Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Совершенствование технологий и средств термической обработки сельскохозяйственного сырья и продукции в электромагнитном поле»

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

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

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

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

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

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

Следует сказать, что изложенное выше обоснование и гипотеза механизма СВЧ дезинфекции исключительно за счет термических аспектов не объясняет многих интересных научных результатов по «сухой» СВЧ дезинфекции. Кроме того, вызывает сомнение гипотетическое предположение об избирательности поверхностного нагрева в таких малых частицах как семена и микроорганизмы. Для ясности необходимы рабочие модели количественной оценки термических аспектов процесса с учетом электрофизических и теплофизических свойств. И еще необходимо отметить, что предположенная гипотеза не учитывает важный фактор электродинамического действия ЭМП СВЧ на микроорганизмы.

Становится, очевидно, что, несмотря на хорошие экспериментальные результаты, для понимания сущности методов СВЧ дезинфекции и расширения его возможностей в научном и практическом плане необходим строгий качественный научный и количественный анализ процесса с учетом, как электродинамических, так и термических сторон СВЧ воздействия.

Эффективность СВЧ дезинсекции, по мнению многих исследователей объясняется тепловым действием, вследствие нагрева диэлектрических веществ в переменном электромагнитном поле. При этом упоминается об избирательном нагреве жировых и липидных тканей насекомого по сравнению с семенем.

В тоже время многочисленные экспериментальные данные показывают, что эффективность воздействия на насекомых зависит от частоты ЭМП, напряженности ЭМП в зоне обработки, времени воздействия, ориентации насекомых относительно силовой линии напряженности электрического поля, высоты организации нервной системы, возраста насекомого, влажности зерна и т.д. Причем встречаются диаметрально противоположные мнения о наиболее предпочтительных значениях параметров воздействия. Все это затрудняет развитие метода СВЧ дезинсекции семян и сдерживает его широкое внедрение в с.-х. производство. Поэтому для разрешения возникающих противоречий и предположений необходимо строгое научное исследование процесса, позволяющее качественно и количественно оценить значимость параметров СВЧ воздействия и состояния семян (влажность, степень зараженности и т.д.) в эффективности борьбы с насекомыми вредителями, имеющими очень высокую чувствительность к электромагнитным полям.

Следующим важным моментов является техническая реализация СВЧ технологий дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян. Как показывает обзор литературы, конструктивно СВЧ устройство для обработки семян разделяются на четыре принципиальных технических решения:

• 
  обработка семян в резонаторной камере периодического действия;
  
• 
  обработка потока семян в объемном проходном резонаторе;
  
• 
  периодическая обработка слоя семян под излучателем в радиогерметичной камере;
  
• 
  обработка слоя семян под излучателем на конвейерной ленте.
  

В связи с этим, возникает ряд технических задач, требующих конструктивного решения: обеспечения равномерности СВЧ обработки семян, обеспечение высокой производительности, повышение эффективности использования СВЧ энергии и увеличение срока службы оборудования за счет согласования СВЧ генератора с нагрузкой (обрабатываемыми семенами).

На основании приведенного анализа современных методов, а также специфических особенностей применения ЭМП СВЧ выделим основные преимущества СВЧ метода по сравнению с традиционными способами обработки семян:

• 
  СВЧ метод является универсальным, т.е. может быть использован как при дезинсекции, дезинфекции, так и при предпосевной стимуляции семян. Следовательно, возможно создание единого специализированного, унифицированного оборудования, реализующего все указанные технологии;
  
• 
  СВЧ метод является экологически чистым, не оказывает вредного воздействия на окружающую среду;
  
• 
  СВЧ воздействие безинерционно, что очень важно при управлении процессов обработки семян;
  
• 
  СВЧ метод технологичен с позиций регулировки производительности, механизации и автоматизации процесса обработки семян, позволяет максимально снизить затраты ручного труда.
  

Кроме того, положительным моментом перспективности разработки СВЧ технологий является также наличие широкой сети предприятий оборонного комплекса, занимающихся вопросами разработки и производства технической базы СВЧ устройств, а также то, что в связи с конверсией не задействовано большое количество СВЧ источников от радиолокационных станций. Поэтому при грамотной доработке и при наличии финансирования возможно быстрое внедрение СВЧ технологий в сельскохозяйственное производство.

В заключение следует отметить, что конечным результатом научных исследований, представленных в данной работе, является создание унифицированных специализированных СВЧ комплексов по обработке семян (с различной модификацией по производительности), которые с большей эффективностью могут быть внедрены, как в крупных коллективных хозяйствах, так и в мелких фермерских хозяйствах.

