dr hab. Wojciech PRZYSTUPA, in¿. Pawe³ MAKAREWICZ, prof. dr hab. Janusz NOWAK Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie
e-mail: wojciech.przystupa@up.lublin.pl
Streszczenie
W artykule dokonano przegl¹du najnowszych metod stosowanych do czyszczenia i sortowania nasion roœlin uprawnych. Szczególn¹ uwagê zwrócono na rozwi¹zania stosowane w maszynach oferowanych przez czo³owych producentów wyrobów techniki rolniczej.
nasiona, czyszczenie, sortowanie, fotodetektory, detektory X-ray
S³owa kluczowe:
NOWE METODY CZYSZCZENIA
I SORTOWANIA NASION
Wprowadzenie
Czyszczenie i sortowanie optyczne
Procesy czyszczenia i sortowania nasion s¹ niezbêdnym elementem produkcji rolniczej [1, 2]. Zapewniaj¹ one uzy-skanie nasion gatunku podstawowego o czystoœci wymaganej przez normy dla okreœlonego kierunku ich u¿ytkowania oraz pod wzglêdem oczekiwanych cech (np. wielkoœæ, ciê¿ar, barwa, stan powierzchni). Stosowane obecnie technologie kombajnowego zbioru zbó¿ i innych roœlin uprawnych nie umo¿liwiaj¹ pozyskania nasion o wymaganych cechach, które pozwoli³yby na ich bezpoœrednie u¿ytkowanie do ró¿nych celów, a zw³aszcza jako materia³u siewnego. Z tego te¿ wzglêdu koniecznym staje siê uszlachetnianie nasion, do których zaliczamy równie¿ zabiegi technologiczne: czyszczenie i sortowanie.
Czyszczenie i sortowanie optyczne s¹ procesami roz-dzielania produktów na frakcje z wykorzystaniem foto-detektorów (sensorów œwiat³a), kamer lub ludzkich oczu. Ostatnia z wymienionych metod jest ma³o wydajna i stosowana w niewielkim zakresie (np. w gospodarstwie domowym do wydzielania nasion fasoli pora¿onej przez grzyby).
We wspó³czesnych maszynach do separacji i czyszczenia nasion wykorzystuje siê systemy, w których do odró¿niania koloru obiektów wykorzystuje siê fale elektromagnetyczne. W przypadku najprostszej konstrukcji maszyn wykorzystuje siê œwiat³o widzialne odbite od badanego obiektu przy u¿yciu fotodetektora (np. fotorezystora), a nastêpnie zakwalifi-kowaniu go na „zaakceptowany” lub „odrzucony”. Podstaw¹ takiego podzia³u jest natê¿enie strumienia odbitego œwiat³a. Obecnie intensywnie s¹ rozwijane metody oceny kszta³tu równie¿ z wykorzystaniem ultrafioletu (UV) i podczerwieni (IR), które s¹ stosowane w najnowszej generacji maszynach [4, 6, 11].
We wspó³czeœnie produkowanych maszynach do sortowa-nia nasion wykorzystuje siê trzy wiod¹ce rozwi¹zasortowa-nia bazuj¹ce na: kamerach kolorowych lub monochromatycznych, kame-rach podczerwieni lub ultrafioletu, analizatokame-rach kszta³tu. Jako najnowsze rozwi¹zania oferuje siê kombinacje trzech wymie-nionych metod.
Wysokoczu³e kamery kolorowe o wysokiej rozdzielczoœci wykorzystywane s¹ do bie¿¹cej analizy koloru sortowanego materia³u. Kamery te cechuj¹ siê du¿¹ szybkoœci¹ skanowania oraz mo¿liwoœci¹ zastosowania filtrów optycznych. Dziêki temu zapewnia siê du¿¹ wydajnoœæ sortowania (do 20 ton na godzinê) i poprawia siê zdolnoœæ wykrywania defektów.
