СПОСОБ КАПСУЛИРОВАНИЯ СЕМЯН
METHOD OF CAPSULATING SEEDS

Изобретение относится к растениеводству и может быть использовано для предпосевной подготовки семян различных растений, особенно мелкосеменных.
Уровень техники
В рамках настоящего изобретения термин «капсулирование» означает изготовление достаточно плотной и прочной оболочки вокруг семени, назначением которой является защита семени от повреждений и снабжение его питательными веществами с момента прорастания после высадки в грунт.
При капсулировании семян, благодаря укрупнению посевного материала, создаются благоприятные условия для точного высева и в силу большей поверхности контакта с почвой семена интенсивней поглощают влагу.
Известны различные способы капсулирования семян в виде драже путем нанесения на поверхность семени искусственных одно- и многослойных оболочек из различных материалов, которые стимулируют прорастание, обогащают растение питательными веществами, предохраняют от поражения болезнями и вредителями [1].
Технологический процесс изготовления драже осуществляется в соответствии с одним из двух принципов: дражирование наслаиванием и прессование гранул.
Известен способ дражирования семян [2], согласно которому на семена в дражираторе подают органоминеральную смесь, обкаткой формируют на них оболочку, на которую последовательно наносят еще одну оболочку из бентонитовой глины.
Известный способ использует принцип дражирования, что приводит к неравномерности покрытия семени оболочкой, а также к сложности получения капсул с требуемой механической прочностью, поскольку в процессе дозирования исходной смеси состава оболочки сложно достичь получения всех гранул одинакового размера.
Известен способ изготовления капсулированных семян [3], в котором для оболочки семени используется сжимаемая среда, типа пены, а форма капсулы может быть сферической, цилиндрической, овальной, призматической, подушечкой и пр., однако технические приемы формирования капсулы не рассматриваются.
Известны способ капсулирования семян и установка для его осуществления [4], который предполагает использование для формирования капсул матрицы и пуансона, которые имеют вогнутую полусферическую поверхность. Промежуточным этапом формирования капсулы является выполнение в порции смеси углубления под вносимое семя. Также в готовой капсуле, содержащей семя, формируют по меньшей мере один канал, который способствует ускоренному прорастанию ростков, обеспечивая «дыхание» семени. Недостатком указанного способа и устройства следует признать то, что при капсулировании мелких семян, например амаранта с диаметром семени меньше 0,5 мм, необходимо иметь матрицу под диаметр оболочки «от 2 до 10 эквивалентных диаметров семечка», что потребует изготовления полусферы радиусом от 0,5 до 2,5 мм. При таких размерах основных формообразующих деталей крайне затруднительно обеспечить точное позиционирование элементов устройства в случае роторного его исполнения, а также обеспечить нужную производительность.
Известен способ предпосевной подготовки семян растений [5], согласно которому семя помещают в полость, предварительно образованную в биоконтейнере, полученном прессованием биологически усваиваемого вещества. В рамках указанного способа форма биоконтейнера не оговаривается, хотя для иллюстрации варианта реализации способа принята сферическая форма гранулы. Недостатком указанного способа следует признать то, что «запрессовывание полости с семенем ведут с 1,5…1,8-кратным уменьшением объема формообразующего вещества», что приведет к нежелательному механическому воздействию на семя, тем более, что само формообразующее вещество уже предварительно уплотнено в 2-4 раза при образовании биоконтейнера. Не раскрывается также и способ запрессовывания полости с семенем, при котором обеспечивается равномерное и всестороннее сжатие вещества.
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>3</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac></mrow></msup><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>1447</mn></mrow>
Известен способ получения капсулированного посевного материала [6], согласно которому семя помещают в фитокапсулу в виде цилиндра с концевыми частями в виде шарового сегмента. При этом семя закрепляют в поверхностном углублении в одной из концевых частей цилиндра посредством клеящих материалов. Отмечается, что «цилиндрическая форма, имеющая большую поверхность соприкосновения с почвой, является предпочтительной». (Для справки: цилиндр с высотой, равной диаметру при одинаковом со сферой объеме, имеет площадь боковой поверхности в
больше, чем сфера, а радиус во столько же раз меньше радиуса упомянутой сферы). Уменьшение габаритных размеров цилиндрической гранулы, при том же объеме, находится в противоречии с одним из принципов дражирования - укрупнение гранулы в целях обеспечения точного высева.
При реализации способа используются те же технические решения, что и в [4]: формирование капсулы с помощью матрицы и пуансона на установке роторного типа, однако вместо операции запрессовывания капсулы применяются операции нанесения клеящего вещества и присыпки порошком золы (припудривание).
