Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса 8
1.1 Состояние и перспективы развития льняного комплекса 8
1.2 Физиологические особенности семян льна 12
1.3 Анализ существующих технологических способов и технических средств предпосевной обработки семян льна 19
1.4 Предпосевная обработка семян льна с применением электротехнологий 27
1.5 Выводы по главе и задачи исследований 39
2 Методика и планирование лабораторных исследований процесса дражирования с использованием биоорганических удобрений и электрофизического воздействия в период предпосевной обработки семян льна 41
2.1 Планирование эксперимента и схема процесса предпосевной обработки семян льна 41
2.2 Методы исследований показателей всхожести и качества гранул семян льна-долгунца 44
2.3 Разработка и обоснование технологии предпосевной обработки семян льна 47
2.4 Оборудование для проведения лабораторных исследований 49
2.4.1 Описание установки для смачивания и подготовки пластичной массы семян льна 49
2.4.2 Описание установки дражирования семян льна-долгунца 52
2.4.3 Описание комбинированной установки ультразвуковой и СВЧ-обработки 2.5 Лабораторные исследования предпосевной обработки семян льна и обоснование технологических параметров дражирования и электрофизического воздействия 58
2.5.1 Результаты лабораторных исследований и обоснование параметров процесса комплексной СВЧ и УЗИ обработки гранул семян льна-долгунца 58
2.5.2 Результаты лабораторных исследований и обоснование параметров процесса дражирования 61
2.6 Результаты полевых испытаний 64
2.7 Выводы по главе 71
3 Теоретическое обоснование процесса дражирования семян льна с использованием биоорганических удобрений и электрофизического воздействия 73
3.1 Обработка семян под действием УЗИ энергий 73
3.2 Обработка семян под действием СВЧ-энергии 79
3.3 Исследование процесса дражирования семян 83
3.3.1 Кинетика осаждения частиц дражирата на поверхности семян. 86
3.3.2 Расчет скорости вращения дражиратора 93
3.4 Выводы по главе 95
4. Экспериментальные исследования технологии предпосевной обработки семян льна на установке непрерывного действия 96
4.1. Описание и работа установки для предпосевной обработки семян льна 97
4.2 Система автоматизации и регулирования установками типа УДЭ-01.. 99
4.3 Результаты экспериментальных исследований технологических параметров предпосевной обработки семян льна 102
4.4 Выводы по главе 106
Технико-экономическое обоснование биологической непрерывной предпосевной обработки семян льна-долгунца сорта восход 108
5.1 Расчет затрат на внедрение установки УДЭ-02 108
5.2 Расчет стоимости обработки семян на установке УДЭ-02 109
5.3 Расчет экономической эффективности внедрения предлагаемой технологии предпосевной обработки семян льна-долгунца 115
5.4 Расчет энергетической эффективности от внедрения предлагаемой технологии предпосевной обработки семян льна-долгунца 117
5.5 Выводы по главе 121
Общие выводы 122
Список используемой литературы .
- Анализ существующих технологических способов и технических средств предпосевной обработки семян льна
- Разработка и обоснование технологии предпосевной обработки семян льна
- Исследование процесса дражирования семян
- Результаты экспериментальных исследований технологических параметров предпосевной обработки семян льна
Введение к работе
Актуальность темы. Лен-долгунец является традиционной технической культурой Удмуртии. Благоприятные природно-климатические условия данного региона позволяют возделывать и получать высокие урожаи волокна и семена высокого качества.
В настоящее время из 27 льносеющих регионов Российской Федерации Удмуртия по размерам посевных площадей занимает 3 место, лидирует по урожайности и объемам производства в Приволжском Федеральном округе. Для выхода на лидирующие места по Российской Федерации в настоящее время необходимо не только уделять большое внимание внедрению в производство новых сортов льна-долгунца, которые обладают благоприятными сочетаниями биологических свойств и хозяйственно-ценных признаков, но и необходимы научные исследования в области повышения потенциала самого растения.
Одним из важнейших условий устойчивого развития не только льносеющих хозяйств, но и сельского хозяйства в целом является использование различных способов предпосевной обработки. В свете глобальных экологических проблем необходимо при активировании физиологических процессов в растительном организме применять инновационные методы обработки семян, не оказывающие пагубного воздействия на окружающую среду и на само растение.
