Технология микроволновой сушки и предпосевной обработки семян

Одной из областей применения микроволновой энергии в сельском хозяйстве является обработка семян растений перед закладной их на хранение, а также предпосевная обработка семян с целью увеличения всхожести, энергии прорастания, силы роста, устойчивости к болезням и увеличению урожайности.
Эффект благоприятного воздействия микроволнового облучения семян на последующий рост растений и увеличение урожайности известен достаточно давно. В сети «Интернет» доступен большой объем информации по данной тематике – научные диссертации и публикации, результаты  практических исследований, патенты, отчеты сельскохозяйственных предприятий.

Технология микроволновой-вакуумной сушки семян.

Собранные семена растений являются основой будущего урожая. Поэтому очень важно правильно хранить семенной материал. Одним из важнейших этапов подготовки семян к хранению является их сушка. Типичная влажность подготовленных к хранению семян должна составлять 7-15%. При более высокой влажности ускоряются процессы старения, возрастают риски возникновения грибковых и гнилостных повреждений семян во время хранения. В конечном итоге повышенная влажность семян во время хранения приводит к потере ими способности к прорастанию. Особенно важно иметь низкую влажность для семян, которые необходимо хранить в течение нескольких лет. Например, для хранения семян хвойных пород деревьев их влажность должна составлять  всего 4,5-7%.
Процесс сушки семян можно разделить на два этапа – удаление свободной влаги, и удаление связанной воды. Свободная влага – это вода, которая находится в межклеточном пространстве и капиллярах семян. Она связана только механическими силами, и ее удаление происходит достаточно легко. Влажность, при которой в семенах появляется свободная вода, называют «критической». Например, для семян пшеницы, ржи и ячменя значение критической влажность составляет около 15%. Семена с влажностью выше критической не могут долго храниться, так как в них происходят активные процессы дыхания и метаболизма.
Связанная влага – это вода, которая имеет физико-химические и химически связи. Связанная вода находится во внутриклеточном пространстве и ее удаление (испарение)  из семян происходит сложно и требует повышенных затрат энергии. 
Часть связанной воды должна всегда оставаться в семенах, так как она входит в состав белков, жиров и углеводов. А удаление воды, которая содержится в вакуолях клеток, приводит к «консервации» семян, снижает скорость биохимических процессов, приводящих к старению семян, и существенно увеличивает срок хранения семенного материала.
Одним из главных технологических ограничений при сушке является значение максимальной температуры, до которой семена можно нагревать. Семена нельзя нагревать выше температуры денатурации растительных белков, что приводит к их гибели. У разных семян максимальная температура обработки находится в диапазоне 40 – 60 °С. Ограничение по максимальной температуре нагрева приводит к длительному времени сушки. В таких традиционных технологиях сушки как кондуктивная (контактная), инфракрасная и конвективная, на снижение влажности семян на 1-2% требуется от 4 до 12 часов. При этом весь процесс сушки занимает несколько суток.
Применение при сушке семян микроволнового нагрева в сочетании с вакуумом имеет ряд существенных технологических преимуществ:
- В первую очередь в несколько раз увеличивается скорость сушки. Происходит это за счет того, что при микроволновом нагреве семена нагреваются изнутри. Внутренний нагрев имеет очень большое значение для качественной сушки. Он позволяет создать в семенах равномерную влажность и предотвратить пересушивание и растрескивания оболочки семян. При традиционных видах сушки (ИК или конвективной) в первую очередь нагревается оболочка зерна, а центр остается холодным. Такое распределение температуры приводит к тому, что вода из внешних слоев семени с одной стороны испаряется в атмосферу, а с другой стороны диффундирует в глубину семя, в область с пониженной температурой. В результате в семечке создается неравномерное распределение влажности – наружные слои сухие, а внутренние влажные. Чем крупнее семечко, тем сильней проявляется данный эффект. Этот процесс повышает риски повреждения (растрескивания) оболочки зерна и дополнительно увеличивает время сушки, так как требуется значительное время, чтобы влажность семечка снова равномеризовалась. При микроволновом нагреве происходит обратное распределение температуры по объему зерна - центр семя нагревается немного сильней, чем оболочка зерна. Такое распределение температуры сразу создает условия для диффузии воды из цента семени к его периферии. Выражаясь научным языком, микроволновый нагрев приводит к тому, что градиент температуры и градиент влажности в объеме семечка совпадают, и это является главной причиной высокой скорости сушки.

