Сушка зерна — это процесс сушки зерна для предотвращения его порчи во время хранения . Искусственная сушка зерна использует процессы, работающие на топливе или электричестве, в дополнение к естественным, включая валкование / валкование для сушки на воздухе и солнце или укладку перед обмолотом . [1]
Сотни миллионов тонн пшеницы , ячменя , кукурузы , сои , риса и других зерновых культур , таких как сорго , семена подсолнечника , рапс / канола , овес и т. д., ежегодно сушатся в зерносушилках. [2] В основных сельскохозяйственных странах сушка включает в себя снижение влажности с примерно 17-30% по весу (вес воды на душу населения) до значений от 8 до 15% по весу, в зависимости от зерна. Конечное содержание влаги для сушки должно быть достаточным для хранения. Чем больше масла в зерне, тем ниже будет его содержание влаги при хранении (хотя его начальная влажность для сушки также будет ниже). Зерновые культуры часто сушат до 14% по весу, в то время как масличные семена — до 12,5% (соевые бобы), 8% (подсолнечник) и 9% (арахис). Сушка проводится как необходимое условие для безопасного хранения, чтобы подавить рост микроорганизмов . Однако низкие температуры при хранении также настоятельно рекомендуются, чтобы избежать реакций деградации и, особенно, роста насекомых и клещей . Хорошая максимальная температура хранения составляет около 18 °C.
Самые большие сушилки обычно используются "вне фермы", в элеваторах, и относятся к непрерывному типу: сушилки смешанного потока предпочтительны в Европе, а сушилки поперечного потока в Соединенных Штатах. В Аргентине обычно встречаются оба типа. Сушилки непрерывного потока могут производить до 100 метрических тонн сушеного зерна в час. Глубина зерна, которую воздух должен пройти в сушилках непрерывного действия, составляет от примерно 0,15 м в сушилках смешанного потока до примерно 0,30 м в сушилках поперечного потока. Сушилки периодического действия в основном используются "на ферме", особенно в Соединенных Штатах и Европе. Они обычно состоят из бункера, в котором нагретый воздух течет горизонтально из внутреннего цилиндра через внутренний перфорированный металлический лист, затем через кольцевой слой зерна толщиной около 0,50 м (коаксиальный с внутренним цилиндром) в радиальном направлении и, наконец, через внешний перфорированный металлический лист, прежде чем выбрасывается в атмосферу. Обычное время сушки составляет от 1 до 4 часов в зависимости от того, сколько воды необходимо удалить, типа зерна, температуры воздуха и глубины зерна. В Соединенных Штатах непрерывные противоточные сушилки можно найти на фермах, приспосабливая бункер для медленной сушки зерна, подаваемого сверху и удаляемого снизу бункера с помощью подметального шнека.
Сушка зерна является активной областью исследований. Производительность сушилки можно моделировать с помощью компьютерных программ на основе математических моделей, которые представляют явления, связанные с сушкой: физика, физическая химия, термодинамика и тепломассоперенос. Совсем недавно компьютерные модели использовались для прогнозирования качества продукта путем достижения компромисса между скоростью сушки, потреблением энергии и качеством зерна. Типичным параметром качества при сушке пшеницы является качество хлебопекарного производства и процент прорастания, снижение которых при сушке в некоторой степени связано.
Сушка начинается в нижней части бункера, которая является первым местом контакта с воздухом. Сухой воздух поднимается вентилятором через слой влажного зерна. Сушка происходит в слое толщиной от 1 до 2 футов, который называется зоной сушки. Зона сушки перемещается от дна бункера к верху, и когда она достигает самого высокого слоя, зерно становится сухим. Зерно под зоной сушки находится в равновесном содержании влаги с воздухом для сушки, что означает, что оно безопасно для хранения; в то время как зерно над ним все еще нуждается в сушке. Затем воздух вытесняется из бункера через вытяжное отверстие.
