CN105142387A

CN105142387A - 超声波增强种子萌芽系统

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Publication number: CN105142387A
Application number: CN201380041389.8A
Authority: CN
Inventors: 小布鲁斯·K·雷丁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-12-09

Abstract

本发明包括一种用于将水和/或其他有益物质吸收到种子中的超声处理和嵌入方法。待处理的种子浸泡在水或其他液体中。种子暴露于频率在15千赫与30千赫之间的声能约1与20分钟之间的时间。超声波能量利用交替超声波传输，其中在优选实施例中，传输的第一部分是持续50毫秒的锯齿波形，随后是持续50毫秒的方波形，但是可采用交替声波形的其他变型。可替代地可以采用正弦超声波传输来通过液体介质中微气泡的绝热塌缩，特别是那些在种子的表面上塌缩的气泡来产生空化力。超声空化力在种子中产生微孔，这样使得水以及其他液体营养物能更快吸收。然后将超声处理过的种子干燥并存储，或者可以在超声处理后不久使用。超声处理倾向于加快种子的萌芽以及所得到的植物的生长速率，同时保持植物特性。更快生长的植物更适合于轮作以及某些植物物种的生长由于生长季节较短而受到抑制的那些环境中。

Description

超声波增强种子萌芽系统

临时申请的引用

兹引用BruceK.Redding,Jr.的美国临时专利申请序列号61/689,298申请日：06/04/2012，并且申请人要求这个日期作为有益的优先权日期。

发明领域

本发明总体涉及一种用于将水或其他物质与溶解物质一起吸收到种子中的超声处理和沉积方法，更具体地说涉及出于赋予种子增强吸收以下物质的记忆的目的来用声波处理种子的方法，该物质增强种子或所得植物的生长特性，或在其他方面在商业处理过程中为种子增加价值。

与萌芽科学相关的现有技术的背景

种子休眠是大多数植物用于暂时停止萌芽并且优化后代存活的独特形式的发育停滞。在种子休眠期间，水分含量以及呼吸速率都大大降低。打破种子休眠的初始步骤是呼吸所必需的水的吸收(沉积)以及萌芽所需的淀粉储备的动员。沉积是一个两阶段过程：I)水通过种皮的物理吸收和胚的水合；以及II)如通过胚轴的生长和伸长从而导致胚芽和胚根露出来所确定的萌芽。两个阶段在时间上分开，并且已完成阶段I的种子被认为是“发动的种子”，即，发动用于阶段II：萌芽。沉积的阶段I也用于种子的商业处理，即玉米的湿磨分离以及用于发酵蒸馏酒精的发麦芽过程。

通过增强水的吸收来使种子发动对于植物活力，例如增强的出芽、生长以及产量特性是有利的。种子发动也使种子萌芽同步，使得植物种植场均一同时成熟以便在收获时获得最大产量。除了水，种子发动提供为种子装载营养物质、微生物或有害生物抑制剂的途径，以促进幼苗立足。通过在沉积阶段I过程中添加分子至种子，该分子或生物体可以被存储在该发动种子中，因此，在种植时存在。与将类似分子添加至整个种植场相比，“装载大分子”在种子中非常有效。一个实例是添加肥料以刺激根生长并且加速出苗。在种植前将肥料装载到种子中对于幼苗是更有效的并且对于农民是具有成本效益的。装载至种子中的其他有益分子是促进萌芽的激素如赤霉素/赤霉酸，用于细胞伸长的细胞分裂素以及促进解除种子休眠的脱落酸抑制剂。种子品种可以对于特定生长区进行定制，方法是添加三唑(减少干旱和高温的影响的植物生长调节剂)或抑制在阴凉、潮湿土壤中的种子以及幼苗上的真菌生长的杀真菌剂或防治侵袭幼苗的昆虫，如玉米根虫的杀虫剂。除了大分子，可以在种子发动期间装载有益微生物如固氮螺菌或根瘤菌作为作物接种剂。

玉米的商业分离开始于湿磨。玉米是淀粉、蛋白质、油、水、纤维、矿物质、维生素以及色素的复杂混合物。湿磨是将玉米组分分离成为单独的均质部分的过程。在爱荷华州，每年收获的十亿蒲式耳玉米的大约20％经过湿磨。湿磨行业以及附属制造代表巨大的行业努力。随着湿磨过程通过新的技术不断改进，新颖副产物能以工业量来分离，例如乙醇、玉米甜味剂、蛋白质肽，以及维生素C和E。湿磨的初始步骤浸泡并没有通过技术革新来改变。浸泡涉及将清洁并且干燥的玉米(<16％水分)在温水中浸泡，直到它膨胀到45％水合。这这个过程在120-130华氏度的温度下需要30-50小时。在浸泡过程中，大量的水以逆流移动穿过巨大的玉米桶。此外，在此期间，在浸泡水中生长的有益微生物如乳酸菌以及绿脓杆菌有助于玉米蛋白的蛋白水解裂解。然而，大量的浸泡水以及水合所需要的时间限制了细菌消化的有效性。消化副产物主要通过蒸发浓缩从浸泡水中纯化出来。

发麦芽过程是生产酒精的谷物发酵中的第一步。麦芽(以及所产生的发酵)的质量取决于谷物的同步并且有效的萌芽。存储在种子中的淀粉在萌芽的早期阶段被转化成糖。在出芽时，萌芽停止并且转化的糖在发酵过程中用于生产乙醇。在历史上，发麦芽过程是劳动密集的任务。将谷物铺展到“发麦芽地板”上，用来自顶喷式喷灌机的水浸渗，并且在一到两周的过程中每日用手翻动以释放截留的热量和气体。在胚芽露出时，淀粉已经转化为糖，将萌芽的谷物烘干并且研磨以形成麦芽。小酿造厂和酿酒厂仍然使用这种老发麦芽技术的变型来生产高品质的麦芽。一些酿酒厂通过添加赤霉酸(GA)来诱导均匀萌芽以产生用于发酵的最高质量的麦芽，如在单麦芽威士忌蒸馏中。GA是植物激素，它调节萌芽。这种品质的麦芽生产是耗时且昂贵的。