Дополнительным фактором, который позволяет увеличить скорость сушки и снизить ее температуру, является вакуум. Вакуум уменьшает парциальное давление паров воды и понижает температуру кипения воды. Из-за этого пары воды беспрепятственно покидают поверхность семян и исключается эффект «запаривания». Регулируя уровень вакуума и плотность мощности микроволновой энергии, можно проводить очень быструю сушку семян при температуре 30-50 °С. В итоге, вместо нескольких десятков часов, сушка происходит всего за 20-60 минут.
- Вторым преимуществом использования СВЧ обработки является дополнительное обеззараживание семян. Микроволновая обработка очень хорошо уничтожает грибковые и плесневые поражения, уничтожает или подавляет различные фитопатогенные бактерии, уничтожает насекомых и их личинки. Происходит это за счет селективности СВЧ нагрева. Насекомые и их личинки имеют более высокую влажность (60-80%), по сравнению с исходной влажностью семян (10-25%). Микроволновая энергия интенсивнее поглощается влажными областями  - насекомыми, их личинками и яйцами, что приводит к их быстрому нагреву и гибели. На рисунке представлена термограмма среза здорового семени фасоли и семени фасоли пораженного личинкой фасолевой зерновки, которые были подвергнуты одинаковой обработке в микроволновом поле. Из термограммы видно, что здоровое семя имеет равномерный нагрев, температура которого не превышает 40 °С. А в семени фасоли, пораженной личинкой вредителя, видна точка с высокой температурой около 60°С. Эта перегретая точка и есть уничтоженная личинка вредителя. Уничтожение насекомых и их личинок обычно происходит при температуре 48-52 °С, при этом температура самих семян остается на безопасном уровне. 

- Третьим преимуществом СВЧ сушки семян является высокая равномерность конечной влажности. Если обрабатываемые семена состоят из нескольких партий, собранных в разное время с разных участков, то они будут иметь различную исходную влажность. Для выравнивания влажности таких семян отлично подходит микроволновая сушка. Этому, опять-таки, способствует селективность микроволнового нагрева. Более влажные семена будут сильнее поглощать микроволновую энергию и быстрее сохнуть, до тех пор, пока их влажность не сравняется с влажностью остальных семян. Таким образом, можно смешивать партии семян, которые значительно отличаются начальной влажностью, и получать за один технологический цикл сушки семена с одинаковой конечной влажностью.
- К четвертому преимуществу микроволновой сушки семян можно отнести ее хорошую управляемость и высокую технологичность. Благодаря безинерционности микроволнового нагрева, процесс сушки легко управляется и прогнозируется. Зная сколько влаги необходимо удалить (высушить), легко рассчитывается необходимая для сушки энергетическая экспозиция. Семена можно обрабатывать очень «мягко» - с малыми значениями плотности энергии на единицу веса семян, а можно реализовывать более «жесткие» режимы для увеличения скорости сушки и производительности.
Кроме этого, микроволновую сушку можно использовать и косвенным образом. Один из способов сушки и хранения семян - использованием сорбентов влаги. В качестве такого сорбента часто используют различные силикагели. Главным плюсом такого метода сушки является то, что семена вообще не требуется нагревать. Их достаточно поместить в герметичный объем и добавить необходимое количество силикагеля. Силикагель поглощает влагу из окружающей атмосферы, осушает воздух, что также приводит к сушке семян. Для повторного использования силикагеля его необходимо регенерировать – заставить поглощенную влагу выйти обратно. Одним из самых быстрых и энергоэффективных способов регенерации является микроволновый нагрев. Благодаря таким, уже упоминаемым ранее особенностям микроволнового воздействия, как объемный нагрев и селективность, регенерация силикагеля происходит очень быстро и не требует его нагрева до высоких температур. Для регенерации силикагеля с помощью СВЧ энергии, достаточно нагревать его до 90-150 °С.

