Vyatka State Agrotechnological University
g. Kirov, Russian Federation
g. Kirov, Russian Federation
UDK 631.3 Сельскохозяйственные машины и орудия. Сельскохозяйственное оборудование
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Food products from rye grain have the most valuable properties for improving human health. However, crops of this crop often infect poisonous ergot sclerotia. Modern grain cleaning machines do not provide complete isolation of ergot sclerotia from rye grain during cleaning in one technological cycle due to the similarity of their physical and mechanical properties. Repeated passage of the grain material through the cleaning mechanisms in order to completely isolate the poisonous ergot sclerotia from the grain material dramatically increases the cost of the cleaning process. Ergot sclerotia have a lower density than a full-fledged rye grain, which makes it possible to separate them according to this criterion in an aqueous solution of an inorganic salt. The aim of the study is to determine the efficiency of the isolation of poisonous ergot sclerotia and to identify the loss of grain Pz into waste during in-line immersion of the grain material in a liquid, depending on the specific grain load gsp at different densities ρzh of an aqueous salt solution. As objects of research, it was accepted to study the isolation of ergot sclerotia from winter rye grains of the Falenskaya 4 variety with a moisture content of 14% by density in an aqueous salt solution and to determine the possible losses of high-grade grain to waste. Studies have been carried out when grain material is supplied by a flow from a height h = 60∙10-3 m into water (ρzh = 1000 kg/m3) and an aqueous solution of sodium chloride (NaCl) with a density ρzh = 1030…1180 kg/m3 with varying specific grain load gsp with values of 0.674…7.221 kg/(s∙m). It has been established that at a density of an aqueous solution of salt ρzh = 1150 kg/m3 and a specific grain load gsp = 0.674…1.469 kg/(s m), 100% ergot sclerotia emerge to the surface of the solution, and the loss of grain Pz to waste does not exceed 2.52%, which meet the agrotechnical requirements for final grain cleaning machines
grain material, poisonous ergot sclerotia, grain cleaning machine, aqueous salt solution, winter rye grain, harmful impurity
Введение. Продовольственная безопасность любой страны во многом зависит от производства необходимого для населения количества зерна, которое определяется не только засеваемыми площадями зерновых культур, но и урожайностью. При этом для формирования высоких урожаев требуется семенной фонд зерна высокого качества [1, 2].
В структуре валового сбора зерновых культур особое место занимает озимая рожь. Это неприхотливая зерновая культура, которая хорошо подходит для возделывания в северных районах Российской Федерации, где в основном преобладают глинистые и суглинистые почвы с малым содержанием гумуса. Рожь в таких условиях при правильной технологии возделывания может формировать достаточно высокие урожаи. Кроме того, продукты питания, приготовленные из зерна ржи, обладают ценнейшими качествами для здоровья человека. В зерне ржи содержатся витамины А, В1, В2, В3 и РР, защищающие организм от старения, авитаминоза, диабета, болезней желудочно-кишечного тракта и сердечно-сосудистый системы. Постоянное употребление ржаных изделий позволяет блокировать развитие этих и других заболеваний. Поэтому выращивание озимой ржи в качестве продовольственной культуры имеет большое значение [3].
Одна из проблем, возникающих при возделывании этой культуры, связана с тем, что в период цветения растения озимой ржи могут заражаться спорами спорыньи. Сильная поражаемость этим заболеванием объясняется продолжительностью цветения и особенностями строения цветков ржи, для которых характерно перекрестное опыление, поэтому они продолжительное время бывают открытыми. При созревании зараженных колосьев ржи в них вместо зерен образуются склероции спорыньи, в которых содержаться ядовитые вещества, вызывающие различные заболевания у людей и животных, способные в ряде случаев приводить к смертельному исходу. Поэтому продукты из зерна ржи с примесью спорыньи непригодны ни для выпечки хлебобулочных изделий, ни на корм животным и птице [4, 5].
Отделение склероций спорыньи от зерна осуществляют на зерноочистительно-сушильных пунктах машинами предварительной (МПО-50, ОВС-25, К-527А, МПР-50, МПО-60Д и др.), первичной (МЗС-25, МЗП-25, Р8-БЦС-25, ЗВС-20 и др.), вторичной (МВО-20, МВУ-1500, СМ-4,5, «Петкус Гигант» К-531 и др.) и окончательной (ПСС-1, МОС-9Н и др.) очистки. Однако при их использовании невозможно полностью выделить склероции спорыньи из зернового материала за один технологический процесс, что связано со схожестью их линейных размеров, коэффициента парусности и внутреннего скольжения с зерном ржи [6, 7, 8].
