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

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по теме:

«Совершенствование технологий и средств термической обработки сельскохозяйственного сырья и продукции в электромагнитном поле»

Начальник НИЧ _________________А.Н.Ивченко

подпись, дата
Руководитель темы ________________С.В.Вендин

подпись, дата

Белгород 2013

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Руководитель темы, д-р техн. наук _____________С.В.Вендин

Д-р с.х.н. наук _____________В.С.Бурлаков

Д-р техн. наук _____________Н.В.Нестерова

Канд. техн. наук _____________В.В.Боцман

Канд. техн. наук _____________Ю.Н.Ульянцев

Ст. преподаватель _____________Р.В.Шахбазян

Ст. преподаватель _____________М.В.Щербатюк

Ст. преподаватель _____________И.С.Григорьян

Ст.преподаватель ______________Н.П.Кошлич

Ст.лаборант ______________М.И.Бутенко
РЕФЕРАТ

ОТЧЕТ 46 с, 9 рис, 9 табл,20 источников

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И СРЕДСТВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО СЫРЬЯ И ПРОДУКЦИИ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Объектом исследования являются семена сельскохозяйственных культур.

Цель проекта - Разработка теоретических основ, методов и технических средств, обеспечивающих высокое качество термической обработки сельскохозяйственного сырья и продукции в электромагнитном поле. Поставленная цель предусматривала решение следующих задач:

• 
  Разработать теорию и математические модели анализа процессов термической обработки семян в электромагнитном поле СВЧ включающие исследование напряженности электромагнитного поля в семени и исследование СВЧ нагрева семян при дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции;
  
• 
  Провести экспериментальное обоснование технологических требований к процессам термической обработки в электромагнитном поле СВЧ;
  
• 
  Провести анализ технологических особенностей процессов термической обработки семян в электромагнитном поле.
  

В процессе работы проведен анализ средств и методов предпосевной обработки семян с целью повышения их посевных свойств, дезинфекции и дезинсекции. Предложена общая физическая модель процесса и разработана математическая модель взаимодействия электромагнитной волны с многослойными сферическими диэлектрическими объектами. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования предпосевной обработки семян пшеницы урожая 2012 и 2013 годов. Проведен анализ влияния режимов обработки на способность прорастания семян.

В результате исследования установлены закономерности влияния факторов электромагнитного воздействия на способность прорастания семян пшеницы, что позволяет определять оптимальные режимы воздействия при предпосевной обработке.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение…………………………………………………………………….……..5

1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ СВЧ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕЗИНСЕКЦИИ, ДЕЗИНФЕКЦИИ И ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН……………………...……………………………………………………..6

1.1 Современные технологические приемы дезинсекции, дезинфекции и предпосевной обработки семян………………………………………………..…6

1.2 Специфические особенности применения электромагнитных полей сверхвысокой частоты для термической дезинсекции, дезинфекции и предпосевной стимуляции семян. ……………………………………….……..18

1.3 Физическая модель процесса термической обработки семян в

электромагнитном поле СВЧ……………………………………………………....23

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В СЕМЕНИ ПРИ СВЧ ОБРАБОТКЕ…...26

2.1 Общая постановка задачи и решение для многослойных сферических объектов…………………………………………………………………….……26

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР…………………..35

3.1 Методические основы проведения экспериментальных исследований……35

3.2 Экспериментальные исследования по оценке влияния параметров

ЭМП СВЧ на всхожесть семян при СВЧ обработке зерновых……………...…37

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………44

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………….46

ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………………….47

ВВЕДЕНИЕ

Продуктивность семян зависит от многих составляющих, как от внешних факторов (среды обитания и развития), так и от биологических качеств семян. Многообразие этих факторов очень велико и, в разные периоды развития растений, они оказывают различное воздействие на го рост и созревание. Учесть их все практически невозможно, но современная агрокультура имеет в своем арсенале большое количество методов, препаратов, технологий, технических средств и т.д. для целенаправленного воздействия на семя и среду его развития, с целью получения стабильного урожая. Собственно говоря, сущность всех технологических приемов заключается в том, чтобы нейтрализовать влияние одних факторов (отрицательных) и усилить влияние других факторов (положительных).

Весьма эффективным способом наряду с традиционными методами для повышения продуктивности может стать применение электрофизического воздействия электромагнитными полями сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ).