Urz¹dzenia te maj¹ niski poziom szumów w³asnych przy zachowaniu wysokiej czu³oœci, co zmniejsza zapotrzebowanie na energiê elektryczn¹ wykorzystywan¹ do oœwietlania pro-duktu [11].
Kamery podczerwieni zale¿nie od firmy znajduj¹ ró¿ne zastosowania w technologiach sortowania nasion i innych ma-teria³ów (np. szk³o, tworzywa sztuczne, minera³y). Zasada ich dzia³ania opiera siê na wykorzystaniu wybranych d³ugoœci fali œwiat³a w zakresie bliskiej i œredniej podczerwieni, które umo¿liwiaj¹ detekcjê zanieczyszczeñ typu plastik, drewno, wtr¹cenia innych gatunków oraz inne zanieczyszczenia o tym samym kolorze co sortowany materia³. Najczêœciej stosowan¹ technologi¹ jest InGaAs, której okreœlenie pochodzi od skrótów ³aciñskich nazw pierwiastków: indu, galu oraz arsenu. W tech-nice tej wykorzystuje siê zdolnoœæ poch³aniania energii pro-mieniowania przez nasiona w krótkofalowej podczerwieni
(SWIR - ) obszaru widmowego, podczas
gdy inne materia³y stanowi¹ce niepo¿¹dane wtr¹cenia nie maj¹ tej w³aœciwoœci. Czujniki InGaAs umiejscowione w kamerach optycznych wykrywaj¹ energiê w regionie SWIR, natomiast konwencjonalne sortowniki korzystaj¹ z kamer opartych na technologii krzemowej, które mog¹ wykryæ energiê tylko w widzialnym spektrum i bliskiej podczerwieni (NIR
-), co czyni je mniej efektywnymi.
Analizatory kszta³tu wykorzystywane w nowej generacji sortownikach mog¹ byæ typu sprzêtowego lub programowego. Nale¿y jednak dodaæ, ¿e rozwi¹zania typu programowego s¹ coraz rzadziej stosowane ze wzglêdu na ma³¹ wydajnoœæ oraz liczne przek³amania [5, 10]. Sprzêtowy analizator kszta³tu pe³ni tak¿e funkcjê separatora pojedynczych obiektów. Zastosowanie rozwi¹zañ sprzêtowych w przeciwieñstwie do programowych daje mo¿liwoœæ analizy na bie¿¹co szeœæ-dziesiêciu specyficznych cech produktów, z czego dwadzieœcia mo¿e byæ wykorzystane w procesie sortowania, np.: d³ugoœæ, obwód, szerokoœæ, pole powierzchni nasion. Do niew¹tpliwych zalet tego typu analizatorów nale¿y zaliczyæ mo¿liwoœæ analizy kszta³tu plam na produkcie [7, 11].
Sortowniki specjalistyczne wyposa¿a siê zwykle w odpo-wiednio zaprojektowane i skonfigurowane kamery multi-chromatyczne, które stosowane s¹ wy³¹cznie dla danego gatunku nasion. Zasada ich dzia³ania opiera siê na ci¹g³ym skanowaniu materia³u i porównywaniu go z wzorcem, który zosta³ zdefiniowany w pamiêci urz¹dzenia. Przy wykorzy-staniu du¿ej liczby kamer multichromatycznych mo¿liwe jest uzyskanie du¿ych wydajnoœci. Pozwala to równie¿ na skutecz-ne wykrywanie wszelkich znanych wad i cia³ obcych w sorto-wanym materiale.
Short-Wave Infrared
Near Infrared
TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 5/2014 8
TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 5/2014
Na rys. 1 przedstawiono schemat sortownika optycznego, w którym czynnikiem wykonawczym jest sprê¿one powietrze. Z zasypu maszyny materia³ poprzez podajnik wibracyjny jest podawany do kana³u zasilaj¹cego. W jego dolnej czêœci nastêpuje analiza sortowanego oraz czyszczonego materia³u poprzez wykorzystanie kamer optycznych.
