Механизм самосогревания зерна при его хранении.

 

 

 

Зерно – живое существо, созданное природой и наделенное способностью воспроизводить себе подобное. Как и любое другое живое существо оно дышит, т.е. поглощает кислород, который вступает в окислительные реакции с углеводородами состава зерна, в результате чего выделяется углекислый газ и вода. Реакция окисления происходит с выделением теплоты.

Мы редко задумываемся, что все живое подчинено общим законам. Биохимические процессы, обеспечивающие жизнь человека, в грубой форме сравнения, точно также требуют пищи, основа которой углеводы, точно также и в клетках организма происходят процессы окисления поступивших веществ, при их взаимодействии с кислородом, привнесенным в клетку в составе крови после насыщения им в легких. Продукты окисления (СО₂ и Н₂О) выводятся из клетки в обратном движении крови. В холодную погоду хорошо видно, как молекулы воды при выдохе конденсируются в туман. Да и температура нашего тела (36,6 С°) – результат окислительных процессов углеводов. Только разница в том, что пищу (продукты питания) мы покупаем в магазине или выращиваем в огороде, а зерновка берет питательные вещества из своих запасов, но берет очень экономно (0,1-0,3% от сухой массы зерновки за год хранения), оставшийся основной запас идет на питание зародыша при прорастании.

Пишу об этом в такой форме сравнения с целью оставить в памяти читателя убеждение – зерно это живое существо со всеми составляющими процесса жизнедеятельности. Чисто химическая формула этого процесса для одного килограмма сухого вещества зерна выглядит так:

 С₁₂Н₂₂О₁₁ + 12О₂ → 12СО₂ + 11Н₂О + 1,567 * 10^-3 кВт

углеводы + кислород → уг.газ + вода + теплота

Рис.1. Запуск процесса самосогревания зерна [1].

Рис.2. Интенсивность дыхания и тепловыделения зерна пшеницы в зависимости от влажности зерна при t=25°С [1].

Рис.3. Биохимические и микробиологические процессы в зерне и его жизнеспособность в зависимости от влажности зерна при t=25°С [1].

Т.е. каждый килограмм сухого вещества в процессе полного окисления дает тепловой эффект 2870 КДж, при этом в зерновую массу выделяется 0,58 кг воды и 1,54 кг СО₂.  Процессы окисления зерна проходят тем интенсивнее, чем выше температура зерновой массы. Все бы ничего, только на зерне всегда обитают микроорганизмы, и их жизнедеятельность зависит от условий, в которых находится зерно! Если температура и влага находятся в благоприятном соотношении для жизнедеятельности и размножения микроорганизмов, то это и происходит. Суть жизнедеятельности микроорганизмов та же – поглощение питательных веществ зерновки и выделение СО₂, воды и тепла. Необходимо отметить, что микроорганизмы способны употреблять питательные вещества исключительно в жидкой форме, т.е. по сути, они их пьют. Более 90% энергии микроорганизмы расходуют на дыхание и остальное расходуется ими на поддержание жизни и размножение. Это говорит о том,  что для жизнедеятельности микроорганизмов необходим конденсат водяных паров. В процессе самосогревания зерна дыхание микроорганизмов, складываясь с дыханием самого зерна, что и ускоряет процесс.

Процесс нагревания зерна до какого-то значения температуры обратим (точка В на рис.1), т.е. можно вернуться к меньшей температуре без изменения качества зерна, но, начиная с какого-то значения температуры, процесс становится необратимым (точка С на рис.1), и

 самосогревание прогрессирует очень быстро. Если не вмешаться в этот процесс, зерно придет в полную негодность. Температура окружающей среды при этом на процесс, практически, не влияет. Известны случаи полного уничтожения зерна при самосогревании, когда температура воздуха за пределами хранилища составляла -40°С.

