автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности гидропонного кормопроизводства путем ультразвуковой обработки субстрата и семян

На правах рукописи

ШУШАРИН Алексей Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОПОННОГО КОРМОПРОИЗВОДСТВА ПУТЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ СУБСТРАТА И СЕМЯН

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 1 0!(Т 2013

005536396

Челябинск-2013

005536396

Работа выполнена на кафедре «Физика» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Басарыгина Елена Михайловна

Официальные оппоненты: Башилов Алексей Михайлович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электротехнологии в сельскохозяйственном производстве» ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина»

Знаев Александр Степанович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электротехника и автоматика» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Ведущая организация: ГНУ «Сибирский научно-исследовательский

институт механизации и электрификации сельского хозяйства» Россельхозакадемии

Защита состоится «29» ноября 2013 г., в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «23» октября 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайге ФГБОУ ВПО ЧГАА http://www.csaa.ra.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Возмилов

Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гидропонное кормопроизводство, не использующее почвенные ресурсы, способствует получению экологически чистого, хорошо усвояемого корма.

К наиболее прогрессивным относится метод выращивания гидропонного зеленого корма, при котором для его обогащения используется субстрат, обладающий свойствами удобрения и кормовой добавки (в частности сапропель), а также семена овса, содержащие большое количество клетчатки.

Однако получение корма на гидропонной основе сопряжено со значительными энергозатратами, в связи с чем разработка технических средств для повышения эффективности гидропонного кормопроизводства является актуальной задачей. Целесообразным представляется использование ультразвуковой (УЗ) обработки, которая позволит активировать процессы прорастания семян и улучшить условия минерального питания, что будет способствовать повышению выхода биомассы корма. Недостаточная степень изученности данного вопроса послужила основой для постановки цели и задач исследования.

Настоящая работа посвящена вопросу использования ультразвука для предпосевной подготовки семян и субстрата в гидропонном кормопроизводстве. Исследования проводились в соответствии с разделом федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 - «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», а также планом НИР ЧГАА на 2010-2013 гг.

Цель исследования: повышение эффективности гидропонного кормопроизводства путем использования технических средств электротехнологии.

Задачи исследования:

1. Определить влияние режимов ультразвуковой обработки семян и субстрата на отклик растений и получить математическую модель выхода биомассы.

2. Разработать установку для обработки субстрата и семян в ультразвуковом поле.

3. Разработать технологию гидропонного выращивания зеленого корма, включающую в себя обработку субстрата и семян в ультразвуковом поле.

Объект исследования: использование ультразвука для предпосевной обработки семян и субстрата в гидропонном кормопроизводстве.

Предмет исследования: закономерности процесса ультразвуковой обработки и изменения биомассы зеленого корма при различных режимах предпосевной подготовки семян и субстрата.

В результате проведенного анализа научно-технической литературы была сформулирована рабочая гипотеза: обработка семян и субстрата, используемых при выращивании гидропонного зеленого корма, в ультразвуковом поле представляется целесообразной, поскольку активирует процессы прорастания и улучшает условия минерального питания растений, что позволит семенам реализовать свои потенциальные возможности и приведет к увеличению получаемой биомассы.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

- в работе впервые предложено и апробировано использование ультразвука для предпосевной подготовки семян и субстрата в условиях гидропонного кормопроизводства (на примере сапропеля и семян овса). Предпосевную подготовку предложено осуществлять путем последовательной обработки субстрата и семян в ультразвуковом поле;

- предложена методика определения основных физических характеристик процесса УЗ-обработки семян и субстрата; установлена взаимосвязь продолжительности УЗ-обработки с электрофизическими и спектрально-оптическими свойствами полученной суспензии;

- получены математические модели, описывающие отклик растений на УЗ-обработку семян и субстрата; разработана методика оценки эффективности обогащения зеленого корма.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов. На основе результатов диссертационной работы разработана и опробована установка для УЗ-обработки семян и субстрата. Полученные математические модели и установленные взаимосвязи могут использоваться при проектировании установок для предпосевной обработки семян и субстрата в ультразвуковом поле.

Результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют дать практические рекомендации по применению ультразвука для предпосевной подготовки семян и субстрата в гидропонном кормопроизводстве. Новизна технических решений подтверждена двумя патентами РФ.

На основе проведенных исследований разработаны и приняты к внедрению: технология гидропонного выращивания зеленого корма, включающая в себя использование УЗ-обработки семян и субстрата (ОАО «Птицефабрика „Челябинская"», г. Челябинск); методика оценки эффективности обогащения зеленого корма (Министерство сельского хозяйства Челябинской области, г. Челябинск). Результаты работы используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии.

Апробацня работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО ЧГАА (2010-2013 гг.), ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ (2011 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 патента РФ и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 147 наименований и 5 приложений. Содержание работы изложено на 151 странице, текст содержит 29 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, определена цель и сформулированы задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, представлена общая характеристика работы.