Поэтому для выделения склероций спорыньи требуется многократный пропуск зернового материала через очистительные рабочие органы перечисленных машин, что значительно повышает затратность технологического процесса. Одновременно зерноочистительные машины имеют сложное устройство, трудоемки в техническом обслуживании и ремонте, для привода рабочих органов необходим электродвигатель большой мощности (3 кВт и более). Кроме того, совершенствование воздушной системы и решетных станов современных зерноочистительных машин не обеспечивает решения этой задачи [9, 10, 11].
В последние годы все шире используют фотосепараторы для очистки зернового материала по цвету. Однако склероции спорыньи, имеющие в основном темный цвет, в ряде случаев могут приобретать цвет, схожий с окраской зерновок ржи. Следовательно, современные фотоэлектронные сепараторы также не способны гарантированно полностью выделять склероции спорыньи [12, 13].
В то же время плотность склероций спорыньи меньше, чем у полноценной зерновки, что делает возможным их разделение. Для реализации такого подхода, можно, например, использовать способ выделения примесей в водном растворе неорганической соли, в котором склероции спорыньи будут всплывать на поверхность жидкости, а зерно погружаться вниз. Это обстоятельство будет обеспечивать отделение склероций спорыньи от зерна ржи за один технологический цикл. Соответственно, затраты на его реализацию будут значительно меньше, чем при использовании современных зерноочистительных машин [14, 15].
С учетом изложенного было разработано конструктивное решение машины выделения спорыньи из зерна ржи по плотности в водном растворе соли. Она имеет простую конструкцию и состоит из загрузочного бункера, ванны с водным раствором соли, выгрузных устройств зерна и отходов. Для привода рабочих органов требуется электродвигатель небольшой мощности (не более 0,75 кВт) [16, 17].
В результате исследований по обоснованию оптимальной высоты падения зерна на поверхность водного раствора соли, обеспечивающей преодоление поверхностного натяжения жидкости установлено, что как при подаче одиночных зерен, так и при поступлении зерна потоком рациональная высота установки выпускного отверстия загрузочного бункера должна составлять 0,060 м [18, 19].
Цель исследования – определение эффективности выделения ядовитых склероций спорыньи и выявление потерь ПЗ зерна в отходы при поточном погружении зернового материала в жидкость в зависимости от удельной зерновой нагрузки gуд при разной плотности ρж водного раствора соли.
Условия, материалы и методы. Для достижения поставленной цели были проведены практические опыты на экспериментальной установке (рис. 1). В процессе проведения исследований зерновой материал, загруженный в накопительную часть бункера 3, через выпускное отверстие подавали потоком в ванну 14 с водным раствором соли. При попадании в водный раствор соли полновесные зерна опускались на дно ванны 14, а склероции спорыньи, а также щуплое зерно, имеющие меньшую плотность, по сравнению с полновесным, всплывали на поверхность. Откуда их принудительно, утапливая в раствор соли при помощи скребка 8 на глубину ширины его полки, выводили вручную через наклонную часть имитационной стенки 7 в направлении выгрузки к скатной доске 9. Полновесные зерна со дна ванны 14 вручную захватывали скребком 13 и перемещали по наклонной стенке 7 в направлении выгрузки к скатной доске 12.
При перемещении скребками 8 и 13 полновесных зерен и отходов в направлении выгрузки водный раствор соли стекает через зазор между рабочим краем скребков и поверхностью имитационной стенки 7 отсеков вывода семян и отходов обратно в ванну 14. Далее отходы и полновесное зерно по скатным доскам соответственно 9 и 12 поступают в отгрузочные лотки 10 и 11.
Подачу зернового материала осуществляли с высоты h = 60∙10-3 м в воду (ρж = 1000 кг/м3) и водный раствор хлористого натрия (NaCl) плотностью ρж = 1030, 1060, 1090, 1120, 1150 и 1180 кг/м3 при варьировании удельной зерновой нагрузки gуд со значениями 0,674; 1,469; 2,871; 4,449 и 7,221 кг/(с∙м).
