Биологические науки /11. Биоинженерия и биоинформатика

Аспирант кафедры "Процессы и аппараты химического производства" Фомиченко В. В.

Кандидат биологических наук доцент кафедры "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности" Нефедьева Е. Э.

Доктор технических наук зав. кафедрой "Процессы и аппараты химического производства" Голованчиков А. Б.

Волгоградский государственный технический университет, Россия

Устройства для создания импульсного давления при проведении предпосевной обработки семян

Важнейшей задачей физиологии растений как фундаментальной науки является создание теоретической основы растениеводства. Новые прогрессивные направления биотехнологии и биоинженерии растений призваны обеспечивать высокую продуктивность и устойчивость растений.

Задача повышения продуктивности растений решается путем выведения новых сортов и гибридов, получения генетически модифицированных организмов, совершенствования агротехнологий, разработки способов защиты растений от вредителей и болезней и методов оптимизации условий их выращивания, а также применения различных стимуляторов роста растений. В частности, последние методы заключаются в использовании химических веществ, биологически активных веществ или физических стимуляторов.

В качестве стимулирующего фактора, действующего на растения, было выбрано импульсное давление (ИД). Давление влияет на различные процессы у растений. Быстрые изменения осмотического давления могут вызывать некоторые неспецифические стрессовые симптомы в растениях, в то время как нормальное осмотическое давление – важный фактор в клеточном развитии, росте и поглощении воды.

В полевых и производственных опытах обнаружены два максимума увеличения продуктивности растений гречихи, ячменя, томатов, огурца вследствие стимулирующего действия ИД, соответствующих ИД 3-20 и 23-35 МПа. Продуктивность растений в области первого максимума возрастает на 15-25%, второго максимума – в 2-3 раза преимущественно за счет увеличения количества плодов.

Для проведения предпосевной обработки семян ИД разработана конструкция устройства, представленная на рисунке 1, для воздействия на семена растений взрывной волной при проведении предпосевной обработки, которая может найти применение в сельском хозяйстве, растениеводстве и лесном хозяйстве.

Реализация данной разработки обеспечивает: проведение предпосевной обработки семян путем воздействие на них взрывной волной без вредного воздействия на окружающий воздух газообразными продуктами взрыва; возможность устанавливать для каждого вида семян оптимальные режимы их ударно-волновой обработки (максимум давления и время ударного воздействия).

Недостатками существующих конструкций является[1,2]: невозможность очистки токсичных газовых продуктов взрыва от вредных веществ и отсутствие возможности регулирования давления и времени обработки после взрыва заряда с целью оптимизации этих параметров при взрывной обработке различных семян.

Разработанное техническое решение снижает количество вредных веществ выбрасываемых газообразными продуктами взрыва в окружающий воздух за счет их пропускания через слой сорбирующего вещества.

Необходимый результат достигается тем, что в устройстве, над защитным кожухом герметично прикреплен съемный цилиндр с пустотелым поршнем, при этом внутри поршня между съемными перфорированными дисками находится слой сорбирующего вещества, а над поршнем установлена винтовая пружина.

Рисунок 1. Устройство для предпосевной обработки семян:

1-электродетонатор; 2-детонирующий шнур; 3-защитный кожух; 4-заряд взрывчатого вещества; 5-ткань; 6-семена; 7-контейнер; 8-вода; 9-съемный цилиндр; 10-пустотелый поршень; 11-прокладка; 12-больтовое соединение; 13-перфорированный диск; 14-сорбирующее вещество; 15-съемный перфорированный диск; 16-пружина.

Дополнительная установка пружины над защитным кожухом съемного цилиндра позволяет менять объем воздуха между слоем воды и поршнем и регулировать тем самым ударное давление продуктов взрыва на семена. Герметичная установка съемного цилиндра над защитным кожухом предотвращает прорыв газообразных продуктов взрыва в окружающий воздух и его загрязнение вредными веществами.

Установка пустотелого поршня в цилиндре позволяет засыпать в нем слой сорбирующего материала, например, гранулы или частицы активированного угля, проходя через который вредные вещества продуктов взрыва поглощаются, что снижает загрязнение окружающего воздуха. Установка над поршнем винтовой пружины позволяет, регулируя её жесткость, демпфировать давление взрыва и оптимизировать его величину и время воздействия на обрабатываемые семена различных сельскохозяйственных культур. Конструкция съемного цилиндра позволяет при необходимости закладки новой порции семян или замены слоя сорбирующего вещества отделять его от защитного кожуха, то есть проводить разборку и сборку.

Разработанное устройство для предпосевной обработки семян позволяет производить очистку токсичных продуктов взрыва и значит уменьшить попадание в окружающий воздух вредных веществ. Кроме этого, жесткость пружины и длина возможного хода поршня в цилиндре позволяет регулировать изменение величины давления и времени его воздействия на обрабатываемые семена, то есть устанавливать для каждого вида семян оптимальные режимы их ударно-волновой обработки, что уменьшает вероятность разрушения семян, снижения их качества, всхожести и урожайности[3].

Разработана и другая конструкция устройства, представленная на рисунке 2, для воздействия на семена растений взрывной волной при проведении предпосевной обработки семян.

Реализация этой разработки обеспечивает: проведение предпосевной обработки семян путем воздействие на них взрывной волной без разрушительного воздействия на семена.