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
1 ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ СВЧ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕЗИНСЕКЦИИ, ДЕЗИНФЕКЦИИ И ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН

1.1 Современные технологические приемы дезинсекции, дезинфекции и предпосевной обработки семян

Продуктивность семян зависит от многих составляющих, как от внешних факторов (среды обитания и развития), так и от биологических качеств семян. Многообразие этих факторов очень велико и, в разные периоды развития растений, они оказывают различное воздействие на го рост и созревание. Учесть их все практически невозможно, но современная агрокультура имеет в своем арсенале большое количество методов, препаратов, технологий, технических средств и т.д. для целенаправленного воздействия на семя и среду его развития, с целью получения стабильного урожая [1,8,10,11,12 и др.]. Собственно говоря, сущность всех технологических приемов заключается в том, чтобы нейтрализовать влияние одних факторов (отрицательных) и усилить влияние других факторов (положительных).

В таблице 1.1 приведена группа физических и биофизических факторов, определяющих репродуктивные качества семян сельскохозяйственных культур в процессе производства продукции растениеводства.

Операции предпосевной стимуляции и дезинфекции, как правило, проводятся перед посевом и могут быть объединены в одну группу методов подготовки семян к посеву.

На рисунке 1.1 приведена классификация методов подготовки семян к посеву. Условно эти методы можно разделить на биологические, химические и физические.

Состояние биологического покоя семян (будь то послеуборочный покой обусловленный процессом дозаривания семян и формированием зародыша семени, или глубокий органический покой – может сохраняться в течении нескольких лет, обусловленный как наличием толстой водонепроницаемой оболочки, так и химической связью ферментов роста может быть нейтрализовано внешним раздражителем, вызывающим переход в свободное состояние особых групп ферментов увеличивающих проницаемость клеточных мембран и запуск механизма размножения и деления клеток.

Таблица 1.1 - Классификация наиболее существенных физических и биофизических факторов, определяющих репродуктивные качества семян сельскохозяйственных культур в процессе производства продукции растениеводства.

Общая классификация	Наименование факторов
1. Внешние физические воздействия	Электромагнитная (солнечная) энергия, температура, влажность среды, газовый состав среды и т.д.
2. Биофизические свойства семян	Гигроскопичность, влагопоглотительная способность, физикомеханческие свойства оболочки семян (твердость, газо- и водопроницаемость) и т.д.
3. Естественные биологические процессы свойственные семенам	Дозаривание, старение, физиологический покой и т.д.
4. Семена как среда для жизнедеятельности микроорганизмов, насекомых вредителей и т.д.	Концентрация в семенах белков, жиров, углеводов, витаминов, воды и др. веществ, устойчивость семян к поражению патогенной микрофлоры, вредными насекомыми и т.д.

Причем диапазон воздействия может быть от слабых, действующих на информационном уровне биопотенциалов семян, до ударных шоковых.

Биологические методы предпосевной стимуляции семян заключаются в замачивании семян в различных растительных экстрактах богатых витаминами группы В, а также окислительно – восстановительными и гидролитическими фермента.

Недостатками биологических методов являются: низкая технологичность; сложность процесса получения стимулирующих веществ; неодинаковая реакция семян ввиду их разнокачественности; необходимость проведения рекогносцировочных опытов по определению оптимальных доз при обработке больших партий семян.



Рисунок 1.1 - Методы подготовки семян к посеву

Химические методы предпосевной стимуляции семян заключаются в обработке семян различными химическими препаратами – регуляторами роста. Ингибиторами, микроэлементами и их солями. Недостатками химических методов предпосевной стимуляции является то, что химические препараты содержат соли тяжелых металлов, которые токсичны, не разлагаются в природе и губительно действуют на животных и человека.

Физические методы предпосевной обработки семян классифицируются на: физико – механические; термические; радиационные; магнитные; фотоэнергетические; электрофизические.

Физико – механические методы предпосевной стимуляции семян включают:

• 
  барботирование (обработка семян в воде кислородом или воздухом при температуре 20 ⁺_- 2 ⁰С);
  
• 
  ультразвуковую обработку семян в воде;
  
• 
  скарификацию (нарушение целостности оболочки семени).
  

К недостаткам физико-механических методов предпосевной стимуляции семян следует отнести: длительность процесса обработки; необходимость последующей сушки семян; низкая технологичность и трудоемкость процесса.

Термические методы предпосевной стимуляции семян включают:

• 
  стратификацию (выдерживание семян при определенной температуре в течение длительного времени);
  
• 
  обработку семян паром;
  
• 
  воздействие на семена переменными температурами.
  

