способ предпосевной обработки семян и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ предпосевной обработки семян, включающий подачу семян на скатные поверхности пластин-электродов рабочей камеры, обработку семян в промежутках между электродами током коронного разряда и выгрузку семян, отличающийся тем, что обработку семян током коронного разряда осуществляют в течение 2 с при плотности тока 0,08÷0,2·10^-3 А/м ².

2. Устройство для предпосевной обработки семян, включающее бункер для семян, параллельно расположенные и наклонно установленные на раме многоярусные кассеты в виде пластин-электродов, образующих ряд рабочих полостей для обработки семян в поле коронного разряда, причем электроды соседних рабочих полостей совмещены, отличающееся тем, что поверхность пластин-электродов выполнена гладкой, при этом образующие отдельные рабочие полости электроды подключены к самостоятельным высоковольтным источникам электропитания, не связанным между собой гальванически.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве источников электропитания используют высоковольтные источники переменного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к способам и устройствам для обработки семян, и может быть использовано при закладке зерна на хранение.

Известен способ предпосевной обработки семян, преимущественно яровой пшеницы, путем воздействия на них поля коронного разряда и их обработки 30-40%-ным раствором хлорхолинхлорида в дозе 10-15 л на 1 т семян, причем обработку семян раствором хлорхолинхлорида осуществляют через 15 дней после воздействия полем коронного разряда (SU №880287 А, 15.11.1981).

Способ позволяет в результате совместного действия поля коронного разряда и хлорхолинхлорида производить общую стимуляцию ферментативной активности, усиления метаболических процессов в клетках, что дает лучшее развитие корневой системы и проводящих тканей стебля, возрастание обеспеченности растения влагой и, соответственно, повышение урожайности.

В то же время недостатками способа являются многостадийность процесса (облучение коронным разрядом, отлежка 15 суток, обработка жидким реагентом, подсушивание), большая длительность по времени.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ предпосевной обработки семян, включающий подачу семян на скатные поверхности пластин-электродов рабочей камеры, обработку семян в промежутках между электродами током коронного разряда и выгрузку семян (SU №1230483, 15.05.1986). Способ позволяет обрабатывать семена перед высевом в одну стадию, но отсутствие данных по оптимальным параметрам процесса не позволяет получать стабильные положительные результаты по приросту всхожести и урожайности ввиду отсутствия модели явления повышенной всхожести и энергии прорастания семян при электрокоронной предпосевной обработке и отсутствия данных по оптимизации параметров.

Задача настоящего изобретения для способа является стабилизация эффекта повышения всхожести и энергии прорастания семян при электрокоронной предпосевной обработке семян и экономия затрат на их обработку.

Поставленная задача достигается тем, что в способе, включающем подачу семян на скатные поверхности пластин-электродов рабочей камеры, обработку семян в промежутках между электродами током коронного разряда и выгрузку семян, обработку семян током коронного разряда осуществляют в течение 2 с при плотности тока 0,08-0,2×10 ^-3 А/м².

Известна установка для предпосевной обработки семян, включающая бункер загрузки, размещенный над приемным концом ленточного транспортера, отрицательный электрод, расположенный над лентой транспортера, светоотражающую систему, приемный бункер, вибратор с сетчатым лотком, размещенным между бункером загрузки и приемным концом ленточного транспортера, при этом светоотражающая система совмещена с рабочей поверхностью ленты транспортера и выполнена в виде зеркального металлизированного покрытия, соединенного с заземлением, а отрицательный электрод снабжен иглами по ширине и длине рабочей части ленточного транспортера. Установка снабжена скребком с приводом, установленным под ленточным транспортером с возможностью взаимодействия контактов скребка с зеркальной металлизированной поверхностью, а ребра дозатора выполнены в виде плоских эластичных элементов (SU №1584782, 15.08.1990).

