Способ предпосевной обработки семян сои электрическим полем

На семена сои воздействуют импульсным электрическим полем. Амплитуда напряженности Е_maxполя не превосходит величин , а сумма времен длительности импульса «τ» и длительность его фронта «а» для каждого импульса достигает, по крайней мере, нескольких наносекунд и составляет (τ+а)≤(8÷9)·10^-9 сек. Такое воздействие обеспечивает увеличение энергии прорастания и всхожести семян сои. 4 ил., 2 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области сельскохозяйственной агрономии, а именно к предпосевной обработке семя сельскохозяйственных культур внешними физическими факторами (электромагнитным полем, постоянным электрическим полем, озоновоздушным потоком, лазерным когерентным излучением и т.д.).

Уровень техники

Известен способ обработки семян полножирной сои. Семена сои промывают проточной водой. Затем их проращивают в водном растворе анолита в течение 3-5 суток. После этого проводят обработку раствором пропионовой кислоты, а также термическую обработку при температуре 55-65°С до влажности семян 8÷12%. Изобретение позволяет повысить эффективность получаемого растительного белка за счет снижения содержания антипитательных веществ в готовом продукте, снижения материальных затрат для приготовления полножирной сои и уменьшения времени ее обработки (пат. РФ №2283596, 20.09.2006 г., кл. A23L 1/20).

Однако указанный способ обработки сои не позволяет улучшить ее посевные качества (т.е. увеличить энергию прорастания и всхожесть семян) и, как следствие, не позволяет увеличить урожайность сои.

Известен способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур электромагнитным полем сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, позволяющий как обеззараживать семена путем подавления развития в них патогенной микофлоры, так и стимулировать их последующее прорастание (Карнович В.А. Микроволновая технология повышения урожайности. НИИ ядерных проблем Белорусского государственного университета; адрес в Интернете: http:www.icm.by/private/developments/p83/index.html, (24.05.2006)).

Недостатком данного способа предпосевной обработки семян является необходимость знания оптимальной частоты предпосевной обработки для семян каждой сельскохозяйственной культуры, что само по себе является отдельной проблемой. В противном случае указанная обработка не обладает достаточно высокой стимулирующей способностью для последующего проращивания семян, развития из них растений и, как следствие, значительного повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Наиболее близким по технической сущности является способ предпосевной обработки семян постоянным электрическим полем «коронного разряда» (Порсев Е.Г., Суслов Н.В. Предпосевная электрокоронная обработка семян зерновых культур. Перспективы применения в сибирском регионе. СибНИПТИП СО РАСХН (Красноярск), Новосибирск; адрес в Интернете: http:/www.obomdovameregion.ru/service/Materials/view?id=331 (12.12.06 г.) - прототип).

Недостатком этого способа является также слабая стимулирующая его способность для семян сельскохозяйственных культур, т.к. воздействующее на семена электрическое поле «коронного разряда» является постоянным. Электрические токи «коронного разряда» «убивают» («выжигают») термическим образом микофлору на поверхности семян, не оказывая стимулирующего действия на их жизнедеятельность. При этом энергия прорастания и всхожесть семян увеличиваются незначительно: в среднем на (3÷4)% по сравнению с контрольными, необработанными семенами, что незначительно увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к увеличению энергии прорастания и всхожести семян сои, а также последующему ускорению проращивания (развития) из этих семян растений и, как следствие, увеличению урожайности сельскохозяйственных культур (сои).

Технический результат достигается с помощью способа предпосевной обработки семян сои путем воздействия электрическим полем, при этом электрическое поле используют импульсное, амплитуда напряженности - Е_max которого не превосходит величин , а сумма времен длительности импульса - τ и длительность его фронта - а для каждого импульса достигает, по крайней мере, нескольких наносекунд:

(τ+а)≤(8÷9)·10^-9 сек.