В рамках Республиканской целевой программы "Развитие льняного комплекса Удмуртской Республики на 2010…2014 годы" поставлена цель, заключающаяся в создании условий для развития льняного комплекса Удмуртской Республики, ориентированных на производство качественной конкурентоспособной продукции.
Согласно стратегии развития легкой промышленности России на период до 2020 года необходимо повышать экономический рост легкой промышленности с обеспечением потребностей в качественных и доступных потребительских товарах, в продукции технического и стратегического назначения.
Исследования в данной работе базируются на достижениях по изучению повышения качества предпосевной обработки семян в трудах Кубеева Е.И., Смелик В.А., Хасанова Э.Р., Чиркова А.М., Каменский К.В., Ореховой Т.А., Ивановской А.А., Басова А.М., Бородина И.Ф., Будько В.С. и др.
Таким образом, учитывая вышеизложенное, актуальным является исследование в области активирования физиологических процессов в растительном организме, применяя методы и компоненты не оказывающие пагубного воздействия на окружающую среду и на само растение, что позволит увеличить урожайность и качество конечного продукта.
Цель работы: исследование и разработка технологии дражирования семян льна – долгунца с использованием электротехнологий.
Задачи:
- разработать метод комплексной предпосевной обработки семян льна-долгунца;
создать математические модели электрофизического воздействия на семена для частных процессов дражирования семян льна-долгунца;
разработать установку для дражирования и электрофизической обработки (УДЭ) семян льна-долгунца;
- определить экономическую эффективность и энергетический эффект от
применения технологии предпосевной обработки семян льна-долгунца.
Объекты исследования: семена льна-долгунца сорта Восход; процесс предпосевной обработки.
Предмет исследования: технологические параметры процесса дражирования
семян льна-долгунца с использованием биоорганических удобрений и
электрофизических полей.
Научную новизну работы составляют:
- технология комплексной предпосевной обработки семенного материала для
увеличения всхожести, энергии прорастания, урожайности сырья и уменьшения
негативного воздействия пестицидов на окружающую среду;
- математическая модель электрофизического воздействия на семена льна-долгунца
при предпосевной обработке;
- математическая модель получения качественной оболочки гранулы в процессе
дражирования семян льна-долгунца путем управления скоростью вращения дражиратора
и процесса осаждения частиц.
Практическая значимость и реализация результатов исследований:
- метод комплексной предпосевной обработки семенного материала для
увеличения всхожести, энергии прорастания, урожайности сырья и уменьшения
негативного воздействия пестицидов на окружающую среду;
- математическая модель, позволяющая рассчитывать промышленные технологии и
образцы оборудования для процесса дражирования семян льна-долгунца с
электрофизическим воздействием требуемой производительности;
экспериментальная установка (УДЭ-01), с применением комбинированного энергоподвода, на основе которой может быть создана промышленная установка и используемая в учебном процессе;
установка для дражирования и электрофизической обработки (УДЭ-02 с производительностью 250 кг/час) семян льна-долгунца.
Информационную базу исследования составляют материалы научных
конференций, научно-техническая литература, публикации зарубежных и отечественных изданий, нормативные документы по теме исследования.
Основные положения, выносимые на защиту:
- технология комплексной предпосевной обработки семенного материала для
увеличения всхожести, энергии прорастания, урожайности сырья и уменьшения
негативного воздействия пестицидов на окружающую среду;
- математические модели электрофизического воздействия на семена для частных
процессов дражирования семян льна-долгунца;
- оборудование и результаты экспериментальных исследований проводимых на
установке для дражирования и электрофизической обработки (УДЭ) семян льна-
долгунца;
- технико-экономическое обоснование технологии непрерывной предпосевной
обработки семян льна-долгунца.