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследований» посвящена анализу публикаций. Гидропонное кормопроизводство, относящееся к растениеводству защищенного грунта, сопряжено со значительными затратами энергии, в связи с чем разработка

технических средств для повышения эффективности производства гидропонной биомассы является актуальной задачей. В этом плане перспективным представляется повышение урожайности и качества корма за счет использования поедаемого субстрата (сапропеля), обладающего свойствами кормовой добавки и удобрения, а также семян с большим содержанием клетчатки (овса).

На основе анализа научно-технической и патентной литературы установлено, что использование ультразвука позволит активировать процессы прорастания семян и улучшить условия минерального питания, что будет способствовать увеличению продуктивности растений.

В работах А. М. Басова, Н. Ф. Батыгина, И. Ф. Бородина, А. С. Зна-ева, Ф.Я. Изакова, А.Н. Мироновой, Э.А. Каменира, Г. В. Новиковой, В.М. Попова, Л. Г. Прищепа, В. И. Тарушкина, В.Н. Шмигеля и других ученых показано, что эффективность традиционного (почвенного) растениеводства может быть повышена путем использования методов и технических средств элекгротехнологии для обработки посевного материала. В работах А.Н. Марченко и ряде других публикаций рассматриваются вопросы ультразвуковой обработки комплексных субстратов при выращивании гидропонного зеленого корма (ГЗК). Однако возможности использования ультразвука для предпосевной подготовки семян и субстрата в условиях гидропонного кормопроизводства изучены не полностью, поскольку не определены: основные физические характеристики процесса ультразвуковой обработки; электрофизические и спектрально-оптические свойства получаемой суспензии, влияющие на отклик растений; режимы ультразвукового воздействия, способствующие увеличению урожайности. Вышеуказанное позволило определить объект и предмет исследования.

На основе выполненного анализа была поставлена цель исследования и определены его задачи; сформулирована рабочая гипотеза исследования.

Во второй главе «Теоретическое обоснование условий для эффективного использования ультразвука в технологии гидропонного кормопроизводства» изложено следующее. Производство обогащенного корма из семян овса и сапропелевого субстрата затруднено: сапропель содержит макроагрегаты и неоднороден по составу; семе-

на овса покрыты большим числом оболочек и чешуй, обладающих гидрофобными свойствами (рисунок 1). Предлагаемое воздействие ультразвука повлияет на прорастание семян и минеральное питание растений, поскольку будет способствовать: активации процессов оводнения; разрушению макроагрегатов, образованных гуминовыми веществами и глинистыми фракциями, содержащимися в сапропеле; диспергированию и гомогенизации субстрата; ускорению процесса экстракции гуминовых веществ.

Рисунок 1 — Использование ультразвуковой обработки субстрата и семян при производстве гидропонного зеленого корма

Изменения, происходящие в корнеобитаемой среде, могут быть оценены путем определения спектральных оптических характеристик (Оа, отн. ед.), электропроводности (Ее, мСм/см), кислотности (рН, ед. кисл.). Ускорение оводнения семян можно зафиксировать, в частности, путем измерения изменений их массы (Дот, кг). Ультразвуковая обработка позволит увеличить урожайность, обогатить состав и обеспечить экологическую чистоту гидропонного зеленого корма.

От технологических параметров режима ультразвуковой обработки и свойств среды зависят основные физические характеристики звукового поля: звуковое давление р'; колебательная скорость частиц V; колебательное смещение частиц ¿(А); плотность звуковой энергии м> и т.д. (рисунок 2).

УЛЬТРАЗВУК

т, р. V,

Вт/м2 с кг/м3 °С Гц

Технологические параметры режима обработки

Р\ Па

V, м/с

е, Р', а, я, к,

м - кг/м м/с2 м • Н/м2

г, Н-с/м5

Дж/м3

Физические характеристики режима обработки

Ее, рН, А» Ка, С,

мСм/см ед. кисл. ед. абс. ед. абс. ед. абс. - мг/100 г

Электрофизические, спектрально-оптические свойства суспензии

Рисунок 2 - Влияние технологических параметров режима УЗ-обработки на физические характеристики процесса и свойства суспензии

В свою очередь указанные физические характеристики влияг ют на состав С, спектрально-оптические (оптическая плотность Вх, мутность £>и, цветность £>ц, коэффициент цветности АГц) и электрофизические свойства (электропроводность Ее, кислотность рН) полу-

чаемой суспензии, которые в конечном итоге определяют продуктивность растений и качество корма.

Для определения физических характеристик процесса ультразвуковой обработки субстрата и семян предлагается соответствующая методика, в которой используется известный теоретический материал. В соответствии с предлагаемой методикой рассчитываются: звуковое давление р'0; колебательная скорость V; колебательное смещение А; относительная деформация среды е; избыточная плотность рд; колебательное ускорение а; длина волны X; модуль объемной упругости К; акустический импеданс эффективное звуковое давление р^, объемная плотность энергии м и т.д. Основные расчетные формулы представлены ниже.

Бегущая волна:

- скорость звука при температуре V.