В тоже время, сельскохозяйственному производителю для получения стабильного результата необходимо поставлять оборудование с учетом специфики биообъекта (электрофизических и теплофизических свойств) и его реакции на биотропные факторы электромагнитного поля (интенсивность потока энергии, частота, напряженность поля, модуляция, поляризация, экспозиция), проявляющиеся в тепловом и специфическом нетепловом эффекте. И, поскольку ответы на данные вопросы, согласно литературному обзору, носят хаотичный, а иногда и противоречивый характер, необходим единый научный комплексный подход, необходима разработка теории и математических методов, позволяющих качественно и количественно проанализировать процесс СВЧ обработки семян применительно к технологиям дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян с учетом электродинамических термических аспектов, необходим анализ экспериментальных результатов с целью выявления технологических рекомендаций, анализ существующих и разработка наиболее эффективных технических средств, анализ технико-экономической эффективности и обоснованности применения СВЧ технологий для конкретного потребителя (с учетом объема производства, сроков обработки, финансовых возможностей и т.д.).
1.3. Физическая модель процесса термической обработки семян в электромагнитном поле СВЧ.

В целом анализ современных технологических приемов дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян и специфических особенностей применения ЭМП СВЧ показал, что, несмотря на многочисленные экспериментальные результаты, необходимо проведение комплексных исследований с разработкой физических и математических моделей и соответственно методов анализа, позволяющих качественно и количественно оценивать эффективность воздействия, что даст возможность прогнозировать ожидаемый результат и повысит надежность технологического процесса.

Эффективность теории и математических моделей, в практическом приложении, во многом определяется корректностью предлагаемой физической модели и, следовательно, физическая модель должна отражать в себе основную суть исследуемой технологии. Так проблема дезинсекции семян бобовых, например дезинсекция гороха от гороховой зерновки, состоит в том, чтобы уничтожить вредителя (насекомое), находящегося в межзерновом пространстве или внутри семени. Характерное расположение гороховой зерновки показано на рисунке 1.3.


1 – личинка; 2 – куколка, взрослое насекомое.

Рисунок 1.3 - Гороховая зерновка в горошине.
В общем случае процессы дезинсекции, дезинфекции, так и при предпосевной стимуляции семян ЭМП СВЧ предусматривают СВЧ обработку объема (в камере) или слоя (под излучателем) семян (рисунок 1.4).



а) обработка объема семян: 1 – источник СВЧ энергии, 2 – объем семян, 3 – камера взаимодействия.

б) обработка слоя на движущейся конвейерной ленте: 1 – источник СВЧ энергии; 2 – слой семян; 3 – излучатель.

Рисунок 1.4 - Основные принципиальные технические приемы СВЧ обработки семян.

Однако эффективность СВЧ обработки семенной массы (объема, слоя) будет определяться эффективностью СВЧ обработки каждого семени в отдельности. Поэтому целесообразно рассмотреть процессы происходящие при СВЧ воздействии на единичном семени, полагая, что семенная масса является совокупностью отдельных семян. И если техническая (аппаратурная) реализация процесса СВЧ обработки семян позволяет обеспечить одинаковые условия по всему объему семенной массы, то результаты, полученные для единичного семени вполне могут быть применимы для всей массы семян в обрабатываемом объеме или слое.

В связи с этим, поскольку эффективность СВЧ обработки семян, видимо, будет определяться результирующим действием электродинамического и термического факторов, для определения режимов технологических приемов и способов СВЧ обработки семян, а также для расчета основных параметров оборудования необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований, включающих анализ напряженности ЭМП и анализ СВЧ нагрева в семени. Безусловно, реальные объекты (семена, насекомые и др.) отличаются по форме от классических объектов (шар, цилиндр и др.) для которых разработаны математические методы анализа. Однако для качественного и количественного анализа процесса допустимы некоторые упрощения физической модели, позволяющие применить известные теоретические методы.

Тогда физическая модель для процессов термической СВЧ В общем случае процессы дезинсекции, дезинфекции, так и при предпосевной стимуляции, с определенными допущениями, может быть представлена в виде объекта, состоящего из внутреннего шара (вредителя) и внешнего шарового слоя (семени) со своими физическими параметрами (рисунок 1.5). В данном случае физические свойства внешнего шарового слоя будут определяться физическими параметрами семени, свойства внутреннего шара будут определяться физическими параметрами личинки насекомого. Отметим, что, по мнению многих исследователей при анализе напряженности ЭМП и при анализе СВЧ нагрева в качестве физических параметров личинки насекомого следует использовать физические параметры жировой ткани.


1 – внутренняя шаровая область, 2 – внешний шаровой слой.

Рисунок 1.5 - Физическая модель семени для процессов термической СВЧ дезинсекции, дезинфекции, предпосевной стимуляции.