При этом искомые оптимальные время обработки t_обр и время отлежки t_отл семян сои после их обработки удовлетворяют эмпирическим соотношениям:

t_обр=А·е^-αf

t_отл=В·f^β,

где f - частота следования импульсов электрического поля; α=0,0057 сек; β≈0,45; А=110 мин; B=3,8·10⁴(сек)^1,45. А оптимальная доза указанной обработки импульсным электрическим полем определяется формулой:

Сущность способа предпосевной обработки семян сои электрическим полем заключается в следующем: предпосевная обработка семян сои осуществляется путем воздействия импульсного электрического поля, амплитуда напряженности которого не превосходит величины - , а сумма времен длительности импульса - τ и длительность его фронта - а для каждого импульса достигает, по крайней мере, нескольких наносекунд:

(8÷9)·10^-9 сек.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлены графики зависимостей энергии прорастания семян сои сорта Вилана от длительности времени их обработки импульсным электрическим полем для нескольких частот обработки

при оптимальных временах отлежки в сутках.

На фиг.2 представлены графики зависимостей всхожести семян сои сорта Вилана от длительности времени их обработки импульсным электрическим полем для нескольких частот обработки при оптимальных временах отлежки в сутках.

На фиг.3 представлены графики зависимостей оптимального времени обработки (кривая 1) и оптимального времени отлежки (кривая 2) семян сои от частоты импульсов электрического поля амплитудой - и длительностью: (τ+а)=8,0·10^-9 сек.

На фиг.4 представлены в логарифмическом масштабе графики зависимостей оптимального времени обработки (кривая 1) и оптимального времени отлежки (кривая 2) семян сои от частоты импульсов электрического поля амплитудой - и длительностью - (τ+а)=8,0·10^-9 сек.

Сущность изобретения

Примеры конкретного выполнения способа предпосевной обработки семян сои импульсным электрическим полем

Пример: необходимое для обработки семян сои импульсное электрическое поле создается генератором импульсного напряжения, амплитуда импульсов которого может изменяться в диапазоне от 3000 до 15000 В. Частота следования указанных импульсов напряжения может изменяться в пределах от 30 до 300 Гц.

Обработка семян сои осуществляется в плоском электрическом конденсаторе, подключенном к указанному генератору и представляющем собой плоский волновод с воздушным диэлектриком, свободный конец которого закорочен нагрузочным сопротивлением в 10 кОм. Геометрические размеры волновода составляют: длина - 63 см, ширина - 11,5 см, толщина плоского воздушного зазора между электродами - 3 см. В указанном «волноводе-конденсаторе» образуется практически однородное по его длине импульсное электрическое поле, вычисляемое по формуле:

Здесь U(t) импульсное напряжение генератора, d толщина воздушного зазора между электродами.

Исходя из указанных выше параметров генератора амплитуда импульсного электрического поля - Е_max в «конденсаторе-волноводе» варьируется в диапазоне:

В примененном импульсном генераторе напряжения длительность импульса равна: τ=5,4·10^-9c, а длительность его переднего фронта - τ_ф и заднего среза - τ_ср приблизительно одинаковы и равны: а=τ_ф=τ_ср=2,5·10^-9c. Эти временные параметры практически не изменяются при варьировании частоты импульсов генератора в диапазоне частот от 30 до 300 Гц. Исходя из сказанного импульсное напряжение генератора можно представить в виде периодической последовательности импульсов напряжения трапецеидальной формы. Из теории радиотехнических сигналов известно, что периодический импульсный сигнал представляет собой сумму сигналов гармонических частот, кратных основной частоте импульсов. Спектр частот этого периодического импульсного сигнала (напряжения) может быть получен математическим его разложением в ряд Фурье. Учитывая также выражение (1) и выполнив эту математическую операцию для рассматриваемого импульсного электрического поля, получаем:

(2)

В соотношении (2) первое слагаемое есть постоянная составляющая электрического поля. Второе слагаемое отражает спектр гармонических (косинусоидальных) составляющих электрического поля. Каждая гармоника этого спектра имеет амплитуду, равную:

(3)