где р — плотность среды; с - скорость звука; V — колебательная скорость; - колебательная скорость частиц (амплитудное значение):

с = с0 + а(/-Г0),

(О

где с - скорость при температуре /0 = 25 °С; а - температурный коэффициент; - звуковое давление (амплитудное значение):

(2)

у0 =соА,

(3)

где ю - циклическая частота;

А - амплитуда колебательного смещения; - колебательное смещение (амплитудное значение)

где 1— интенсивность ультразвуковых колебаний;

— относительная деформация среды

с

— избыточная плотность (амплитудное значение):

Ро

(6)

где р0 - амплитуда звукового давления;

— колебательное ускорение (амплитудное значение):

О0=®2 А; (7)

— длина волны:

(8)

V

где V - частота колебаний;

— модуль объемной упругости:

к=с2р; (9)

— акустический импеданс:

г = рс; (10)

— эффективное звуковое давление:

2 Л'

— объемная плотность энергии (среднее за период значение):

(и)

,2

(12)

с 2

Стоячая волна:

— колебательное смещение (амплитудное значение):

А = 2А; (13)

- колебательная скорость частиц (амплитудное значение):

у0ст = 2(ЙА = 2У0; (14)

- колебательное ускорение (амплитудное значение):

^ = 204 = 2^; (15)

- относительная деформация (амплитудное значение):

б0ст=2ААг, (16)

где к—волновое число, к = о/с;

- длина волны:

- собственная частота колебаний:

где а,Ь,<Л- стороны прямоугольного параллелепипеда.

Данная методика использовалась при определении физических характеристик процесса ультразвуковой обработки семян и субстрата (гл. 4).

Сравнение элементов технологических схем, относящихся к начальному этапу кормопроизводства, позволило установить, что основными отличиями разработанной схемы являются: совместная обработка в ультразвуковом поле субстрата и семян; проращивание семян после ультразвуковой обработки в полученной суспензии; сокращения числа технологических операций по коррекции кислотности корнеобитаемой среды.

Энергобиологическая оценка показала, что выращивание гидропонного зеленого корма из семян овса с использованием сапропелевого субстрата является перспективным, так как позволит обогатить состав корма и снизить энергозатраты на его производство.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» указано, что программа экспериментальных исследований предусматривала решение задач, поставленных в соответствии с целью диссертационной работы, и подтверждение выдвинутой гипотезы. Программа экспериментов включала в себя исследования:

— электрофизических свойств суспензии, полученной в результате УЗ-обработки сапропелевого субстрата (активности ионов (рН), электропроводности (Ее));

— спектрально-оптических свойств суспензии, полученной в результате УЗ-обрабсггки сапропелевого субстрата (мутности (£>м), цветности (£>ц), оптической плотности (£>), коэффициента цветности (АГ^));

— процесса извлечения питательных элементов из сапропелевого субстрата под влиянием УЗ-обработки;

— влияния режимов ультразвуковой обработки субстрата и семян на отклик растений (выход и качество биомассы корма, определение оптимальных режимов ультразвуковой обработки).

Экспериментальные исследования проводились при выращивании ГЗК из семян овса сорта «Золотой дождь» с использованием сапропеля месторождения оз. Оренбург (Челябинская область). В качестве отклика растений рассматривалась биомасса корма, определявшаяся по завершению вегетационного периода, продолжительность которого составляла 8 суток. Экологическая чистота ГЗК определялась по содержанию радионуклидов, тяжелых металлов, нитратов, пестицидов; биологическая полноценность — по содержанию протеина, углеводов, витаминов и т.д. Эффективность обогащения зеленого корма оценивалась по разработанной методике (рисунок 3).

В четвертой главе «Результаты экспериментального определения оптимальных режимов ультразвуковой обработки сапропелевого субстрата и параметров устройства для ее реализации» представлено следующее. Для определения физических характеристик процесса ультразвуковой обработки субстрата и семян использовалась предложенная методика. Физические характеристики рассчитывались для бегущей и стоячей волн (поверхностные волны не рассматривались). Результаты расчетов, выполненные для сапропелевого субстрата и семян, представлены в таблице 1.

Рисунок 3 — Коэффициенты, использующиеся для оценки эффективности обогащения гидропонного зеленого корма

Таблица 1 - Физические характеристики процесса ультразвуковой обработки сапропелевого субстрата и семян

№ п/п Наименование физической характеристики Условное обозначение Единцы измерения Значение*

1 2

Бегущая волна

1 Звуковое давление (амплитудное значение) Ро МПа 0,26 0,27

2 Колебательная скорость (амплитудное значение) м/с 0,18 0,19

3 Колебательное смещение (амплитудное значение) А мкм 1,33 1,34

4 Относительная деформация среды в - цмо4 1,28-КГ4

5 Избыточная плотность Ро кг/м3 11,8010-2 12,25-10"2

6 Колебательное ускорение (амплитудное значение) «0 м/с2 25,39-103 25,58-10'

7 Длина волны X м 67,48-10"3 67,48- 1(Г3

8 Модуль объемной упругости к Н/м2 2,16-10» 2,14-10'

9 Акустический импеданс г Н-с/м5 1,45-106 1,44-106

Ю Эффективное звуковое давление Ра МПа 0,19 0,18

11 Объемная плотность энергии (среднее за период значение) Дж/м3 16,7 16,7

Предложенная методика и определенные с ее использованием физические характеристики процесса ультразвуковой обработки могут использоваться при сравнении и выборе эффективных методов и технических средств предпосевной подготовки семян и субстрата.