正常植物萌芽

水是可以帮助种子萌芽的关键因素。种子可以通过润湿来为萌芽作准备。要小心，不要将种子完全过度浸泡在水中。当水渗入种子时，种子膨胀，如图1所示。当种皮软化时，种子破裂并且幼苗露出。种子通常在里面具有一定量的存储食物。当用水处理时，这种食物被提供给幼苗，帮助萌芽。图2示出植物从萌芽到充分发育的生长。

你会在你的周围环境中看到各种各样的树木。树木在维持生态系统以及保持环境清新、无污染方面发挥重要的作用。每当你看着小树或大树、植物或灌木时，你一定对它们的生长和生命周期感到好奇。任何植物的生命周期划分成不同阶段并且种子萌芽是开始植物生长的基本阶段。你可能认为种子是没有生命的，但事实并非如此。它由处在静止、胚状态的植物组成。每当它得到有利的环境条件时，它开始萌芽。这个过程在种子萌芽中通过不同的步骤来发生。处在地里的非活性种子需要温暖、氧气以及水，以能够发育成植物。

种子结构

种皮是种子的外壳，它保护胚免受任何伤害、寄生虫进入，并且防止其干燥。种皮可能是厚而坚硬的，或薄而柔软的。胚乳是临时的食物供应，它以子叶或种叶的形式填塞在胚周围。植物分类为单子叶植物和双子叶植物，这取决于子叶数目。

种子萌芽的要求

所有种子需要足够数量的氧气、水以及温度以便萌芽。一些种子还需要适当的光线。有些种子可能在存在充足光线的情况下较好地萌芽，而另一些种子可能需要黑暗以开始萌芽。水为旺盛的新陈代谢所需要。土壤温度对于适当萌芽同样是重要的。每个种子的最适土壤温度在不同物种之间是各不相同的。

因素

存在可能影响萌芽过程的若干因素。过度浇水可能阻止植物获得足够数量的氧气。如果种子深深种植在土壤中，那么它可能在到达土壤表面之前使用所有的存储能量。干燥的条件可以阻止萌芽，因为种子没有得到足够的水分。有些种子具有如此坚硬的种皮以致于氧气和水难以穿过它。如果土壤温度过高或过低，那么它可能会影响或阻止萌芽过程。

萌芽所涉及的步骤：

1.种子吸收水分并且种皮破裂。这是萌芽的第一个迹象。存在酶的活化、呼吸的增加并且植物细胞得到复制。开始一系列化学变化，导致植物胚发育。

2.以淀粉形式存储的化学能转化为糖，它在萌芽过程中使用。不久，胚增大，并且种皮破裂打开。

3.生长的植物露出。根的尖端首先露出，并且有助于将种子固定到适当位置。它还允许胚从土壤中吸收矿物质和水。

4.有些种子需要温度、光照或水分的特殊处理，以开始萌芽。

5.种子萌芽的步骤在双子叶植物和单子叶植物中可能是不同的。

双子叶植物的萌芽

在双子叶植物的萌芽过程中，当种子埋在土壤中时，初生根穿过种皮露出。下胚轴从种皮中露出穿过土壤。随着它长大，它呈发夹形状，被称为下胚轴拱。上胚轴结构胚芽由两个子叶保护免受任何形式的机械损伤。当下胚轴拱从土壤中露出时，它变直，这是由光照触发的。子叶分开，暴露上胚轴，它包含两个初生叶和顶端分生组织。在许多双子叶植物中，子叶为发育的植物提供食物供应，并且还变成绿色以通过光合作用产生更多的食物。

单子叶植物的萌芽

在草籽如燕麦或玉米的萌芽过程中，初生根从种子和果实中露出，并且向下生长。然后，初生植物的初生叶向上生长。它由称为胚芽鞘的圆柱形中空结构保护。一旦幼苗生长至土壤表面以上，则胚芽鞘生长停止，并且它由初生叶刺穿。

当然，并非处在地里的所有种子都幸运地获得适当的环境来萌芽。许多种子往往会变得干燥，不能发育成植物。一些种子得到足够量的水、氧气以及温暖，并且种子萌芽开始。

气候变化以及植物生长时间的减少

由于全球气候变化可影响作物生长可利用的时间，通常使生长条件更严峻并且生长期缩短，因此对于在更短的时间周期内减少并且增强种子生长以及最终植物生产以及收获的需要是显而易见的。

因此，需要(1)增强种子吸收水和其他物质的能力的方法，以及(2)减少植物生长所需的时间。

超声处理种子

本发明描述了一种旨在处理种子的新颖的超声处理和沉积方法，目的是增强种子萌芽以及由超声处理所导致的植物生长的速度。此外，本发明采用了独特的超声处理来在种子外壳中产生微孔，从而使得种子能够增加它的水分和营养物的吸收率。在种子壳结构中产生微孔使处理过的种子能够以更快的速度萌芽。在测试中，与传统方法种植的种子相比，萌芽时间节省高达55％。

本发明还赋予随后将物质吸收至种子中的增强的稳定记忆，特别是适用于增强种子的生长特性，其中该特性转化成所产生的植物的优势，并且适用于出于处理目的将水吸收至种子中的物质。生长特性通过使用超声来增强，该超声利用正弦超声波传输来传输或采用从一个超声波形转换到另一个超声波形，理想的实施例是从锯齿到方波型的交替超声波传输的超声。