Здесь - амплитуда импульса электрического поля генератора, создаваемая в «конденсаторе-волноводе» амплитудой импульса напряжения. Соответствующая частота каждой гармоники электрического поля равна (f·n), где n=1, 2, 3... - номер гармоники. Функция A(f·n·a) есть безразмерная амплитуда каждой гармоники электрического поля. Она выражается в рассматриваемом случае формулой:

(4)

Функция А(f·n·а) по своей физической сущности представляет собой амплитудно-частотную характеристику импульсного периодического электрического поля, создаваемого импульсным генератором в «конденсаторе-волноводе», в который для обработки помещают семена сои. Из формулы (4) следует, что первое нулевое значение функции А(f·n·а) возникает при условии:

(5)

Это условие определяет максимальную частоту f_max гармоник электрического поля в проведенных экспериментах, соответствующую внешней частоте f импульсов напряжения применяемого генератора. Из (5) получаем, что:

(6)

Оптимальные режимы предпосевной обработки семян сои и их обоснование

Таким образом, применяя очень короткие импульсы периодического напряжения (электрического поля) длительностью (τ+а), составляющей, по крайней мере, единицы наносекунд (8÷9)·10^-9 сек, и обеспечивают достаточно широкий спектр частот гармоник электрического поля, воздействующего на обрабатываемые семена сои. К этому обстоятельству следует добавить, что для эффективной предпосевной обработки семян каждой сельскохозяйственной культуры необходимо знать оптимальную частоту обработки или оптимальный диапазон частот, на которых достигается наибольший эффект предпосевной стимуляции семян (т.е. возрастает энергия прорастания и всхожесть семян). Эти частоты, как правило, не известны и их определение является самостоятельной научно-практической проблемой. С другой стороны, из научной литературы известно, что переменное электрическое поле оказывает биологическое воздействие на живые организмы (человека, животных, растения) в широком диапазоне частот вплоть до 1000 мегагерц (Гордиенко В.А. Физические поля и безопасность жизнедеятельности/ Проблемы экологии, здоровья и жизни на земле, Москва. Изд. Астрель. - 2006).

Согласно формуле (5) это соответствует указанной длительности (τ+а), равной одной наносекунде, т.е.: (τ+а)=1,0·10^-9 сек. Поэтому, ограничивая изначально длительность импульсов электрического поля величинами, сравнимыми с указанной величиной, заведомо обеспечивают достаточно широкий указанный спектр частот воздействия их гармоник на семена сои. В этом широком спектре частот всегда найдется узкий диапазон оптимальных частот гармоник, которые наиболее эффективно стимулируют семена сои, увеличивая существенно их энергию прорастания и всхожесть.

Следовательно, отпадает необходимость специального поиска оптимальной частоты обработки семян сельскохозяйственных культур (в данном случае сои). С другой стороны, для увеличения эффективности воздействия каждой гармоники электрического поля на семена сои следует увеличивать ее амплитуду. Действительно, согласно выражению (3) при заданной оптимальной величине длительности импульса (τ+а) следует, по возможности, увеличивать произведение (Е_maxf). Однако известно, что при нормальных атмосферных условиях: атмосферном давлении воздуха ˜760 мм рт.ст., температуре и влажности воздуха 20°С и 60% соответственно, наибольшая возможная напряженность электрического поля в воздухе не может превосходить величины: В противном случае возникает электрический пробой воздушного промежутка, т.е. возникает «коронный разряд» (Калашников С.Г. Электричество. Москва. Изд. Наука. 1970. - С.419-423).