Недостатками термических методов являются: длительность обработки от нескольких недель до нескольких месяцев; необходимость строго поддерживать заданную температуру.

Радиационные методы предпосевной стимуляции семян заключаются в обработке семян ионизирующими излучениями.

Фотоэнергетические методы (ФЭМ) предпосевной стимуляции семян включают:

• 
  обработку семян концентрированным светом;
  
• 
  обработку семян импульсным концентрированным солнечным светом (ИКСС);
  
• 
  обработку семян импульсным высокочастотным электрическим светом (61,62 и др.);
  
• 
  лазерную обработку семян.
  

Недостатком ФЭМ предпосевной стимуляции семян является низкая производительность.

Весьма перспективным является способ предпосевной стимуляции семян в постоянном магнитном поле (ПМП), но к сожалению он не нашел еще достаточно широкого применения.

Электрофизические способы предпосевной стимуляции семян разделяются на:

• 
  обработку семян постоянным электрическим током;
  
• 
  обработку семян в поле коронного разряда;
  
• 
  обработку семян электромагнитными полями низких, средних и высоких частот;
  
• 
  обработку семян электромагнитной энергией инфракрасного и ультрафиолетового спектров;
  
• 
  обработку семян электромагнитными полями сверхвысокой частоты.
  

Следует сказать, что из всех перечисленных электрофизических способов предпосевной стимуляции семян, благодаря наличию определенных преимуществ и достоинств, о которых будет указано ниже в пункте 1.2, наибольшие перспективы в производственном плане имеет способ обработки семян электромагнитными полями сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ).

Современные методы дезинфекции семян при подготовке их к посеву, как и методы предпосевной стимуляции, можно классифицировать на биологические, химические и физические.

Биологические методы дезинфекции семян заключаются в обработке семян веществами, подавляющими рост микроорганизмов и убивающими их.

Химические методы дезинфекции включают обработку семян химическими веществами, губительно сказывающимися на патогенной микрофлоре.

Основным недостатком химических методов дезинфекции является отрицательное воздействие на окружающую среду, животных, человека, нарушение экологического баланса в природе.

Физические методы дезинфекции семян включают:

• 
  воздушную высокотемпературную обработку семян;
  
• 
  гидротермическую обработку семян.
  

Недостатками указанных термических методов является: низкая технологичность, длительность обработки, необходимость длительного подсушивания семян (после гидротермической обработки семян).

Электрофизические методы дезинфекции заключаются в обработке семян электромагнитными полями высокой (ВЧ) и сверхвысокой (СВЧ) частот.

Для борьбы с насекомыми вредителями семян и зерна также разработан ряд мероприятий и технологических приемов дезинсекции.

Условно их можно разделить на профилактические и истребительные. Профилактические мероприятия заключаются в создании определенных условий, благоприятных для семян и неблагоприятных для жизнедеятельности насекомых, соблюдение санитарного режима, ликвидации резерваций, предупреждение расселения вредителей, подготовке технической базы к приему семян (зерна).

Истребительные мероприятия предусматривают использование различных средств и способов борьбы с насекомыми. На рисунке 1.2. приведена классификация истребительных методов борьбы с такими опасными насекомыми и вредителями, как гороховая и фасолевая зерновки. Отметим, что все указанные методы, в полной мере, могут быть отнесены и к методам борьбы с насекомыми вредителями зерновых культур.

За исключением агротехнических методов (посев незараженными семенами, раздельная технология уборки, лущение и зяблевая вспашка после уборки и т.д.) и биологических методов (использование естественных врагов насекомых, выведение сортов устойчивых к поражению насекомыми и т.д.). Представленные на рисунке 1.2 методы относятся к послеуборочной обработке и к истребительным мероприятиям в период хранения.


Рисунок 1.2 - Методы борьбы с насекомыми – вредителями (дезинсекции).

По принципу действия истребительные методы борьбы с насекомыми и вредителями в послеуборочный период и во время хранения разделяют на химические и физические.

Химические методы дезинсекции семян являются основными и предусматривают обработку объема семян в помещениях или емкостях различными фумигантными пестицидами (ядохимикатами).

К недостаткам химических методов дезинсекции следует отнести:

• 
  необходимость обеспечения достаточной герметичности в помещениях или емкостях, где проводится обработка семян;
  
• 
  сложность поддержания нужной концентрации препаратов для полной гибели насекомых;
  
• 
  простой предприятий в период газации и дегазации;
  
• 
  загрязнение зерна и окружающей среды ядохимикатами;
  
• 
  опасность для здоровья людей;
  
• 
  развитие устойчивости насекомых к инсектицидам
  
• 
  однократная химическая обработка, как правило, не обеспечивает 100 % смертность насекомых, но часто приводит к снижению всхожести (в среднем на 4 %).
  