作为本发明的应用的进一步示例性实例，可以预期本发明的方法适用于使用基于超声的处理系统来软化图1中可见的种子壳的外壳层，以便更好地使种子壳本身开裂，并且除去或穿透种子外壳层。这具有加速种子萌芽，即种子发芽能力的作用。如本文所示，本发明的超声处理和沉积方法将通过加速水溶液吸收到种子本身中来大大减少萌芽所需要的时间。

这个过程的生物化学开始于水穿过种皮沉积并且进入种子的内部。利用玉米种子举例来说：水以释放一种植物激素，被称为赤霉酸(GA)的化学物质的方式与细胞胚发生反应。GA被运送至整个种子中，直到它到达围绕胚乳的糊粉层。在糊粉层1中，GA的作用是开启核DNA中的某些基因。基因被转录导致产生信使RNA，其与核糖体相互作用，以开始蛋白质合成，或翻译的过程。其结果是产生被称为淀粉酶的蛋白质。淀粉酶从糊粉层细胞运出，并且进入胚乳中。淀粉酶是充当淀粉水解成糖的催化剂的酶。

图2示出从萌芽种子到成熟植物的正常生长范围。本发明的目的是通过使用施加到种子的超声波传输来减少植物成熟所需要的时间，并且由此减少收获特定作物所需要的时间。

本发明的超声处理和沉积方法尤其通过这些种子在液体介质，优选水中的超声处理来针对重要的农业种子如玉米、大麦和大豆、小麦、西红柿以及其他作物。另外，本领域的普通技术人员将会理解本发明适用于其他类型的种子，而不偏离预期范围。超声处理是施加约15千赫与1750千赫之间，优选在大约20千赫与175千赫之间，最佳接近23千赫的超声频率的声波。在兆赫范围的较高超声频率是可能的，但有损伤种子的机会。强度或功率输出可以在不同的种子中变化以增加萌芽的速度。在下列实验中，仅使用0.5瓦特的能量但范围可以是从0.125mW/sq.cm至高达10瓦特/sq.cm。

超声波能量通过浸没在液体介质中的声换能器来施加到液体和种子混合物。虽然关于本发明的主题的机制，不希望受任何特定理论的束缚，但目前据信，声能通过液体分子在传播方向上的振荡而穿过液体。这将产生交替的绝热压缩和减压以及密度和温度的相应增加及减少。如果在负压阶段，液体中的压力的周期性下降是足够高的，则可能会超过液体的内聚力，在此时点，通过空化过程来形成小空腔。然后，这些小空腔迅速塌缩，在局部温度高达几百摄氏度或更高的情况下产生具有非常大振幅的冲击波。空腔的塌缩也已知在它们塌缩时放电，从而产生被称为声致发光的效应。

在此过程中起关键作用的是种子在液体载体或浆液内的转动，这样使得在超声处理期间超声波能够到达种子的所有表面。

图3和图4描述空化过程。空化的效应通过将多种气体引入液体中来大大增强。在20世纪30年代初，弗伦泽尔(Frenzel)和舒尔斯特(Schultes)观察到，照相底片在浸没于暴露于高频率声音的水中时变得曝光或起雾。这一观察结果首先由于声波发光或声致发光而得以记录。这一现象的物理学没有得到很好的理解。

关于本发明，在空化发生之前，脱气蒸馏水需要大约1至10瓦特/cm.sup.2的能量密度水平。通过使水充满稀有气体，例如惰性气体氦、氖、氩、氪、氙或氡中的一种或多种，空化效应在低得多的能量密度水平下观察到，并且大约1至10瓦特/cm.sup.2的能量密度水平下的效应大大增强。这种效应被认为是由于产生微泡，其更容易在施加声能时形成小空腔。另外，与用脱气水得以实现的情况相比，在饱和气体存在下的空腔被认为在空腔塌缩后产生较大振幅的冲击波。具体地说，据信，当自来水充满氩气、氦气或氩气和氦气时，一般将观察到更剧烈的吸收并且这种效应在各个实验之间是可重复的。饱和气体是氮气的其他实验也展示增强的效应，但几乎没有氩气那样明显。然而，用自来水和煮沸双蒸水进行的一些实验也产生了令人满意的结果。

由于空化导致机械应力，因此超声处理可以产生或扩大种皮果皮中的裂隙，这类似于划痕，即某些种子，尤其具有厚种皮的种子能够借以萌芽的熟知过程。划痕被认为加速水穿过果皮的沉积。简单划痕不可能解释在此所披露的新颖效应，因为扫描电子显微照片表明经过处理的种子中的裂隙的数目没有增加，但确实表明果皮质地的改变。已发现，超声处理过程加速水的沉积。空化还可能导致种子的生理或生物化学变化，这些变化使萌芽过程发动，这样使得在种子暴露于种植条件后，种子需要较短时间来启动萌芽，如通过胚根推进穿过果皮的时间所测量。所提出的导致生理或生物化学变化的一种机制是空化产生自由基。

兹引用美国专利5,950,362、6,195,936、6,250,011以及6,452,609，其论述使用气体结合空化力来实现某些种子储备中的增加的萌芽。这些参考文献依靠空化力来实现种子壳的划痕。但是，这些著作中没有一个提到以下事实，即通过正弦超声处理开发的常规超声波可赋予表面极大热量并且由此使种子壳熔化，如图14所示，其中小麦种子已经受正弦超声波5分钟。这种处理可以产生空化力，如在图3和4中所描述，其对于种子表面产生内爆和非常热的空化力，导致种子壳熔化，从而使增加或更快的萌芽不存在或最多缺乏连续性。上述参考著作也没有叙述种子需要在超声波传输场内转动，从而使所有外壳暴露于超声处理。已发现如果没有这样的完整超声处理，种子超声处理不佳，由此不能适当萌芽。另外，本发明披露了出于加速萌芽期的目的使用正弦或交替超声波形来处理种子。现有技术没有考虑到利用交替超声波形来处理种子，其中空化可以被最小化，但超声处理的物理力实际上导致处理过的种子萌芽更快。同样，现有技术没有披露适用于旋转目标种子的正弦超声波仍然可以减少空化或种子壳烧灼的方式来使用，并且仍然导致处理过的种子萌芽更快。