При «коронном разряде» протекающий электрический ток создает термическую обработку семян сельскохозяйственных культур («обжигает» семена), что уничтожает микофлору на их поверхности (т.е. уменьшает зараженность семян). Поэтому время обработки семян в этом способе составляет несколько секунд (как правило, около 10 секуд). В реальных экспериментах предлагаемого способа обработки в зависимости от влажности атмосферного воздуха (при ее повышении) максимальная величина напряженности электрического поля, исключающая возникновение «коронного разряда», составляет не более: При этом семена сои не подвергаются термической обработке, а обеспечивается умеренная («щадящая») частотная стимуляция их жизнедеятельности импульсным электрическим полем (т.е. его частотными гармониками). Например, согласно соотношению (3) при (τ+а)=8,0·10^-9 сек, f=300 Гц, n=1 и A(fna)≈1 амплитуды частотных гармоник электрического поля каждого импульса не превосходят величины , что соответствует амплитудам напряжения гармоник не более 0,072 В.

Т.е. каждая из них по амплитуде существенно меньше («умеренна») в сравнении с амплитудой всего суммарного импульса напряжения в 15000 В.

Необходимо также отметить, что повышение эффективности предпосевной обработки семян предлагаемым способом за счет существенного увеличения частоты импульсного электрического поля (а следовательно, увеличения амплитуд его гармоник, (см. выражение (3)) не представляется возможным. Частота повторения импульсов напряжения генератора, как правило, не превосходит нескольких килогерц. В противном случае, при указанных очень коротких длительностях импульсов напряжения генератора и высоких их амплитудах (а следовательно, и высоких амплитудах напряженности электрического поля - Е_max) существенно возрастает потребляемая электрическая мощность генератора, что является экономически не целесообразным. Дело в том, что потребляемая генератором от электрической сети мощность пропорциональна частоте следования его импульсов напряжения.

Таким образом, из представленного анализа следуют ограничения (существенные отличия) для предлагаемого способа предпосевной обработки семян сои импульсным электрическим полем:

(τ+а)≤(8÷9)·10^-9сек; (7)

Понятие дозы обработки семян сои импульсным электрическим полем

При обработке семян сельскохозяйственных культур вводят понятие дозы обработки (воздействия) - D.

Применительно к предлагаемому способу обработки семян сои доза обработки должна быть пропорциональна амплитуде напряженности электрического поля умноженной на время обработки семян сои - t_обр, измеренному по часам. Однако, с учетом импульсного характера воздействия электрического поля на семена, реальное время обработки (воздействия) гораздо меньше и представляет произведение:

t_реал=(τ+a)·f·t_обр.

Кроме того, экспериментальные опыты по обработке семян сои показали, что при фиксированных частоте f и амплитуде U_max импульсов напряжения генератора увеличение времени обработки - t_обр требует большей продолжительности так называемого времени отлежки - t_отл семян сои. Это объясняется тем, что семена сельскохозяйственных культур, в том числе и сои, сразу после интенсивной обработки находятся в состоянии «стресса», который снимается несколькими сутками отлежки семян до их закладки на проращивание во влажную среду в чашки Петри. Исходя из сказанного доза обработки семян импульсным электрическим полем определяется согласно формуле:

(8)

Для достижения максимального положительного эффекта предпосевной обработки семян сои предлагаемым способом (т.е. существенного возрастания энергии прорастания и всхожести семян сои) необходимо знать для каждой частоты воздействия - f оптимальные величины времен t_обр и t_отл. В этом случае, согласно соотношению (8), доза воздействия D тоже будет оптимальной.

Результаты опытной обработки семян сои сорта Вилаиа импульсным электрическим полем

В качестве примеров по экспериментальной обработке семян сои сорта Вилана импульсным электрическим полем на фиг.1 и 2 представлены полученные экспериментальным путем графики для энергии прорастания семян и их всхожести (выраженных в процентах к общему числу обработанных семян в каждом режиме) в зависимости от времени их обработки. При этом амплитуда импульсов напряжения была выбрана постоянной и равной U_max=15000B, что соответствовало амплитуде напряженности электрического поля Переменными параметрами являлись частота импульсов напряжения f (частота обработки от 30 до 300 Гц) и оптимальное время отлежки семян сои сорта Вилана после их обработки (которое варьировалось в пределах от 2 до 7 суток).