В результате экспериментальных исследований электрофизических и спектрально-оптических свойств суспензии сапропелевого субстрата установлено, что ультразвуковая обработка способствует изменению электропроводности и кислотности, а также ускорению процессов экстракции гуминовых веществ, что позволяет улучшить условия для реализации растениями своих потенциальных возможностей.

Установленные закономерности изменения электрофизических и спектрально-оптических свойств суспензии, указывающие на диспергирование сапропелевого субстрата и изменение химического состава суспензии (в том числе экстракцию гуминовых веществ), позволяют определять электропроводность, кислотность, мутность и цветность суспензии при различной продолжительности ультразвуковой обработки (рисунки 4, 5).

Рисунок 4 — Изменение электрофизических свойств суспензии под воздействием ультразвука

О 1,0 2,0 3,0 4,0 /, с

Рисунок 5 — Изменение спектрально-оптических свойств суспензии под воздействием ультразвука

Полученные зависимости оптической плотности от длины волны и значения коэффициента цветности позволяют сделать заключение о наличии и изменении концентрации растворимых органических веществ (в том числе гуминовых веществ) в суспензии сапропелевого субстрата под воздействием УЗ-волн (рисунки 6,7).

Рисунок 6 - Зависимость оптической плотности суспензии, обработанной ультразвуком в течение 1...5 минут, от длины волны

0,6

0,4

0,2

о

-0,2,

►

-0,4

-0,6> -0,8' -1

Рисунок 7 - Зависимость логарифма оптической плотности Э от длины волны X для суспензии, обработанной ультразвуком в течение 1.. .5 минут

Экспериментальные исследования позволили установить, что ультразвуковая обработка сапропелевого субстрата приводит к ускорению процессов, происходящих в системе «твердое вещество — жидкость», и интенсификации извлечения питательных элементов из сапропелевого субстрата, что позволяет улучить условия для минерального питания растений.

На основании результатов многофакторных экспериментов, проведенных по методике активного планирования, получено уравнение регрессии, адекватно описывающее отклик растений на ультразвуковую обработку субстрата и семян (при изменении продолжительности УЗ-обрабогки субстрата в пределах 3,0.. .5,0 мин., семян-0,5... 1,5 мин.):

У = 34,25 — 3,16х* — 2,88^2, (19)

где У — биомасса зеленого корма;

х,, х2 - продолжительность ультразвуковой обработки субстрата и семян соответственно.

Анализ данного уравнения позволил определить, что для достижения максимального отклика растений необходимо принять продолжительность обработки субстрата - 4 мин., семян - 1 мин. при следующих физических характеристиках УЗ-поля: частота ультразвуковых колебания 22 кГц, интенсивность 2,5-Ю4 Вт/м2, объемная плотность энергии 16,7 Дж/м3. В этом случае наблюдается превышение контрольного уровня (ультразвуковая обработка субстрата и семян отсутствует) по выходу биомассы ГЗК на 10... 15% при сохранении биологической полноценности и экологической чистоты получаемого корма.

В пятой главе «Разработка технологической схемы гидропонного кормопроизводства, включающей в себя ультразвуковую обработку семян и субстрата» показана разработанная технология (рисунок 8). Для осуществления операции по предпосевной подготовке разработана установка, в которой реализуется обработка субстрата и семян в ультразвуковом поле.

Оценка эффективности обогащения ГЗК по разработанной методике позволила установить, что в предлагаемом варианте наблюдается улучшение условий минерального питания, что приводит к повышению продуктивности растений при сохранении биологической полноценности и экологической чистоты получаемого корма.

±

Устройство для проращивания семян

А А А

УЗ-обработки субстрата и семян

тг

Устройство для замачивания субстрата

I

Устройство освещения

I

1

Устройство вентиляции

Устройство управления параметрами микроклимата

Устройство полива

Устройство отопления

Устройство контроля параметров корне-

обитаемой среды *

II

—»• - семена; —> - субстрат; —>- - вода; —- посевная смесь; —>- - электроэнергия; ее?> - ГЗК

Рисунок 8 - Схема комплекта технологического оборудования для производства гидропонного зеленого корма с использованием ультразвуковой обработки субстрата и семян: I - участок предпосевной подготовки субстрата и семян;

II - участок выращивания гидропонного зеленого корма

На основании производственных испытаний, проведенных в ОАО «Птицефабрика „Челябинская"», установлено, что разработанный вариант выращивания гидропонного зеленого корма характеризуется более высокой технико-экономической эффективностью по сравнению с базовым вариантом. За счет увеличения выхода биомассы в опытном варианте на 10... 15% происходит уменьшение затрат энергии на получение единицы продукции на 43,5-43,8 ГДж/т и повышение энергетической эффективности на 10... 12%; годовой экономический эффект в расчете на участок по производству ГЗК с объемом выращивания продукции 4,59 т составляет 180 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для повышения эффективности гидропонного кормопроизводства целесообразным представляется использование ультразвуковой обработки сапропелевого субстрата и семян овса, которая позволит улучшить условия минерального питания и активировать процессы прорастания. Однако технология и технические средства для ее осуществления отсутствуют по причине недостаточных исследований в данной области.