发明内容

本发明包括一种用于将水和/或其他有益物质吸收到种子中的超声处理和沉积方法。待处理的种子浸泡在水或其他液体中。种子暴露于频率在15千赫与30千赫之间的声能约1与15分钟之间的时间。本发明是以下发现，空化超声和交替波形超声波的使用可用于处理各种种子，以增加种子的萌芽的速度，并因此减少植物生长成熟的时间。

超声空化

正弦超声波能量通过微气泡，特别是在种子表面上塌缩的那些气泡在液体介质中的绝热塌缩来产生空化力。超声空化力赋予种子吸收水和/或对于种子和/或植物有益的其他物质的增强的稳定记忆。超声处理的种子可以干燥、存储并且以后吸收增强种子或所得植物的生长特性的物质。一旦萌芽，则植物保持增强的生长特性。

交替超声波传输

在最佳实施例中，使超声波传输交替，其中传输的第一部分是持续50毫秒的锯齿波形，随后是持续50毫秒的方波形，但也可使用交替声波形的其他变型。与使用正弦空化超声能量产生种子萌芽相比，交替超声波传输更有效地施加超声波能量以及更快种子萌芽的效应。图5是交替超声波形方法的图示，其中起始波形在许多毫秒后退出，并转换到完全新的波形，从而避免空化。

本发明的目的

本发明的目的是通过超声处理和沉积方法来赋予种子具有有益生长特性的物质的增强吸收的记忆。

本发明的目的是通过超声处理和沉积方法赋予种子减少种子萌芽所需时间的另一个手段，并因此加速所得植物的成熟。

本发明的这些以及其他目的在本领域普通技术人员阅读并且理解本说明书、相关附图以及所附权利要求书后变得清楚。

发明详述

附图简要说明

图1是萌芽种子的照片。

图2是种子萌芽成已发育植物的过程的描绘

图3示出了由导致空化的正弦超声产生的过程。

图4是由导致空化的正弦超声产生的过程的进一步说明。

图5是本发明的优选实施例，其中使用超声的交替波形来减少种子萌芽所需的时间以及所得植物或作物的更快发育。

图6是本发明的分批过程示意图，其中采用将超声施加至种子的实验室系统，使用超声来加速种子萌芽。

图7是采用超声波流动池的本发明的连续过程示意图，其中使用浆液中的种子直接被运至外壳内的超声波喇叭的塞片中的方法，使用超声波来加速种子萌芽。

图8是采用超声波流动管的本发明的连续过程示意图，其中在向种子施加超声的流动管内采用超声换能器阵列，使用超声来加速种子萌芽。

图9是采用超声波流动管的本发明的连续过程示意图，其中，使用超声来处理横穿管子的种子，采用过滤系统以从水或溶液过滤出种子，然后将湿种子输送至输送机加热器，以从种子中驱除残留水分，然后立即包装所处理的种子。

图10是能够产生交替超声波形传输的超声换能器系统的设计。

图11是由多个换能器元件组成的换能器阵列。

图12是未经处理的或原始小麦种子的集合的扫描电子显微照片。

图13是根据实验1处理的、超声处理的小麦种子的集合的扫描电子显微照片。

图14是超声处理的小麦种子的集合的扫描电子显微照片，其中种子已暴露于传统正弦超声波，示出种子壳的外层熔化。

图15是常规种植番茄(在80天内生长到成熟)相比于在35天内生长到成熟的超声处理的番茄种子的照片。

图16是常规种植番茄(在80天内生长到成熟)相比于超声处理的番茄种子(在35天内生长到成熟)的照片，呈顶视图和侧视图两者。

图17是常规种植番茄(在80天内生长到成熟)相比于超声处理的番茄种子(在35天内生长到成熟)的照片，均呈剖视图来显示果肉。

图18是常规种植番茄(在80天内生长到成熟)相比于超声处理的番茄种子(在35天内生长到成熟)的特写照片，均呈剖视图来显示果肉。

图19是使用本发明来加速所选择作物的收获时间的试验作物的萌芽提前以及完成种植时发现的提前的概要。

发明描述

发明机制

存在用于产生超声波传输的两种不同方法；(1)通过如图3和图4所示的空化过程赋予被检体热量的常规正弦超声，以及(2)如图5中所示携带很少或没有空化热能的交替超声波形系统。

在图3中，示出典型正弦超声波传输，其赋予被检体内爆冲击波，在被检体的表面上产生强烈的瞬时热点。图4示出典型的正弦超声波传输经常在液体内形成气泡，该气泡内爆，并且在空化再次产生强烈的热量。在种子的处理中，使用典型正弦超声波传输可能导致种子壳损伤，如在图14中描绘，此图展示5分钟暴露之后对于小麦种子产生的损伤。图14示出在种子壳的表面的相当一部分上，种子实际上已经熔化。这样的空化影响的种子根本不会萌芽。

如果种子已经在超声波发射下被旋转，则一个典型的正弦超声波传输可能已被成功地采用，使得正弦超声波对处理的种子的破坏性影响被最小化。

图12是原始未处理状态下的小麦种子的显微照片。注意种子的外壳保持完整并且比较光滑。然而，在图14中，同一个样品在5分钟典型正弦超声波传输后已熔融并且熔化成非功能种子材料。

在图13下，使用交替波形方式(图5)导致种子壳中的微孔，其在照片中是清楚可见的。申请人提出以下理论：这些微孔使种子能够以比原始种子更快的速率吸收水和营养物，导致种子萌芽更快，并由此导致植物完成生长的时间减少。申请人进一步提出以下理论：图5所示的交替波形超声波传输在递送至靶种子时执行两个主要功能：