Из графиков фиг.1 и 2 следует, что для каждой частоты обработки и оптимального времени отлежки существует оптимальное время обработки, при котором энергия прорастания и всхожесть семян достигают наибольших значений. При этом установлено, что в оптимальных режимах обработки семян сои импульсным электрическим полем их энергия прорастания увеличилась на 17÷18%, а всхожесть семян возросла на 20÷23% по сравнению с контрольной (необработанной) партией семян сои.

При способе обработки семян сои сорта Вилана постоянным электрическим полем «коронного разряда» энергия прорастания семян сельскохозяйственных культур и их всхожесть возрастала в среднем на 3÷4% (прототип).

Таким образом, предлагаемый способ предпосевной обработки семян импульсным электрическим полем обладает большей эффективностью в сравнении с их обработкой известным способом с помощью постоянного электрического поля. В оптимальных режимах обработки семян сои сорта Вилана предлагаемым способом их энергия прорастания и всхожесть возрастают в сравнении с известным способом обработки в среднем на 18% и 23% соответственно, что подтверждает наличие положительного эффекта. В таблице 1 представлены оптимальные значения времени обработки - t_обр и времени отлежки - t_отл (для которых максимальны энергия прорастания и всхожесть семян) для разных частот обработки f семян сои сорта Вилана, которые получены из графиков фиг.1 и фиг.2.

Таблица 1
f, Гц	30	60	150	210	300
lg f	1,477	1,778	2,176	2,301	2,477
tобр	мин	100	80	49	30	20
сек	6000	4800	2940	1800	1200
lg tобр	3,78	3,68	3,47	3,26	3,08
tотл	суток	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
сек	172800	259200	345600	432000	518400
lg tотл	5,24	5,41	5,54	5,64	5,71

На основе данных таблицы построены и представлены на фиг.3 графики зависимостей оптимальных времен t_обр (кривая 1) и t_отл (кривая 2) от частоты импульсов f при фиксированной их амплитуде в 15000 В (что соответствовало). Необходимо отметить, что кривая 2 построена на основе опытных данных, когда при каждом фиксированном найденном оптимальном времени обработки, а также для заданной частоты обработки f и амплитуде импульсов 15000 В изменяют время их отлежки после обработки и закладки их на проращивание.

Оказалось, что графические зависимости фиг.3 можно аппроксимировать функциями вида:

(9)

Здесь α, β, А, В искомые постоянные величины, для нахождения которых преобразуют формулы (9) с помощью операции взятия логарифма к виду:

(10)

Затем, подставив данные таблицы 1 в соотношения (10), получают два графика фиг.4, отражающие зависимости lgt_обр (кривая 1) и Igt_отл (кривая 2) соответственно от f и lgf. Из этих графиков получают, что:

(11)

Например, при f=30 Гц, подставив величины (11) в соотношения (9), получаем t_обр≈100 мин, t_отл=3 суток. При f=300 Гц получаем соответственно: t_обр≈20 мин, t_отл=6 суток. Следовательно, повышая частоту импульсного электрического поля (частоту обработки), можно существенно сократить оптимальное время обработки, что является экономически целесообразным. Таким образом, соотношения (9) и (11) представляют собой математическую аппроксимацию экспериментальных данных для оптимальных времен обработки и отлежки семян сои в зависимости от частоты обработки импульсного электрического поля. Эти соотношения также являются существенными отличиями (признаками) предлагаемого способа обработки семян сои.

Важно отметить, что подтверждением рассмотренного выше (см. выражения (2)÷(5)) частотного характера стимуляции семян сельскохозяйственных культур (в данном случае сои) импульсным электрическим полем является наличие на кривых для энергии прорастания и всхожести семян сои фиг.1 и фиг.2 наряду с главным максимумом нескольких меньших дополнительных максимумов («пиков-изломов»). Например на фиг.1 главный максимум энергии прорастания (80%) на кривой, соответствующий частоте обработки (импульсов генератора), равной f=30 Гц, наблюдается для времени обработки 100 мин. Времена обработки, соответствующие дополнительным максимумам («пикам-изломам») этой кривой, определяются воздействием косинусоидальных частотных гармоник напряженности электрического поля. Частота каждой упомянутой гармоники - f_гар и ее номер кратности - n основной частоте следования импульсов генератора - f(f_гар=n·f) представлены в таблице 2.