Технология микроволновой предпосевной обработки семян

Перед посевом семена проходят различные виды предпосевной обработки, призванные уничтожить фитопатогенные бактерии, грибковые поражения, насытить семена полезными микроэлементами, и активировать процессы прорастания семян.
Одним из таких способов является обработка семян сверхвысокочастотным электромагнитным полем (СВЧ или микроволновым полем), при котором происходит внутренний объемный нагрев семян. Внутренний нагрев очень важный фактор, так как благодаря ему влага, содержащаяся в семечке, приходит в движение. При этом активируются внутренние биохимические процессы, побуждающие семя к выходу из состояния покоя.

Активация семян происходит при их выдержке в «мягком» микроволновом поле в течение 1-5 минут. В настоящее время многими учеными исследуется природа благоприятного воздействия электромагнитного облучения семян на их всхожесть и последующий рост. Установлено, что одним из благоприятных факторов является тепловое воздействие микроволнового излучение, которое проявляется на микроуровне строения семян. Мембраны клеток, имеют сложную белковую структуру и гидратированы молекулами воды. Из-за такого строения клеточные мембраны обладают повышенным поглощением микроволновой энергии. При микроволновом облучении клеточные мембраны нагреваются сильней остальных клеточных структур, вследствие этого изменяется проводимость мембран и уровень их гидратации. Этот процесс запускает в клетках обменные процессы, выводит клетку из состояния покоя и инициирует пробуждение семечка. Многочисленные исследования показывают, что предпосевная микроволновая обработка семян увеличивает всхожесть семян на 10-20%, увеличивает энергию роста на 10-15%, снижает заболеваемость растений, что в конечном итоге увеличивает урожайность растений на 10-30%.
В период 2000-2005г. специалистами нашей компании совместно с учеными Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства (ФГУ «СПбНИИЛХ») была проведена работа по исследованию влияния микроволновой вакуумной сушки и предпосевной обработки на повышение всхожести, жизненной стойкости и энергии прорастания семян хвойных пород деревьев. Семена хвойных пород были выбраны из-за того, увеличение их сроков хранения и сохранения всхожести является актуальной задачей для лесного хозяйства. Актуальность этой задачи обусловлена тем, что семена хвойных пород деревьев обладают периодичностью семеношения (созревают один раз в несколько лет), из-за чего необходимо поддерживать семенной фонд на протяжении 10-15 лет, чтобы иметь возможность восстанавливать леса.  Результаты исследования выявили следующее - использование микроволновой сушки и предпосевной обработки увеличивает энергию прорастания семян сосны после хранения на 7-11%, увеличивает всхожесть на 10%, а также позволяет сохранять всхожесть семян при хранении их в течение 10-15 лет на исходном уровне.

Сушка и предпосевная обработка семян на микроволновой вакуумной установке «Mango»

Установка микроволновой вакуумной обработки материалов «Mango» позволяет проводить сушку различных семян культурных растений перед закладной их на хранение, а также предпосевную обротку семян микроволновой энергией с целью их активации.
Установка «Mango» может быть использована в фермерских хозяйствах, семенных хозяйствах, различных сельскохозяйственных организациях и научно-исследовательских учреждениях.
Однократная загрузка семян в установку для обработки – от 200 грамм до 10 кг.
Производительность при сушке семян с исходной влажности 20% до конечной влажности 10% составляет от 5 до 20 кг/час, в зависимости от требуемых режимов и максимальной допустимой температуры обработки.
Производительность при предпосевной обработке семян составляет от 60 до 200 кг/час, в зависимости от требуемой энергетической экспозиции.