1)锯齿波形被认为是在种子壳表面施加水平物理力，从而在种子中产生扩大其孔的张力。

2)一旦孔扩大，则方波形将扩孔力施加至扩大的孔。基本上，方波将营养物推进打开的孔中。这些营养物可以是水或水载体或浆液中的肥料化合物。

交替波形使用的超声波占空比对于特定波形动作的任何时刻使用的时间要素来说是可变的。举例来说：

表1：占空比变化

选项

锯齿波形

方波形

A	50毫秒	50毫秒
			B	20毫秒	80毫秒
C	80毫秒	20毫秒

表2：通过改变占空比

种子类型	占空比变化
		薄壳种子	A
厚壳种子	B
		对于硬壳	B
除去外壳外保护层	C

实验室系统的描述

图6示出在下面列出的实验中使用的实验室系统。在图6中，将一个超声波喇叭35放置到含有种子和水40的溶液的一个烧杯30中。将超声换能器喇叭35的尖端34放置到浆液40中，以使尖端34完全浸没在液体中。在烧杯30的底部是一个磁力搅拌棒32，它通过从磁搅拌器31所发出的电磁力来强制旋转，烧杯和装置被放置在其顶部。从超声波发生器37通过一根电缆36向超声波喇叭35递送功率。设定超声波发生器的控制器33以将一定范围的超声波递送到浆液中的种子40：

超声频率20千赫

喇叭输出的强度0.5瓦/平方厘米

波形动态50毫秒锯齿/50毫秒方波

超声处理后，将种子干燥，然后放置在水饱和的过滤垫上，或在某些情况下，放置在潮湿的土壤中，以诱导萌芽。萌芽过程中的温度变化以分析在不同温度下处理对萌芽的效应。已在不同的实验中监测的测量值包括初生根的出现时间、次生根的出现时间、胚芽鞘的出现时间、根长度以及重量、根部面积、根的估计体积、胚芽鞘长度和重量，以及水的吸收。测试的种子是第一代(F.sub.1)杂交玉米种子。

连续装置

超声波流动池设备

图7和图8示出可以采用工业规模过程的方法。在图7中，种子被分散在液体介质40中。一个超声波喇叭换能器64安装在一个壳体60内，使得超声尖端63被直接放置在种子浆液40的流体流内。种子浆液40通过一个漏斗61进入外壳，该漏斗使尖端63周围的流变窄。当种子浆液40在尖端的前面经过时，来自尖端的超声62被引导到此种子浆液。最终，超声处理的种子浆液40在尖端63周围经过并且从流出口65流出。以这种方式，可以通过引导种子浆液40的流横穿超声波喇叭64的超声波发射尖端63来对种子浆液40的连续流进行超声处理。

尖端63必须浸没在液体介质中。换能器连接到超声频率发生器。在这个流动池系统的优选实施例中，声换能器喇叭64是从SonicsandMaterials,Inc.商购的压电陶瓷换能器型号VCX600。可以使用替代换能器。磁致伸缩换能器能够向液体介质递送较高水平的声能，并且如果需要较高的声密度，例如，如果大量的种子要进行超声处理，它可能是优选的。频率发生器9E是从HewlettPackard商购的型号33120Q并且匹配换能器喇叭。它具有介于15千赫与30千赫之间的频率范围并且可以供应0与500瓦特之间至声换能器喇叭。在在此描述的实验中，功率密度在30瓦特每平方厘米与80瓦特每平方厘米之间，虽然给定声换能器64的额定效率，但是可以在外壳60中实现更高的功率密度。通常这个装置将呈现能够赋予空化作用的正弦超声波形，如在图3和4所示。认为空化可在种子内产生或打开孔，使水分渗透到经处理的种子中。

通常向种子添加高达30％的水(以重量计)，以产生种子浆液，然后将其添加到流动池。水溶液可以是自来水，或已使用作为种子增强剂的经过超声处理的营养液增强的水。基于氮或肥料的溶液是可能的液体媒介物。可以在流动池的流入处使用搅拌器来使浆液内的种子在超声波传输下旋转。种子混合物40可通过超声处理器处理一次或可通过使其经由处理器再循环一次以上来经受多次循环。一旦处理，则种子浆液被输送到过滤器/干燥器以除去液体，并产生干燥种子产物。

连续超声波流动管-图8

为了提供连续超声处理系统，可以使用包含如图8示出的一个超声波流动管71的设备。在这个系统中，将种子浆液40引导穿过内衬有换能器的管。当种子经过管的长度时，在管的长度上从换能器发出的超声波处理种子。种子连续地通过流动管。

图8，流动管71内衬有超声换能器70。在管71内安置有一系列挡板75，这些挡板在管70中引起湍流。种子浆液40在一端进入管，并且当种子40在挡板75上翻滚并且最终退出时，经受超声处理72。湍流的翻滚动作的作用是使浆液内的种子73在超声波信号72下旋转。处理过的种子74在流出位置离开管。种子40预期在连续过程中在流入处和流出处递送，当种子横穿管71时，在超声处理72下行进并且翻滚73通过管71。该系统也被称为超声波流动池。

图9示出了原始未处理的种子40经由一个料斗递送至超声波流动池71中。原始未处理的种子40在料斗罐42中与一种水或营养液41混合。在退出流动池71时，处理过的种子浆液74被递送到一个过滤器80，该过滤器将水或浆液过滤出，留下湿的超声处理过的种子74。从那里，湿种子74递送到一个输送机加热器81，该输送机加热器将处理过的种子74上的剩余水分驱出，产生最终干产物超声处理种子76，进行包装。