Зерновой материал состоял из 10000 зерен озимой ржи сорта Фаленская 4 и 1000 штук склероций спорыньи.
Долю РС выделенных склероций спорыньи от числа поданных на установку вместе с зерновками озимой ржи сорта Фаленская 4 определяли по формуле (%):
(1)
где n5 – число поданных склероций спорыньи, шт.;
n6 – число склероций спорыньи, оказавшихся на поверхности жидкости, шт.
Долю зерен, не утонувших даже после принудительного воздействия, которая соответствует потерям ПЗ зерна в отходы, определяли по формуле:
(2)
где n1 – число подаваемых зерен, шт.;
n4 – число зерен, оставшихся на поверхности, даже после принудительного воздействия, шт.
Обработку экспериментальных данных осуществляли на персональном компьютере SAMSUNG NP-R540H с использованием специальной программы по статистической обработке данных SigmaPlot 11.0.
Результаты и обсуждение. Зависимость доли РС выделенных склероций спорыньи от удельной зерновой нагрузки gуд при разной плотности ρж жидкости описывается следующим уравнением (%):
(3)
R2 = 0,960
Результаты анализа зависимости свидетельствуют о том, что плотность ρж водного раствора соли оказывает большее влияние на величину РС, чем удельная зерновая нагрузка gуд. Достоверность полученной регрессионной модели подтверждается малыми отклонениями фактических значений от расчетных |P̅C – PC|, которые находятся на уровне 0,6…11,6 %. Величина скорректированного коэффициента множественной детерминации R2 (Adj Rsqr) указывает на то, что 96,0 % изменения функции РС = f(gуд, ρж) объясняется вариацией ее переменных gуд и ρж. Остальные 4,0 % приходятся на факторы, не учтенные в принятой модели. Это свидетельствует о достаточно хорошем качестве полученной регрессионной модели.
Анализ поверхности отклика (рис. 2а) свидетельствует о том, что наибольшее выделение склероций спорыньи (РС) достигается при удельных зерновых нагрузках gуд = 0,674 и 1,469 кг/(с·м). Так, при поступлении зернового материала в воду (ρж = 1000 кг/м3) величина этого показателя не превышает 14 и 13 %. При увеличении плотности ρж водного раствора соли с 1090 до 1120 кг/м3 средние значения РС для gуд = 0,674 кг/(с·м) составляют соответственно 84,0 и 98,0 %, а для gуд = 1,469 кг/(с·м) – 83,0 и 97,0%. При плотности ρж водного раствора соли 1150 кг/м3 на поверхность всплывают все склероций спорыньи (РС =100 %). Поэтому дальнейшее увеличение плотности ρж водного раствора соли становится не целесообразным.
Повышение удельных зерновых нагрузок gуд сопровождается снижением выделения склероций спорыньи из зернового материала. Так, по мере увеличения удельной зерновой нагрузки gуд с 2,871 кг/(с·м) до 4,449 и 7,221 кг/(с·м) величина РС при подаче в воду (ρж = 1000 кг/м3) снижается с 11,0 % до 8,0 и 1,0 % соответственно, в водный раствор соли плотностью ρж = 1030 кг/м3 с 25,0 % до 22,0 и 10,0 % соответственно, что ниже чем при gуд = 0,674 и 1,469 кг/(с·м). Полное выделение склероций спорыньи не достигается даже при значительном увеличении плотности ρж водного раствора соли. При удельных зерновых нагрузках gуд 2,871; 4,449 и 7,221 кг/(с·м) и плотности раствора ρж = 1150 кг/м3 оно составляет 95,0; 90,0 и 79,0 % соответственно, а при плотности раствора ρж = 1180 кг/м3 – 97,0; 93,0 и 80,0 %.
Большее выделение склероций спорыньи при невысоких удельных зерновых нагрузках gуд = 0,674 и 1,469 кг/(с·м) обусловлено тем, что в этом случае ядро зернового потока при поступлении в жидкость на небольшой глубине рассыпается, увеличивая межзерновое расстояние, и склероции всплывают на поверхность, отделяясь от основного потока. Уменьшение выделения склероций при больших удельных зерновых нагрузках
(gуд = 2,871…7,221 кг/(с·м)) связано с тем, что ядро зернового потока при поступлении в жидкость рассыпается глубже, увлекая некоторое количество склероций спорыньи. В результате часть из них оказывается на дне ванны, а затем выносится вместе с очищенными семенами.