Необходимо заметить, что изложенное выше обоснование и физическая модель пораженного вредителем семени, с позиций теоретического анализа процессы термической СВЧ обработки семян является универсальной, т.к. процессы дезинфекции и предпосевной стимуляции могут быть представлены частными случаями рассматриваемой физической модели (размеры вредителя равны нулю, тонкая внешняя шаровая оболочка с параметрами, отличными от параметров внутреннего шара и т.д.).
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СЕМЕНИ ПРИ СВЧ ОБРАБОТКЕ

2.1 Общая постановка задачи и решение для многослойных сферических объектов

При СВЧ обработке диэлектрических объектов для комплексного решения проблемы необходимо исследование вопросов распространения и отражения электромагнитных волн (ЭМВ) применительно к технологическим процессам обработки. Одной из таких технологических задач является обработка слоистых сферических объектов (драже, гранулированные семена, пораженные вредителем зерно и др.).

В научной литературе встречается решение задачи о рассеянии плоских волн для случая однородной сферической частицы [16,17 и др.], но, видимо в отсутствии практической необходимости, решение для многослойных сферических объектов многими авторами просто не рассматривалось. Нами получено общее решение задачи представленное в работе [18].

В связи с этим, приведем решение задачи взаимодействия плоской, монохроматической, линейно-поляризованной электромагнитной волны с многослойными диэлектрическими объектами сферической формы. Расчетная схема задачи приведена на рисунке 2.1.

Будем полагать также, что объект является несовершенным диэлектриком, а электрофизические параметры внешней среды и каждого слоя объекта являются постоянными и однородными по всему объему.



- падающая ЭМВ, - отраженная ЭМВ, j = 1,2….m.

Рисунок 2.1. - К расчету напряженности электромагнитного поля в многослойном диэлектрическом объекте сферической формы.

Для несовершенных диэлектриков будем полагать, что средняя объемная плотность электрического заряда равна нулю. Тогда, при незначительных изменениях электрофизических параметров вдоль линейных размеров для изотропной среды при с достаточной степенью достоверности имеют место соотношения:

(2.1)

где - диэлектрическая проницаемость среды; - магнитная проницаемость среды; - проводимость среды.

В этом случае электродинамические аспекты состояния материальной среды, которая неподвижна относительно координатных осей, описываются уравнениями Максвелла [1, 2]:

(2.2)

где - электрическая индукция; - напряженность электрического поля; - напряженность магнитного поля; - магнитная индукция; - плотность электрического тока;

Для решения уравнений (2.2) весьма эффективно использовать метод комплексных величин, т.е. принимать, что напряженности электрического и магнитного полей в любой точке пространства равны действительным частям комплексных векторов вида , где - комплексная величина, не зависящая от времени t.

Кроме того, полезно использовать комплексный вектор , объединяющий напряженности электрического и магнитного полей. В таком случае, обозначим:

, или (2.3)

Тогда комплексный вектор в соответствии с (2.3)-(2.5) должен удовлетворять уравнениям:

(2.4)

где - коэффициент распространения ЭМВ; - характеристическая проводимость среды; - круговая частота ЭМВ; - частота ЭМВ.

Используя метод решения для однородной сферической частицы, приведенный в работе [16], для компонент вектора : в сферических координатах будем полагать:

, ,

, (2.5)

где функция является электродинамическим потенциалом, удовлетворяющим уравнению .

В этом случае функции можно представить в виде сумм бесконечного ряда:

для сходящихся (падающих) волн

,

, (2.6)



для расходящихся (отраженных) волн

,

, (2.7)



где - постоянные коэффициенты; - присоединенные функции Лежандра;

, , (2.8)

, - соответственно функции Бесселя первого рода и цилиндрические функции Ганкеля второго рода,

В том случае, когда падающая на сферический объект, плоская монохроматическая электромагнитная волна имеет электрический вектор, поляризованный, например, параллельно координатной оси Y , её компоненты определяются в соответствии с выражениями:

, (2.9)

а соответствующая ей функция имеет разложение [171]:

(2.10)

Постоянные коэффициенты в выражениях (6)-(7) определяются из условий непрерывности тангенциальных компонент электрического и магнитного полей на границах .

Функцию целесообразно представить в виде

, (2.11)

В таком случае, электромагнитное поле вне сферы и поле внутри сферы для каждого слоя ( рисунок 2.1) описывается выражениями вида:







(2.12)





j = 1,2,3,…m,

где .

Коэффициенты A_n,l и B_n,l (l=1,2,…2m) однозначно определяются системами уравнений:

АХ = С, ВY = D, (2.13)

где

,

, ,

.

Формулы для определения значений ненулевых элементов векторов-столбцов C и D ранга 2m приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 –Значения коэффициентов С и D

C1	C2	d1	d2

Формулы для определения значений ненулевых элементов квадратных матриц A и B ранга 2m приведены в таблицах 2.2-2.3, где индекс S не может иметь значений менее 1 и более 2m.

При пользовании таблицами 2.2-2.3 следует иметь в виду, что не существует элементов определенных следующим образом:

1. 
   j=1, P=2j-1=1, S=P-1=0;
   
2. 
   j=1, P=2j=2, S=P-2=0;
   
3. 
   j=m, P=2j-1=2m-1, S=P+2=2m+1;
   
4. 
   j=m, P=2j=2m, S=P+1=2m+1.