换能器设计

图10和图11示出了沿着管(图8的71)的长度安装的适合于在超声波流动管中使用的换能器装置(图8的70)的设计。

在图10中，换能器盘93的阵列通过使用导电环氧树脂94连接到一个不锈钢面板95。换能器盘93可以是在如图11可见的换能器96阵列中布置的1至4个换能器元件。一个反射块91的作用将超声波能量向前集中，并且形成从一个波形交替到另一个波形的交替超声波效应。图10的换能器包括具有背面片的换能器组件93或由尼龙或塑料部分制成的块91。导线92穿过块91以到达金属面板95上，此金属面板通常是不锈钢盘，并且到达阵列93中的压电或磁致伸缩换能器盘顶部。在图10的图示中，示出两个这样的盘，通过使用导电环氧树脂94粘接到面板6G。一块薄的泡沫橡胶或垫圈被放置在块91的内部边缘并且整个组合使用环氧树脂密封成如在完成装配中所示的最终形式。

图11示出换能器盘阵列06，其被构造成具有四个换能器盘93-1、2、3以及4，其再次使用导电环氧树脂粘接到面板95。

在图10和11中所示的换能器阵列将呈现如图5所示的交替超声波传输。优选的组合波形是锯齿然后是方波的超声波传输。任何特定波形的时间可以改变，以产生任意波形效应。交替超声波信号是为了最大限度地减少种子表皮上的任何空化效应并避免损坏种子壳但仍加速水分的吸收。

实验

进行了一系列的实验，以证明本发明的方法的有效性。实验使用图6中所示的实验室装置来进行。检查了四种不同的作物种子，小麦、胡萝卜、玉米以及西红柿。每一种使用如图6所示的装置在相同的超声设置下超声处理。每个实验使用如图5所示的交替超声系统。

每个实验的超声波设置为：

表3：

在环境温度下形成包含70％自来水中的30％种子的种子浆液。临实验前将种子添加至水的烧杯中并且超声处理不同的暴露时间。

以分钟为单位的暴露时间

0

5

10

15

20

在每次暴露时取样，使用布氏漏斗过滤，然后使其在空气中干燥过夜。将种子分别放入单独的水槽中，其中在对于此种子推荐的深度下填充盆栽土。例如小麦在土壤中的深度推荐为1.5英寸，而胡萝卜是7.5英寸。然后将水槽放置在窗台上，让阳光照射到水槽，但水槽在培育期间不接触到外部自然环境。

水槽中的种子每天早上进行检查，直到它们开始发芽，并从土壤中露出。萌芽时间与未超声处理的对照组进行比较。其结果如下述实验表中所示。

实验-1

超声处理下的小麦种子相比于未经处理的对照样品

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日期：2009年5月20日

DELTA种子试验结果

小麦

图13是根据实验1处理的超声处理小麦种子的集合的扫描电子显微照片。超声处理种子的仔细检查显示种子外壳层中有若干孔，理论上由超声暴露产生。这些孔使水分吸收到种子的内部得以增强，从而增加水分吸收并且导致更快萌芽曲线。

实验-2

超声处理下的胡萝卜种子相比于未经处理的对照样品

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DELTA种子试验结果

超声处理下的玉米种子相比于未经处理的对照样品

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DELTA种子试验结果

实验-4

超声处理下的番茄种子相比于未经处理的对照样品

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DELTA种子试验结

果

表4：

超声处理番茄实测萌芽模式

作物	番茄
		正常萌芽天数	7
U/S萌芽天数	3.90
		U/S节省天数	3.10
U/S节省％	44％

·这个程序被设置来测试对照种子相比于超声处理种子的萌芽时间。

·结果表明，U/S型式在3.10天内萌芽，与7-10天形成对照，最少节省了-44％的时间。

表5：

超声处理番茄

实测成熟生长模式

作物	番茄
		正常萌芽天数	7
U/S萌芽天数	3.90
		U/S节省天数	3.10
U/S节省％	44％


		收获的正常天数	80
U/S收获减少	35
		U/S节省天数	45

实验概述

实验概述如下所示。在超声波声处理的每一种情况下，超声处理的种子以更快的速度萌芽。对照种子在7-14天内萌芽，而超声处理的种子在4至6天内萌芽。萌芽在天数方面的萌芽节省从超声处理小麦种子的-41％到胡萝卜的-56％不等。

萌芽后，然后将超声处理和对照种子从培养Petri水槽传送到外部测试农场，其中种子在此植物在常规土壤中的推荐正常深度下种植，并使其生长成成熟的植物。

一般来说，对照植物在75-89天内成熟，接近所列的植物生长时间。

超声处理的植物耗费35-42天成熟并且在番茄作物的大小、完整性甚至果实大小以及特性方面与未经处理的对照组相似。

超声处理在收获时间方面节省33至52天。

生长至完全成熟并且收获的超声处理番茄种子的种植试验结果。

图15是在种植种子后植物生长至完全成熟时，对照种子、未超声处理番茄种子所产生的果实相比于20分钟超声处理种子果实的照片。

表6：

实验概述

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机密

表7：

超声处理的种子测试结果

虽然上述实验使用图6中描述的装置来进行，但是本发明人认为图10和11描述的换能器构造将达到与正弦超声波传输相同的超声处理效应，而不产生应用于如在图7、8或9中所描绘的连续超声处理系统所产生的空化。

空化产生热能和机械力，如图3和图4所示。对于某些种子，空化可能烧坏种子并且导致破坏，如图14所示。如图5中所示的交替超声波形系统证明与空化超声相比对于种子是较少破坏的，但仍然在种子壳中打开通道，从而可加速水分和营养物吸收至种子中。参照图13，其中交替波形超声波系统在种子壳中产生很轻微的孔不而不烧灼小麦种子壳。

用正弦超声处理的许多种子表明在暴露仅5分钟后结构破坏，见图14。用交替超声波能量，50毫秒锯齿波形，随后为50毫秒锯齿波形处理的种子展示种子外壳层的更广泛的渗透，而没有烧灼效应，如在图13中所示。在图14中，用普通正弦超声处理的种子表现出种子壳上的壳层熔化(图1)。