В известной конструкции размещение между верхним и нижним электродами барьерного электрода в виде транспортерной ленты с металлизированной рабочей поверхностью позволяет свести до минимума расстояние между ними, что уменьшает энергоемкость процесса при одновременном увеличении интенсивности ультрафиолетового излучения. Заземлением нижнего положительного электрода достигается интенсивный поток отрицательных частиц между верхним и нижним электродами, что дает дополнительно повышение эффективности обработки, а в целом в совокупности признаков достигается еще и повышение электробезопасности установки.

В то же время в установке через разрядную камеру поток семян идет в один слой и со скоростью, не превышающей скорость транспортерной ленты, то есть производительность ограничена, а сложность конструкции высока.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство для предпосевной обработки семян (SU №1230483, 15.05.1986). Известное устройство содержит бункер для семян, параллельно расположенные и наклонно установленные на раме многоярусные кассеты в виде пластин-электродов, образующих ряд рабочих полостей для обработки семян в поле коронного разряда. Электроды соседних рабочих полостей совмещены. Пластины выполнены из токопроводящего материала. Электроды для создания поля коронного разряда выполнены в виде остроконечных выступов на нижних сторонах кассет-пластин, а полюса источника электропитания соединены с кассетами-пластинами попарно-параллельно.

Выполнение кассет-пластин из электропроводного материала, выполняющими также роль одновременно коронирующих и осадительных электродов в соседних рабочих зазорах камеры облучения, позволяет резко упростить конструкцию рабочей камеры, а за счет их наклонной установки повысить производительность установки, ограничиваемую только скоростью скольжения семян по поверхности осадительных электродов.

В то же время выполнение коронирующих электродов в виде остроконечных выступов на нижних сторонах кассет-пластин приводит к усложнению конструкции камеры и технологии изготовления электродов, а при попарно-параллельном соединении электродов и одинаковых зазорах в разрядных промежутках с различной полярностью коронного разряда не обеспечиваются равные условия обработки семян и появляется неравномерность в массе семян эффекта всхожести и энергии прорастания.

Задачей настоящего изобретения для устройства является упрощение конструкции рабочей камеры для электрокоронной предпосевной обработки семян, повышение производительности, качества обработки и экономия энергии.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, включающем бункер для семян, параллельно расположенные и наклонно установленные на раме многоярусные кассеты в виде пластин-электродов, образующих ряд рабочих полостей для обработки семян в поле коронного разряда, причем электроды соседних рабочих полостей совмещены, поверхность пластин-электродов выполнена гладкой, при этом образующие отдельные рабочие полости электроды подключены к самостоятельным высоковольтным источникам электропитания, не связанным между собой гальванически.

Кроме того, в качестве источников электропитания используют высоковольтные источники переменного тока.

Установлено, что эффект повышения всхожести и энергии прорастания семян после электрокоронной обработки появляется в результате подавления патогенной микрофлоры, обитающей на семенах, за счет термического действия электрического тока коронного разряда, протекающего преимущественно через тела спор микрофлоры (грибков или бактерий) за счет сгущения силовых линий электрического поля в телах с большей диэлектрической проницаемостью и большей кривизной поверхности раздела этих тел и окружающей сплошной средой. Связь подавления жизнеспособности патогенной микрофлоры и повышения всхожести, энергии прорастания и темпа прорастания представлена в табл.1 и 2. Как известно, термическое действие электрического тока не зависит от направления электрического тока, в данном случае от полярности коронного разряда.

В этом случае очевидно, что главным действующим фактором должен быть параметр - энергия, выделяющаяся в разрядном промежутке за время экспозиции.

Установлено также, что для получения технического результата, заключающегося в повышении всхожести, повышении темпа всхожести и темпа прорастания достаточно иметь плотность электрического тока на минимальном уровне 0,08-0,2·10 ^-3 А/м², достаточном для термического угнетения спор патогенной микрофлоры, обитающей на семенах, при экспозиции 2 с. При этих условиях достигается экономия энергии на процесс обеззараживания семян.

