Особенности сушки сои

 

 

 

Зернобобовые культуры существенно отличаются от зерновых и применительно к сушке эти отличия следующие. Из-за большого содержания белка зернобобовые плохо отдают воду, неравномерно сохнут, что вызывает растрескивание оболочки. Кроме того, эти культуры неравномерно вызревают, и к моменту уборки большое количество бобов не обмолачивается. А те влажные, что обмолотились, смешиваются в бункере с сухими семенами. Как известно, влаговыравнивание в зерновой массе происходит чрезвычайно медленно, особенно между крупными семенами, к которым и относятся бобовые культуры.

Влажность семян сои ранжируется следующим образом: сухое зерно – 12% влажности, средняя влажность – 12-14%, влажное – 15-16%, сырое – больше 16%.

Рис.1. Способность к поглощению воды разными составляющими зерна пшеницы [1].

Рис.2. Динамика сушки семян бобовых культур и пшеницы [3].

Соя и другие бобовые обладают высокой гигроскопичностью. Так при относительной влажности воздуха 95% равновесная влажность сои 20%. Прочная связь влаги с белковым комплексом семян, низкая влагопроводность, ясно выраженная структурная и анатомическая обособленность оболочки при значительных размерах зерна требуют снижения скорости сушки во избежание растрескивания оболочки семян в процессе сушки.

Белок обладает удивительной способностью поглощать влагу. Так 1 г белка способен впитать воду в количестве 1,8 г, т.е. 180% от собственной массы, в то время как крахмал не более 0,7 г (70%). Богданов С.М. (1988 г.), исследуя потребность прорастающих семян в воде, убедительно показал эту разницу (рис.1) [1]. Поэтому неудивительно, что пшеница дает «команду» на прорастание при поглощении влаги 42-44% от массы зерновки, а высокобелковые подсолнечник и соя - около 100%.

 В среднем семена бобовых культур отдают влагу в 4-5 раз медленнее, чем пшеница (среднее значение темпа удаления влаги при сушке семян сои не превышает 0,5% за час [2]). На рисунке 2 показана сравнительная динамика сушки бобовых и пшеницы. Если взять отношение тепла, потраченного на нагрев зерна и на испарение влаги (так называемый критерий Коссовича*), 

*Ко=тепло на испарение влаги/тепло на нагрев зернато для пшеницы этот коэффициент 0,5-0,75, а для бобовых – 0,12-0,15. Т.е. существенная доля тепла при сушке бобовых идет на нагрев бобов [3].

Что же до оболочки бобовых культур, то, во-первых, они при тепловой конвекции очень быстро отдают влагу и, не являясь эластичными (в отличие от оболочки кукурузы), легко лопаются. На рисунке 2 показан процесс изменения влажности разных частей семянки гороха при сушке в сушильном шкафу без конвекции [3].

 Растрескивание оболочки приводит к дроблению семян на две семядоли, но даже если оболочка уцелела, а семядоли разошлись, т.е. образовался разрыв между ними, то это предпосылка к дроблению при последующем незначительном по силе механическом ударе.

В качестве примера можно привести результаты исследований по травмированности семян сои при сушке с температурой теплоносителя 45° С и влагосъемом с 20% до 13% (рис.3) [3].

Рис.3. Прирост травмированных семян сои при теплоносителе 45°С и влагосъеме с 20% до 13% [3].

Рис.4. Схема распределения влажности в оболочке и в центре боба через час, два и три часа сушки. Температура теплоносителя 65°С [3].

Рис.5. Изменение влажности разных частей зернобобовых (соя, горох и т.п.) при начальной влажности 35% и температуре в сушильном шкафу 65°С [3].

Специально поставленные исследования показали, что при сушке зернобобовых поверхность их быстро обезвоживается, а центральная часть семян остается влажной. На рисунке 4 изображены поля влажности при сушке семян гороха при начальной влажности 35% и температуре в сушильном шкафу 65°С. Графически эти данные показаны на рисунке 5. Хорошо видно, что центральная часть боба сохраняет влажность без изменений длительное время, за которое оболочка, будучи высушенной до 8%, практически не меняет влажность. При конвективном варианте сушки динамика изменения влажности меняется, но порядок уровней обезвоживания сохраняется.