因此，优选的实施例是使用交替超声处理的实施例，但传统的正弦超声可能在某些种子情况下仍然是优选的，只要种子在超声波传输下旋转。

概述

上面列出的实验表明，超声波诱导的水吸收代表可与正常水吸收分离的独特事件。超声处理以及对照浸泡种子的吸收速率的差异表明，与非超声处理种子相比，超声处理的种子显示出快得多的萌芽速率。

这些结果表明，与仅浸泡种子的水吸收的比率相比，超声刺激的种子可能具有非常迅速实现的更快的水吸收速率。因此，超声处理方法从根本上增强了物质吸收至种子中的速率，加速种子萌芽以及成熟植物和作物的生长。因此，这个过程可以用来通过首先超声处理种子来减少许多作物的收获时间。

此外，研究结果表明，超声处理改变种子而不对萌芽的种子部分产生负面影响。超声处理导致种子水合加速增多。超声波的效应并非迫使水进入种子，而是改变种子，这样它会以增强的速率以吸收水，甚至在没有超声的情况下也是如此。此增强沉积效应是稳定的。当种子在超声处理后干燥并且存储时，这种效应得以保持。超声不会负面影响萌芽。将超声处理与沉积步骤分离而不减弱增强沉积效应的能力导致显著实际优势。种子可以在第一时间点接受超声波空化处理，并且等待预定的时间段之后，种子将呈现吸收物质的增强的能力。这允许对种子进行超声处理，并且存储种子直到种植或处理开始。在这以后的日期，哪些物质吸收到种子中的决定可以针对当时存在的种植、生长或处理条件来进行调整。这允许更有效并且及时地制备种子。另外，吸液步骤不需要复杂的设备或技术知识，并且因此可以在现场进行。

图8示出结合有超声波流动管的优选实施例，该超声波流动管具有允许种子在超声处理下翻滚的构件，从而使得能够在连续的基础上大规模处理种子的超声处理图9在连续的基础上产生超声处理的种子，结果类似于图6所示的实验室装置。

概述

本领域普通技术人员将理解，通过展示增强像水这样的物质的沉积的基本技术，任何其他类型的物质可以相同的方式吸收到种子中。如上所述，这些物质可以包括水、农药、杀有害生物剂、除草剂、杀真菌剂以及生长激素；然而，本发明的适用范围并不限定于这些物质。增强的沉积方法可与增强种子以及所得到的植物的任何生长特性，或在其他方面在商业处理过程中为种子增加价值的物质一起使用。例如，本发明的方法可用于将抑制萌芽一定预定时间的物质吸收到种子中。以这种方式延迟萌芽通过允许种植者在最佳种植或萌芽条件发生之前种植种子来证明在商品农业生产中是有益的。这将减轻种植者在土壤和气候条件达到最佳种植状态时一次种植全部作物的负担。因此，预期与本发明一起使用的物质不一定是以某种方式使植物生长更快、更强或抵抗有害生物的物质。

从以上述方式超声处理过的种子中长出的作物往往具有充分生长的植物以及与未处理作物相比少得多的收获时间。

虽然本发明已经关于其优选实施例进行了描述，但是还应理解的是，它不应唯一地受限制，因为可以产生处在所附权利要求书所界定的本发明的全部预期范围内的改变和改进。

Claims

1.一种用于将物质吸收至种子中的超声处理和沉积方法，该方法包括以下步骤：a)将所述种子浸没于水或水与其他营养物的溶液中；b)将声能在足以在所述液体中产生空化的频率和能量密度下引入所述水中；c)超声处理所述种子历时足以导致改变所述种子的一段时间，这样使得所述超声处理种子在提高的吸收速率下将物质摄入所述种子中，其中所述物质能够增强所述种子以及其后任何所产生的植物或作物的生长特性，其中所述方法可以呈采用超声波流动池或连续超声波流动管的分批或连续种子处理系统的形式。

2.根据权利要求1所述的发明，其中所述种子可以是任何植物，包括装饰植物或用于人或动物消费，或者用于生产植物来源燃料的植物。

3.根据权利要求1所述的发明，其中所述声能的频率在约15千赫与约100千赫之间。

4.根据权利要求1所述的发明，其中所述声能的能量密度在约0.125瓦特/平方厘米与约10瓦特/平方厘米之间。

5.根据权利要求1所述的发明，其中所述声能是正弦波并且可能会或可能不产生针对所处理种子的空化能量。

6.根据权利要求6所述的发明，其中施加所述声能持续大于1分钟的时间。

7.一种用于将物质吸收至种子中的超声处理和沉积方法，该方法包括以下步骤：a)将所述种子浸没于水或水与其他营养物的溶液中；b)将具有以周期性时间间隔从一个波形转换到另一个波形的交替超声波形的声能在足以最大限度地减少所述液体中的空化的频率和能量密度下引入所述水中；c)超声处理所述种子历时足以导致改变所述种子的一段时间，这样使得所述超声处理种子在提高的吸收速率下将物质摄入所述种子中，其中所述物质能够增强所述种子以及其后任何所产生的植物或作物的生长特性，其中所述方法可以呈采用超声波流动池或连续超声波流动管的分批或连续种子处理系统的形式。

8.根据权利要求7所述的发明，其中所述种子可以是任何植物，包括装饰植物或用于人或动物消费，或者用于生产植物来源燃料的植物。

9.根据权利要求7所述的发明，其中所述声能的频率在约15千赫与约100千赫之间。

10.根据权利要求7所述的发明，其中所述声能的能量密度在约0.125瓦特/平方厘米与约10瓦特/平方厘米之间。

11.根据权利要求7所述的发明，其中所述声能不是单独正弦波，而是出于最大限度地减少对于所处理种子的破坏或者减少空化能量的目的，周期性地在锯齿与方波形之间交替的交替声波形，或在正弦、锯齿、三角或方波形之间交替的某种其他组合。