Личный вклад автора. Модели, схемы, результаты численных и
экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично. Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы определены совместно с научным руководителем. Макет установки, используемые при экспериментальных исследованиях, разработаны коллективом кафедры «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» при активном участии автора.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-практических конференции в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА «Инновационное развитие Удмуртской Республики – потенциал молодых ученых», Ижевск, 2012 г; в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА «Инновационные технологии в сельскохозяйственном производстве, пищевой и перерабатывающей промышленности» международной научно-практической конференции, проходящей в рамках IV этапа Евразийского Форума Молодежи «Диалог цивилизации – YOUTHGLOBALMIND», направление «Евразия как территория здоровья» - Ижевск, 2012 г.; в III Евразийский Форум Молодежи «Диалог цивилизации: путь на встречу» - Екатеринбург, 2012 г; в IV Евразийский Форум Молодежи «ДИАЛОГ ЦИВИЛИЗАЦИИ – YOUTHGLOBALMIND» - Екатеринбург, 2013 г.; VI Международной научно-практической конференции «Приоритетные научные направления: от теории к практике» - Новосибирск, 2013 г.; в XХVI Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» - Новосибирск, 2013 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 публикаций, в том числе 3 статьи в научном журнале, рекомендуемом ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 158 страниц, 58 рисунка, 8 таблиц и 4 приложений. Список литературы включает 158 наименований, в том числе 11 на иностранном языке.
Анализ существующих технологических способов и технических средств предпосевной обработки семян льна
Длина семян льна-долгунца от 3,2 до 4,8 мм, ширина от 1,5 до 2,2 мм, толщина от 0,5 до 1,2 мм, масса 1000 семян 3,5…6,5 г. Окраска и величина семян — признаки наследственные, характерные для того или иного сорта льна. Семя льна состоит из трех основных частей (рисунок 1.3) [90, 109]: 1. Покровные ткани, функция которых заключается в защите внутренних частей от механических повреждений, в предотвращении неблагоприятных внешних влияний на зародыш, в регуляции газообмена и водообмена; 2. Эмбриональные ткани (зачаточные стебелек, корешки, листочки); 3. Эндосперм (место запасных веществ).
Снаружи семя покрыто тонкой оболочкой, состоящей из шести слоев: кутикулы и эпидермиса, составляющих кожицу, клетки которой способны набухать и ослизняться при намачивании водой; слоя клетки воздухоносной паренхимы; слоя каменистых клеток, обеспечивающих прочность оболочки; второго слоя клеток паренхимы; пигментного слоя, придающего коричневую окраску семени [109].
Под оболочкой семени расположен эндосперм – слой клеток, богатый белком и жиром. За счет эндосперма происходит питание зародыша во время его роста[90].
В самой внутренней части семени находится зародыш, который состоит из короткого корешка, двух семядольных листочков и расположенной между ними небольшой почечки [109].
На формирование семени сильно влияют условия роста и развития растений. Морщинистость, щуплость и мелкие размеры семени льна – результат слабого разрастания эндосперма и зародыша или одного из них [48, 109].
В льняном семени в среднем содержится около 35…40% жира, 23% белка, 22% безазотистых экстрактивных веществ, 9% клетчатки, 3% золы и 8% воды [69]. Рисунок 1.3 – Льняное семя: I – общий вид; II – продольный разрез: 1 – оболочка; 2 – эндосперм; 3 – семядоля; 4 – корешок; III – поперечные срезы семени через зародыш Покой семян относится к завершающей фазе эмбрионального периода онтогенеза. Основным биологическим процессом, наблюдаемым при органическом покое семян, является их физиологическое дозревание, вследствие которого происходят структурные и биохимические превращения и семена приобретают способность к активному прорастанию. Этот процесс может осуществляться в доуборочный период на материнском растении, при хранении и даже в почве после посева [66].
Период покоя у растений нужно учитывать в сельскохозяйственной практике, поскольку использование на посев невсхожих семян, находящихся в состоянии покоя, может привести к изреживанию травостоя и снижению урожая.
