CC BY
48АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИК И ВЧ И СВЧ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СЕМЯН Цугленок Н.В.
Цугленок Николай Васильевич - член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, вице-президент,
научный руководитель, Восточно-Сибирская ассоциация биотехнологических кластеров, г. Красноярск
Аннотация: в статье приведен анализ эффективного использования ИК и ВЧ и СВЧ методов обработки семян. Сpеди физических методов стимуляции pоста наиболее эффективным, с точки зpения биологического эффекта, является кpатковpеменное облучение семян инфpакpасными лучами, вызывающее значительное по величине темпеpатуpное возбуждение заpодыша и эндоспеpма семян. К сожалению, не подтвеpждена возможность использования ИК-лучей для обеззаpаживания семян с-х культуp от имеющегося комплекса возбудителей семенных инфекций. Пpоизводственные исследования, доведенные сотpудниками Кpаснояpского ГАУ и ВИЗРа в сельскохозяйственных организациях Кpаснояpского ^ая, Гоpьковской, Ленингpадской областей, ^ибалтики и У^аины, показали хоpошие pезультаты высокочастотных и сверхвысокочастотных методов обеззараживания семян в сpавнении с теpмохимическими и химическими методами: значительно увеличивали уpожай, улучшали посевные качества семян, снижали поpаженность pастений болезнями, и существенно снижали энеpгоемкость процессов предпосевной подготовки семян к посеву и матеpиалоемкость обоpудования.
Ключевые слова: ИК и ВЧ и СВЧ методы, возбудители семенных инфекций, обеззараживание семян, энеpгоемкость процессов.
Разработанная нами биоэнергетическая теория и концепция формирование и развитие структуры АПК, ее
информационного обеспечения и устойчивого развития растениеводства позволяет в любой зоне сформировать экономически эффективный ВЧ и СВЧ комплекс производства семян с/х культур [7;12;22;25;26].
Нами предложены для использования в различных огроэкологических зонах более совершенные с/х культуры со своими технологиями возделывания с более высоким биознергетическом КПД по отношению к используемым растениям. Энергетически правильное эколого-географическое размещение в конкретнмх зонах и конкретных административных территориях похволит резко повысить продуктивность растениеводства и улучшить социальное положение сельских жителей. В качестве примера приводятся некоторые работы по испытанию новых культур и технологий в различных огроэкологических зонах [2;4;11;17;20;30].
Разработанная теория энерготехнологического прогнозирования структуры технологических приемов в АПК, позволяет подобрать из них самые энергоэффективные для любых агроэкологических зональных условий и снизить себестоимость производства семян [27;28].
Результаты наших исследований доказали, что для подготовки семян к посеву наиболее преемлемы более энергетически совершенные технологии ВЧ и СВЧ обработки и обеззараживания семян от вирусных, грибных и бактериальных инфекций, исключающие применение ядохимикатов [1;6;8;10;13;14;18;19;21;23 ;24].
Разработанные эффективные технологии сушки и обеззараживания семян и продуктов питания ИК-лучами и ВЧ и СВЧ знергией позволяют получать экологически чистые семена и продовольствие [3;5;8;10].
Разработка автоматизированных систем искуственного освещения, облучения и обогрева теплиц терморезисторами используется для выращивания первичного селекционного материала обработанного ВЧ и СВЧ энергией, позволяет получить 3 урожая семян и значительно увеличить
коеффициет размножения селекционных коллекций в Сибирских условиях [9;15;16;29].
В работе [28] более подробно изложен анализ существующих разработанных способов и методов применяемых и предлагаемых для увеличения урожайности с/х культур. Краткий обзор предложенный в данной работе указывает на большое кольчество работ в первом звене агроприемов подготовки семян к посеву в том числе и наших [1;6;8;10;13;14;18;19;21;23;24].
Сpеди физических методов стимуляции pоста наиболее эффективным, с точки зpения биологического эффекта, является облучение семян инфpакpасными лучами. Действие инфpакpасного облучения пpимеpно аналогично тепловому и вызывает хотя и кpатковpеменное, но значительное по величине темпеpатуpное возбуждение заpодыша и эндоспеpма семян.
