Ультразвук у сільському господарстві статті компанії UltraSonic Technology
Ультразвукові технології у сільському господарстві –
запорука високої врожайності
Інтенсифікація та оптимізація процесів виробництва сільськогосподарської продукції, розробка принципово нових технологічних прийомів та створення високоефективного обладнання базується на глибокому вивченні генної інженерії, біохімічних, біотехнологічних, тепло та масообмінних процесів, що протікають при загартовуванні, пророщуванні та передпосівній обробці насіння.
Зрілі насіння культур, призначені для передпосівної підготовки, повинні пройти період післяжнивного дозрівання протягом декількох місяців. За цей час у тканинах зерна завершуються певні біохімічні процеси, внаслідок яких змінюється фізіологічний стан насіння, спрямований на проростання зародка.
У процесі передпосівної підготовки зерно та насіння після дозрівання, очищення та сортування надходять на мийку. Це зумовлено тим, що на поверхні насіння знаходяться різні органічні та неорганічні забруднення, які створюють сприятливі умови для розвитку мікроорганізмів, що поглинають кисень та виділяють токсичні речовини. Для миття насіння, з урахуванням жорсткості води, застосовують різні миючі та дезінфікуючі засоби. Однак миючі та дезінфікуючі засоби з технологічної та гігієнічної точки зору небажані, т.к. вони забруднюють стічні води і накопичуються в насінні.
Застосування ультразвукових перетворювачів у діапазоні частот 20-40 кГц в кавітаційному режимі дозволяє провести якісне та нешкідливе очищення та миття насіння. Завдяки дезінфікуючій дії ультразвуку є можливість знищити патогенну мікрофлору на поверхні насіння практично не застосовуючи.хімічних речовин або значно скоротити їх застосування. Як приклад: дезінфекція питної води хлором на водозабірній станції проводиться протягом 30 хвилин дозою хлору 2-2,5 мг/л. Під впливом ультразвуку частотою 22 кГц той же процес знезараження води до вимог стандарту проходить за 30-60 с з дозою хлору 1,5 мг/л.
Вплив ультразвуку збудливо діє також і на зовнішню оболонку насіння, сприяючи ефективнішому процесу замочування насіння і значно прискорює процеси очищення та миття, не травмуючи посівний матеріал.
Замочування насіння є важливим етапом у передпосівній підготовці. Достатня вологість, наявність кисню та оптимальна температура – найважливіші умови для передпосівної підготовки посадкового матеріалу. Ультразвукові на насіння в процесі замочування необхідно проводити в докавітаційному режимі. Розглянемо докладніше механізми і процеси, які у зерні під час замочування з прикладу ячменю.
Вільна вегетаційна волога в зерні, що є результатом штучного насичення його водою, забезпечує перехід у розчин поживних речовин та їх міграцію до зародка. При цьому створюються сприятливі умови для проникнення в ендосперм ферментів, які переводять резервні нерозчинні речовини зерна в розчинні та легкозасвоювані зародком. Отже, вегетаційна волога як засіб міграції поживних речовин до зародка, а й чинник, який прискорює біохімічні процеси, пов'язані з життєдіяльністю зерна та активацією ферментів.
Вологість зерна складається з первісної його вологості (10-15%) та кількості води, поглиненої зерном у період замочування. Кінцева вологість зерна, необхідна для його пророщування, називається ступенемзамочування. Оптимальний ступінь замочування ячменю становить 42-50% і залежить від його сорту та ін.
Вода при замочуванні проникає в основному через мікрокапілярні отвори, розташовані в місцях зародків. Частина її потрапляє всередину зерна і через м'яку оболонку по всій його поверхні. Рушійною силою проникнення води в зерно є різниця її концентрацій на поверхні та всередині зерна. Отже, зі збільшенням вмісту вологи зерна, різниця концентрацій води всередині і зовні зерна зменшується, тому значно скорочується швидкість замочування. Особливо уповільнюється цей процес при досягненні вологості зерна 35%. Насіннєва оболонка зернівки є напівпроникною мембраною і являє собою фізіологічний захисний орган, що запобігає надходженню небажаних речовин усередину зернівки та втрати, внаслідок вилуговування, органічних та інших речовин.
Ультразвукові коливання із частотою 20 000-40 000 разів на секунду створюють капілярний (насосний) ефект. Він полягає у підйомі рідини в капілярі та у проникненні рідини через напівпроникні мембрани. Про фізичну сутність капілярного ефекту вчені досі «ламають списи» і однозначного погляду та опису процесу немає. Але це не заважає використовувати цей ефект у різних галузях техніки та різних технологіях. Завдяки капілярному ефекту в ультразвуковому полі не відбуватиметься уповільнення процесу замочування насіння та надається можливість довести вологість до необхідних оптимальних 45%.
На швидкість замочування ячменю помітно впливає його хімічний склад. Внаслідок наявності у зародку значної кількості білкових речовин, що мають високу здатність набухання, вода швидко поглинається всією його масою. Ендосперм, що міститьосновну частину крохмалю, набухає повільно, отже, його тканини меншою мірою поглинають воду. Тому, замочування зерна в ультразвуковому полі нівелює вимогу щодо однорідного складу та розміру зерна, зоні проростання та кліматичних умов, які також позначаються на швидкості звичайного замочування. Ячмені, що виросли за сухої та спекотної погоди, а також не досягли солодової зрілості, у процесі звичайного замочування дуже повільно поглинають воду.
