Ультразвук в сельском хозяйстве.

Ультразвуковые технологии в сельском хозяйстве –

залог высокой урожайности

Интенсификация и оптимизация процессов производства сельскохозяйственной продукции, разработка принципиально новых технологических приемов и создание высокоэффективного оборудования базируется на глубоком изучении генной инженерии, биохимических, биотехнологических, тепло и массообменных процессов, протекающих при закаливании, проращивании и предпосевной обработке семян.

Зрелые семена культур, предназначенные для предпосевной подготовки, должны пройти период послеуборочного дозревания в течение нескольких месяцев. За это время в тканях зерна завершаются определенные биохимические процессы, в результате которых изменяется физиологическое состояние семян, направленное на прорастание зародыша.

В процессе предпосевной подготовки зерно и семена после дозревания, очистки и сортировки поступают на мойку. Это обусловлено тем, что на поверхности семян находятся различные органические и неорганические загрязнения, которые создают благоприятные условия для развития микроорганизмов, поглощающих кислород и выделяющих токсические вещества. Для мойки семян, с учетом жесткости воды, применяют различные моющие и дезинфицирующие средства. Однако моющие и дезинфицирующие средства с технологической и гигиенической точки зрения нежелательны, т.к. они загрязняют сточную воду и накапливаются в семенах.

Применение ультразвуковых преобразователей в диапазоне частот 20-40 кГц в кавитационном режиме позволяет провести качественную и безвредную очистку и мойку семян. Благодаря дезинфицирующему воздействию ультразвука имеется возможность уничтожить патогенную микрофлору на поверхности семян практически не применяя химических веществ, или значительно сократить их применение. В качестве примера: дезинфекция питьевой воды хлором на водозаборной станции проводится в течение 30 минут дозой хлора 2-2,5 мг/л. Под воздействием ультразвука частотой 22 кГц тот же процесс обеззараживания воды до требований стандарта проходит за 30-60 сек с дозой хлора 1,5 мг/л.

Воздействие ультразвука возбуждающе действует также и на наружную оболочку семян, способствуя более эффективному процессу замачивания семян и значительно ускоряет процессы очистки и мойки, не травмируя посевной материал.

Замачивание семян является важным этапом в предпосевной подготовке. Достаточная влажность, наличие кислорода и оптимальная температура – важнейшие предварительные условия для предпосевной подготовки посадочного материала. Ультразвуковые воздействия на семена в процессе замачивания необходимо проводить в докавитационном режиме. Рассмотрим подробнее механизмы и процессы, происходящие в зерне в ходе замачивания на примере ячменя.

Свободная вегетационная влага в зерне, являющаяся результатом искусственного насыщения его водой, обеспечивает переход в раствор питательных веществ и их миграцию к зародышу. При этом создаются благоприятные условия для проникновения в эндосперм ферментов, которые переводят резервные нерастворимые вещества зерна в растворимые и легкоусваиваемые зародышем. Таким образом, вегетационная влага не только средство миграции питательных веществ к зародышу, но и фактор, ускоряющий биохимические процессы, связанные с жизнедеятельностью зерна и активацией ферментов.

Влажность зерна состоит из первоначальной его влажности (10-15 %) и количества воды, поглощенной зерном в период замачивания. Конечная влажность зерна, необходимая для его проращивания, называется степенью замачивания. Оптимальная степень замачивания ячменя составляет 42-50 % и зависит от его сорта и пр.

Вода при замачивании проникает, в основном, через микрокапиллярные отверстия, расположенные в местах зародышах. Часть ее попадает внутрь зерна и через мякинную оболочку по всей его поверхности. Движущей силой проникновения воды в зерно является разность ее концентраций на поверхности и внутри зерна. Следовательно, с увеличением влагосодержания зерна, разность концентраций воды внутри и снаружи зерна уменьшается, поэтому значительно сокращается скорость замачивания. Особенно замедляется этот процесс при достижении влажности зерна 35 %. Семенная оболочка зерновки является полупроницаемой мембраной и представляет собой физиологический защитный орган, предотвращающий поступление нежелательных веществ внутрь зерновки и потери, в результате выщелачивания, органических и других веществ.

Ультразвуковые колебания с частотой 20 000-40 000 раз в секунду создают капиллярный (насосный) эффект. Он заключается в подъеме жидкости в капилляре и в проникновении жидкости через полупроницаемые мембраны. О физической сущности капиллярного эффекта ученые до сих пор «ломают копья» и однозначного взгляда и описания процесса нет. Но это не мешает использовать этот эффект в различных областях техники и разных технологиях. Благодаря капиллярному эффекту в ультразвуковом поле не будет происходить замедление процесса замачивания семян и предоставляется возможность довести влажность до необходимых оптимальных 45 %.

На скорость замачивания ячменя заметное влияние оказывает его химический состав. Вследствие наличия в зародыше значительного количества белковых веществ, обладающих высокой способностью набухания, вода быстро поглощается всей его массой. Эндосперм, содержащий основную часть крахмала, набухает медленно, следовательно, его ткани в меньшей степени поглощают воду. Поэтому, замачивание зерна в ультразвуковом поле нивелирует требование по однородному составу и размеру зерна, зоне произрастания и климатическим условиям, которые также сказываются на скорости обычного замачивания. Ячмени, выросшие при сухой и жаркой погоде, а также не достигшие солодовой зрелости, в процессе обычного замачивания очень медленно поглощают воду.