Rys. 1. Schemat pracy sortownika optycznego SORTEX Z+ B firmy Bühler [11]
Fig. 1. Scheme of work for SORTEX Z+ B optical sorter produced by Bühler company [11]
Rys. 2. Efekt pracy maszyny SORTEX Z+ Vx firmy Bühler na przyk³adzie kukurydzy ¿ó³tej [11]
Fig. 2. Effect of work of Bühler' s SORTEX Z+ Vx machine on the example of yellow corn [11]
Na podstawie danych impulsu przekazanego przez kamery wyrzutnik dokonuje separacji materia³u na produkty spe³niaj¹ce wymagan¹ jakoœæ oraz na produkty jakoœci tej nie spe³niaj¹ce. Na rys. 2 przedstawiono zdjêcia nasion kukurydzy przed i po separacji, której dokonano z wykorzystaniem sortownika optycznego [6, 11].
Istota sortowania nasion w urz¹dzeniach wykorzystuj¹cych promieniowanie Roentgena polega na okreœlaniu struktury wewnêtrznej obrabianego materia³u oraz jego gêstoœci na podstawie wspó³czynnika absorpcji promieniowania. Na rys. 3 przedstawiono schemat separatora typu OSX-CRX firmy Comex. Z kosza zasypowego maszyny obrabiany materia³ jest przekazywany równomiernym strumieniem na przenoœnik taœmowy. Taki sposób podawania materia³u zapewnia podajnik wibracyjny usytuowany w dnie kosza. W œrodkowej czêœci przenoœnika taœmowego znajduje siê Ÿród³o promieniowania rentgenowskiego, które jest skierowane na badany materia³. W wyniku oddzia³ywania promieniowania elektromagnetycz-nego z badanym materia³em natê¿enie wi¹zki promieniowania maleje, a jego zró¿nicowanie jest impulsem dla uk³adu separuj¹cego [8, 9]. Ponadto na koñcu przenoœnika taœmowego znajduje siê strefa analizy optycznej, w której ró¿ne w³aœciwoœci cz¹stek s¹ analizowane i rejestrowane. Separacja badanego materia³u za pomoc¹ mechanizmu odrzucaj¹cego nastêpuje na podstawie analizy obrazów z kamery optycznej i analizatora rentgenowskiego.
W najnowszej generacji sortownikach niemieckiej firmy
Steinert wykorzystuje siê system XSS ( ),
bazuj¹cy na analizie absorpcji natê¿enia promieniowania rentgenowskiego po przejœciu przez warstwê badanego materia³u. Absorpcja promieniowania rentgenowskiego jest zale¿na zarówno od gêstoœci jak i gruboœci naœwietlanej warstwy absorbentu. W systemie XSS firmy Steinert zastosowano uk³ad sortuj¹cy badany materia³ na podstawie jego gêstoœci niezale¿nie od jego kszta³tu i gruboœci warstwy absorbentu.
Dziêki temu uk³adowi mo¿liwe jest rozró¿nianie metali, wykrywanie komponentów zawieraj¹cych halogeny oraz Sortowanie z wykorzystaniem promieniowania rentge-nowskiego
X-ray Sorting System
Rys. 3. Konstrukcja separatora optycznego i rentgenowskiego typu OSX-CRX firmy Comex [12] Fig. 3. Construction of the OSX-CRX optical and X-ray separator produced by Comex company [12]
substancje organiczne. System XSS rozpoznaje równie¿ tworzywa zespolone i inne elementy znajduj¹ce siê w nich (np. gwoŸdzie, œruby). Systemy wykorzystuj¹ce promieniowanie rentgenowskie w po³¹czeniu z kamerami optycznymi wchodz¹ w sk³ad urz¹dzeñ charakteryzuj¹cych siê du¿¹ wydajnoœci¹ i precyzj¹ czyszczenia oraz sortowania [9, 13, 14].