Зависимость потерь ПЗ зерна в отходы от удельной зерновой нагрузки gуд при разной плотности ρж жидкости описывается следующим уравнением (%):
(4)
R2 = 0,969
Из уравнения (4) следует, что на потери ПЗ зерна большее влияние оказывает плотность ρж водного раствора соли, взаимосвязь величины этого показателя с удельной зерновой нагрузкой gуд практически отсутствует. Достоверность регрессионной модели подтверждают малые отклонения фактических значений от теоретических |ПЗ–̅ПЗ|, которые составляют 0,060…0,347 %. Величина скорректированного коэффициента множественной детерминации R2 (Adj Rsqr) указывает на то, что 96,9 % изменения функции ПЗ = f(gуд, ρж) объясняется вариацией переменных gуд и ρж. Остальные 3,1 % связаны с факторами, не учтенными в принятой модели. Потому ее качество можно считать достаточно хорошим.
Потери ПЗ зерна в отходы при погружении в воду (ρж = 1000 кг/м3) в среднем составляют 0,25 % (рис. 2б), при плотности ρж водного раствора соли 1030 кг/м3 они возрастают до
0,67 %, 1060 кг/м3 – до 0,84 % и 1090 кг/м3 – 1,25 %. При плотности водного раствора соли ρж = 1120 и 1150 кг/м3 потери ПЗ зерна в отходы достигают 1,75 и 2,52 % соответственно, что связано с повышением коэффициента поверхностного натяжения раствора. Однако даже при плотности водного раствора соли
ρж = 1180 кг/м3 величина потерь ПЗ зерна в отходы (4,32 %) не превышает агротехнических требований к машинам окончательной очистки зерна.
Выводы. Таким образом, при погружении зернового материала, состоящего из зерна озимой ржи сорта Фаленская 4 и склероций спорыньи влажностью 14 %, потоком в воду и водный раствор хлористого натрия (NaCl) при температуре 20 °С с высотой подачи h = 60,0∙10-3 м, плотность ρж жидкости оказывает большее влияние на технологический процесс его разделения на фракции, чем удельная зерновая нагрузка gуд. При плотности водного раствора соли ρж = 1150 кг/м3 и удельной зерновой нагрузке gуд = 0,674…1,469 кг/(с·м) происходит 100 %-ное всплытие склероций спорыньи на поверхность раствора. Потери зерна в отходы при этом не превышают 2,52 %, что соответствуют агротехническим требованиям для машин окончательной очистки зерна.
Сведения об источнике финансирования. Работа выполнена в рамках Государственного задания ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока (тема № 0767-2019-0094) «Создание инновационных технологий и технологий нового поколения для механизации растениеводства и животноводства, адаптированных к климатическим условиям северо-востока европейской части России» и по научной теме ФГБНУ ВО Вятский ГАТУ «Инновационные технологии, рациональное природопользование и технические средства в агропромышленном комплексе для условий Кировской области и Приволжского федерального округа» (утвержден Ученым советом Вятского ГАТУ, протокол №1 от 29.01.2021 г.) (г. Киров, Россия).
1. Sysuev VA, Kedrova LI, Rubtsova NE. [Conceptual directions of development of the scientific and innovative project “Rye of Russia”]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2015; Vol.29. 11. 28-31 p.
2. Sysuev VA. [Priorities and problems of agricultural science in the Euro-North-East of Russia]. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2015; 3 (46). 4-9 p.
3. Sysuev VA, Kedrova LI, Lapteva NK. Energiya rzhi dlya zdorov'ya cheloveka. [Energy of rye for human health]. Kirov: NIISKh Severo-Vostoka. 2010; 103 p.
4. Sheshegova TK, Shchekleina LM, Utkina EI. [Immunological characteristics of winter rye varieties]. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2018; 4 (65). 30-35 p. doi:https://doi.org/10.30766/2072-9081.2018.65.4.30-35.
5. Sheshegova TK, Shchekleina LM, Zhelifonova VP. [Resistance of rye varieties to ergot and the content of ergoalkaloids in claviceps purpurea sclerotia under the conditions of Kirov region]. Mikologiya i fitopatologiya. 2019; Vol.53. 3. 177-182 p. doi:https://doi.org/10.1134/S0026364819030127.