Покой бывает вынужденным и органическим. Посевной материал, находящийся в хранилищах в течение зимы, пребывает в вынужденном покое. Причиной вынужденного покоя являются различные факторы внешней среды, препятствующие прорастанию, чаще всего неблагоприятная температура или недостаток влаги [135]. При органическом покое семена в зрелом состоянии не способны прорастать даже при благоприятных условиях. Задержка прорастания при этом вызывается свойствами зародыша или тканей, окружающих его, а именно: эндосперма, семенной кожуры, а также околоплодника. Все проявления органического покоя делят на три группы [66, 135]. 1. Экзогенный покой. Обусловлен водонепроницаемостью кожуры, имеющей развитую кутикулу и слой палисадных клеток (физический покой); препятствием прорастанию, создаваемое околоплодником или его внутренней частью (механический покой); содержанием в семенах ингибиторов, предотвращающих прорастание семян в неблагоприятных условиях. Удаление скорлупы, околоплодника или промывание плодов ускоряет прорастание семян. 2. Эндогенный покой. Обусловлен недоразвитостью зародыша (морфологический покой); пониженной активностью зародыша, которая в сочетании с ухудшением газообмена покровов создает физиологический механизм торможения прорастания семян (физиологический покой). Развитию зародыша семени может способствовать теплая или холодная стратификация, которая может длиться несколько месяцев. Активизируют прорастание семян также повреждение покровов семени и обработка цитокининами, гиббереллинами, тиомочевиной и другими веществами [115]. 3. Комбинированный покой.
У большинства возделываемых растений покой семян снимается в процессе послеуборочного дозревания. У некоторых видов естественное физиологическое дозревание протекает в течение длительного времени, что затрудняет возделывание растений. Для снятия покоя используют структурные, физические и химические факторы воздействия на семена [74].
К структурным, или механическим, приемам стимулирования прорастания относятся скарификация, импакция, локальное повреждение покровов семени, препарирование оболочек, отчуждение зародышей. При этом облегчается доступ воды и кислорода к зародышу, к тому же прорастающий зародыш изолируется от действия эндогенных факторов покоя, в первую очередь ингибиторов [74]. Скарификация, представляющая механическое повреждение водонепроницаемых покровов семени, проводится вручную или с помощью специальных механизмов. В последнем случае из-за механического воздействия снижаются биологические свойства семян, часть из них теряет жизнеспособность. Импакция основана на ударах семян друг о друга и о стенки заключающего их сосуда. При этом нарушается кожура в важной для прорастания части семян – в области рубчика, травмирование же самого семени не наблюдается.
Из других приемов применяют накалывание кожуры в области зародыша, снятие кожуры и отделение зародышей от эндосперма [74].
Физические факторы нарушения покоя семян – температура. Она оказывает влияние как на первичный, так и на вторичный покой. Выводить семена из состояния покоя можно как более высокими, так и более низкими температурами или их переменным действием.
Наиболее распространенной термической обработкой семян древесных и некоторых овощных и лекарственных растений является холодная стратификация. В зависимости от места выращивания семян условия стратификации неодинаковы (семяна северной репродукции обрабатывают при 0…3 С, семена более южного происхождения могут выйти из состояния покоя при температуре 5…7 С [84, 85].
Отмечена высокая эффективность замачивания семян в горячей воде при температуре 80…85 С в течение 10 мин для преодоления твердосемянности древесных растений. Особо твердые семена рекомендуют обрабатывать кипятком от нескольких секунд до нескольких минут [85].
Важнейшим условием и в большинстве случаев лимитирующим фактором прорастания семян является вода. Однако избыток влаги, как правило, оказывает негативное влияние на них. Семена различных растений обладают определенным оптимумом влаги для набухания и прорастания [84, 85].
Разработка и обоснование технологии предпосевной обработки семян льна
Длина семян льна-долгунца от 3,2 до 4,8 мм, ширина от 1,5 до 2,2 мм, толщина от 0,5 до 1,2 мм, масса 1000 семян 3,5…6,5 г. Окраска и величина семян — признаки наследственные, характерные для того или иного сорта льна. Семя льна состоит из трех основных частей (рисунок 1.3) [90, 109]: 1. Покровные ткани, функция которых заключается в защите внутренних частей от механических повреждений, в предотвращении неблагоприятных внешних влияний на зародыш, в регуляции газообмена и водообмена; 2. Эмбриональные ткани (зачаточные стебелек, корешки, листочки); 3. Эндосперм (место запасных веществ). Снаружи семя покрыто тонкой оболочкой, состоящей из шести слоев: кутикулы и эпидермиса, составляющих кожицу, клетки которой способны набухать и ослизняться при намачивании водой; слоя клетки воздухоносной паренхимы; слоя каменистых клеток, обеспечивающих прочность оболочки; второго слоя клеток паренхимы; пигментного слоя, придающего коричневую окраску семени [109].