12.根据权利要求7所述的发明，其中施加所述声能持续大于1分钟的时间。

13.一种用于使可用于作物或燃料的植物的萌芽得以加速的超声处理和沉积方法，该方法涉及将该种子浸没在容器中并且以分批过程来施加超声波，不论该超声波是否诱导空化或使用交替超声波传输，以便诱导并且加速水或营养液进入该超声处理种子中，其中从该超声处理种子中发芽的植物的所得收获时间与普通未处理种子相比得以减少，其中所述方法可以呈采用超声波流动池或连续超声波流动管的分批或连续种子处理系统的形式。

14.一种用于使可用于作物或燃料的植物的萌芽得以加速的超声处理和沉积方法，该方法涉及将该种子浸没在容器中并且以涉及超声波流动池的连续过程来施加超声波，不论该超声波是否诱导空化或使用交替超声波传输，以便诱导并且加速水或营养液进入该超声处理种子中，其中从该超声处理种子中发芽的植物的所得收获时间与普通未处理种子相比得以减少，其中所述方法可以呈采用超声波流动池或连续超声波流动管的分批或连续种子处理系统的形式。

15.一种用于使可用于燃料或燃料添加剂的植物或其他作物的萌芽得以加速的超声处理和沉积方法，该方法涉及将该种子浸没在容器中并且以涉及超声波流动池或内衬有超声换能器的带有挡板的管的分批或连续过程来施加超声波，不论该超声波是否诱导空化或使用交替超声波传输，以便诱导并且加速水或营养液进入该超声处理种子中，其中从该超声处理种子中发芽的植物的所得收获时间与普通未处理种子相比得以减少，其中所述方法可以呈采用超声波流动池或连续超声波流动管的分批或连续种子处理系统的形式。

16.根据权利要求15所述的用于燃料应用的植物，其中亚硫酸水包含于玉米粒中，包括以下步骤：a)将玉米粒浸没于包含亚硫酸、水以及溶解气体的液体溶液中，其中所述液体溶液能够软化该玉米粒；b)将声能在足以在所述液体溶液中产生空化的频率和能量密度下引入所述液体溶液中；c)超声处理所述玉米粒历时足以导致所述玉米粒发生改变的一段时间，这样使得所述玉米籽粒具有将物质吸收至所述玉米粒中的提高速率的记忆；d)等待预定的时间量；以及e)在所述预定时间量之后使所述玉米粒吸收所述物质。

17.根据权利要求16所述的发明，其中所述液体溶液进一步包含赤霉酸。

18.一种根据权利要求16所述的方法处理的具有吸收物质的提高速率的记忆的种子。

19.根据权利要求16所述的发明，其中所述物质是抑制所述种子的萌芽的物质。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述超声波是连续地施加。

21.如权利要求16所述的方法，其中所述超声波是脉冲的。

22.一种用于种子的超声处理的设备或组件，其中所述设备含有一个电路装置，该电路装置包括用于产生超声波信号的波形发生器装置，该超声波信号是由在20千赫与100千赫之间的频率范围内的锯齿波以及叠加在其上的在20千赫与100千赫之间的频率范围内的方波形成，但是优选为采用一种形式的超声波形，继之以另一不同形式的波形的任何组合波形。

23.一种用于种子的超声处理的设备或组件，其中所述设备含有一个电路装置，该电路装置包括用于产生超声波信号的波形发生器装置，该超声波信号是由在20千赫与100千赫之间的频率范围内的锯齿波以及叠加在其上的在20千赫与100千赫之间的频率范围内的方波形成，但是优选为采用一种形式的超声波形，继之以另一不同形式的波形的任何组合波形，其中经由该设备的换能器元件周围的一个流动池来将种子输送到所述设备中。

24.一种用于种子的超声处理的设备或组件，其中所述设备含有一个电路装置，该电路装置包括用于产生超声波信号的波形发生器装置，该超声波信号是由在20千赫与100千赫之间的频率范围内的锯齿波以及叠加在其上的在20千赫与100千赫之间的频率范围内的方波形成，但是优选为采用一种形式的超声波形，继之以另一不同形式的波形的任何组合波形，其中经由内衬有多个换能器的一个带有挡板的管来将种子输送到所述设备中，当这些种子沿着该管的长度行进时，所述换能器对这些种子起作用。

换能器

25.一种换能器组件，该换能器组件使用：经由导电性环氧树脂或其他适当的手段来固定至一个金属板或盘上的换能器盘或元件的阵列，其中这些换能器在其顶面平行接线，并且一个负极或接地端接线到该金属板或盘，并且整个板与由泡沫橡胶如氯丁橡胶制成的一个中空环邻接，并接着密封在由塑料材料如聚氨酯构成的一个绝缘块内，该绝缘块将隔离并且保护这些换能器以免与水分或任何外部环境接触，绝缘块中的所述密封的换能器盘或元件由一个振荡电路供电，以便产生超声波发射到达该板，该板在谐波响应下，在比来自该组件的各个换能器盘的表面积更大的一个表面积上提供超声波传输。

26.一种适合于在超声波种子处理应用中使用的超声换能器组件，该超声换能器组件采用根据在纽纳姆(Newnham)等人的美国专利US4,999,819；纽纳姆等人的US5,276,657以及纽纳姆等人的US5,729,077中所披露类型的一种单个钹型超声波换能器设计。

27.一种适合于在超声波种子处理应用中使用的超声换能器组件，该超声换能器组件采用根据在纽纳姆等人的US5,729,077中所披露类型的一种堆叠构造钹型超声波换能器设计，其中两个或更多个换能器彼此上下堆叠以便增加超声波传输的强度，同时也增加该换能器系统的整体功率效率。