Продолжительность и степень замачивания зерна зависят от температуры воды, применяемого способа замачивания, размеров и состояния зерна. Температура воды является главным фактором, влияющим на скорость замачивания. С ее повышением улучшается набухаемость белка, крахмала и клетчатки, а также возрастает скорость диффузии воды вследствие понижения вязкости. Так, при замачивании зерна в воде температурой 20 ºС, степень замачивания 45 % достигается в два раза быстрее, чем при 10ºС. Однако следует помнить, что при температуре выше 15 ºС происходит активное развитие микроорганизмов. Для их ингибирования в промышленности широко используют различные антисептики, которые являются одновременно и стимуляторами роста зерна. Ультразвуковое поле, в определенных режимах, подавляет развитие микроорганизмов, и позволяет если не полностью отказаться, то значительно снизить количество антисептиков без потери их эффективности.

Образующаяся, в процессе дыхания зерна, двуокись углерода (СО₂) оказывает постоянное тормозящее действие на рост зерна в процессе замачивания. При недостаточной продувке слоя зерна воздухом образуется избыток СО₂ и коэффициент дыхания становится больше 1, в результате чего происходит спиртовое брожение (анаэробиоз), продуктами которого ингибируется зародыш. Содержание спирта в замоченной воде приводит к неравномерному росту зерна, а иногда (при содержании спирта более 1 %) – и к полному торможению роста. Кроме того, зерно приобретает способность к избыточному водопоглощению, снижается всхожесть.

Применение ультразвука в процессе замачивания семян полностью исключает эту опасность, т.к. под действием ультразвуковых колебаний постоянно протекает процесс дегазации жидкости, а также отпадает необходимость проводить продувку зерна воздухом (либо значительно ее снизить).

Замачивание зерна в ультразвуковом поле следует рассматривать как комплексный процесс увлажнения и биохимической фазы роста. Чем быстрее протекает процесс насыщения влагой зерна и чем интенсивнее удаляются ингибирующие вещества, тем активнее идут ферментативные процессы, приводящие, в дальнейшем, к улучшению прорастания и роста растений.

Возбуждающее действие на проращивание зерна в процессе замачивания оказывают биологические стимуляторы роста и развития растений. К ним относится группа веществ, состоящая из гиббереллинов: А₁; А₂; А₃; А₄. Наиболее активен А₃ (С₁₉Н₂₂О₆) – гибберелловая кислота, стимулирующая выход семян из состояния покоя. Ее можно использовать для ускорения проращивания. Гиббереллин активизирует амилолитические, протеолитические и другие ферменты.

В нормальных условиях хорошие результаты дает добавление 0,15 мг гибберелловой кислоты или ее калийных солей на 1 кг ячменя. При замачивании семян в ультразвуковом поле можно сократить количество гиббереллинов в 2-3 раза без потери эффективности их воздействия.

Ультразвуковое воздействие в процессе замачивания семян способно значительно ускорить процессы прорастания и роста растений, увеличить урожайность, повысить стойкость растений к болезням и вредителям.

Ученые изучали, как влияет ультразвук на биологическую природу растений. Они проделали многочисленные опыты и установили, что в «озвученных» семенах резко повышается активность ферментов. Ультразвук изменяет структуру молекул и аминокислот, ускоряет процессы окисления. В Узбекском НИИ овощебахчевых культур и картофеля после многочисленных опытов и исследований установили, что обработка семян дыни и кукурузы повышает урожайность на 40 %, а в некоторых случаях на 60 %. Подобные опыты были проделаны с капустой, луком, морковью и зерновыми.

Значительных эффектов стоит ожидать при воздействии ультразвуком на питательную среду при выращивании растений на гидропонике.

Еще одна сфера применения ультразвука - сушка семян, зерна и др. сельхозпродукции. С помощью ультразвуковых колебаний можно создать псевдоожиженный слой высушиваемого сырья, тем самым значительно ускорить процесс сушки с уменьшением энергозатрат.

Ультразвук способен в 2-3 раза ускорить протравливание и прочие всевозможные химические процессы, применяемые в сельском хозяйстве.

Научно-Производственной Лабораторией «Ультра Звуковые Технологии» разработана установка безреагентного обеззараживания воды. Принцип работы установки основан на совместном, комплексном или, как говорят физики, синергетическом воздействии на патогенную микрофлору мощных ультразвуковых колебаний в диапазоне нескольких частот, воздействии ультрафиолетового света в вакуумном и коротковолновом диапазоне, омагничивании воды и применении мембранных материалов в качестве фильтров.

Эта установка может быть использована в тепличных хозяйствах, на птицефабриках, свинокомплексах, животноводческих фермах для обеззараживания питьевой воды и кормов. Вопрос чистой воды актуален, особенно сегодня: птичий грипп и пр. инфекционные заболевания.

Ни для кого не является секретом факт пагубного экологического воздействия на окружающую среду отходов крупных животноводческих предприятий, особенно свинокомплексов. Институтом биоорганической и нефтехимии (ИБОНХ) АН Украины совместно с Научно-Производственной Лабораторией «Ультра Звуковые Технологии» разработаны технология и оборудование для реагентного обеззараживания стоков свинокомплексов, очистки и осветления сточных вод и изготовления удобрений. С помощью мощного ультразвука уничтожается патогенная микрофлора, включая яйца гельминтов.

Хотелось бы акцентировать внимание читателей на том, что оборудование и технологии уже разработаны, для их внедрения и применения необходимы лишь незначительные исследования в лабораториях хозяйств и на конкретных предприятиях для их привязки к уже существующим технологическим процессам.

Мы предлагаем производителям сельхозоборудования, сельхозпредприятиям, профильным институтам, селекционным станциям, мощный, экологически чистый, экономически быстроокупаемый «инструмент» для интенсификации процессов производства сельхозпродукции. Инструмент, способный осуществить прорыв в Вашей отрасли и принести значительные материальные дивиденды.

Этот инструмент – мощный ультразвук.

19.09.2008

Зав. Лаборатории Валерий Буряков

Техн. директор Александр Кореневич