Под оболочкой семени расположен эндосперм – слой клеток, богатый белком и жиром. За счет эндосперма происходит питание зародыша во время его роста[90].
В самой внутренней части семени находится зародыш, который состоит из короткого корешка, двух семядольных листочков и расположенной между ними небольшой почечки [109].
На формирование семени сильно влияют условия роста и развития растений. Морщинистость, щуплость и мелкие размеры семени льна – результат слабого разрастания эндосперма и зародыша или одного из них [48, 109].
В льняном семени в среднем содержится около 35…40% жира, 23% белка, 22% безазотистых экстрактивных веществ, 9% клетчатки, 3% золы и 8% воды [69]. Рисунок 1.3 – Льняное семя: I – общий вид; II – продольный разрез: 1 – оболочка; 2 – эндосперм; 3 – семядоля; 4 – корешок; III – поперечные срезы семени через зародыш
Покой семян относится к завершающей фазе эмбрионального периода онтогенеза. Основным биологическим процессом, наблюдаемым при органическом покое семян, является их физиологическое дозревание, вследствие которого происходят структурные и биохимические превращения и семена приобретают способность к активному прорастанию. Этот процесс может осуществляться в доуборочный период на материнском растении, при хранении и даже в почве после посева [66].
Период покоя у растений нужно учитывать в сельскохозяйственной практике, поскольку использование на посев невсхожих семян, находящихся в состоянии покоя, может привести к изреживанию травостоя и снижению урожая.
Покой бывает вынужденным и органическим. Посевной материал, находящийся в хранилищах в течение зимы, пребывает в вынужденном покое. Причиной вынужденного покоя являются различные факторы внешней среды, препятствующие прорастанию, чаще всего неблагоприятная температура или недостаток влаги [135]. При органическом покое семена в зрелом состоянии не способны прорастать даже при благоприятных условиях. Задержка прорастания при этом вызывается свойствами зародыша или тканей, окружающих его, а именно: эндосперма, семенной кожуры, а также околоплодника. Все проявления органического покоя делят на три группы [66, 135].
1. Экзогенный покой. Обусловлен водонепроницаемостью кожуры, имеющей развитую кутикулу и слой палисадных клеток (физический покой); препятствием прорастанию, создаваемое околоплодником или его внутренней частью (механический покой); содержанием в семенах ингибиторов, предотвращающих прорастание семян в неблагоприятных условиях. Удаление скорлупы, околоплодника или промывание плодов ускоряет прорастание семян.
2. Эндогенный покой. Обусловлен недоразвитостью зародыша (морфологический покой); пониженной активностью зародыша, которая в сочетании с ухудшением газообмена покровов создает физиологический механизм торможения прорастания семян (физиологический покой). Развитию зародыша семени может способствовать теплая или холодная стратификация, которая может длиться несколько месяцев. Активизируют прорастание семян также повреждение покровов семени и обработка цитокининами, гиббереллинами, тиомочевиной и другими веществами [115].
3. Комбинированный покой.
У большинства возделываемых растений покой семян снимается в процессе послеуборочного дозревания. У некоторых видов естественное физиологическое дозревание протекает в течение длительного времени, что затрудняет возделывание растений. Для снятия покоя используют структурные, физические и химические факторы воздействия на семена [74].
К структурным, или механическим, приемам стимулирования прорастания относятся скарификация, импакция, локальное повреждение покровов семени, препарирование оболочек, отчуждение зародышей. При этом облегчается доступ воды и кислорода к зародышу, к тому же прорастающий зародыш изолируется от действия эндогенных факторов покоя, в первую очередь ингибиторов [74]. Скарификация, представляющая механическое повреждение водонепроницаемых покровов семени, проводится вручную или с помощью специальных механизмов. В последнем случае из-за механического воздействия снижаются биологические свойства семян, часть из них теряет жизнеспособность. Импакция основана на ударах семян друг о друга и о стенки заключающего их сосуда. При этом нарушается кожура в важной для прорастания части семян – в области рубчика, травмирование же самого семени не наблюдается.