2. Предлагаемая методика, позволяющая определять основные физические характеристики процесса ультразвуковой обработки, которые влияют на свойства получаемой суспензии и отклик растений, может использоваться при сравнении и выборе эффективных методов и технических средств предпосевной подготовки семян и субстрата.

3. Установленные закономерности изменения электрофизических и спектрально-оптических свойств суспензии, указывающие на диспергирование сапропелевого субстрата и изменение химического состава суспензии (в том числе экстракцию гуминовых веществ), позволяют определять электропроводность, кислотность, мутность и цветность суспензии при различной продолжительности ультразвуковой обработки.

Полученные зависимости оптической плотности от длины волны и значения коэффициента цветности позволяют сделать заключение о наличии и изменении концентрации растворимых органических

веществ (в том числе гуминовых веществ) в суспензии сапропелевого субстрата под воздействием УЗ-волн.

4. Математическая модель, полученная по методике активного планирования эксперимента, позволила определить, что для достижения максимального отклика растений необходимо принять продолжительность обработки субстрата — 4 мин., семян - 1 мин. при следующих физических характеристиках УЗ-поля: частота ультразвуковых колебании - 22 кГц, интенсивность - 2,5-104 Вт/м2, объемная плотность энергии - 16,7 Дж/м3. В этом случае наблюдается превышение контрольного уровня (ультразвуковая обработка субстрата и семян отсутствует) по выходу биомассы ГЗК на 10... 15% при сохранении биологической полноценности и экологической чистоты получаемого корма.

5. Разработанная установка позволяет осуществлять предпосевную подготовку субстрата и семян в условиях гидропонного кормопроизводства путем последовательной ультразвуковой обработки.

6. Разработанная технология гидропонного кормопроизводства включает в себя операцию по обработке субстрата и семян в ультразвуковом поле.

Разработанная методика позволяет оценивать эффективность обогащения гидропонного зеленого корма.

7. Производственные испытания показали технико-экономическую эффективность разработанной установки при выращивании гидропонного зеленого корма: в опытном варианте увеличивается выход ГЗК на 10-15%, за счет чего происходит снижение энергозатрат на получение единицы продукции на 43,5-43,8 ГДж/т и увеличение энергетической эффективности на 10-12%; годовой экономический эффект в расчете на участок по производству ГЗК с объемом выращивания продукции 4,59 т составляет 180 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Басарыгина, Е. М. Энергосберегающая технология производства гидропонного корма [Текст] / Е. М. Басарыгина, А. В. Шушарин // Техника и оборудование для села. — 2012. - № 9(182). — С. 8-10.

2. Басарыгина, Е. М. Оценка эффективности обогащения зеленого корма [Текст] / Е. М. Басарыгина, А. В. Шушарин // Достижения науки и техники АПК. - 2013. — № 6. - С. 77—78.

3. Шушарин, А. В. Использование ультразвуковой обработки семян и субстрата при производстве гидропонного зеленого корма [Текст] / А. В. Шушарин // Достижения науки и техники АПК. -2013.-№9.-С. 53-54.

Публикации в других изданиях

4. Басарыгина, Е. М. Использование ультразвука при производстве гидропонного зеленого корма [Текст] / Е. М. Басарыгина, А. В. Шушарин // Материалы Ы науч.-техн. конф. «Достижения науки и техники - агропромышленному производству» / под ред. докт. техн. наук, проф. Н. С. Сергеева. - Челябинск : ЧГАА, 2012. -Ч. У.-С. 201-203.

5. Басарыгина, Е. М. Энергосберегающая технология производства обогащенного зеленого корма [Текст] / Е. М. Басарыгина, А. В. Шушарин // Информ. листок № 74-024-122013 / Росинформ-ресурс. — 2012.

6. Басарыгина, Е. М. Установка для производства обогащенного зеленого корма [Текст] / Е. М. Басарыгина, А. В. Шушарин // Материалы Ы1 науч.-техн. конф. «Достижения науки и техники - агропромышленному производству» / под ред. докт. техн. наук, проф. Н. С. Сергеева. - Челябинск : ЧГАА, 2013. - Ч. VI. - С. 9-12.

7. Басарыгина, Е. М. Ультразвук в гидропонном кормопроизводстве [Текст] / Е. М. Басарыгина, А. В. Шушарин // Вестник ЧГАА. -2012.-Т. 63.-С. 5-8.

8. Пат. 131280 Российская Федерация. Гидропонная установка [Текст] / Ю. Б. Четыркин, Е. М. Басарыгина, Т. А. Путилова ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ЧГАА. - № 2013107881/13 ; заявл. 21.02.2013 ; опубл. 20.08.2013, Бюл. № 23.