Допустимое время хранения — это оценка того, как долго зерно должно быть высушено до порчи и поддерживать качество зерна во время хранения. В процессе хранения зерна грибки или плесень являются основной проблемой. Многие другие факторы, такие как насекомые, грызуны и бактерии, также влияют на условия хранения. Чем ниже температура зерна, тем дольше будет допустимое время хранения. [3]
Возможно безопасное хранение в течение длительного периода, если влажность зерна составляет менее 14% и оно хранится вдали от насекомых, грызунов и птиц. На следующем рисунке показано рекомендуемое содержание влаги для безопасного хранения. [4]
Содержание влаги в зерне связано с относительной влажностью и температурой окружающего воздуха. Точка равновесного содержания влаги — это точка, когда зерно больше не теряет и не набирает воду при контакте с осушительным воздухом. Конечное содержание влаги в зерне зависит от количества влаги в осушительном воздухе, которое является относительной влажностью. Низкая относительная влажность означает, что воздух сухой и имеет большой потенциал для впитывания воды. Чем ниже относительная влажность, тем воздух суше. В общем, снижение относительной влажности на половину вызвано повышением температуры воздуха на 20° градусов. [5]
Нагретый воздух может использоваться в процессе сушки зерна. Он может не только ускорить миграцию влаги внутри зерна, но и испарить влагу на поверхности. Основная проблема при использовании нагретого воздуха для процесса сушки — это температура зерна. Ядро зерна может быть повреждено высокой температурой зерна. Обычно температура зерна ниже температуры воздуха. Для различных видов использования кукурузы температура различается. Например, для семенной кукурузы максимальная температура составляет 110 °F; для кормовой кукурузы для скота максимальная температура составляет 180 °F.
Процесс аэрации относится к процессу перемещения воздуха через зерно. Воздушный поток — это измерение количества воздуха в кубических футах в минуту (CFM). В процессе сушки зерна время сушки во многом зависит от скорости аэрации. Без достаточного потока воздуха зерно может быть повреждено до завершения сушки. Для перемещения воздуха через зерно используются вентиляторы. [6]
Стоимость сушки состоит из двух частей: капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Капитальные затраты в значительной степени зависят от требований к скорости сушки и стоимости оборудования. Эксплуатационные затраты включают в себя стоимость топлива, электроэнергии и рабочей силы. Количество энергии, необходимое для сушки бушеля зерна, одинаково для всех методов сушки. Некоторые методы в значительной степени зависят от естественного воздуха, в то время как другие могут использовать тепло сжиженного газа или природный газ, что приводит к изменению стоимости энергии. В основном, топливо и электроэнергия составляют основную часть эксплуатационных расходов. [7] Стоимость сушки основана на потреблении БТЕ при изменении температуры от окружающей среды до желаемой.
[8]
Методы сушки при хранении означают, что зерно сушится и хранится в одном контейнере. Низкотемпературная сушка, также известная как сушка при температуре, близкой к окружающей среде, является одним из методов сушки при хранении. Существует четыре основных фактора, которые влияют на низкотемпературную сушку: изменчивость погоды, влажность урожая, поток воздуха в бункере для хранения и количество нагретого воздуха. [9] Большинство низкотемпературных сушилок построены так, чтобы сушить зерно как можно медленнее, и в то же время меньше портить его. Предполагается, что система низкотемпературной сушки лучше работает, когда средняя дневная температура составляет от 30 °C до 50 °C. Вместо того, чтобы контролировать температуру воздуха для сушки, низкотемпературная сушка фокусируется на относительной влажности для достижения равновесного содержания влаги (EMC) во всех слоях зерна. [10] Процесс низкотемпературной сушки обычно занимает от 5 дней до нескольких месяцев и зависит от нескольких важных переменных: погоды, потока воздуха, начального содержания влаги и количества используемого тепла. Среди которых поток воздуха является ключевым фактором. Без соответствующей скорости потока воздуха порча произойдет до завершения сушки. Используя нагретый воздух (LP-тепло, электрическое тепло и солнечное тепло), относительная влажность воздуха для сушки лучше контролируется для достижения желаемого содержания влаги. Обычно сушилка с нагретым воздухом используется, когда относительная влажность превышает 70%. В электрических сушилках электрический резистивный нагреватель обычно размещается перед вентилятором для нагрева воздушного потока. В некоторых случаях для управления нагревателем используется гигростат. В солнечных сушилках воздух для сушки сначала проходит через солнечный коллектор, чтобы нагреться (обычно на 10-12 °F), затем поступает в бункер через вентилятор и двигатель. Преимуществами низкотемпературной сушки в хранилище являются быстрое заполнение, высокое качество продукта, меньшие требования к оборудованию; в то время как недостатками являются длительное время сушки, потребность в электроэнергии при использовании электрического тепла, высокие навыки управления и неопределенное содержание влаги в урожае.