Podsumowanie
Bibliografia
Nowoczesne technologie sortowania i czyszczenia nasion roœlin uprawnych bazuj¹ na maszynach, w których szerokie zastosowanie znalaz³y wysokoczu³e kamery optyczne. Ich du¿a szybkoœæ skanowania i wysoka rozdzielczoœæ zapewnia wydajn¹ i skuteczn¹ separacjê. W celu zwiêkszenia jakoœci pracy tego typu separatorów stosuje siê dodatkowo analizatory kszta³tu wspomagane Ÿród³ami promieniowania rentgenowskiego i gamma. Szerokie zastosowanie maszyn wyposa¿anych w wy-mienione technologie wynika z koniecznoœci uzyskiwania produktów spe³niaj¹cych restrykcyjne wymagania. Dotyczy to zw³aszcza produktów przeznaczonych do konsumpcji oraz nasion roœlin uprawnych na cele reprodukcyjne.
[1] Grochowicz J.: Maszyny do czyszczenia i sortowania nasion. WAR Lublin, 1994.
NEW METHODS OF CLEANING AND SORTING SEEDS
SummaryThis article reviews the latest methods used for cleaning and sorting seed crops. Particular attention was paid to the solutions used in machines produced by leading manufactures.
: seeds, cleaning, sorting, photodetectors, X-ray detectors
Key words
[2] Kovalyshyn S.J., Shvets O.P., Grundas S., and Tys J.: Use of the electro-separation method for improvement of the utility value of winter rapeseeds. InternationalAgrophysics, 2013, 27: 419-424.
[3] Dobrzañski B. jr, Banak E., Grundas S., Sosnowski S., and PecenJ.: Rentgenography identification of internal cracks of french bean (in Polish).ActaAgrophysica, 2003, 95: 31-38.
[4] Berlage A.G., Bilsland D.M., Churchill D.B., and Cooper T.M.: Electrostatic separation to improve germination od carrot and celery seed. Transactions of theASAE, 1990, 33(2): 597-600.
[5] Edwards M.: Detecting foreign bodies in food. Woodhead Publishing, 2004.
[6] Tys J. and Szwed G.: Rape seed storages and their mechanical strength. InternationalAgrophysics, 2000, 14: 255-257.
[7] Ashkin A., Dziedzic J.M., Bjorkholm J.E. and Chu S.: Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Optics Letters, 1986, 11(5): 288-290.
[8] Fu A.Y., Spence C., Scherer A., Arnold F.H. and Quake S.R.: A micro-fabricated fluorescence-activated cell sorter. Nature Biotechnology, 1999, 17(11): 1109-1111.
[9] Sun D.W.: Computer vision technology for food quality evaluation. Academic Press, 2007.
[10] Pearson T.C., Wicklow D.T., Brabec D.L.: Characteristics and sorting of white food corn contaminated with mycotoxins. Applied Engineering in Agriculture, 2010, 26(1): 109-113.
[11] Strona internetowa producenta sortowników firmy BÜHLER: www.buhlergroup.com
[12] Strona internetowa producenta sortowników firmy COMEX: www.comex-group.com
[13] Strona internetowa producenta sortowników firmy STEINERT: [14] Habich U.: Sensor-based sorting systems in waste processing.