Тривалість і ступінь замочування зерна залежить від температури води, застосовуваного способу замочування, розмірів та стану зерна. Температура води є основним чинником, що впливає швидкість замочування. З її підвищенням покращується набухання білка, крохмалю та клітковини, а також зростає швидкість дифузії води внаслідок зниження в'язкості. Так, при замочуванні зерна у воді температурою 20 ºС, ступінь замочування 45 % досягається вдвічі швидше, ніж при 10 ºС. Проте слід пам'ятати, що за температури вище 15 ºС відбувається активний розвиток мікроорганізмів. Для їх пригнічення в промисловості широко використовують різні антисептики, які є одночасно і стимуляторами зростання зерна. Ультразвукове поле, у певних режимах, пригнічує розвиток мікроорганізмів, і дозволяє якщо не повністю відмовитися, значно знизити кількість антисептиків без втрати їх ефективності.
Утворена, у процесі дихання зерна, двоокис вуглецю (СО2) надає постійну гальмівну дію зростання зерна у процесі замочування. При недостатній продування шару зерна повітрям утворюється надлишок СО2 і коефіцієнт дихання стає більше 1, в результаті чого відбувається спиртове бродіння (анаеробіоз), продуктами якого пригнічується зародок. Вміст спирту у замоченій водіпризводить до нерівномірного зростання зерна, інколи ж (при вмісті спирту більше 1 %) – і до повного гальмування зростання. Крім того, зерно набуває здатності до надмірного водопоглинання, знижується схожість.
Застосування ультразвуку у процесі замочування насіння повністю виключає небезпеку, т.к. під впливом ультразвукових коливань завжди протікає процес дегазації рідини, і навіть відпадає необхідність проводити продування зерна повітрям (чи його значно знизити).
Замочування зерна в ультразвуковому полі слід розглядати як комплексний процес зволоження та біохімічної фази зростання. Чим швидше протікає процес насичення вологою зерна і чим інтенсивніше видаляються інгібуючі речовини, тим активніше йдуть ферментативні процеси, що призводять, надалі, до поліпшення проростання та росту рослин.
Збудливу дію на пророщування зерна в процесі замочування мають біологічні стимулятори росту та розвитку рослин. До них відноситься група речовин, що складається з гіберелінів: А1; А2; А3; А4. Найбільш активний А3 (С19Н22О6) – гібереллова кислота, що стимулює вихід насіння зі стану спокою. Її можна використовувати для прискорення пророщування. Гіббереллін активізує амілолітичні, протеолітичні та інші ферменти.
У нормальних умовах позитивні результати дає додавання 0,15 мг гіберелової кислоти або її калійних солей на 1 кг ячменю. При замочуванні насіння в ультразвуковому полі можна скоротити кількість гіберелінів у 2-3 рази без втрати ефективності їхнього впливу.
Ультразвуковий вплив у процесі замочування насіння здатний значно прискорити процеси проростання та росту рослин, збільшити врожайність, підвищити стійкість рослин до хвороб та шкідників.
Вчені вивчали, як впливаєультразвук на біологічну природу рослин. Вони проробили численні досліди і встановили, що в «озвученому» насінні різко підвищується активність ферментів. Ультразвук змінює структуру молекул та амінокислот, прискорює процеси окислення. В Узбецькому НДІ овочебаштанних культур та картоплі після численних дослідів та досліджень встановили, що обробка насіння дині та кукурудзи підвищує врожайність на 40 %, а в деяких випадках – на 60 %. Подібні досліди були зроблені з капустою, цибулею, морквою та зерновими.
Значних ефектів варто очікувати при впливі ультразвуком на живильне середовище при вирощуванні рослин нагідропоніку.
Ще одна сфера застосування ультразвуку – сушіння насіння, зерна та ін. сільгосппродукції. За допомогою ультразвукових коливань можна створити псевдозріджений шар сировини, що висушується, тим самим значно прискорити процес сушіння зі зменшенням енерговитрат.
Ультразвук здатний у 2-3 рази прискорити протруювання та інші різноманітні хімічні процеси, що застосовуються у сільському господарстві.
Науково-виробничою лабораторією «Ультра Звукові Технології» розроблено встановлення безреагентного знезараження води. Принцип роботи установки заснований на спільному, комплексному або, як кажуть фізики, синергетичному впливі на патогенну мікрофлору потужних ультразвукових коливань в діапазоні декількох частот, вплив ультрафіолетового світла у вакуумному та короткохвильовому діапазоні, омагнічування води та застосування мембранних матеріалів як фільтри.
Ця установка може бути використана в тепличних господарствах, на птахофабриках, свинокомплексах, тваринницьких фермах для знезараження питної води та кормів. Питання чистої води актуальне, особливо сьогодні: пташиний грип та ін.захворювання.
Ні для кого не є секретом факт згубного екологічного впливу на довкілля відходів великих тваринницьких підприємств, особливо свинокомплексів. Інститутом біоорганічної та нафтохімії (ІБОНГ) АН України спільно з Науково-Виробничою Лабораторією «Ультра Звукові Технології» розроблено технологію та обладнання для реагентного знезараження стоків свинокомплексів, очищення та освітлення стічних вод та виготовлення добрив. За допомогою потужного ультразвуку знищується патогенна мікрофлора, включаючи яйця гельмінтів.
Хотілося б акцентувати увагу читачів на тому, що обладнання та технології вже розроблені, для їх впровадження та застосування необхідні лише незначні дослідження в лабораторіях господарств та на конкретних підприємствах для їх прив'язки до існуючих технологічних процесів.
Ми пропонуємо виробникам сільгоспобладнання, сільгосппідприємствам, профільним інститутам, селекційним станціям, потужний, екологічно чистий, економічно швидкоокупний інструмент для інтенсифікації процесів виробництва сільгосппродукції. Інструмент, здатний здійснити прорив у Вашій галузі та принести значні матеріальні дивіденди.
Цей інструмент – потужний ультразвук.