Рисунок 2. Устройство для предпосевной обработки семян:

1-защитный кожух; 2-контейнер; 3-семена; 4-крышка из поролона или губчатой резины; 5-вода; 6-заряд взрывчатого вещества; 7-детонирующий шнур; 8-электродетонатор.

Конструкция устройства позволяет снизить максимальную величину ударного давления и распределить его во времени, чтобы предотвратить разрушение семян, и за счет увеличения продолжительности действия давления обеспечить дозу воздействия, необходимую для стимуляции урожайности.

Контейнер с семенами снабжен крышкой из поролона или губчатой резины толщиной 50÷80 мм, что позволяет снижать максимальную величину ударного давления взрыва за счет объемного сжатия материала поролона или губчатой резины.

При взаимодействии ударной волны, распространяющейся в воде, с твердой преградой (в частности, с материалом крышки – поролоном или губчатой резиной) происходит ее затухание, выражающееся в уменьшении амплитуды и растяжении фронта. При прохождении ударной волны через крышку, закрывающую контейнер с семенами, происходит снижение максимальной величины ударного давления и увеличение продолжительности его действия. Следовательно, на семена действует ударное давление меньшей величины, но воздействие продолжается в течение большего времени.

Толщина крышки δ составляет 50÷80 мм. Снижение толщины крышки менее заявленной величины (50 мм) не позволяет в достаточной мере демпфировать ударную волну, что не предотвращает разрушение семян. Увеличение толщины крышки сверх заявленной величины (80 мм) приводит к сильному снижению пиковых ударных давлений, что не позволяет получить эффект стимуляции урожайности.

После прохождения фронта ударной волны материал поролона или губчатой резины принимает первоначальную форму. Таким образом, на семена действует, во-первых, меньшее по абсолютному значению максимальное давление и, во-вторых, сама зависимость давления от времени увеличивается по времени, что предотвращает разрушение семян. Крышка из поролона или губчатой резины, которой закрыт контейнер с семенами, уменьшает величину максимального давления на обрабатываемые семена и увеличивает продолжительность его действия.

Высокая величина ударного давления приводит как к стимуляции, так и к физическому разрушению семян; но существующий эффект стимуляции достигается только при действии давлений не менее 5 МПа, когда возможно снижение всхожести (гибели) семян. Поскольку ударная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью, время действия давления на семена составляет несколько микросекунд. Если снизить величину ударного давления, гибель семян не произойдет, но также не будет эффекта стимуляции – увеличения продуктивности. При затухании ударной волны при прохождении через крышку из поролона или губчатой резины максимальная величина ударного давления снижается, что уменьшает степень повреждения семян, но из-за растяжения фронта ударной волны увеличивается продолжительность действия давления, и это позволяет создать необходимую дозу (произведение интенсивности воздействия на его продолжительность) для обеспечения эффекта стимуляции урожайности.

При обработке различных семян растений (зерновых, бобовых, овощных, фруктовых) требуется разное максимальное давление и разное распределение самого давления по времени. Вышеназванные величины несложно регулировать изменением толщины δ крышки 4 из поролона или губчатой резины.

Таким образом, покрытие контейнера с семенами крышкой из поролона или губчатой резины упрощает возможность регулирования максимального давления и его изменения во времени, предотвращает разрушение семян за счет смягчения воздействующего на них ударного давления. Предлагаемое устройство несложно использовать в известных конструкциях, устройствах и способах обработки семян давлением[4].

Предложенные методы предпосевной обработки семян ИД, отличаются высокой интенсивностью, точностью дозировки и экологичностью.

Литература:

1. Пат. 2083073 Российская Федерация, МПК⁷ А 01 С 1/00, А 01 G 7/04. Способ предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур [Текст]/ Атрощенко Э.С., Хрянин В.Н., Атрощенко Е.Э., Теплов А.Д., Розен А.Е., Ионова А.Н.; заявитель и патентообладатель Атрощенко Эдуард Сергеевич - № 95111836/13; заявл. 11.07.95; опубл. 10.07.97, Булл. № 19 – 4 с.

2. А.с.328849 СССР, МКИ³ А 01 с 1/00. Способ предпосевной обработки семян [Текст]/ И.Б. Креймерис, С.Ю. Юозапавичюс, Н.А. Гайжутене и Ю.П. Зданис (СССР) - № 1465903/30-15; заявл. 03.08.1970; опубл. 09.02.1972, Бюл. № 7 – 1с

3. Пат. 85291 Российская Федерация, МПК⁷ А 01 С 1/00, А 01 G 7/04. Устройство для предпосевной обработки семян [Текст]/ Нефедьева Е.Э., Голованчиков А.Б., Лысак В.И., Обирина В.А., Федосов П.Н.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет - № 2009109560/22; заявл. 16.03.2009; опубл. 10.08.2009 – 4 с.

4. Пат. 88244 Российская Федерация, МПК⁷ А 01 С 1/00, А 01 G 7/04. Устройство для предпосевной обработки семян [Текст]/ Нефедьева Е.Э., Голованчиков А.Б., Лысак В.И., Фомичено В.В., Дрямов Е.Н., Юркъян О.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет - № 2009121967/22; заявл. 08.06.2009; опубл. 10.11.2009.