9. Пат. 128960 Российская Фдерация. Установка для выращивания зеленого корма [Текст] / Ю. Б. Четыркин, Е. М. Басарыгина, Т. А. Путилова ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО ЧГАА. -№ 2013107858/13 ; заявл. 21.02.2013 ; опубл. 20.06.2013, Бюл. № 17.

Подписано в печать 17.10.2013 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 182

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Челябинская государственная агроинженерная академия» 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ЧЕЛЯБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АГРОИНЖЕНЕРНАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

04201365832 ШУШАРИН Алексей Валерьевич

! ч А ^ I <' У / ! ,! '

;/г 7 "//

Ч < ' 1 Ч

/'/.'. у/

! « Ь 7 '

^ ал* -1,

I ! /

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОПОННОГО КОРМОПРОИЗВОДСТВА ПУТЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

СУБСТРАТА И СЕМЯН

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Басарыгина Е.М.

Челябинск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 8

1.1. Перспективы использования гидропонного кормопроизводства

8

в современных производственно-экологических условиях

1.2. Технологическое оборудование гидропонного кормопроизводства 13 1.3 Методы электротехнологии для повышения эффективности гидропонного кормопроизводства

1.4. Технические средства электротенологии для интенсификации технологических процессов

1.5. Рабочая гипотеза. Цель и задачи исследования 27

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В 29 ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОПОННОГО КОРМОПРОИЗВОДСТВА

2.1. Обоснование условий для эффективного использования ультразвука

29

в технологии гидропонного кормопроизводства

2.1.1. Воздействие ультразвука на сапропелевый субстрат 32

2.1.2. Воздействие ультразвука на семена 34

2.2. Физические характеристики ультразвукового поля 38

2.3. Методика определения физических характеристик процесса ^ ультразвуковой обработки семян и субстрата

2.4. Элементы технологической схемы гидропонного кормопроизводства, включающей в себя ультразвуковую обработку 52 семян и субстрата

2.5. Энергобиологическая оценка гидропонного зеленого корма 55

2.6. Результаты и выводы по главе 59

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа экспериментов и экспериментальные установки

61

3.1.1. Программа экспериментов 61

3.1.2. Экспериментальные установки 62

3.2. Методика проведения экспериментов 67

3.2.1. Методика экспериментального определения спектрально-оптических, физико-химических свойств и состава суспензии, 67 полученной в результате УЗ-обработки сапропелевого субстрата

3.2.2. Методика исследования влияния ультразвуковой обработки субстрата на отклик растений

3.2.3. Методика исследования экологической чистоты и биологической

70

полноценности гидропонного зеленого корма

3.2.4. Методика сравнения вариантов выращивания гидропонного зеленого корма

3.3. Методика оценки эффективности обогащения гидропонного зеленого корма

3.4. Результаты и выводы по главе 77

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

*

ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ

78

СУБСТРАТА И СЕМЯН И ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ

4.1. Определение физических характеристик процесса ультразвуковой

78

обработки субстрата и семян

4.2. Электрофизические и спектрально-оптические свойства суспензии, ^ полученной в результате УЗ-обработки сапропелевого субстрата

4.2.1. Электрофизические свойства суспензии, полученной в результате

81

УЗ-обработки сапропелевого субстрата

4.2.2. Спектрально-оптические свойства суспензии, полученной в

85

результате УЗ-обработки сапропелевого субстрата

4.3. Ультразвуковая интенсификация процесса извлечения питательных ^ элементов из сапропелевого субстрата

4.4. Определение оптимального режима ультразвуковой обработки

сапропелевого субстрата и семян при выращивании ГЗК

4.4.1. Определение оптимального режима ультразвуковой обработки

сапропелевого субстрата и семян при выращивании ГЗК

4.4.2. Сравнение вариантов выращивания гидропонного зеленого корма 97 4.5. Результаты и выводы по главе 99 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ГИДРОПОННОГО КОРМОПРОИЗВОДСТВА, ВКЛЮЧАЮЩЕЙ В СЕБЯ УЛЬТРА- 101 ЗВУКОВУЮ ОБРАБОТКУ СЕМЯН И СУБСТРАТА

5.1. Технологическая схема гидропонного кормопроизводства, включающая в себя ультразвуковую обработку семян и субстрата

5.2. Устройства для реализации разработанной технологической схемы гидропонного кормопроизводства, включающей в себя ультразвуковую 105

обработку семян и субстрата

5.2.1. Гидропонная установка малой производительности 105

5.2.2. Гидропонная установка большой производительности 110

5.3. Программа и результаты технологических испытаний 116

5.4. Экономическая и энергетическая оценка 119

5.5. Результаты и выводы по главе 127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 128

НАПРАВЛЕНИЕ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 130

ЛИТЕРАТУРА 131

ПРИЛОЖЕНИЯ 143

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Гидропонное кормопроизводство, не использующее почвенные ресурсы, способствует получению экологически чистого, хорошо усвояемого корма.

К наиболее прогрессивным относится метод выращивания гидропонного зеленого корма, при котором для его обогащения используется субстрат, обладающий свойствами удобрения и кормовой добавки (в частности сапропель), а также семена овса, содержащие большое количество клетчатки.