Таблица 2
tобр, мин	100	80	50	17	115	130	150
tгар, Гц	30	40	60	176	26	23	20
n	1,0	˜1,5	2,0	˜6,0	0,87	0,77	0,67

Как следует из этой таблицы, большим частотам кратных гармоник электрического поля (n≈1; ˜1,5; 2,0; 6,0) соответствуют меньшие времена их воздействий (обработки). Большим временам обработки: 115 мин, 130 мин, 150 мин, соответствуют низкочастотные гармоники, для которых n<1. Появление этих гармоник является следствием затухания энергии каждого импульса электрического поля в «конденсаторе-волноводе», в котором непосредственно обрабатываются семена сои. Расчет (оценка) частот кратных гармоник электрического поля выполняется на основе эмперической формулы, следующей из таблицы 2:

(12)

При частоте импульсов генератора f=30 Гц и оптимальном времени обработки семян сои на этой частоте t_обр≈100 мин=6·10³ сек из (12) получаем, что C≈1,8·10⁵.

Импульсная предпосевная обработка семян сои была выполнена на нескольких сортах сои: Дуар, Альба, Вилана, используемых для ее выращивания в Ставропольском крае. При этом полученные экспериментальные результаты соответствуют всем отличительным признакам, приведенным в формуле настоящего изобретения.

Таким образом, на основании всего приведенного анализа и экспериментальных данных можно сделать вывод, что предлагаемый способ предпосевной обработки семян сои импульсным электрическим полем обладает большей эффективностью в сравнении с их обработкой известным способом с помощью постоянного электрического поля «коронного разряда». В оптимальных режимах обработки семян сои предлагаемым способом их энергия прорастания и всхожесть возрастают в сравнении с известным способом обработки (прототипом) в среднем на 18% и 23% соответственно, что подтверждает наличие положительного эффекта.

Литература

[1] Патент РФ №2283596, 20.09.2006 г., кл. А23L 1/20, Кощаев А.Г., Способ обработки полножирной сои, Кубанский госуниверситет.

[2] Карнович В.А. Микроволновая технология повышения урожайности, НИИ ядерных проблем Белорусского государственного университета; адрес в Интернете: http:www.icm.by/ private/developments/p83/index.html, (24.05.2006).

[3] Порсев Е.Г., Суслов Н.В. Предпосевная электрокоронная обработка семян зерновых культур. Перспективы применения в сибирском регионе. СибНИПТИП СО РАСХН (Красноярск), Новосибирск; адрес в Интернете: http:/www.obomdovanieregion.ru/service/Materials/view?id=331 (12.12.06.). (прототип)

[4] Гордиенко В.А. Физические поля и безопасность жизнедеятельности/Проблемы экологии, здоровья и жизни на земле, Москва. Изд. Астрель. - 2006.

[5] Калашников С.Г. Электричество. Москва. Изд. Наука. 1970. - С.419-423.

Способ предпосевной обработки семян сои путем воздействия электрическим полем, отличающийся тем, что электрическое поле используют импульсное, амплитуда напряженности Е_max которого не превосходит величины а сумма времен длительности импульса τ и длительности его фронта а для каждого импульса достигает, по крайней мере, нескольких наносекунд

(τ+а)≤(8÷9)·10^-9 с,

причем искомые оптимальные время обработки t_обр и время отлежки t_отл семян сои после их обработки удовлетворяют эмпирическим соотношениям

и

где f - частота следования импульсов электрического поля;

α≈0,0057 с; β≈0,45; А=110 мин;

В=3,8·10⁴с^1,45, а доза указанной обработки импульсным электрическим полем определяется формулой