Исследование процесса дражирования семян
Одним из важных качественных показателей дражированных семян являются: форма, размер, вес 1000 штук, прочность, влагоемкость, воздухопроницаемость, способность оболочки драже распадаться в почве. Для обеспечения выше указанных качественных показателей необходимо выполнять следующие требования [63]: 1. Лабораторная всхожесть должна быть максимально приближенна к 100 %. Семена должны храниться не менее года, сохраняя свою всхожесть и энергию прорастания. 2. В драже должно содержаться одно семя для мелкосеменных культур до 90 %, крупносеменных культур 95…98 %. 3. Драже должно иметь правильную овалевидную или шаровидную форму. 4. Прочность драже должно быть в пределах 0.3…1,2 кгс для обеспечения механизированного высева. 5. Размеры драже необходимо откалибровать по диаметру дисков высевающих аппаратов. 6. Оболочка не должна затруднять проращивание семян. Оболочка должна хорошо пропускать воздух, быстро разрушаться после посева во влажную почву. 7. Дражированные семена должны фасоваться в бумажные мешки массой не более 10 кг для мелкосеменных и 15 кг для крупносеменных культур.
Оценкой качества семя и эффективностью предпосевной обработки является всхожесть, характеризующая способность семян дать в определенных, точно установленных и воспроизводимых условиях нормальные ростки. При определении всхожести устанавливают и энергию прорастания семян, подсчитывая нормально проросшие семена раньше срока определения всхожести. Их определяют проращиванием на фильтровальной бумаге при комнатной температуре, т. е. около 20 С [19, 40, 89]. Всхожесть устанавливали согласно ГОСТ 12038 – 84 и ГОСТ 12041 – 82 [41, 101].
Полевые исследования, осуществляются в полевой обстановке на специально выделенном участке. Основной задачей полевого опыта является установление различий между вариантами опыта, количественная оценка действия факторов жизни, условий или приемов возделывания на урожай растений и его качество.
Полевой эксперимент зависит от числа вариантов, размеров опытных делянок, ширины защитных полос, повторностей опытов, размещения в опыте, методики учетов и наблюдений.
Устранение влияния возможных односторонних закономерностей изменчивости почвенного плодородия на результаты опыта и для гарантированного правильного использования статистических критериев, с целью оценки экспериментальных данных был использован метод рандомизации. Технология возделывания льна-долгунца в полевых опытах была общепринятой для этой культуры.
Посев производится когда температура почвы на глубине заделки семян достигнет 13…14 С. При благоприятных условиях (температурах) всходы льна-долгунца появляются через 5…8 дней, в остальных случаях через до 15 дней. Вегетационный период (от всходов до созревания) у льна-долгунца короткий – 75…90 дней. При жаркой и сухой погоде он сокращается до 60…65 дней, а при холодной дождливой удлиняется иногда до 100 дней и больше [111].
От посева до сбора физиологически спелого урожая растения проходят такие фенологические фазы, как: всходы, «елка», бутонизация, цветение, созревание. Все основные фазы развития льна-долгунца приведены в рисунке 2.2. Для математической обработки и обоснованных выводов использовались лишь те результаты полевых опытов, которые не содержали грубых и систематических ошибок. Во время проведения исследований соблюдалась последовательность действий (алгоритм), который приведен на рисунке 2.3. 1 2 3 4 5 Рисунок 2.2 – Фазы развития льна-долгунца: 1 – всходы, 2 – «елка»; 3 – бутонизация; 4 – цветение; 5 – созревание
Партия семян льна-долгунца проходит электрофизическую обработку, после чего идет процесс дражирования. Из них отбирают пробы для проведения лабораторных исследований, определяется всхожесть и энергия прорастания. Дальше партия семян высевается на делянках. Определяют полевую всхожесть и энергию прорастания. 2.3 Разработка и обоснование технологии предпосевной обработки семян
На кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производства» ФГБОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» разработан комплекс [37] предпосевной обработки семян путем дражирования, ультразвуковой обработки, СВЧ-активации и применении биоорганических удобрений, с последующим посевом традиционным способом [124,130].