Таблица 1. Результаты корреляционного анализа зависимости всхожести от ряда факторов
w	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Е	tэ	J	Eg 1	Eg2	Eg3	Eg 4	WЭМ	Bi
	1,0000	0,1803	-0,4592	0,3763	-0,3190	0,2329	0,2047	-0,9651	-0,03260
2	0,1803	1,0000	0,8849	0,1545	-0,1474	-0,2558	0,1281	-0,7301	-0,2074
3	-0,0459	0,8849	1,0000	0,007916	0,009459	0,4146	0,01460	-0,7070	-0,2684
4	0,3763	0,1545	0,007916	1,0000	-0,1399	0,09599	0,05926	-0,07909	-0,02059
5	-0,3190	-0,1474	0,009459	-0,1399	1,0000	-0,5747	-0,3254	0,08624	0,1326
6	0,2329	-0,02558	-0,04146	0,09599	-0,5747	1,0000	0,2837	0,1286	-0,3205
7	0,2047	0,1282	0,01460	0,05922	-0,3254	0,2837	1,0000	0,1217	-0,1103
8	-0,09651	-0,7300	-0,7070	-0,07909	-0,08624	0,1286	0,1217	1,0000	0,2159
9	-0,0326	-0,2074	-0,2683	-0,02059	0,1326	-0,3705	-0,1103	0,2159	1,0000

где Е - напряженность электрического поля;

t_Э - экспозиция;

j - плотность электрического тока коронного разряда;

Eg ₁ - степень подавления гриба Fusarium,

Eg ₂ - степень подавления гриба Bipolaris,

Eg ₃ - степень подавления гриба Altemaria,

Eg ₄ - степень подавления гриба Penicillium,

W _ЭМ - энергия рассеиваемая в разрядном промежутке за время экспозиции,

В_i - прирост всхожести семян ячменя.

Таблица 2. Результаты экспериментов по определению всхожести и темпа роста ячменя "Ача"
№	F, E кВ/м	J, Ам 2 10-3	t, с	В, %	Темп развития, Rp % по суткам					Темп всхожести, Ra % по суткам
					2	3	5	7	9	2	3	5	7	9
1	+312,5	0,02	2	98	121	112	107	105	104	121	114	109	108	107
2	+312,5	0,02	10	98	79,5	65,8	64,9	73,6	80,3	79,5	88,8	94,6	97,5	99,0
3	+562,5	0,08	10	98	113	104	98,5	98,9	100	113	110	106	106	105
4	+562,5	0,08	2	98	113	111	109	108	107	113	110	106	106	105
5	-312,5	0,02	2	94	110	109	107	106	105	110	108	105	105	104
6	-312,5	0,02	10	100	72,0	62,3	63,4	71,8	78.7	71,8	84,8	93,2	97,1	99,3
7	-562,5	0,09	2	98	123	119	115	112	110	123	116	110	108	107
8	-562,5	0,09	10	94	92,3	79,8	71,1	71,8	75,7	92,3	95,2	96,4	97,5	98,0
9	+370,4	0,49	2	100	121	115	111	109	107	121	115	110	109	109
10	+370,4	0,49	10	96	89,7	79,8	78,9	83,5	86,7	89,7	94,4	96,8	98,4	99,3
11	+555,6	11,4	10	100	115	111	106	105	104	115	111	108	107	107
12	+555,6	11,4	2	98	92.3	86,0	82,5	84,5	88,3	92,3	96,8	99,1	101	102
13	-407,4	0,23	2	94	121	118	113	111	109	121	115	110	109	109
14	-407,4	0,23	10	100	113	111	91,2	84,5	88,0	113	110	108	107	107
15	-574,1	11,4	2	100	113	104	97,9	97,2	98,1	113	110	108	107	107
16	-574,1	11,4	10	100	105	104	104	104	104	105	106	105	105	106
17	0	0	0	94	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

где F - полярность противолежащего электрода,

E - напряженность электрического поля, кВ/м,

t - время экспозиции, с,

j - плотность электрического тока коронного разряда в зазоре рабочей камеры, А/м²,

В - всхожесть семян ячменя "Ача" на 10-е сутки.