Однако получение корма на гидропонной основе сопряжено со значительными энергозатратами, в связи с чем разработка технических средств для повышения эффективности гидропонного кормопроизводства является актуальной задачей. Целесообразным представляется использование ультразвуковой (УЗ) обработки, которая позволит активировать процессы прорастания семян и улучшить условия минерального питания, что будет способствовать повышению выхода биомассы корма. Недостаточная степень изученности данного вопроса послужила основой для постановки цели и задач исследования.

Настоящая работа посвящена вопросу использования ультразвука для предпосевной подготовки семян и субстрата в гидропонном кормопроизводстве. Исследования проводились в соответствии с разделом федеральной программы по научному обеспечению АПК Российской Федерации: шифр 01.02 - «Разработать перспективную систему технологий и машин для производства продукции растениеводства и животноводства на период до 2015 г.», а также планом НИР ЧГАА на 2010-2013 гг.

Цель исследования: повышение эффективности гидропонного кормопроизводства путем использования технических средств электротехнологии.

Задачи исследования:

1. Определить влияние режимов ультразвуковой обработки семян и субстрата на отклик растений и получить математическую модель выхода биомассы.

2. Разработать установку для обработки субстрата и семян в ультразвуковом поле.

3. Разработать технологию гидропонного выращивания зеленого корма, включающую в себя обработку субстрата и семян в ультразвуковом поле.

Объект исследования: использование ультразвука для предпосевной обработки семян и субстрата в гидропонном кормопроизводстве.

Предмет исследования: закономерности процесса ультразвуковой обработки и изменения биомассы зеленого корма при различных режимах предпосевной подготовки семян и субстрата.

В результате проведенного анализа научно-технической литературы была сформулирована рабочая гипотеза: обработка семян и субстрата, используемых при выращивании гидропонного зеленого корма, в ультразвуковом поле представляется целесообразной, поскольку активирует процессы прорастания и улучшает условия минерального питания растений, что позволит семенам реализовать свои потенциальные возможности и приведет к увеличению получаемой биомассы.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

- в работе впервые предложено и апробировано использование ультразвука для предпосевной подготовки семян и субстрата в условиях гидропонного кормопроизводства (на примере сапропеля и семян овса). Предпосевную подготовку предложено осуществлять путем последовательной обработки субстрата и семян в ультразвуковом поле;

- предложена методика определения основных физических характеристик процесса УЗ-обработки семян и субстрата; установлена взаимосвязь продолжительности УЗ-обработки с электрофизическими и спектрально-оптическими свойствами полученной суспензии;

- получены математические модели, описывающие отклик растений на УЗ-обработку семян и субстрата; разработана методика оценки эффективности обогащения зеленого корма.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов. На

основе результатов диссертационной работы разработана и опробована установка для УЗ-обработки семян и субстрата. Полученные математические модели и установленные взаимосвязи могут использоваться при проектировании установок для предпосевной обработки семян и субстрата в ультразвуковом поле.

Результаты, полученные в диссертационной работе, позволяют дать практические рекомендации по применению ультразвука для предпосевной подготовки семян и субстрата в гидропонном кормопроизводстве. Новизна технических решений подтверждена двумя патентами РФ.

На основе проведенных исследований разработаны и приняты к внедрению: технология гидропонного выращивания зеленого корма, включающая в себя использование УЗ-обработки семян и субстрата (ОАО «Птицефабрика „Челябинская"», г. Челябинск); методика оценки эффективности обогащения зеленого корма (Министерство сельского хозяйства Челябинской области, г. Челябинск). Результаты работы используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО ЧГАА (2010-2013 гг.), ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ (2011г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 патента РФ и 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографии из 147 наименований и 5 приложений. Содержание работы изложено на 151 странице, текст содержит 29 рисунков и 18 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРОПОННОГО КОРМОПРОИЗВОДСТВА В СОВРЕМЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Переработка кормов в животноводческую продукцию является одним из основных процессов сельскохозяйственного производства. Эффективность этого процесса определяется, прежде всего, количеством животноводческой продукции, получаемой из единицы используемых кормов. В связи с этим вопросы рационального использования кормов в кормлении животных приобретают первостепенное значение. Эффективность корма будет тем выше, чем больше он соответствует по своим физико-механическим свойствам и содержанию питательных веществ потребностям животных [5356; 108; 113; 115].

За последние годы зоотехническая наука обогатилась новыми данными о потребности животных в питательных веществах, участии их в обмене веществ и эффективности использования для образования животноводческой продукции. В настоящее время балансирование рационов для крупного рогато скота и овец осуществляется более чем по 20 показателям, а для свиней и птицы - по 50. ..80 [61; 90; 94; 111; 114; 116; 136].