На рисунке 2.4 представлена технологическая схема биологической предпосевной обработки семян льна-долгунца.
Технология обработки семян состоит из нескольких этапов: подготовка биогумуса и био-водного раствора, дражирование и электрофизическое воздействие на семена.
После подготовки компонентов семена помещаются в емкость с биоводным раствором, где они проходят стадию ультразвуковой обработки. Ультразвуковое замачивание семян позволяет увеличить проницаемость мембран клеток и впитать в себя биоорганические удобрения, тем самым, обеспечивая зародыш необходимым дополнительным питанием.
После ультразвуковой обработки семена обрабатываются в СВЧ-поле. СВЧ-обработка позволяет активировать биохимические процессы зародыша, в результате чего увеличивается энергия прорастания и всхожесть.
Далее намоченные и обработанные семена поступают в дражиратор, куда подается сухая мелкодисперсная дражирующая смесь (биогумус), в результате чего происходит обволакивание семян слоем биогумуса. Благодаря тому, что снаружи семя покрыто тонкой оболочкой, клетки которой способны набухать и ослизняться при намачивании жидкостью, поверхность льняных семян получается довольно клейкой и позволяет, удерживать дражирующую смесь без использования клеевого состава.
Результаты экспериментальных исследований технологических параметров предпосевной обработки семян льна
В результате исследований дано математическое описание для квазистационарного случая электрофизической предпосевной обработки семян; получены аналитические решения задачи, позволяющие определить изменение температурного поля в обрабатываемом материале от различных технологических параметров.
Полученные аналитические зависимости обработки семенного материала УЗИ позволяют найти параметры ультразвукового излучения (время обработки УЗИ – 29…30 мину; удельная мощность УЗИ – 6…8 Вт/кг; частота излучения УЗИ – 110 ±0,05кГц).
Полученные аналитические зависимости обработки семян СВЧ, позволяют найти параметры магнетрона (время обработки СВЧ – 14…15 секунд; удельная мощность СВЧ-излучения – 40…45 Вт/кг; частота СВЧ-излучения – 2450 ±0,05МГц; температура семенного материала – 20…40 оС).
Полученные данные параметры электрофизической обработки позволяют рассчитать параметры работы шнека (частота вращения шнека – 4…4,5 об/мин; скорость продвижения семян по шнеку– 0,4 ±0,1 м/мин; шаг винта шнека 0,1 м). Расход био-водного раствора – 60 л/т.
Дано математическое описание процесса дражирования семян. Получены аналитические решения задачи кинетики процесса осаждения частиц дражирующей смеси (биогумуса) на поверхность семян льна, позволяющие определить технологические параметры (размеры частиц биогумуса -50…100 мкм; время дражирования – 3…4 мин; частота вращения барабана – 28…30 об/мин).
По результатам теоретических и практических исследований была составлена технология дражирования семян льна-долгунца. Технологическая схема процесса представлена на рисунке 4.1. Технология дражирования семян льна с использованием биоорганических удобрений и электрофизического воздействия включает в себя следующие технологические операции: - подготовка компонентов (семян, био-водного раствора и биогумуса); - смачивание семян в большом количестве жидкости. Расход жидкости 60 л/т; - ультразвуковая обработка, с удельной мощностью излучения 6…8 Вт/кг, частотой излучения 110 кГц и экспозицией 30 минут; - перемещение семян по шнеку. Скорость движения семян 0,4 м/с при межвитковом расстоянии (шаг) 0,1 м и частотой его вращения 4…4,5 об/мин; - обработка в СВЧ-поле, с удельной мощностью излучения 40…45 Вт/кг, частота 2450 МГц и временем обработки 15 секунд. С изменением температуры с 20…40 оС; - внесение дражирующей смеси в соотношении 1:1 (семена : биогумус); - дражирование, с частотой вращения барабана 28…30 об/мин и временем обработки 3…4 мин;
Режимы обработки в УЗИ и СВЧ-поле, параметры процесса дражирования и количество внесения дражирующей смеси выбраны исходя из экспериментальных данных (глава 2) и опираясь на математическую модель (глава 3). Из рекомендаций по применению биоорганических удобрений выбрана пропорция био-водного раствора (Приложение А).