Работами отечественных и заpубежных автоpов доказана возможность использования инфpакpасных лучей для дезинсекции зеpна, активизации pостовых пpоцессов и сушки семян с.-х. культуp.
Впеpвые инфpакpасные лучи были применены для дезинсекции зеpна в 1934 году в ВИЭСХе П.С. Воpобьевым. Установка П.С. Воpобьева использовалась в основном как дезинсектор и как камеpа пpедваpительного подогрева пеpед сушкой в шахтных сушилках.
Большой вклад в разработку теории и техники обработки и сушки инфракрасными лучами сделан П.Д. Лебедевым и А.М. Худоноговым [24].
Данный метод по сравнению с предыдущими электрофизическими методами более энергоемкий, но, с технологической точки зрения, более эффективный для активизации ростовых процессов в семенах за счет значительного перепада влагосодержания в зародыше и эндосперме, что создает благоприятные условия для последующего развития диффузии скольжения влаги в период набухания и прорастания семени. Усиление гидродинамических процессов покоящегося семени
инфракрасными лучами в результате значительного перепада температур в структурных образованиях семени приводит к активации биохимических процессов и, как правило, к увеличению урожайности семян обрабатываемых культур в среднем на 15...20%.
К сожалению, не подтверждена возможность использования ИК-лучей для обеззараживания семян с.-х. культур от имеющегося комплекса возбудителей семенных инфекций. Малая глубина проникновения инфракрасных лучей (до 5 мм) не позволяет в настоящее время создать высокопроизводительные установки с низкой материалоемкостью и малыми габаритами. Метод с использованием инфракрасных лучей рекомендован для внедрения в с. -х. производство для обработки семян, другой с.-х. продукции и растительного сырья.
Таким образом, системный анализ разработанных методов подготовки семян к посеву показал, что прослеживается раздельное использование этих методов по назначению: для активизации ростовых процессов - электрофизические; для обеззараживания семян от грибных и бактериальных инфекций - химические; для снятия вирусных и других инфекций - термохимические. Причем термохимические методы по отношению к другим являются более комбинированными, поскольку позволяют бороться с семенными инфекциями и активизируют ростовые процессы в семенах, несмотря на большие расходы энергетических, водных ресурсов и на отрицательное влияние химических веществ на природу и человека.
К комбинированным методам обработки семян можно также отнести высокочастотный и сверхвысокочастотный нагрев зерна, основанный на явлении диэлектрической поляризации.
Исследовательские работы по применению токов высокой частоты в сельском хозяйстве были начаты в СССР в 19321934 годах в электро-биологической лаборатории ВИМЭ.
Профессором Евреиновым впервые была доказана целесообразность применения ультракоротких волн для
дезинсекции зерна во всех стадиях заражения при полном сохранении его семенных и товарных качеств. Ввиду биологических особенностей насекомых-вредителей, влажность которых во много раз выше влажности семенного зерна, они нагреваются в электро-магнитном поле высокой частоты и сверхвысокой частоты значительно быстрее и до более высокой температуры, чем семена, и гибнут.
Наряду с дезинсекцией было замечено также, что ультравысокая частота стимулирует рост и развитие растений. Возможность использования этого эффекта для повышения урожайности и ускорения созревания растений была впервые обоснована в Советском Союзе в работах Аксайской биологической станции (Кубенко П.П., Турлыгиным С.Я.) и во ВНИИ ТВЧ Фогелем А.А.
В 1936 году семенами, прогретыми в электромагнитном поле ВЧ, было засеяно 12 тыс. га, в 1937 году предполагалось засеять 200 тыс. га, но в дальнейшем из-за неизвестного механизма действия, невозможности замены ядохимикатов и острых политических разногласий в науке, работы в этом плане прекратились. Хотя данные Ленинградской областной опытной станции "Белогорка" при обработке семян зерновых по отчетам ВНИИТВЧ 1950-1952 гг. показывали стабильное увеличение урожая.