International Symposium MBT, 2007. www.steinert.de
XVI KONFERENCJA NAUKOWA
„Rolnictwo ekologiczne stan obecny i perspektywy rozwoju
<<techniki, technologie, produkcja ¿ywnoœci>>”
W dniach od 24 do 26 wrzeœnia 2014 r. w Leœnym Oœrodku Szko-leniowym w Puszczykowie k. Poznania odby³a siê XVI Konferencja Naukowa “Rolnictwo ekologiczne - stan obecny i perspektywy rozwoju <<techniki, technologie, produkcja ¿ywnoœci>>” zorganizowana przez Przemys³owy Instytut Maszyn Rolniczych w Poznaniu. Wspó³-organizatorami konferencji by³ Departament Rolnictwa i Rozwoju Wsi Urzêdu Marsza³kowskiego Województwa Wielkopolskiego, Instytut Ochrony Roœlin - PIB, Oddzia³ Poznañski Polskiego Towarzystwa In¿ynierii Rolniczej, Polska Izba Technologii i Wyrobów Naturalnych i Izba Przemys³owo-Handlowa Bran¿ Maszyn Rolniczych i Spo¿ywczych. Konferencjê objêli patronatem honorowym Minister Rolnictwa i Roz-woju Wsi, Marsza³ek Województwa Wielkopolskiego oraz Prezes Agencji Rynku Rolnego. Patronat naukowy nad konferencj¹ obj¹³ Komitet Techniki Rolniczej Polskiej Akademii Nauk, a patronat medialny -redakcja Nowej Wsi Europejskiej.
Konferencjê otworzyli dyrektor PIMR dr in¿. Tadeusz Paw³owski, prof. nadzw. i przewodnicz¹cy Rady Naukowej PIMR prof. dr in¿. Zdzis³aw Koœmicki, dr h.c. Nastêpnie dyrektor Oddzia³u Poznañskiego Agencji Rynku Rolnego, Andrzej Bobrowski, wrêczy³ wyró¿nienia za wk³ad w rozwój krajowego rolnictwa ekologicznego. Dyplomy otrzymali: Uniwersytet Przyrodniczy we Wroc³awiu, Akademia Morska w Gdyni i Instytut Hodowli iAklimatyzacji Roœlin, Oddzia³ w Jadwisinie.
Wœród goœci konferencji by³ dyrektor Departamentu Rolnictwa i Roz-woju Wsi Urzêdu Marsza³kowskiego Województwa Wielkopolskiego oraz przedstawiciele nauki z oœrodków naukowo-badawczych z kraju i z zagra-nicy. W konferencji wziê³o udzia³ 125 uczestników. Podczas piêciu sesji ple-narnych wyg³oszono 31 referatów oraz zaprezentowano 45 posterów.
Zakres tematyczny konferencji dotyczy³ rozwoju krajowych gospo-darstw ekologicznych, zastosowania biopreparatów i preparatów PRP w rolnictwie ekologicznym, ochrony roœlin, zaprawiania ziarna oraz technicznych aspektów w ekologicznym systemie produkcji,
sado-wnictwa, ogrodnictwa i warzysado-wnictwa, u¿ytkowania ³¹k i pastwisk w go-spodarstwach ekologicznych, ¿ywnoœci pochodz¹cej z gospodarstw ekologicznych gleba i jej uprawa.
W ramach konferencji odby³a siê sesja terenowa Forum Rolnictwa Ekologicznego. Sesjê prowadzi³a przewodnicz¹ca prof. dr hab. Ewa Rembia³kowska. Zaprezentowa³a dzia³ania i osi¹gniêcia podejmowane
Opracawa³: dr hab. in¿ Zbyszek Zbytek, prof. nadzw. Przemys³owy Instytut Maszyn Rolniczych w Poznaniu
przez Stowarzyszenie. Nastêp-nie przekaza³a prowadzeNastêp-nie prezesowi firmy Agri-Consult Sp. z o.o. Thibault Perrier, który omówi³ stosowanie uproszczo-nej techniki uprawy gleby (UTU), poprawiaj¹cej jakoœæ gleby. Obszernie przedstawi³ cele stawiane technologii UTU, a nastêpnie zaprosi³ uczestników konferencji do zapoznania siê z wynikami stosowania techno-logii UTU w terenie. Wizyto-wano pola nale¿¹ce do Rolniczej Spó³dzielni Rolniczej w Urba-nowie k. Grodziska Wielkopol-skiego. Osi¹gniêcia produkcyj-no-organizacyjne Spó³dzielni przedstawi³ jej prezes Micha³ Szymañski.
TECHNIKA ROLNICZA OGRODNICZA LEŒNA 5/2014 10