Кроме учитываемых показателей обеспеченности рационов протеином, кальцием, фосфором, каротином и витамином D, большое значение приобретаю: энерго-протеиновое отношение, сахаро-протеиновое отношение, соотношение всего комплекса незаменимых аминокислот, соотношение некоторых витаминов (РР, Вб, холина, Вп и др.) с аминокислотами (триптофаном, метионином и т.д.), соотношение между элементами минерального питания. Учет этих показателей в ряде случае является решающим для повышения усвояемости важнейших элементов питания основных кормов и их заменителей, а также для успешного использования микродобавок: солей, аминокислот, витаминов,

микроэлементов, ферментов. На основе этих показателей определяются нормы потребности животных в питательных веществах [94; 111; 114; 116;].

При современном состоянии животноводства его продуктивность в значительной мере зависит от концентрации энергии и питательных веществ в единице вещества производимых кормов. При высокой продуктивности животные не в состоянии потребить столько корма, чтобы возместить затраты организма на образование продукции. Поэтому чем выше продуктивность, тем больше энергии должно быть в 1 кг сухого вещества корма. Одновременно с энергией должна повышаться также концентрация растворимых углеводов, протеина, аминокислот, витаминов и минеральных веществ [111].

Большое внимание при этом уделяется сбалансированности корма: к кормам предъявляются повышенные требования по соотношению и концентрации, прежде всего, основных питательных веществ (протеин, комплекс углеводов, жир). Высокие требования предъявляются не только к количеству отдельных питательных веществ в кормах, но и к качеству их, доступности для организма.

Большое значение в питании животных, особенно жвачных, имеет клетчатка. Она играет большую физиологическую роль не только как источник энергии, но и как фактор, обеспечивающий нормализацию процессов пищеварения. Для лактирующих жвачных животных клетчатка необходима в рационе для образования летучих жирных кислот, особенно уксусной, как основного предшественника жира молока. Обычно клетчатка не является лимитирующим фактором питания, однако при одностороннем кормлении (пастьба коров на пастбище ранней весной, концентратный тип кормления и т.п.) ее может недоставать в рационе [61; 90; 94].

Установлено, что на продуктивность сельскохозяйственных животных и птицы в значительной степени влияет кормление (50%) и в меньшей степени - генотип (25%) и условия содержания (25%) [108; 113; 115]. Тем не менее, эффективность использования кормов животными в значительной

мере определяется их физиологическим состоянием, условиями ухода и содержания. В среднем коэффициент полезного действия валовой энергии корма на образование продукции составляет 20...25%, однако более высокопродуктивные животные используют энергию корма эффективнее. Так, корова с удоем 5000 кг молока в год использует энергию корма на 28...30%, а с удоем 3000 кг - только на 20...22%. В среднем использование энергии корма на молоко составляет около 15%. Аналогичное положение наблюдается с использованием протеина корма [94; 108].

Значительное количество энергии и протеина выделяется с переваренными остатками (до 36...38%). Поэтому повышение переваримости кормов - одно из основных условий эффективного их использования. Переваримость корма существенным образом влияет на его потребление. Физиологически это объясняется тем, что корм с более высокой переваримостью быстрее проходит через пищеварительный тракт животного, освобождает его для приема новых порций. Следовательно, переваримость, потребление корма и продуктивность корма взаимосвязаны друг с другом. Чем выше переваримость, тем выше потребление корма и продуктивность животного. Так, для коров при суточном удое 10 кг будет удовлетворительным корм с переваримостью 65%; при суточном удое 20 кг переваримость корма должна быть не ниже 75%, а при 30 кг - 80%. В противном случае коровы не состоянии будут потребить необходимое количество питательных веществ для образования указанного количества продукции[61; 90; 94; 108].

Одним из возможных путей получения в течение круглого года сбалансированных кормовых рационов является гидропонное кормопроизводство [5; 16; 27; 28; 36; 50; 58; 60; 96; 99; 114; 139-145]. Гидропонный зеленый корм (ГЗК), представляющий собой ростки, полученные из семян зернофуражных культур, имеет ряд преимуществ перед известными кормами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Преимущества гидропонного зеленого корма

я

я

X НЧ я *

Л

Я ч

н о

о а,

д к я

* о д

к н о о я и н о (и Я «3 « й И н о ее о

к я аз

н « оЗ н о О я н

1=1 н о

о а и

Рч Я я

с я *

№

я й

Я й

<и о

3 3 а> Я Я

и и

о О

с ч о й (Т>

Агробиологической основой выращивания ГЗК является процесс прорастания семян, начальные стадии которого характеризуются определенными физиолого-химическими превращениями, происходящими при переходе семян от стадии покоя к стадии нормального роста.

Агробиологические условия преобразования сухого зерна в зеленый корм обеспечиваются потреблением энергии, воды и химических веществ, поскольку ГЗК производится без использования почвы. Это позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду [3; 4; 26; 74; 77; 97; 123; 124] и обеспечивает экологическую безопасность корма [50; 60].

Гидропонный зеленый корм

- является экологически чистым кормовым средством;

- содержит большое количество витаминов;

- позволяет получать сбалансированные кормовые рационы;

- хорошо переваривается всеми видами сельскохозяйственных животных и птицы;

- повышает усвояемость кормов;

- способствует улучшению состояния животных, снижению ряда болезненных явлений, что приводит к повышению продуктивности животных, обеспечивает экологическую чистоту и качество продукц