Недостатком указанного способа следует признать то, что применительно к капсулам малого размера (меньше 5 мм) точечное внесение малых доз клеящего вещества и присыпки непосредственно в формообразующей ячейке потребует сложного аппаратурного оформления и значительных временных затрат на осуществление этих операций, что отрицательно скажется на производительности установки для капсулирования семян.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ посева амаранта [7]. Терминологически указанный способ относится к посеву, однако и в описании, и в формуле изобретения отсутствуют признаки, характеризующие особенности внесения семенного материала в почву, а присутствуют признаки, характеризующие только предпосевную обработку семян, и признаки устройства для ее осуществления, что позволяет выбрать его в качестве прототипа. Согласно прототипу сначала формируются цилиндрополусферические капсулы, а затем они окатываются для придания семенному материалу шарообразной формы диаметром 5±1 мм. Несмотря на отсутствие в прототипе термина «капсулирование» в дальнейшем считаем указанный способ относящимся именно к капсулированию семян.
Недостатками указанного способа капсулирования семян является низкая эффективность реализации каждого этапа формирования сферической капсулы и менее эффективная сферическая форма капсулы.
В прототипе поштучная подача семян осуществляется с помощью клинообразного желоба, совершающего колебательные движения, частота которых согласуется со скоростью движения транспортера с формообразующими ячейками. Форма семян существенно отличается от сферической, поэтому от ориентации семени в устье желоба будет зависеть и скорость его вылета, как по величине, так и по направлению. Если согласовать частоты привода клинообразного желоба и транспортера достаточно просто, то согласовать фазу прилета семени к плоскости транспортера (в результате свободного падения) и фазу подхода центра формообразующей ячейки практически невозможно. В результате незначительного рассогласования указанных фаз в некоторых формообразующих ячейках может оказаться два семени, а в других, соседних, ни одного.
В прототипе смесь для формирования оболочки подается сверху вниз в формообразующую ячейку, на полусферическом дне которой уже находится одно семя. Поскольку смесь должна быть малотекучей (чтобы в дальнейшем сохранять форму гранул при окатывании), она не способна протечь под семя, а будет контактировать с ним только в верхней его части. Слабая связь семени с порцией смеси является предпосылкой для возможного отрыва семени от гранулы как на этапе движения по скатному желобу, так и в накопителе.
В прототипе предполагается, что освобождение формообразующих ячеек, выполненных из тефлона, возможно при малой адгезии смеси к тефлону за счет свободного выпадения гранул из ленты транспортера. Однако этому будет препятствовать сила от разности давлений, возникающей в формообразующей ячейке из-за «насосного» эффекта при движении гранулы вдоль цилиндрической стенки ячейки. При диаметре 5 мм эта сила может составлять 1,5-2 Н, что на 3…4 порядка больше веса гранулы. Это означает, что для успешной эвакуации гранул из формообразующих ячеек необходимо применять вспомогательные средства, например, подачу сжатого воздуха в донную часть ячейки, однако эта мера не предусмотрена.
В прототипе предполагается, что «скатываясь по скатному желобу, находящиеся в порциях семена приобретают округлую форму». Однако при реальных размерах скатного желоба время движения гранулы будет измеряться 0,5-1 секунд, что на 2…3 порядка меньше времени пребывания гранул в барабанных грануляторах (8-10 мин) при формировании подобных гранул в производстве минеральных удобрений [8]. Незавершенность процесса формирования сферической гранулы приведет к поверхностному расположению семени относительно тела гранулы и возможному отрыву семени от порции смеси.
Автором изобретения была поставлена задача создания способа капсулирования семян, который не оказывал бы повреждающего воздействия на семя при его обработке, допускал бы простую техническую реализацию в условиях массового производства капсулированных семян, а также обеспечивал оптимальные условия прорастания семян и развития растений после высадки капсул в грунт.
Раскрытие изобретения
Техническая задача, решаемая посредством предложенного изобретения, состоит в создании нового типа семенных капсул.
Технический и экономический результат, получаемый при реализации предложенного изобретения, состоит в повышении всхожести семян, снижении расхода семян на единицу посевной площади за счет точного высева, повышении урожайности сельскохозяйственных культур за счет максимизации габаритов гранулы и ее боковой поверхности при заданной массе гранулы и минимизации пути доступа влаги к семени, а также в повышении технологичности массового производства капсулированных семян.
Технический результат достигается тем, что оболочку капсулы формируют в виде тетраэдра или неправильного четырехгранника с двугранными углами, значения которых от 50° до 90° или у которого, как максимум, пара противолежащих ребер взаимно ортогональны, у которого выполняют вдоль одного ребра, в плоскости, проходящей центр тяжести, на глубину расположения центра тяжести, щелевой разрез, в который закладывают семя, а для фиксации семени механически воздействуют на грани, прилежащие к щелевому разрезу для его полного или частичного смыкания, после чего выталкивают капсулу из формообразующей ячейки.
Выбор такой формы обусловлен простотой конструктивной реализации формообразующей оснастки и преимуществами перед наиболее распространенной сферической формой гранул.