Возобновились данные работы в 1958 году. Проверялось действие обработки семян пшеницы электромагнитным полем ВЧ на растения и мицелий пыльной головни. Практически была предпринята первая попытка замены гидротермического обеззараживания семян пшеницы от пыльной головни при активизации ростовых процессов в семенах. Однако признак селективности нагрева мицелия и семян здесь работал не в полной мере из-за небольшой разницы во влажности зародыша и мицелия пыльной головни, которые перед процессом обработки находились в одинаковых условиях, состоянии биологического покоя. Несмотря на некоторую эффективность, данный метод не нашел своего применения в общетехнологическом комплексе подготовки семян к посеву. Дальнейшее продолжение работ
по развитию исследований и внедрению ТВЧ в с.-х. производство проводилось в ЧИМЭСХе автором под руководством профессора Лебедева С.П.[23;24].
Был предложен и испытан метод ВЧ- и СВЧ-термообеззараживания увлажненных семян, представляющих из себя многокомпонентную смесь, состоящую из увлажненных внутренних органических структур зерна, вирусов, грибов и бактерий. Для усиления уровней селективного поглощения влаги, т.е. усиления разделения свойств паразитирующих микроорганизмов и самих семян проводилось предварительное увлажнение семян на 1...1,5%. При предварительном увлажнении на 1...1,5% сухие семена смачиваются, и влага по капиллярам начинает проникать во внутренние части зерна. Сухие споры и мицелии грибов и бактерий, обладающие большой влагопоглотительной способностью, впитывают воду в десятки раз быстрее, чем внутриклеточные структуры зерна. Через 3...15 мин. они набухают и их влажность достигает 80...90%. Внутриклеточные структуры семян за этот промежуток времени не успевают увлажниться и остаются с первоначальным содержанием влаги 7...14%. При электромагнитной обработке семян, предварительно увлажненных, происходит избирательный нагрев спор и мицелия грибов, бактерий, вирусов и внутриклеточных структур. Из-за высокой скорости нагрева температура нагрева в любом биообъекте, независимо от его величины, растет пропорционально проценту влажности. Каждый биообъект нагревается в соответствии со своим влагосодержанием. Необходимо отметить, что вирусы, представляющие из себя белковые молекулы, содержащиеся в клетках сухих семян, имеют до 30...40% влаги. Это примерно в три раза больше, чем белковые и углеводные молекулы семян.
Таким образом, в диапозоне частот 10 6...1010 Гц неполярные диэлектрики, например, сухое зерно, ведут себя как "полупрозрачная среда", т.е. поглощают незначительное количество энергии. Тангенс потерь воды
tg5 = 0,95, и он примерно в 600 раз больше, чем tg5 = 0,0016 сухого зерна пшеницы.
Используя различные солевые растворы путем изменения концентрации, можно на разрешенных частотах (изменения tg и £) резко увеличить проводимость многокомпонентных белковых структур.
Эти обстоятельства позволяют сделать вывод о том, что ориентация полярных молекул (диполей воды) в биологических объектах вызывает интенсивный нагрев водных структур и соответственно самих биообъектов в целом. Количество водных структур и их место расположения в биологических объектах определяет меру селективности нагрева, основанную на разнице в поглощении ВЧ- и СВЧ-энергии. Внутрение водные структуры в диапозоне частот 106...1010 Гц являются как бы источниками тепловой энергии, в результате которых биобъекты нагреваются изнутри к поверхности. При этом способе теплопроводность биообъектов не влияет на скорость нагрева, что коренным образом отличает высокочастотный способ нагрева от обычных.
Скорость нагрева биообъектов определяется наличием в них влаги и их связи с органическими веществами и плотностью электромагнитного потока, регулируемого частотой и напряжением электромагнитного поля. Благодаря высокой скорости высокочастотного и
сверхвысокочастотного нагрева и низкой теплопроводности биообъектов возникает возможность эффективного селективного нагрева структурных формирований единичного семени, независимо от места расположения (наружных или внутренних) инфекционных начал, т.е. раздельного нагрева вирусов, грибов, бактерий и клеточных формирований семени. Причем, по данным Г.А. Максимова, в результате такого нагрева в биообъектах, содержащих влагу, создается значительный градиент давления, который является основной движущей силой переноса влаги внутри биообъектов. При наличии 1...1,5% свободной влаги в семенах и быстрого нагрева вода, разогретая до высокой
температуры, дополнительно поглощается спорами, мицелиями грибов и бактериями, вызывая еще и путем контактной теплопередачи интенсивный разогрев последних и их инактивацию.