Описание и работа установки для предпосевной обработки семян льна
По результатам теоретических и практических исследований была разработана экспериментальная установка (рисунок 4.2) для предпосевной обработки семян льна с использованием процесса дражирования и электрофизического воздействия (УДЭ-01) производительностью 1 кг/ч. Рисунок 4.2 – Принципиальная схема установки для предпосевной обработки
Для защиты работников от сверхвысокочастотного излучения СВЧ магнетрон (5) ограждается защитным кожухом. Защита от СВЧ излучения с торцов шнека подразумевает с одного торца полное поглощение био-водным раствором с другого гашение излучения в воздухе. Задняя крышка герметична и неподвижна относительно барабана за счет скользящего металлического контакта. Корпус шнека выполнен из металла отражающего СВЧ-излучение. Шнек изготовлен из диэлектрика и имеет внутри армированную сеточную структуру для отражения волн.
Работа установки УДЭ-01 заключается в следующем. Подготовленный семенной материал через дозирующее устройство насыпается в емкость с жидкостью для УЗИ обработки (2), где он смачивается и обрабатывается ультразвуковым излучением (18). По окончании процесса семена начинают перемещаться к следующему технологическому циклу при помощи шнека. В момент прохождения семян в зоне действия СВЧ-поля включается магнетрон (5) и начинается обработка семенного материала в непрерывном потоке. По достижению семенами барабана включается электродвигатель (11) и начинается процесс дражирования. Параллельно с этим включается сервопривод (6), который приводит в движение устройство для порционирования сухого мелкодисперсного биогумуса (16). По окончании процесса дражирования гранулы семян выгружаются через выгрузное устройство (13)
Система автоматизации и регулирования установками типа УДЭ-01
Система управления технологическим процессом (далее СУТП) была разработана c использованием отладочной платы Arduino Uno на базе микроконтроллера ATMEGA8. Данная отладочная платформа имеет 14 цифровых (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ) и 6 аналоговых входа. Электрическая схема управления представлена на рисунке 4.3. 100 Рисунок 4.3 – Электрическая схема управления технологическим процессом на установке УДЭ-01 101 СУТП установки УДЭ-01 состоит из: - отладочной платы Arduino Uno на базе микроконтроллера ATMEGA8 (U1); - четырех реле одноконтактых (RL3, RL4, RL6. RL5) и одного реле двухконтактого (RL7) с нагрузочной способностью: 5 А при 250 В при переменном токе и 5 А при 30 В постоянном токе; - светодиодной индикации (D8, D13, D9, D10, D11, D12) в количестве 6 штук; - электролитического конденсатора на 1000F (C3); - резисторов (R1, R7, R3, R4, R5, R6) с сопротивлением 470 Ом, мощностью 0,25 Вт в количестве 6 штук; - резисторов (R2, R8, R3, R9, R10, R11) с сопротивлением 220 Ом, мощностью 0,25 Вт в количестве 5 штук; - биполярных NPN транзисторов (Q1, Q2, Q5, Q6, Q7) серии КТ 815 в количестве 5 штук; - диодов (D2, D3 D5, D6, D7) серии 1N400x в количестве 5 штук; - датчиков уровня (уровень 1) жидкости в емкости для био-водного раствора и емкости для сухого мелкодисперсного биогумуса (уровень 2); - датчика температуры в зоне обработки СВЧ-поля (термопара); - СВЧ, УЗИ, двигателей барабана и шнека, сервопривода и дозатора. Управляющее питание микроконтроллера, реле и сервопривода 5В постоянного тока. Питание электродвигателей, УЗИ, СВЧ и дозатора 220В переменного тока. Сервопривод запитывается от постоянного тока напряжением 24В. Выходное напряжение датчиков уровня 5В с током не более 500мА.
Приведенная электрическая схема управления технологическим процессом на установке УДЭ-01 выполнена с использованием автоматизированного программного комплекса «Proteus».
Для реализации системы автоматизации технологического процесса была написана программа для микроконтроллера в среде программирования Arduino на языке «С». Программный код приведен в Приложении Г