Казалось бы, проблему можно решить, применяя способ сушки с периодами отлежки, но исследования по оценке требуемого времени для выравнивания влажности в семенах зернобобовых утешительных результатов не дали.

Естественно, при существенной неравномерности влажности в зерновой массе происходит влаговыравнивание, но оно требует времени по той причине, что влага от более влажного зерна к менее влажному не переходит напрямую (зерновки касаются друг друга в точке). Процесс происходит через испарение влаги в межзерновое пространство влажным зерном и поглощение влаги из межзерновых воздушных объемчиков менее влажным зерном. При этом разница во влажности 2-3% сохраняется длительное время (рис.6).

Рис.6. Динамика изменения влажности фракций в смеси «сухого» и «влажного» зерна [3].	Рис.7. Температура зерна при нагреве его воздушным потоком [3].

При сушке температура зерна всегда ниже температуры теплоносителя (рис.7). Такая разность при указанных условиях объясняется интенсивным испарением влаги с поверхности зерна, что и удерживает температуру зерна ниже температуры теплоносителя.

При меньшей начальной влажности зерна процесс сближения температуры теплоносителя и зерна происходит быстрее. Этот процесс также зависит от интенсивности конвективного теплообмена. При скорости теплоносителя 0,6-0,7 м/с указанная разница (2-3°С) устанавливается за 10-15 минут, а при сушке в кипящем слое - через 3-5 минут.

Снижение температуры на поверхности зерна объясняется отбором энергии от теплоносителя на разрыв молекул воды при их переходе из жидкой фазы в пар – т.е. в воду газообразную. При этом если рассмотреть вопрос в статике, т.е. при неподвижной семянке, то теплоноситель, обтекая ее, активнее воздействует на поверхность с одной стороны, т.е. градиент температуры в пограничном слое на этой стороне семянки выше, чем на обратной (рис. 8). Это вызывает неравномерность влагоудаления, и при определенных условиях может привести к образованию микротрещин в зерновке.

Рис.8. Схема распределения температур при конвективной сушке зерна.

Влагопроводность зерен различных культур разная и характеризуется коэффициентом влагопроводности.

 

k = P΄₃/ P_м,

где P΄₃ – парциальное давление пара в зерне в конце сушки, P_м – парциальное давление пара в зерне в начале сушки.

Величина этого коэффициента позволяет оценить величину влажности поверхности зерна, т.е. его оболочки и средней части зерна. Величина этого коэффициента для мелких семян 0,8-0,9, для пшеницы – 0,7, а для бобовых культур 0,3-0,4. Тогда при средней влажности пшеницы в конце сушки, равной 14%, защитная пленка имеет влажность 14х0,7=10%, а для бобовых, соответственно, при влажности зерна 12% оболочка высушена до 12х0,4=5%. Именно это приводит к растрескиванию оболочки при сушке зернобобовых культур. Для предупреждения этого требуется отлежка с целью влаговыравнивания в зерне.

Естественно, что при изменении температуры окружающего воздуха при фиксированной относительной влажности его (70%) равновесная влажность сои меняется (рис.10).

Структура зерновки не может быть отнесена полностью к пористому материалу, ибо в ней большую часть составляют коллоиды, со всеми характерными для них свойствами. Одно из них особо значимо для понимания проблемы сушки – зерно, как любое коллоидное тело, легко вбирает влагу и плохо ее отдает, поскольку влага, попав в зерно, участвует в сложных биохимических процессах. То есть, зерно гораздо легче увлажнить, чем высушить. Зерно легко берет влагу из окружающей среды и очень «неохотно» отдает ее обратно. На рисунке 9 показано зависимость увлажнения семян пшеницы и масличных культур в зависимости от относительной влажности воздуха. Из графика видно, что вентилирование зерновых и масличных культур при относительной влажности воздуха более 70% приводит к увлажнению семян выше критического (допустимого) значения.