Физические методы борьбы с насекомыми вредителями можно разделить на физико-механические, термические, воздействие ионизирующими излучениями электрофизические.

Физико-механические методы предусматривают отделение пораженных вредителями семян от непораженных, с последующей ликвидацией зараженной части семян. Основу метода составляет то, что пораженные вредителями семена теряют массу и их можно разделить по удельному весу, например, на пневмостолах или концентрированных растворах солей. Недостатки: трудоемкость процесса, малая производительность, необходимость сушки семян после разделения в растворах солей.

Термическая дезинсекция основана на чувствительности насекомых к изменению температуры окружающей среды. Различают термическую дезинсекцию двух типов: воздействие низкими температурами и высокотемпературное воздействие.

Насекомые являются пойкилотермными организмами, т.е. имеют непостоянную температуру тела. Для разных видов насекомых существуют оптимальные температуры окружающей среды, наиболее благоприятные для развития, но, в основном, они находятся в диапазоне 15-38 ⁰С.

При понижении температуры окружающей среды в организме насекомые все физиологические процессы замедляются, наступает холодовое оцепенение, а при длительном воздействии низких температур у некоторых насекомых происходят необратимые процессы, приводящие к их гибели. Недостатками дезинсекции холодом являются: трудоемкость процесса, невозможность использования для семенных фондов, неприменим к насекомым с высокой сопротивляемостью холодом (гороховая зерновка).

При превышении порога, оптимальных для развития данного вида насекомых температур, у насекомых наступает «тепловое оцепенение», но сохраняется жизнеспособность, если убрать температурное воздействие. При слишком сильном превышении температуры, за пределы физиологических возможностей наступает гибель насекомых из-за необратимых изменения в результате перегрева и свертывания белков.

Методы высокотемпературной дезинсекции эффективны при обеззараживании зерновой массы во взвешенном состоянии, но мало эффективны при использовании шахтных сушилок и поэтому широкого распространения не получили. Кроме того, высокотемпературная дезинсекция не применима к зернобобовым, т.к. интенсивные режимы воздействия горячим воздухом вызывают растрескивание эндосперма, что снижает их стойкость к хранению и приводит к потере семенных качеств.

Методы борьбы с насекомыми вредителями с использованием энергии ионизирующих излучений разделяют на: лучевую стерилизацию насекомых и воздействие с летальным эффектом.

Метод лучевой стерилизации основан на стерилизующем действии радиации. Облучение насекомых приводит к тому, что нормальные особи при спаривании с стерильными не дают потомства – отложенные яйца насекомых оказываются нежизнеспособными, снижается численность естественной популяции.

Метод радиационной дезинсекции с летальным эффектом заключается в сокращении продолжительности жизни насекомых, подвергавшихся воздействию ионизирующих излучений, т.к., при поглощении энергии ионизирующих излучений происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул живой материи, что влечет за собой разрыв молекулярных связей, изменение химической структуры различных соединений, расщепление воды на водород и гидроксильную группу и т.д.

Недостатками радиационной дезинсекции является: высокая стоимость оборудования, которая может быть оправдана при обработке больших партий зерна (на портовых элеваторах, перевалочных пунктах); невозможность применения для дезинсекции семенных фондов; облученные особи живут до нескольких недель и санитарным службам необходимо различать стерильных и способных к размножению насекомых.

К электрофизическим методам борьбы с насекомыми вредителями следует отнести: применение оптического, ультрафиолетового и инфракрасного излучения; воздействие разрядами высокого напряжения; применение электромагнитных полей средних, высоких и сверхвысоких частот.

Излучения оптического и ультрафиолетового диапазонов применяются, в основном, для изучения популяций и борьбы с вредителями садов и не могут быть использованы для дезинсекции семян и зерна.

Метод дезинсекции инфракрасными лучами основании на поглощении различными тканями насекомого и зерна энергии инфракрасного излучения, что приводит к их нагреву. Недостатки: малая проникающая способность инфракрасного излучения; низкая производительность; ограниченности применения для крупно-семенных культур, особенно при скрытых фазах развития вредителей.

Использование разрядов высокого напряжения было исследовано для борьбы с насекомыми вредителями, обитающими на поверхности почвы. Для дезинсекции семян и зерна этот метод не применялся.