Таким образом, понятие термодинамической и гидродинамической модели клеточных структур имеет важное значение в раскрытии механизма действия селективного ВЧ метода термообработки семян в процессе их обеззараживания и активизации ростовых процессов.
Эффективность селективночасотного метода проверялась с 1972 г. в Челябинской области и в дальнейшем в Красноярском крае. Параллельно проверялось действие электромагнитного поля высокой частоты на бактериальную среду. Испытания селективночастотного метода в производственных условиях показали беззащитность семян в период прорастания от почвенных инфекций. Для защиты семян от нападения вторичных инфекций и любой другой окружающей среды был разработан способ ВЧ- и СВЧ-обработки семян, включающий инкрустацию, т.е. увлажнение семян в растворах клеящих веществ с добавлением микроэлементов. Благодаря клеящим веществам и микроэлементам, после обработки на семенах остается пленка, защищающая их от поражения болезнями в период прорастания. Сыпучесть семян при таком способе не изменяется.
Производственные исследования, проведенные сотрудниками Красноярского СХИ и ВИЗРа в совхозах Красноярского края, Горьковской, Ленинградской областей, Прибалтики и Украины, показали хорошие результаты, в сравнении с термохимическими и химическими методами, по увеличению урожая, улучшению посевных качеств семян, снижению пораженности растений болезнями, снижению энергоемкости процесса обработки и материалоемкости оборудования.
Селективночастотный метод, обладая высокой скоростью, безконтактностью, безинерционностью избирательного нагрева смеси многокомпонентных биообъектов, из-за возможности высокой объемной концентрации энергии и
большой проникающей способности позволяет стерилизовать и пастеризовать пищевые продукты, стерилизовать биохимические препараты, почву, семена сорных растений, стимулировать и обеззараживать семена с.-х. культур и позволяет высокоинтенсивно производить термообработку различной с.-х. продукции. Все это говорит о том, что данный способ из-за более высокого преобразования КПД ВЧ- и СВЧ-энергии в тепло является перспективным, комбинированным и малоэнергоемким, с точки зрения использования его для обеззараживания и активизации ростовых процессов в семенах, и может эффективно использоваться в современных технологических комплексах подготовки семян к посеву. Однако отсутствие общей методологии в формировании единого энергоэкономичного технологического комплекса подготовки семян к посеву не позволяло реализовать в производстве явные преимущества более энергосовершенного селективночастотного метода перед имеющимися.
Отсутствие общей теории и методики расчета ВЧ- и СВЧ-устройств для предпосевной обработки семян затрудняло проектирование технических средств ВЧ и СВЧ для технических комплексов подготовки семян. Попытки проведения сравнительных испытаний различных методов стимуляции семян в различных зонах показали в 142 из 200 полевых опытов положительный результат: прибавка урожая по отношению к контролю в 3-7% (по данным разработчиков, прибавки урожая составляют от 15 до 20%). В 54 опытах наблюдается отрицательный результат и в 4 - без какого-либо влияния. Подчеркивается, что физические воздействия не обогащают семена энергией, а способствуют лучшему использованию приобретенной. Отмечается недостаточность теоретического обоснования агроприема и определенности материальных и трудовых затрат, предполагаемых технологических решений, приемлемых для с.-х. производства.
До сих пор не установлены структура и последовательность совокупного использования этих
методов в технологических комплексах подготовки семян и не определен вклад каждого на увеличение биоэнергетического КПД растений.
Таким образом, на основе проведенного системного анализа энергетической системы используемых методов обработки семян, растений, почвы и т.д. можно сделать следующий вывод.
