ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЦВЕТОЧНОЙ ПРОДУКЦИИ

Если в герметизированном контейнере с ГСЭМТ находится свежая цветочная продукция, то через некоторое время внутри контейнера вследствие дыхательных процессов и диффузии газов сквозь мембрану сформируется атмосфера, газовый состав которой можно регулировать, подбирая площадь мембраны, ее проницаемость и селективность.

Зная характеристики мембран и параметры дыхания цветочной продукции, можно рассчитать оптимальную для данного количества цветов упаковку или контейнер с ГСЭМТ.

Саморегулируемая МГС в загруженной продукцией упаковке или контейнере с пониженным по сравнению с атмосферным содержанием кислорода и повышенным — углекислого газа представляет собой сумму балансируемых концентраций кислорода и углекислого газа, проникающих как снаружи внутрь, так и изнутри наружу через газоселективную мембрану. Вследствие снижения давления кислорода внутри упаковки, вызываемого расходом его на дыхание продукции, создаются благоприятные условия дальнейшей диффузии кислорода из атмосферы внутрь упаковки. Это способствует поддержанию на заторможенном уровне метаболических процессов в цветочной продукции. Выделяемый при этом избыток углекислого газа диффундирует в атмосферу.

Положительный эффект действия модифицированной газовой среды на сохраняемость цветочной продукции обусловлен рядом факторов. Снижается интенсивность дыхания, замедляются биохимические процессы старения растительных клеток и тканей, повышается устойчивость против физиологических и фитопатогенных заболеваний, сокращаются расход питательных веществ и испарение влаги. В результате этого продлеваются сроки хранения, увеличивается выход качественной продукции после хранения, до минимума сокращаются потери массы цветов, лучше сохраняются в них биологически активные вещества.

Для стеблевых черенков сочетание благоприятных факторов хранения способствует образованию у них кал-люса и корневых зачатков. Это, в свою очередь, приводит к активному укоренению черенков и сокращению их потерь после хранения (Рукавишников, 1982).

Процесс создания и поддержания модифицированной газовой среды описывается рядом уравнений, применение которых в практике позволяет значительно сократить время отработки оптимальных режимов и разработки новых средств хранения в МГС. В этой связи теоретическое обоснование метода хранения в МГС представляет практический интерес для цветоводства.

При хранении растительной, в том числе и цветочной, продукции в МГС уменьшение объема кислорода в контейнере или упаковке пропорционально массе заложенной на хранение продукции и интенсивности ее дыхания. Последняя, в свою очередь, будет пропорциональна произведению значения первоначальной интенсивности дыхания на концентрацию кислорода, выражаемую отношением текущего объема кислорода к первоначальному его объему. Поступление кислорода в контейнер извне пропорционально площади мембраны S, разности парциальных давлений этого газа вне и внутри контейнера и проницаемости мембраны по кислороду Р. Процессы поступления и поглощения кислорода в соответствии с этим определяются следующим образом:

dV₁ = —K(V₁/V)mdt(Уменьшение содержания О₂) + p₁P₁S[V— V₁]dt(Поступление О₂), (5)

Где V первоначальный объем кислорода, м³, m — масса цветочной продукции внутри контейнера, кг; р — парциальное начальное давление кислорода, Па; К — см. формулу (1).

Решением дифференциального уравнения (5) будет

V₁ = V(1 + mKe^-t/tP₁P₁S)(1+mK/p₁P₁S). (6) В выражении (6) τ—постоянная времени, характеризующая скорость установления стационарного режима:

τ = V/(p₁P₁S + mK). (7)

Если p₁ = 0, то через время t = τ содержание кислорода в контейнере уменьшится в е раз, а через t=4τ упадет ниже предельно допустимого значения—2%. Это справедливо для замкнутого герметичного объема в отсутствие мембраны, поскольку ее наличие обеспечивает возможность поступления определенного количества кислорода извне.

При дыхании продукции, заложенной на хранение, выделяется количество углекислого газа, пропорциональное объему поглощаемого кислорода (с поправкой на дыхательный коэффициент 6). Количество углекислого газа, проходящего через мембрану dV₂, пропорционально площади мембраны S, парциальному давлению углекислого газа в контейнере (давлением углекислого газа во внешней среде вследствие его малости можно пренебречь), а также проницаемости мембраны по углекислому газу σР₁. С учетом этого для баланса по углекислому газу получим

dV₂ = δ(V₁/V)mKdt-p₁{V₂/V)δP₁Sdt. (8)

Решение уравнений (5) и (8) можно представить в следующем виде (Стрельцов, 1983):

ξ₁ - ξ₀(1+mK/pP₀S); (9)

ξ₂ = δξ₀(σ + p₁P₂S/mK) = δ(ξ₀ - ξ₁)/δ, (10)

где ξ₁ концентрация кислорода; ξ₂ — концентрация углекислого газа; ξ₀ — начальная концентрация кислорода (21%); δ — селективность.

Рассмотрим некоторые частные случаи, характеризующиеся выражениями (6), (7), (9) и (10).