½
⅓
При одинаковом со сферой объеме, тетраэдр - правильный четырехгранник, имеет площадь боковой поверхности в К=1,49 больше, чем сфера, а минимальное расстояние от центра тяжести тетраэдра до поверхности граней во столько же раз меньше радиуса упомянутой сферы (Для справки: K=3(π/2)=1,49000, где π=3,14159; двугранный угол равен arccos(1/3)≈70°32′). Кроме того, длина ребра тетраэдра в 3,2879 раза больше радиуса упомянутой сферы, что является благоприятным фактором, с точки зрения увеличения габаритных размеров гранулы при том же самом объеме.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 схематично отражены три этапа формирования капсулы.
1-й этап - поз. «а» - порции смеси придают форму тетраэдра с щелевым разрезом вдоль ребра и позиционируют семя над центром тяжести заготовки (обозначен «ц.т.»).
2-й этап - поз. «б» - семя помещают в щелевой разрез и механически воздействуют распределенной или локальной нагрузкой (обозначена «p») на грани, прилежащие к щелевому разрезу для его полного/частичного смыкания.
3-й этап - поз. «в» - капсулу выталкивают из формообразующей ячейки (обозначена пунктирной линией) в направлении стрелки.
Осуществление изобретения
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
Изготовление капсул предполагается осуществлять на установках роторного, конвейерного или роторно-конвейерного типа, имеющих множество одинаковых формообразующих ячеек, которые могут циклически последовательно перемещаться от зоны подачи оболочковой смеси к зоне закладки семени в капсулу, далее в зону закрытия капсулы и далее в зону эвакуации капсул из формообразующей ячейки.
Наиболее просто способ реализуется на установке роторного типа, где формообразующие ячейки могут быть выполнены на периферии диска-формирователя, имеющего привод от шагового электродвигателя. Диаметральное сечение такого диска должно иметь на периферии симметричную остроугольную форму с углом между образующими порядка 70°. В теле диска должны быть выполнены остроугольные впадины (ячейки), с углом между образующими плоскостями порядка 70° и шагом по периферии, равным, например, удвоенной длине ребра капсулы.
Оболочковая смесь подается под давлением из питателя, который с малым зазором охватывает диск-формирователь, и заполняет свободную ячейку, подошедшую в зону подачи. В выходном сечении питателя может быть установлена перегородка, которая формирует щелевой разрез в порции смеси. Избыток смеси срезается на границе примыкания питателя к поверхности диска-формирователя.
На следующем такте (шаге) заполненная формообразующая ячейка попадает в соседнюю зону, где с помощью устройства (механического, пневматического и пр.) подачи одиночного семени осуществляется его закладка в капсулу.
Функция перегородки, формирующей щелевой разрез, может быть выполнена (или продублирована) и дополнительным тонким диском, вращение которого синхронизировано с вращением диска-формирователя. На периферии дополнительного диска могут быть размещены места временной фиксации одиночного семени, с тем же шагом, что и центры тяжести формообразующих ячеек. В этом случае повышается точность позиционирования семени в капсуле, т.к. щелевой разрез выполняют одновременно с закладкой семени.
За зоной закладки расположена зона закрытия капсулы, в которой могут быть установлены прикатывающие ролики, обеспечивающие полное или частичное (по поверхности, примыкающей к ребру капсулы) смыкание щелевого разреза, причем ширина оставшегося зазора должна быть меньше минимального размера семян.
На протяжении нескольких тактов капсула может оставаться в формообразующей ячейке для осуществления, например, подсушивания, или другого процесса отверждения поверхности капсулы. По завершении такого процесса ячейка с капсулой попадает в зону эвакуации капсулы, где происходит принудительное или самостоятельное (от веса или центробежной силы) выпадение капсулы из формообразующей ячейки в накопитель любого вида.
При одном и том же пространственном расположении вершин капсулы возможно изменять ее форму за счет перехода от плоских граней к криволинейным поверхностям - вогнутым или выпуклым. Так с целью улучшения доступа влаги (из грунта) к семени в центре капсулы, при том же объеме оболочки, грани капсулы могут быть выполнены вогнутыми. Если же целью является увеличение объема оболочки, при тех же габаритных размерах, грани капсулы могут быть выполнены выпуклыми.
Источники информации
1. Мухин В.Д. Дражирование семян сельскохозяйственных культур. - М.: Колос, 1971, 95 с.
2. патент РФ 2283562, кл. А01С 1/06, опубл. 20.09.2006.
3. US 2010/0263274, кл. А01С 1/06, опубл. 21.10.2010.
4. патент РФ 2264698, кл. А01С 1/06, опубл. 27.11.2005.
5. патент РФ 2314666, кл. А01С 1/06, опубл. 20.01.2008.
6. патент РФ 2396744, кл. А01С 1/00, опубл. 20.08.2010.
7. патент РФ №2335112, кл. А01С 1/00, опубл. 10.10.2008 (прототип).
8. Кочетков В.Н. Гранулирование минеральных удобрений. - М.: Химия, 1975, с.104.