Метод многослойной сушки относится к использованию тепла низкого давления или природного газа при сушке кукурузы. По сравнению с низкотемпературными методами, многослойная сушка требует более высоких температур, что приводит к более короткому допустимому времени хранения. Многослойная сушка без перемешивания является основным методом многослойной сушки, при котором поток воздуха поступает через нагреватель низкого давления с помощью вентилятора. Обычно повышение температуры после горелки низкого давления остается низким, чтобы избежать пересушивания нижних слоев в бункере. Как только кукуруза высушивается в бункере, горелка выключается, а вентилятор используется для доведения кукурузы до температуры окружающей среды. Преимущества многослойной сушки без перемешивания заключаются в небольшой обработке кукурузы, и бункер может использоваться как для сушки, так и для хранения; недостатки — медленное заполнение и пересушивание нижних слоев (Берн и Брамм, 2010). Многослойная сушка с перемешиванием может не только высушить зерно в равновесии сверху вниз, но и уменьшить сопротивление воздуха зерна. Более того, использование системы перемешивания позволяет избежать проблемы пересушивания в нижнем слое и обеспечить равномерное содержание влаги в зерне во всем бункере. После завершения сушки горелка выключается, а вентилятор и мешалка используются для перемешивания кукурузы для достижения одинаковой влажности и температуры. Преимуществами добавления перемешивания являются предотвращение пересушивания и ускорение сушки и допустимой скорости заполнения; недостатками системы перемешивания являются дополнительные расходы и уменьшение вместимости бункера.
В методах пакетной сушки сначала помещается определенное количество зерна, обычно от 2 до 4 дюймов, затем партия сушится и охлаждается, затем сушка останавливается, и партия удаляется. Пакетные сушилки обычно работают в этой последовательности и повторяют эту последовательность несколько раз. Методы пакетной сушки в бункере используют полностью перфорированный пол в качестве сушилки. Без перемешивания доступно большое разнообразие оборудования, и партия может использоваться как сушилка и охладитель, но может быть большой градиент влажности сверху вниз и потеря времени в процессе загрузки и выгрузки. При добавлении системы перемешивания проблема равновесного содержания влаги устраняется, однако мешалка является дополнительным расходом. При использовании контейнерной сушилки с крышей проблема потери времени может быть решена. Под крышей бункера находится сушильный пол, а сушильный вентилятор и горелка установлены высоко на стенке бункера. После завершения процесса сушки зерно помещается в обычный пол бункера, таким образом, время выгрузки сокращается. Однако в контейнерных сушилках с крышей нет удержания влажного зерна, и это увеличивает расходы на машины.
Колонна, образованная в этом типе сушилки, состоит из двух вертикальных перфорированных стальных листов, каждый толщиной около 12 дюймов. Емкость колонных сушилок периодического действия слишком мала для хранения зерна. Преимущества колонных сушилок периодического действия, стационарных сушилок с постелью в том, что их легко перемещать, а красильную машину можно использовать в качестве охладителя; в то время как недостатки заключаются в потере времени при охлаждении, загрузке и выгрузке и неравномерном распределении влаги после завершения сушки. При использовании колонных сушилок периодического действия с рециркуляцией проблема изменения содержания влаги устраняется, но дополнительный процесс обработки может привести к порче зерна.