6. Sysuev VA, Saitov VE, Savinykh PA. [Cleaning grain from ergot]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2015; 6. 46-49 p.
7. Oknin BS, Gorbachev IV, Terekhin AA Mashiny dlya posleuborochnoi obrabotki zerna. [Machines for post-harvest processing of grain]. Moscow: Agropromizdat. 1987; 238 p.
8. Galkin VD, Galkin AD, Eliseev SL. Tekhnologii, mashiny i agregaty posleuborochnoi obrabotki zerna i podgotovki semyan: monografiya. [Technologies, machines and units of post-harvest processing of grain and seed preparation: monograph]. Perm': IPTs Prokrost'. 2021; 234 p.
9. Gievsky AM, Orobinsky VI, Tarasenko AP. Substantiation of basic scheme of grain cleaning machine for preparation of agricultural crops seeds. [Internet]. IOP conference series: proceedings of science and engineering. 2018. Vol.327. 042035 p. [cited 2022, January 05]. Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/327/4/042035. doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/327/4/042035.
10. Astanakulov KD, Karimov YZ, Fozilov G. Design of a grain cleaning machine for small farms. AMA, Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. 2011; 42(4). 37-40 p.
11. Gievskii AM, Gulevskii VA, Orobinskii VI. [Ways to increase the productivity of universal grain cleaning machines]. Vestnik Federal'nogo gosudarstvennogo obrazovatel'nogo uchrezhdeniya vysshego professional'nogo obrazovaniya “Moskovskii gosudarstvennyi agroinzhenernyi universitet imeni V.P.Goryachkina”. 2018; 3(85). 12-16 p.
12. Saitov AV, Sysuev VA, Batalova GA, Lisitsyn EM. Osobennosti funktsionirovaniya fotoseparatorov dlya ochistki zerna i semyan ot primesei. Metody i tekhnologii v selektsii rastenii i rastenievodstve: monografiya. [Features of the operation of color sorters for cleaning grain and seeds from impurities. Methods and technologies in plant breeding and crop production: monograph]. Kirov: NIISKh Severo-Vostoka. 2016; 352-355 p.
13. Myasnyankin KV. [Substantiation of the use of a color sorter for the second cycle of processing a grain heap of buckwheat]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015; 3(46). 126-131 p.
14. Kozhukhovskii IE, Pavlovskii GT. Mekhanizatsiya ochistki i sushki zerna. [Mechanization of grain cleaning and drying]. Moscow: Kolos. 1968; 312 p.
15. Sysuev VA, Saitov VE, Ustyuzhanin IA. [The use of saline solutions for the isolation of ergot from winter rye grains]. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2017; 1(56). 70-73 p.
16. Sysuev VA, Saitov VE, Savinykh PA, Saitov AV. Pat. 2616037 Rossiiskaya Federatsiya, MPK V03V 5/48, V02V 1/04. [Machine for separating ergot from rye seeds]. zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe nauchnoe uchrezhdenie “Zonal'nyi nauchno-issledovatel'skii institut sel'skogo khozyaistva Severo-Vostoka imeni N.V. Rudnitskogo”. № 2015148311; zayavl. 10.11.2015, opubl. 12.04.2017, Byul. 11.
17. Saitov AV, Gataullin RG, Saitov VE, Farafonov VG. [Machine for separating ergot from cereal grains]. Pat. 2757605 Rossiiskaya Federatsiya, MPK V03V 5/48, V02V 1/04.; zayavitel' Obshchestvo s ogranichennoi otvetstvennost'yu «Novator-Agro». № 2021107620; zayavl. 22.03.2021, opubl. 19.10.2021, Byul. № 29.
18. Saitov VE, Farafonov VG, Saitov AV. [Theoretical substantiation of the height of the outlet of the loading hopper in the machine for the extraction of harmful impurities by the wet method]. Inzhenernye tekhnologii i sistemy. 2020; Vol.30. 3. 355-376 p. doi:https://doi.org/10.15507/2658-4123.030.202003.355-376.
19. Saitov AV, Sysuev VA, Saitov VE. [Investigation of grain immersion by a flow into a liquid of different density by methods of experiment planning]. Inzhenernye tekhnologii i sistemy. 2021; Vol.31. 3. 414-429 p. doi:https://doi.org/10.15507/2658-4123.031.202103.414-429.
