывания активированной влаги). Кроме участия в процессах химического обеззараживания (на втором этапе обработки) поглощенная зерном влага активно проникает в организм 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 и которую может обезвредить (полностью или частично) озонированная вода, при этом заслонки патрубков выгрузки зерна открываются и отволоженное зерно постепенно высыпается в горловины загрузки 17 перегрузочного скребкового транспортера 16. В корпусе транспортера зерно захватывается скребками, закрепленными на цепи 19, при этом цепь приводится в движение через приводную звездочку 20 от привода 21, и поднимается на высоту загрузки в СВЧ-установку 22. Через горловину выгрузки 18 скребкового транспортера зерно поступает в бункер-накопитель 24, расположенный над камерой СВЧ-обработки, а из него в вертикальную проточную рабочую камеру 23, где производится обработка в ЭМП СВЧ непрерывно перемещающегося в плотном слое потока зернового материала. Причем магнетрон 25, генерирующий электромагнитное поле СВЧ, передаваемое по волноводам 26 в рабочую камеру установки, включается и работает только при заполненной зерном рабочей камере, а выключается, когда бункер-накопитель становится пустым, и это необходимо соблюдать для предотвращения выхода из строя магнетрона. СВЧ воздействие на увлажненное и прошедшее отволаживание зерно вызывает интенсивный нагрев и испарение содержащейся в нем воды, при этом зерновой материал не повреждается, а погибают все оставшиеся в нем вредные микроорганизмы и плесневые грибы, так как они содержат в единице объема своего организма значительно больше влаги, чем зерно. Прошедшее микроволновую обработку влажное обеззараженное зерно через конус выгрузки зерна 28 удаляется из рабочей камеры СВЧ-установки, после чего поступает на сушку или сразу же (в течение одних суток после обработки) используется в качестве посевного материала.
Предлагаемый способ обеззараживания обеспечивает интенсивность и равномерность обеззараживания зерна, повышает эффективность процесса по количеству и видовому составу уничтожаемой фитопатогенной микрофлоры в том числе, находящейся во внутренних тканях зерновок, увеличивает производительность способа, обеспечивает его экологическую безопасность и универсальность при обработке зерна разных сельхозкультур.
Источники информации
1. Патент №2369062 РФ, МПК A01C 1/00. Способ обработки семян сельскохозяйственных культур и устройство для его реализации / Е.В. Тышкевич, A.M. Курочкин (ГНУ Костромской НИИСХ). - №2008106179/13, заявл.: 18.02.2008; опубл.: 10.10.2009 // БИПМ. - 2009. - №18.
2. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров, врачей / Под ред.: Н.В. Лазарева и И.Д. Гадаскиной // В 3-х томах. Т.3: Неорганические и элементорганические соединения. - Изд. 7-е, пер. и доп. - Л.: Химия, 1977. - С.16-17.
3. Миляев В.А. Ядовитый озон. Новая экологическая угроза для России / В.А. Миляев, С.Н. Котельников // Экология и жизнь. - 2008. - №2. - С.53-54.
4. Патент №2169177 РФ, МПК С12С 1/00. Способ стимулирования прорастания семян / В.Г. Резчиков, А.В. Чурмасов, Г.К. Эльберт, А.А. Гаврилова (Нижегородская ГСХА, ОАО «Линдовская птицефабрика - племенной завод»). - №99109850/13, заявл.: 07.05.1999; опубл.: 20.06.2001 // БИПМ. - 2001. - №17.
5. Заявка №2002116661 РФ, МПК A23B 9/18. Способ и установка для изготовления муки из обработанного озоном зерна / Ж.-К. Ивин, А. Бэлли, Ж.-М. Жубер, О.Берто (ГРИН ТЕХНОЛОДЖИЗ, Франция). - №2002116661/13, заявл.: 18.12.2000 (конвенц. приор.: 17.12.1999 FR, №99/15955); опубл.: 20.12.2004 // БИПМ. - 2004. - №35.
6. Заявка №2005140286 РФ, МПК А61М 35/00. Устройство и способ для дезинфекции поверхности / Д.Д. Чевинс (БИОКВЕЛЛ Юкей ЛИМИТЕД, Великобритания). - №2005140286/14, заявл.: 24.05.2004 (конвенц. приор.: 23.05.2003 GB, №0311958.3); опубл.: 27.06.2006 // БИПМ. - 2006. - №18.
7. Патент №2057464 РФ, МПК A23L 1/211. Способ инактивации антипитательных веществ соевых бобов / Ю.В. Киселева, В.Н. Красильников, Н.В. Кузьмина, М.Е.Соболева (Санкт-Петербургский торгово-экономический институт). - №93048818/13, заявл.: 21.10.1993; опубл.: 10.04.1996 // БИ. - 1996. - №10.
8. А.с. №563938 СССР, МКИ А01С 1/00. Способ обработки семян сельскохозяйственных культур / Н.В. Цугленок, Г.И. Цугленок (Челябинский ин-т мех. и электр. с.-х.). - №2054666/15, заявл.: 23.08.1974; опубл.: 05.07.1977 // БИПМ. - 1977. - №25.