Сушилки с поперечным потоком являются одними из наиболее широко используемых сушилок непрерывного потока. В сушилке с поперечным потоком поток воздуха перпендикулярен потоку зерна. Тогда зерно около сушильного воздуха пересушивается, в то время как с другой стороны зерно недосушивается. Градиент влажности существует, когда сушка завершена. В действительности, чем ниже скорость потока воздуха, тем выше разница в содержании влаги в зерне между двумя сторонами колонны. [11]
В сушилке с параллельным потоком зерно и воздух движутся в одном направлении, что означает, что самое влажное зерно подвергается воздействию самого горячего воздуха сушки. Зерна покидают зону сушки при той же температуре и той же влажности. Энергоэффективность на 40% выше по сравнению с поперечноточной сушилкой. Однако глубина слоя должна быть больше 12 дюймов, чем у поперечноточной сушилки. Таким образом, в этом типе сушилки требования к мощности вентилятора высоки.
В противоточной сушилке зерно и воздух движутся в противоположных направлениях, что означает, что самое сухое зерно подвергается воздействию самого горячего воздуха для сушки. Зерна покидают зону сушки при той же температуре и той же влажности, что и в прямоточных сушилках. Предполагаемые температуры воздуха составляют менее 180 °F, поскольку самые сухие зерна с большей вероятностью будут повреждены горячим воздухом.
Для разных видов подсолнечника влажность консервации разная. Масличные подсолнечники лучше сушить до 9 процентов влажности, а птичьи семена — до 10 процентов влажности. По сравнению с сушкой кукурузы, подсолнечник легче сушить и хранить в безопасном месте. Более того, высокая температура может не оказывать неблагоприятного воздействия на ядро подсолнечника, что может быть причиной состава жирных кислот. Не было никаких доказательств повреждения, когда воздух нагревался до 220 °F во время сушки. Однако тонкие волоски и волокна на семенной оболочке подсолнечника могут стать причиной пожара. Рекомендуется сначала удалить горящие частицы при нагревании подсолнечника.
Семенная оболочка бобов довольно хрупкая и легко повреждается при растрескивании и расщеплении, что может привести к потерям для производителя. Некоторые исследования бобов показали, что для того, чтобы избежать растрескивания, лучше поддерживать влажность воздуха при сушке выше 40 процентов относительной влажности. [12]
При сушке кукурузных зерен важно помнить, что трещины и разломы в кукурузе могут привести ко многим проблемам как при хранении, так и при переработке. Основная проблема, которая возникает при высокотемпературной сушке и последующем быстром охлаждении зерна, — это растрескивание под действием напряжения. Растрескивание под действием напряжения происходит, когда в эндосперме кукурузы появляются трещины. Разрушенные под действием напряжения зерна часто слишком быстро впитывают воду, с большей вероятностью ломаются и становятся все более восприимчивыми к повреждению насекомыми и плесенью во время сухого хранения. Чтобы уменьшить количество зерна, которое теряется из-за растрескивания под действием напряжения, следует использовать методы сушки при средней температуре и медленном охлаждении или естественном воздухе и низкой температуре. [13]
Эпоха, в которой миллионы тонн зерна сушились в промышленных масштабах в сушилках, работающих на топливе или электричестве, как обычное дело, началась только в послевоенную эпоху после Второй мировой войны. Ее появление было необходимо для повсеместного распространения комбайновой уборки во всех регионах, даже во влажных и более прохладных в более высоких широтах, поскольку комбайнирование не предполагает временного интервала между жатвой и обмолотом, в отличие от традиционной уборки зерновых культур, которая включала шокирование ( складирование ) зерна и предоставление ему возможности высохнуть на воздухе в течение недель на промежуточном этапе перед обмолотом. Еще в 1930-х годах, когда Сайрус Маккормик III написал свою основополагающую историю механизации уборки зерна ( The Century of the Reaper ), механическое совершенство конструкции комбайнов уже стало существенно развито, но влажность зерна все еще представляла собой большое препятствие для распространения комбайнирования до повсеместного распространения. Общий размах прогресса механизированной обработки сыпучих материалов , произошедший в середине 20-го века, был частью других взаимосвязанных аспектов новых систем, включая значительно продвинутые грузоперевозки , энергетическое сельскохозяйственное оборудование, дорожное строительство , электрификацию , инфраструктуру распределения сжиженного нефтяного газа и мазута и т. д. Все эти факторы, действующие совместно, были необходимы для того, чтобы сделать возможной эпоху, в которой люди производят зерно в доступном изобилии с широкой механизацией и очень малыми затратами труда на тонну.