1. Начало закладки продукции на хранение соответствует значению t = 0. Очевидно, что концентрации кислорода и углекислого газа в контейнере находятся на уровне концентраций в окружающей среде.

2. Мембрана с дефектом (разрыв, перфорация и т. п.). Внутреннее пространство контейнера сообщается с внешней средой. Этому соответствует Р → ∞ при времени выхода на стационарный режим f → ∞, и выражение t>3τ соответствует ситуации, при которой концентрации кислорода и углекислого газа в контейнере совпадают с их концентрациями в окружающей среде.

3. Условиям сохранения герметичности контейнера с продукцией, снабженного ГСЭМТ, при достаточно большом времени с момента закладки на хранение (t>3τ) соответствуют уравнения (9) и (10), которые справедливы для стационарного режима хранения.

На практике при известных характеристиках мембраны (проницаемости, селективности и площади), а также параметрах дыхания закладываемой на хранение продукции и ее массе, воспользовавшись уравнениями (9) и (10), можно определить режим хранения, обеспечиваемый той или иной мембраной. Обычно соотношение концентраций кислорода и углекислого газа для определенной продукции известно хотя бы по типу газовой смеси (нормальная, субнормальная и т. п.). Выражения (9) и (10) помогают рассчитать контейнеры с мембранами для хранения растительной продукции, что в значительной степени сокращает время на проведение поисковых экспериментов.

Для упрощения расчетных соотношений введем параметр «загрузки мембраны»: μ=m/S (кг/м²). Тогда с учетом (9)

μ = [(ξ₀/μ₀)-1]P₁P₁/K. (11)

Следует отметить, что с помощью одной мембраны невозможна независимая регулировка концентраций кислорода и углекислого газа: если задана концентрация кислорода в стационарном режиме, то концентрация углекислого газа тем самым уже определена уравнением (10).

Представляет практический интерес рассмотрение вопросов возможности регулирования газового состава в контейнерах с ГСЭМТ при хранении цветочной продукции. Известно, что существуют экстремальные значения концентрации кислорода и углекислого газа, превышение которых в случае максимума или снижение ниже минимума недопустимо по биохимическим соображениям. Для кислорода такое экстремальное значение—2, для углекислого газа—10%. С учетом этого можно определить границы координатной сетки режимов хранения растительной продукции, а также оценить возможности регулирования газового состава в пределах указанных границ при использовании для хранения контейнеров с ГСЭМТ (Корнилова, 1983).

Если отложить по координатным осям значения концентраций углекислого газа и кислорода, то нанесенные на плоскость с такими координатами точки и области возможных режимов хранения образуют четко выраженную тенденцию к группируемости в определенных зонах.

На рисунке 14 показаны возможности перемещения рабочей точки на карте режимов, определяемые координатами ξ₁ и ξ₂, в зависимости от относительной загрузки мембраны μ/μ₀, причем σ — р₁P₁/K(кг/м²).

Рис. 14. Влияние разброса параметров мембран на координаты области рабочего режима

Загрузка мембраны по желанию может варьировать в определенных пределах. Подбор оптимальных координат концентраций кислорода и углекислого газа можно осуществлять, изменяя относительную загрузку мембраны (соотношение μ/μ₀, путем перемещения вдоль линии σ = const см. рис. 13). В зависимости от относительной загрузки меняется концентрация кислорода и связанная с ней концентрация углекислого газа (табл. 13).

13. Состав газовой среды (%) в зависимости от относительной загрузки мембраны

На практике значение относительной загрузки обычно не превышает 10, будучи ограниченным предельно допустимой концентрацией кислорода, равной 2%.

В настоящее время разработаны мембраны для хранения свежей растительной, в том числе и цветочной, продукции в МГС типа СИГМА, ПВТМС, МДО-АС и МД-К2, Карбосил-АС. Первая представляет собой текстильную основу, покрытую силиконовым эластомером, например вулканизатом полидиметилсилоксанового каучука. Остальные не имеют тканевой основы. Мембрана ПВТМС изготавливается из поливинилтриметилсилана, а мембраны типа МДО-АС и МД-К2—на основе крем-нийорганических полимеров. Основные характеристики мембран для создания МГС при хранении свежей растительной продукции приведены в таблице 14.

14. Параметры мембран для хранения растительной продукции

Мембраны часто имеют определенный разброс своих параметров, поэтому вместо рабочей точки на карте режимов в координатах концентраций С0₂ и О₂ существует некоторая вероятная рабочая область, размеры которой можно оценить расчетным путем.

Некоторые мембраны имеют коэффициент вариации CV по проницаемости около 40, а по селективности — 25%. Для оценки величины вероятной рабочей области на карте режимов (средняя селективность а = 3,69 при CV = 25% и СV = 40% по проницаемости для кислорода) определим сектор рабочих режимов, задаваемый вариациями селективности а = (3,69+0,25)•3,69=3,69=1=0,92, то есть значение селективности будет находиться между вероятными значениями σ_max = 2,77 и σ_mах = 4,61. С учетом того что μ — пропорционально величине Р, коэффициент вариации значения р будет соответствовать коэффициенту вариации для Р. В этом случае при среднем значении μ/μ₀ = 6 возможны отклонения (μ/μ₀)_min = 6—(6•0,4) = 4,6 И (μ/μ₀)_mах = 6+(6-0,4) = 8,4.