9. Птицын С.Д. Зерносушилки / С.Д. Птицын. - М.: Машиностроение, 1966. - С.38.
10. 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.
11. Бутковский В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства / В.А. Бутковский. - М.: Колос, 1981. - С.50.
12. Егоров Г.А. Технология и оборудование мукомольно-крупяного и комбикормового производства / Г.А. Егоров, Е.М. Мельников, В.Ф. Журавлев. - М.: Колос, 1979. - С.105, 100-101.
13. Мачихина Л. Микробиологические аспекты сохранности и безопасности зерна и зернопродуктов (окончание) // Л. Мачихина, Л. Львова, О. Кизленко // Хлебопродукты. - 2005. - №11. - С.36-39.
14. А.с. №393974 СССР, МКИ A01C 1/08. Камера протравливания / Б.В.Пушкарев, В.А.Вялых (ВНИИ защиты растений). - №1752998/30-15, заявл.: 28.02.1972; опубл.: 22.08.1973 // БИ. - 1973. - №34.
15. 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.
16. Смоленский А.В. Установка для смешивания водно-масляных эмульсий с сухими компонентами комбикорма / А.В. Смоленский, А.С. Алферов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №8. - С.19.
17. Корнеев Г.В. Транспортеры и элеваторы сельскохозяйственного назначения / Г.В. Корнеев. - М.-Киев: Машгиз, 1961. - С.170-171, 173, 181.
18. Драгинский В.Л. Озонирование в процессах очистки воды / В.Л. Драгинский, Л.П. Алексеева, В.Г. Самойлович; Под общ. ред. В.Л. Драгинского. - М.: ДеЛи принт, 2007. - С.16-21.
19. Шевченко М.А. Реакции озонирования в водных растворах / М.А. Шевченко, В.В. Гончарук, Б.К. Кержнер // Химия и технология воды. - 1987. - Т.9, №4. - С.334-346.
20. Бут А.И. Электронно-ионные процессы водных структур живых организмов и продуктов их переработки / А.И. Бут. - М., 1992. - С.62-64.
21. Вигдорович В.Н. Проблемы озонопроизводства и озонообработки и создание озоногенераторов второго поколения / В.Н. Вигдорович, Ю.А. Исправников, Э.А. Нижаде-Гавгани. - М. (Шатура) - СПб. (Колпино): Предприятие «Экоинформсистема» и Научно-внедренческое предприятие «Озонит», 1994. - С.38-39.
22. Кривопишин И.П. Озон в промышленном птицеводстве / И.П.Кривопишин. - М.: Россельхозиздат, 1979. - С.41-43.
23. 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.: Колос, 1977. - С.103-105.
24. Егоров Г.А. Технологические свойства зерна / Г.А. Егоров. - М.: Колос, 1985. - С.195-196.
25. Бутковский В.А. Технология мукомольного, крупяного и комбикормового производства / В.А. Бутковский. - М.: Колос, 1981. - С.47.
26. Егоров Г. Термодинамическое взаимодействие зерна с водой / Г. Егоров // Хлебопродукты. - 2004. - №2. - С.22-23.
27. Мачихина Л. Повреждение зерна на поле и при хранении // Л.Мачихина, Л. Львова, Л. Алексеева // Комбикорма. - 2006. - №3. - С.65-66.
28. Грабовский Р.И. Курс физики / Р.И. Грабовский. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1974. - С.184.
29. Киреев В.А. Курс физической химии/  В.А. Киреев. - М.-Л.: Госхимиздат, 1951. - С.190-191.
30. Калинин Ф.Л. Основы молекулярной биологии / Ф.Л.Калинин. - Киев: Вища школа, 1978. - С.51.
31. 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 (ВНИПТИМЭСХ) / Гриф «Для служебного пользования». - №383672/24-06, заявл.: 03.01.1985, не публиковалось.
32. Патент №2382529 РФ, МПК H05B 6/64. Устройство для электромагнитной обработки сыпучих диэлектрических материалов / О.А. Морозов, М.Ф. Воскобойник, А.Н. Каргин, И.Г. Воробьев, В.И. Пахомов (ЗАО «НПП «Магратеп»). - №2009111520/09, заявл.: 31.03.2009; опубл.: 20.02.2010 // БИПМ. - 2010. - №5.
33. Патент №2311002 РФ, МПК Н05В 6/78. Устройство для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов / А.В. Бастрон, А.В. Мещеряков, Н.В. Цугленок (ФГОУ ВПО Красноярский ГАУ). - №2006119391/09, заявл.: 02.02.2006; опубл.: 20.11.2007 // БИПМ. - 2007. - №32.
34. Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Ю.С.Архангельский. - Саратов: Саратовский гос. техн. ун-т, 1998. - С.295.
35. 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.
36. Исмаилов Э.Ш. Биофизическое действие СВЧ-излучений / Э.Ш.Исмаилов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - С.86-87, 103-104, 121-123.
37. Пахомов В.И. Организационно-технологические основы создания блочно-модульных внутрихозяйственных комбикормовых предприятий. Монография / В.И. Пахомов. - Зерноград: ВНИПТИМЭСХ, 2001. - С.174.