Угнетение патогенной микрофлоры, находящейся на семенах в споровидном состоянии, происходит в связи с тем, что силовые линии электрического поля сгущаются в области межэлектродного пространства, на которое наложено электрическое поле, заполненной либо электропроводным материалом (живые бактерии, грибы, насекомые, мелкие животные), либо материалом с большей диэлектрической проницаемостью, чем остальная часть пространства, кроме того, сгущение силовых линий имеет место на границе раздела сред с максимальной кривизной поверхности раздела.

Все это приводит к тому, что энергия электрического тока коронного разряда выделяется лишь в объеме спор, производит термический их разогрев и стерилизацию, снижая их роль в микроценозе проростков, а использование инородных частиц в качестве коронирующих электродов позволит уменьшить потери электроэнергии, вызванные электрическими токами через конструкцию машины.

Связь геометрических размеров спор грибов с эффектом подавления их жизнеспособности электрокоронным разрядом и, соответственно, с эффектом повышения всхожести приведена в таблице 3,

Где: t_о - время, сут;

Fк - полярность коронного разряда.

Таблица 3. Связь геометрических размеров спор грибов с эффектом подавления их жизнеспособности электрокоронным разрядом
Характеристики	Bipolaris	Fusarium	Altemaria	Pemcillium
Размеры спор, нм
1) длина	50-110	5-60	7-72	-
2) диаметр	15-31	2-5	6-22	2-3
3) форма тела спор	цилиндр	Цилиндр	булава	Шар
Параметры обработки, их влияние на подавление жизнеспособности патогенных грибов
Е	0.2128	0.1021	0.3004	-
Тэ	0.1138	0.3561	-0.1780	-
W эм	0.6318	-	-	-0.271
E·tэ·tо	-	-	0.2328	0.7118
Fк	0.747	0.0317	-	-

На фиг.1 представлен график зависимости степени подавления жизнеспособности микрофлоры от напряженности электрического поля при: В₀=0,935; W_ЭМ =Е·t_Э·J=0,156; t _Э=2 с; t_о=0,5 сут.; Eg ₁ - степень подавления Bipolaris sorokiniana; Eg ₂ - степень подавления Fusarium; Eg₃ - степень подавления Altemaria; Eg₄ - степень подавления Pemcillmm.

Предпосевную обработку семян ячменя сорта "Ача" проводили коронным разрядом при напряжении на электродах от 10 до 17 кВ (напряженность электрического поля 323-518 кВ/м) в течение 2 секунд. Результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты производственной проверки способа предпосевной обработки семян ячменя сорта "Ача" коронным разрядом
№	Е	j	В	Y	Y0
	кВ/м	А/м·10-3	%	ц/га	ц/га
1	512,0	0,0098	3,21	5,0	30,2
2	500,0	0,0043	2,6	5,6	30,2

где В - прирост всхожести,

Y - прирост урожая,

Y₀ - урожай на контрольном участке.

На поверхности зерновок чаще всего встречаются споры следующих паразитических грибов: Bipolaris sorokiniana, Fusarium sp., Altematia sp. (tenius), Penicillium sp. (таблица 5).

Таблица 5. Характеристики спор паразитических грибов, обитающих на семенах зерновых культур (ячмень)
Характеристики	Грибы
	Fusarium sp.	Altematia sp.	Penicillium sp.	Bipolaris sp.
Размеры спор, нм	29...36	1,5...7,5	2...3	6,0...8,5
Диаметр Длина			3...4	85...150
Форма	цилиндр	булава	Шар	цилиндр
Количество спор на 1 семени, проросших в эксперименте	5...10	2...5	5...6	2...5
Общее количество спор на 100 т семян, x1010 шт	0,95...1,9	0,38...0,95	0,95...1,14	0,4...0,95
Общий объем спор, м3x10 -17	16300	9,7	2,7	930
Общая масса спор на 100 т семян, х10-17 т	8200	4,8	1,85	460

Очевидно, что энергия, необходимая для термической стерилизации этого количества биологического вещества, потребуется незначительная, порядка 3·10^-5 Дж. Кроме того, сгущение силовых линий на поверхности раздела сред с различным значением диэлектрической проницаемости - , имеющей большую кривизну приводит к снижению критического напряжения коронного разряда и заставляет выделяться энергии разряда избирательно в объеме спор. Так, критическое напряжение для спор Fusarium составит: U₀=13,1 В.