Работы по применению электромагнитных полей или радиоволн для борьбы с насекомыми вредителями, как в нашей стране, так и за рубежом, были начаты еще в конце 20-х и начале 30-х годов прошлого века. Проводимые в дальнейшем исследования разделились на исследования поискового характера о влиянии радиоволн на насекомых, применение ЭМП в борьбе с вредителями древесины, вредными почвенными насекомыми, уничтожение вшей и их яиц в одежде, исследования над насекомыми вредителями складского зерна. Было замечено, что при определенных дозах, воздействие электромагнитными полями приводит к гибели насекомых не нанося вреда живым растениям и различным растительным продуктам и материалам, облучающимися вместе с насекомыми.

По современным понятиям, гибель биообъектов растительного и животного происхождения и микроорганизмов происходит в результате денатурации белка из-за нагрева диэлектрических веществ в электромагнитном поле при темпах нагрева 0,5 – 0,8 ⁰С/с и при удельной мощности 0,09 – 0,3 кВт/кг, а при увеличении темпа нагрева до 1,2 – 1,6 ⁰С/с в результате диэлектрического разрушения клеток живой ткани. Наряду с нагревом, под действием электромагнитного поля ряд исследователей наблюдали различные биологические явления, названные нетепловыми эффектами. Однако различить эти особенности электромагнитного воздействия очень трудно.

Исследования по использованию электромагнитных волн для борьбы с насекомыми вредителями зерновых запасов проводились, как у нас в стране, так и за рубежом, начиная с конца 20-х годов. За это время были изучены особенности воздействия электромагнитного поля на вредных насекомых в широком диапазоне частот (от 1 – 2 МГц до 27 МГц) и напряжении поля (до 8 кВ/см). В основном эти работы касались разработки способа борьбы с насекомыми вредителями пшеницы, риса (долгоносики, клещи). В результате проведенных исследовании было выявлено, что эффективность воздействия на насекомых колеблется в зависимости от таких факторов, как частота поля, напряженность поля в зоне обработки, время воздействия, ориентация насекомых относительно силовых линий напряженности электрического пол, высота организации нервной системы организма, возраста насекомого, расположения вредителя внутри зерновой массы или на ее поверхности, диэлектрические параметры зерновой массы.

В отношение наиболее эффективной длины волны или частоты электромагнитного поля в литературе существуют различные мнения. Большинство исследователей считают, что длинноволновый диапазон не пригоден для промышленной технологии обработки зерна, мало пригоден также и средневолновый диапазон. Другие авторы считают, что именно средневолновый диапазон (частота 1-2 МГц) имеет ряд преимуществ по сравнению с дезинсекцией при помощи ультравысоких частот.

Что касается значения напряженности электромагнитного поля в зоне обработки и времени воздействия, то, в случае, почти все исследователи подтверждают повышение эффективности воздействия с увеличением этих факторов.

Многие авторы указывают на существенное значение ориентации насекомого по отношению к силовым линиям напряженности электрического поля. Отмечено, что гибель насекомых наступала быстрее при совпадении длинной оси тела с направлением силовых линий, а при перпендикулярном расположении оси тела гибель наступала позже.

Во многих работах имеются данные о том, что более централизованная нервная система наиболее чувствительна к электромагнитному воздействию и, что гибель более высоко развитых организмов (взрослые насекомые, куколки, личинки) наступает раньше, чем будет убит зародыш зерна – низший организм. Приводятся данные о том, что внутри зерна долгоносики погибают скорее, чем на его поверхности и в более толстом слое зерна смертельная доза во времени сокращается. Однако имеется информация, что гибель личинок, куколок и амбарного долгоносика наступала скорее не в зерне, а вне его и в более влажном зерне легче, чем в менее влажном. В то же время, некоторые авторы приводят сведения, что с увеличением влажности зерна возрастает значение экспозиции, смертельной для долгоносиков.

Несмотря на отмеченную всеми авторами перспективность использования электромагнитных полей для дезинсекции зерна от насекомых вредителей, к сожалению, до настоящего времени не создано промышленных установок данного типа. Видимо, одним из основных факторов, сдерживающих разработку установок промышленного типа, явились низкая надежность и малый ресурс работы ламповых генераторов, высокие затраты электроэнергии на обработку.

Эффективность применения ЭМП СВЧ для защиты семян и зерна от насекомых вредителей подтверждается многочисленными исследованиями, как у нас в стране, так и за рубежом.