Системный анализ разработанных методов подготовки семян к посеву показал необходимость разделения их по назначению: механические - для выделения биологически ценных семян, электрофизические - для выделения биологически ценных семян, активизации в них ростовых процессов, термические - для снятия вирусных и других инфекций, химические - для обеззараживания семян от вирусных, грибных и бактериальных инфекций, комбинированные - для сушки, активизации ростовых процессов в семенах и обеззараживания их от вирусных, грибных и бактериальных инфекций, а также возможность применения комбинированного термочастотного метода ВЧ-и СВЧ-обработки, обладающего высокой скоростью нагрева, безконтактностью, безинерционностью, избирательностью нагрева многокомпонентных биообъектов, какими и являются семена с вирусами, грибами и бактериями при подготовке семян к посеву.
Системный анализ современных методов и отдельных агро-технических приемов, увеличивающих
биоэнергетических КПД растений, показывает, что из-за отсутствия единой методологии формирования цельного структурно-организованного энергоэкономичного
технологического комплекса производства продукции растений, в том числе подготовки семян к посеву, при использовании электротехнических методов, по совокупности временных, энергетических, материально-продуктивных и социально-стоимостных показателей приводит к многократному дублированию технологических приемов, предназначенных для выполнения практически одинакового воздействия на биообъект, не устанавливает
структуру и последовательность их использования и не определяет вклад каждого из них в увеличение прибавки (приращение) урожая. Для этого необходимо:
1. Разработать и обосновать основную модель формирования структуры технологических комплексов растениеводства, позволяющих выявить и объяснить основные взаимосвязи факторов развития интенсификации подготовки семян к посеву электротермических процессов ВЧ- и СВЧ-обработки семян и их влияния на урожайность.
2. Разработать интенсивные энергоэкономичные электротермические ВЧ- и СВЧ-методы подготовки семян к посеву и проверить их в производственных условиях.
3. Разработать методику расчета рационального формирования структурно-организованных энергоэкономичных технологических комплексов электротермической обработки ВЧ- и СВЧ-обработки семян при их подготовке к посеву.
4. Разработать и изготовить промышленные образцы и провести производственные испытания новых электротермических ВЧ- и СВЧ-комплексов подготовки семян к посеву и дать их энергоэкономическую оценку.
Список литературы
1. Влияние электромагнитного поля высокой частоты на энергию прорастания и всхожесть семян томата. Юсупова Г.Г., Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Бастрон А.В., Бастрон Т.Н. Вестник КрасГАУ, 2002. С. 21.
2. Высокоэнергетическая кормовая культура топинамбур в кормопроизводстве Красноярского края. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Аникиенко Т.Н. Вестник КрасГАУ, 2007. № 4 С. 127-130.
3. Влияние импульсной инфракрасной сушки на сохранность активно действующих веществ. Алтухов И.В., Цугленок Н.В., Очиров В.Д. Вестник Ставрополья, 2015. № 1 (17). С. 7-10.
4. Имитационные модели пространственно распределенных экологических систем. Лапко А.В., Цугленок Н.В., Цугленок Г.И. Ответственный редактор: д.т.н., профессор А.В. Медведев. Новосибирск, 1999.
5. Использование СВЧ энергии при разработке технологии диетических сортов хлеба. Цугленок Н.В., Юсупова Г.Г., Цугленок Г.И., Коман О.А. Ж. Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2004. № 2. С. 16-17.
6. Исследование температурных полей при предпосевной обработке семян масленичных культур ЗМПСВЧ. Бастрон А.В., Исаев А.В., Мещеряков А.В., Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 2011. № 2-1. С. 4-8.
7. Концепция информатизации аграрной науки Сибири. Гончаров П.Л., Курцев И.В., Донченко А.С., Кашеваров Н.И., Чепурин Г.И. и др. СО РАСХН. Отв. за выпуск А.Ф. Алейников, А.И. Оберемченко. Новосибирск, 2003.
8. Комплексная система обеззараживания зерна и продуктов его переработки. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Юсупова Г.Г. М-во сел. хоз-ва РФ. Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2004.
9. Лабораторный практикум и курсовое проектирование по освещению и облучению. Долгих П.П., Кунгс Ян.А., Цугленок Н.В. Учебное пособие для студентов, М-во сел. хоз-ва РФ, Краснояр. гос. аграр. ун-т. / Красноярск, 2002.