Рис.9. Зависимость влажности зерна от относительной влажности воздуха [3].

Что касается сои, то такая особенность - активно впитывать влагу, присуща всем семенам с большой долей белка в составе зерновки, поскольку именно белок способен «вобрать» воды в 2 раза больше собственной массы.

Интенсивность испарения влаги из зерна в 16 раз меньше, чем с открытой водной поверхности при той же температуре теплоносителя и скорости его движения над поверхностью. Так что свободной влаги в зерне мало.

Таким образом:

-        с увеличением относительной влажности воздуха процесс увлажнения зерна ускоряется;

-        критические значения влажности зерна приходятся на относительную влажность воздуха в диапазоне 65-70%;

-        допустимая влажность масличных культур ниже, чем у зерновых по той причине, что масло не увлажняется, и вся влага в семенах масличных культур приходится на белок и клетчатку, и с учетом доли масла, влажность этих компонентов также находится в пределах 14%.

Температуру зерна, его влажность и время воздействия температуры определенного значения необходимо взаимосвязывать при сушке зерна, чтобы не снизить посевные качества семян. Допустимые значения температур при различных величинах времени воздействия на зерновку, не влияющие на жизнедеятельные процессы в ней, зависят от влажности зерна – чем выше влажность, тем ниже допустимые значения температур. Необратимое снижение жизнедеятельности влажного зерна начинается при 55°С.

Рис.10. Зависимость влажности семян сои от температуры окружающего воздуха [2].

Интенсивность удаления влаги из зерна при сушке зависит от двух параметров: влажности зерна и температуры теплоносителя. Чем выше влажность, тем интенсивнее происходит влагоудаление. При этом зона допустимых температур зерна, не приводящих  к снижению жизненных процессов в нем, составляет 45-52°С. Для большей гарантии сохранения свойств семян сои при влажности 16-19% теплоноситель не должен превышать температуру 40°С, а при влажности семян 25-30%  - 30°С.

Для оценки влаговыравнивания при отлежке бобовых культур проводились специальные исследования. Были взяты бобы гороха с начальной влажностью 26%, подсушенные до средней влажности 19%. Влажность оболочки при этом составляла все те же 8% (8,7%). Через час в герметичном объеме без влагообмена с окружающей средой влажность оболочки под действием влаговыравнивания поднялась до 9,9%, т.е. влажность поднялась всего

Рис.11. Влаговыравнивание в семенах зернобобовых культур за время их отлежки после сушки с 26% до 19% [3].

на 1,2%, а через 1,5 часа влажность оболочки составила всего 10,4%, т.е. темп влаговыравнивания снизился.

Тогда был поставлен более длительный эксперимент с временем отлежки 48 часов, результаты приведены на рисунке 11. При активном вентилировании этот процесс происходит быстрее, поскольку влага из межзернового пространства удаляется. Если учесть, что время отлежки требует емкостей, что затрудняет поточность технологии сушки, то, применительно к зернобобовым культурам, с целью предотвращения растрескивания семян сои при сушке, необходимо на первом этапе нагрева семян подавать относительно влажный теплоноситель умеренной температуры, и влагосъем по среднему значению влажности на всем этапе сушки не должен превышать 3%.

В этом случае сушки с рекуперацией тепла до 70% имеют предпочтение перед другими, так как при такой схеме первая фаза сушки – нагрев семянки, происходит под воздействием увлажненного теплоносителя умеренной температуры, и пересушивания оболочки боба не происходит. А еще лучше располагать сушкой с переменной долей теплоносителя, направляемой на повторный круг, чтобы регулировать коэффициент рекуперации в зависимости от влажности культур, поступающих на сушку.

А что касается семян высоких репродукций, то щадящий режим сушки должен отвечать следующим требованиям:

-        температура теплоносителя не выше 40°С;

-        толщина слоя семян не более 60 см;

-        смена направления движения теплоносителя через 1,5-2 часа;

-        влагосъем не более 5-7%;

-        время сушки 15-16 часов.

Для выполнения этих требований должны быть соответствующие сушильные установки, аналогичные сушкам кукурузных початков с реверсом теплоносителя.