Таким образом, коронный разряд на спорах начинается гораздо раньше, чем на основных коронирующих электродах, но приборы не фиксируют столь малый ток короны, хотя стерилизация уже идет.

На фиг.2 представлена вольтамперная характеристика камеры с гладкими электродами: 1 - холостой ход, (-) на противолежащем электроде; 2 - холостой ход, (+) на противолежащем электроде; 3 - в зазоре ячмень "Ача", (-) на противолежащем электроде; 4 - в зазоре ячмень "Ача", (+) на противолежащем электроде.

На фиг.3 представлена вольтамперная характеристика камеры с игольчатыми электродами: 1 - холостой ход, (+) на противолежащем электроде; 2 - холостой ход, (-) на противолежащем электроде; 3 - в зазоре ячмень "Ача", (+) на противолежащем электроде; 4 - в зазоре ячмень "Ача", (-) на противолежащем электроде.

На фиг.4 представлен схематически общий вид устройства для предпосевной обработки семян - продольный разрез.

На фиг.5 - поперечный разрез устройства.

На фиг.6 - представлена схема соединений источников электропитания.

Устройство для предпосевной обработки семян включает приемный бункер 1, высоковольтный выпрямитель 2, высоковольтные источники питания переменного тока 2а, 2б, 2в, рабочую камеру 3, транспортер 4 для отвода обработанных семян. Рабочая камера 3 разделена на ряд рабочих полостей 5, образованных параллельно расположенными и наклонно установленными на раме 6 многоярусными кассетами 7 в виде пластин - электродов. Вертикальные боковые стенки рамы выполнены диэлектрическими и имеют продольные пазы 8, в которые вставлены кассеты 7. Коронирующие электроды образованы спорами и пылью 9 на гладких поверхностях пластин. Осадительные электроды 10 образованы обратными сторонами пластин. Кассеты 7 установлены в пазах 8 боковых стенок наклонно с образованием скатных поверхностей. Высоковольтный выпрямитель 2 соединен своими полюсами с верхней и нижней кассетами рабочей камеры 3. На входе в рабочую камеру 3 установлены диэлектрические порожки 11 по всей ширине кассет, расположенные вне электрического поля, замыкающиеся между электродами и установленные на диэлектрических вставках 12.

Установка работает следующим образом.

От высоковольтного выпрямителя 2 подают электрическое напряжение на кассеты 7, при этом в рабочих полостях 5, между коронирующими электродами 9 верхних кассет и поверхностями осадительных электродов 10 нижних кассет, возникают коронные разряды. Семена из приемного бункера 1 поступают в рабочую камеру 3, где сначала укладываются ровными слоями на скатную поверхность пластин посредством порожков 11, затем обрабатываются коронными разрядами в рабочих полостях между электродами 9 и 10, после чего поступают на выгрузной транспортер 4.

Вариант конкретного выполнения устройства представляет собой камеру с размерами А×В×Н=600×1000×600 мм с наклоном 35°, как насадку на погрузчик-зернометатель типа ПЗМ-60. Установка позволяет за 1 час обработать 60 тонн семян при затратах электроэнергии на коронный разряд 0,6 кВт/час.

Использование предлагаемого способа позволит повысить качество обработки семян зерновых культур за счет оптимизации параметров процесса электрокоронной обработки, а именно за счет обеспечения необходимой плотности электрического тока коронного разряда через тела патогенной микрофлоры, обитающей на семенах и замедляющей развитие проростков и экономии энергии на коронный разряд за счет минимизации времени облучения в рабочей камере и уменьшения паразитных токов через конструкцию устройства. В то же время всхожесть семян повышается на 3%, урожайность на 10%, а годовой экономический эффект в условиях Западной Сибири в одном хозяйстве с посевными площадями около 10000 га составит более 1,5 млн. рублей.