10. Методы и математические модели процесса обеззараживания продовольственного зерна. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Юсупова Г.Г. Учеб. пособие для студентов вузов. М-во сел. хоз-ва РФ. Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2004.
11. Мелкоплодные яблоки Сибири в функциональном питании. Типсина Н.Н., Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ. 2009. № 1 (28). С. 152-155.
12. Оценка влияния оптимальных показателей работы машинно-тракторных агрегатов.на энергозатраты технологического процесса. Цугленок Н.В., Журавлев С.Ю. Вестник КрасГАУ, 2010. № 10 (49). С. 146-152.
13. Обеззараживание и подготовка семян к посеву. Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 1984. № 4. С. 4.
14. Обеззараживающее действие электромагнитного поля высокой частоты на семена томата. Юсупова Г.Г., Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Бастрон А.В., Бастрон Т.Н. Вестник КрасГАУ, 2002. С. 33.
15. Резисторы из композитов в системах энергообеспечения агропромышленных комплексов. Горелов С.В., Кислицин Е.Ю., Цугленок Н.В. Вестник_КрасГАУ, 2006. № 6. С. 314319.
16. Резисторы в схемах электротеплоснабжения Горелов С.В., Кислицин Е.Ю., Цугленок Н.В. КрасГАУ. Красноярск, 2008 (2-е издание, переработанное и дополненное).
17. Состояние социально-трудовой сферы села и предложения по ее регулированию. Ежегодный доклад по результатам мониторинга 2006 г. / Ответственные за подготовку доклада: Д.И. Торопов, И.Г. Ушачев, Л.В. Богдаренко. Москва, 2007. Том Выпуск 8.
18. Способ обработки семян и устройство для его осуществления. Цугленок Н.В., Шахматов С.Н., Цугленок Г.И. Патент на изобретение RUS 2051552 22.04.1992.
19. Система защиты зерновых и зернобобовых культур от семенных инфекций. Цугленок Н.В., Цугленок Г.И., Халанская А.П. М-во сел. хоз-ва Рос. Федерации. Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2003.
20. Технология и технические средства производства экологически безопасных кормов. Цугленок Н.В., Матюшев В.В. М-во сел. хоз-ва РФ, Краснояр. гос. аграр. ун-т. Красноярск, 2005.
21. Технология и технические средства обеззараживания семян энергией СВЧ-поля. Бастрон А.В., Мещеряков А.В., Цугленок Н.В. Вестник КрасГАУ, 2007. № 1. С. 268-271.
22. Цугленок Н.В. Формирование и развитие технологических комплексов растениеводства. Вестник КрасГАУ, 1997. № 2. С.1.
23. Цугленок Н.В. Формирование и развитие структуры электротермических комплексов подготовки семян к посеву. Авт-т дис. докт. техн. наук / КрасГАУ. Барнаул, 2000.
24. Цугленок Н.В. Формирование и развитие структуры электротермических комплексов подготовки семян к посеву. Диссерт. на соискание док-ра техн. наук / Красноярск, 2000.
25. Цугленок Н.В. Концепция устойчивого развития АПК Красноярского края. Вестник КрасГАУ, 1996. № 1. С. 1.
26. Цугленок Н.В. Биоэнергетическая концепции формирования технологических комплексов АПК. Вестник КрасГАУ, 1998. № 3. С. 9.
27. Цугленок Н.В. Энерготехнологическое прогнозирование структуры АПК. Вестник КрасГАУ, 2000. № 5. С. 1.
28. Цугленок Н.В. Энерготехнологическое прогнозирование. Учеб. пособие для студентов вузов по агроинженер. специальностям. М-во сел. хоз-ва РФ. КрасГАУ. Красноярск, 2004.
29. Энерготехнологическое оборудование тепличных хозяйств. Цугленок Н.В., Долгих П.П., Кунгс Я.А. Учебное пособие для вузов / КрасГАУ. Красноярск, 2001.
30. Эколого-энергетические и медико-биологические свойства топинамбура. Аникиенко Т.И., Цугленок Н.В. М-во сельского хоз-ва РФ. КрасГАУ. Красноярск, 2008.