Как правило, сравнение сушек проходит в плоскости их экономической эффективности, а такой параметр, как неравномерность сушки, редко оценивается. Для примера, возьмем модульную сушилку колонкового типа и рассмотрим неравномерность сушки зерна при указанных параметрах на входе и выходе из одной колонны (рис.12, 13).

Зерно на расстоянии 3 см от «горячей» стенки нагрето до температуры 102°С и высушено до 10%, а на расстоянии от той же стенки 35 см имеет температуру 51°С и влажность практически ту, с которой поступило в колонну - 24%. Такая неравномерность сушки чревата тем, что пересушенное зерно легко будет крошиться при незначительном механическом ударе по той причине, что внутренняя трещиноватость даже при температуре зерна 50°С и температуре теплоносителя (температура агента сушки t_аc) 90°С составляет около 20% [5]. А что касается семян сои, то при такой неравномерности они разрушатся на семядоли.

Из вышесказанного видно, что с позиций равномерности сушки сои и с целью снижения ее растрескивания, предпочтения надо отдавать шахтным сушкам. Но и о них тоже необходимо поговорить подробнее.

Классификация сушек может выглядеть следующим образом (рис.14).

Тип зерносушилок	Вариант исполнения
Зерносушилки гравитационного типа	Шахтные зерносушилки
	Модульные зерносушилки
	Башенные зерносушилки
Зерносушилки с принудительным перемещением зерна	Барабанные зерносушилки
	Конвейерные зерносушилки
	Зерносушилки DRYER ONE
Рис.14. Классификация сушек

Во всех зерносушилках гравитационного типа, зерно в процессе сушки движется под собственным весом сверху вниз, испытывает повышенное давление под воздействием выше находящейся массы зерна. При этом перемещение зерна сопровождается трением как между зернами, так и между зерном и твердыми металлическими поверхностями зерносушилки, что приводит к травмированию защитной оболочки зерна и образованию зерновой пыли. Особенно этот процесс присущ шахтным зерносушилкам, в которых зерно непрерывно ворошится, двигаясь по трехмерной синусоидальной траектории при обтекании стальных коробов подвода и отвода теплоносителя. Из-за медленного движения трущегося зерна, зерновая пыль обнаруживается лишь после сушки в процессе его последующего пересыпания.

 Кроме этого, высокая теплопроводность стальных коробов при контакте зерна с ними, приводит к локальному перегреву зерна, при котором возможна денатурация белка в зародыше. Процесс перегрева зерна из-за прямого контакта с горячим коробом усугубляется еще и тем, что скорость движения зерна,
 

Рис.15. Схема движения зерна при обтекании коробов шахтной зерносушилки.

скользящего по коробу намного меньше скорости движения зернового потока между коробами (рис.15).

Как уже было сказано выше,  в силу исключительно высокой теплопроводности стали (в сто раз теплопроводность выше, чем у бетона или кирпича), температура на наружной поверхности стальных коробов, обтекаемых зерном, практически, равна температуре теплоносителя. В случае если температура теплоносителя выше допускаемой для семян, то при прямом контакте с коробом семена, нагреваясь, теряют посевные свойства. Для возможного устранения этого перегрева зерна в шахтных зерносушилках короба необходимо делать двустенными, но это удорожает сушку (рис.16).

При этом, внешний короб, с которым входят в непосредственный контакт семена, нагревается только за счет лучистого потока (q_л) от внутреннего короба, и по расчетам температура его существенно ниже температуры теплоносителя.

 

Рис.16. Схема работы двустенных коробов.

С целью влаговыравнивания в семянке и во всем объеме семян сои, после шахтной сушки необходима отлежка в специальной емкости с активным вентилированием. При отлежке в такой емкости происходит влаговыравнивание как в отдельно взятой семянке, так и в зерновой массе в целом. Кроме того, при отлежке продолжается досушивание семян сои. После нескольких часов отлежки необходимо провести активное вентилирование. В процессе этого будут удалена влага из межзернового пространства, и окончательно зерновая масса будет выровнена как по влажности, так и по температуре.