Этими координатами и ограничивается площадь возможных режимов, где должна находиться вероятная рабочая точка, соответствующая данной мембране (см. рис. 14, заштрихованная область).

Однако даже в случае совершенно бездефектных мембран создание режима с заданной концентрацией кислорода ξ₁ и углекислого газа 1,2 возможно отнюдь не во всех случаях.

Если имеется набор мембран с различной селективностью а, то газовый состав в упаковке, рассчитанной на определенную массу цветов, можно регулировать двумя путями: изменением площади мембраны S и выбором мембран с разной селективностью σ. Если приходится ограничиваться мембраной одного заданного типа, что часто бывает на практике, то единственной возможностью регулирования газового состава остается изменение площади мембраны, то есть изменение ее загрузки (количества продукции на единицу площади мембраны).

Изменяя загрузку мембраны (соотношение μ/μ₀), можно перемещать рабочую точку вдоль линии σ = const. В зависимости от относительной загрузки меняются концентрация кислорода и связанная с ней концентрация углекислого газа, причем, как было указано выше, последняя не может быть установлена независимо от концентрации кислорода для данной мембраны с заданными свойствами. Вследствие этого приходится ограничиваться таким режимом хранения, который по своим параметрам лишь приближается к оптимальному, и, кроме того, может возникнуть дополнительная погрешность из-за неровности мембран.

Практика хранения цветочной продукции в полимерных упаковках с газоселективными мембранами показывает, что создаваемый режим по газовым компонентам нередко отличается от расчетного, что обусловливает необходимость определенной корректировки. Если для регулирования газовых компонентов использовать по крайней мере две разнотипные мембраны, то возможности корректировки режима МГС существенно расширятся.

При обозначении площадей мембран S₁ и S₂, значений их селективности σ₁ и σ₂ и проницаемости по кислороду P₁ и Р₂ уравнения баланса по кислороду и углекислому газу, аналогичные (5) и (8), можно записать в виде

dV₁ = -K(V₁/V)mdt+pP₁S₁[1-(V₁/V)]dt+pP₂S₂[1 — (V₁/V]dt; (12)

dV₂ = σ(V₁/V)mKdt — pPσ₁S₁(V₂/V)dt — pP₂σ₂S₂(V₂/V)dt. (13)

Решения этих уравнений в обозначениях концентрации будут иметь вид

ξ₁ - ξ₀/[1 + 1/(μ₀₁/μ₁ + μ₁ + μ₀₂/μ₂)]; (14)

ξ₂ = σξ₁/[σ₁ — (μ₀₁/μ₁) + σ₂(μ₀₂/μ₂)]. (15)

Здесь приняты следующие обозначения:

μ_0i=pP_i/K; μ_i=m/S_i. (16)

С помощью соотношений (14—16) можно рассчитать площади мембран S₁ и S₂ для любого значения режима, задаваемого концентрациями ξ₁ и ξ₂. Получающиеся площади будут иметь неотрицательные значения для любой точки (ξ₁; ξ₂), лежащей внутри сектора, ограниченного прямыми σ₁ = const и σ₂= const. На рисунке 13 видно, что практически вся область хранения как срезки, так и вегетативных органов и семян цветочно-декоративных культур лежит ниже линии σ=1, поэтому материал с такой селективностью целесообразно использовать в качестве одной из мембран. Селективность, равную единице, то есть проницаемость, одинаковую как по кислороду, так и по углекислому газу, имеют любые пористые вещества, например бумага, ткани, нетканевые материалы.

В качестве другой мембраны, с большим значением селективности, целесообразно использовать мембрану, например, типа МДО = АС (а = 4,5). В этом случае диапазон режимов будет достаточно широк, его границы находятся между прямыми σ=4,5 и σ=1 (см. рис. 13).

Таким образом, применение двух разнотипных мембран лучше обеспечивает заданный режим хранения и, следовательно, более высокое качество цветочной продукции в конце периода хранения.

В практике применения контейнеров и упаковок с ГСЭМТ рекомендуется для предохранения газоселективной мембраны от механических повреждений использовать ограждающую прокладку с перфорацией, фиксируемую по периметру мембраны. В результате этого рабочая площадь мембраны уменьшается на величину коэффициента перфорации ограждающей прокладки. Коэффициент перфорации учитывает частичное перекрытие рабочей площади мембраны материалом прокладки. Это обстоятельство необходимо иметь в виду при практических расчетах контейнеров и упаковок.

Пусть радиус отверстий перфорации будет R, расстояние между центрами отверстий Н, тогда коэффициент перфорации определится соотношением

φ=πR²/H²=π(R/H)².

Очевидно, что полезная площадь мембраны 5М уменьшится пропорционально коэффициенту перфорации:

Максимально возможное значение коэффициента перфорации при H = R будет π/4≈0,785.