 При этом происходит лавинное размножение микроорганизмов. Стойкость микроорганизмов к температурам различна. Менее термостойкие при росте температуры прекращают жизнедеятельность и передают «эстафету» более термостойким, и те доводят зерно до полной непригодности. Этот процесс многие исследователи отслеживают по интенсивности выделения СО₂.

Исследования показывают [1], что физиологическая активность при увеличении влажности зерна более 14% и при начальной температуре 25°С резко усиливается (рис.2). Видно, что  интенсивность дыхания зерна и тепловыделение при этом тесно взаимосвязаны. Но гораздо большую значимость в процессе запуска самосогревания в зерновой массе играет свободная влага, как носитель питания для микроорганизмов постоянно находящихся на зерне. Если процесс жизненной активности собственно зерна сильно зависит от его влажности и температуры, то процесс жизнедеятельности микроорганизмов еще в большей мере зависит от указанных параметров. Естественно, что при этом происходит резкое увеличение числа колоний плесневых грибов (рис.3). Микроскопические грибы в процессе своего роста проникают в зародыш и эндосперм, отравляют ткани зародыша. Потеря всхожести в процессе развития самосогревания указывает на прекращение жизнедеятельности зерна и снижение доли его участия в дальнейшем развитии самосогревания. До предела процесс доводят только микроорганизмы. Резкое падение всхожести происходит при подъеме температуры выше 35°С. Специалисты связывают это с началом денатурации белка зародыша.

Практически совпадение кривых увеличения числа колоний микроскопических грибов в зерновой массе и интенсивности их дыхания (по выделению СО₂) позволяют уверенно связывать эти процессы количественно.

Из рисунка 3 видно, что до исходной влажности 16-17% при начальной температуре 25°С размножение микроорганизмов практически не увеличивается, но стоит добавить всего 2% влажности, и процесс принимает лавинное ускорение. Не случайно перед словом влажность стоит слово исходная, ибо понятно, что влажность зерна в процессе самосогревания увеличивается и в приведенном примере, при исходной влажности 25%, конечная уже была 30%.

Необходимо отметить особенности самосогревания подсолнечника и других масличных культур. Подсолнечник имеет энергию дыхания намного выше других культур. За ним по мере убывания энергии дыхания идут кукуруза, овес, рожь, пшеница, гречка, бобовые. Кроме этого, дыхание подсолнечника зависит от его масличности. Так, дыхание при масличности  50% в четыре раза интенсивнее, чем при масличности 40%.

Если у зерновых температурный предел самосогревания 80-90°С, при котором погибают самые термостойкие микроорганизмы (понятно, что при этом все зерно почернело и пришло в негодность), то у подсолнечника биологическая фаза самосогревания, описанная выше, при температуре 50-55°С переходит в химическую, которая продолжается после отмирания всех микроорганизмов, приводя семена в полную негодность. Фаза химического самосогревания подсолнечника – это гидролиз масла в результате комплекса химических реакций, при котором температура повышается до 200-300°С, что и может привести к самовоспламенению. А поскольку процесс гидролиза до самовоспламенения сопровождается образованием газов, в состав которых входят углеводороды то, самовоспламенение приводит к взрыву, что, к сожалению, иногда и случается при хранении подсолнечника в хранилищах различного типа, но чаще в сушках, когда образуется свод при снижении текучести греющегося подсолнечника, а радикалы, образующиеся при горении углеводородного горючего в топках встроенных газогенераторов, проскакивают с теплоносителем в объем нагретого горючего газа и вызывают взрыв.

Еще одна особенность хранения подсолнечника – окисление масла в ядре семянки. Исследования показывают, что даже при активном вентилировании подсолнечника за пять месяцев хранения кислотное число (КОН) возрастает на 0,5-0,65%. Это значит, что на хранение должен закладываться подсолнечник с кислотным числом не более 1,3 мг КОН, только такие семена при должных условиях по температуре и влажности и при активном вентилировании к концу хранения не превысят допустимую норму – 2 мг КОН.

Рис.4. Очаг гнездового самосогревания.

Рис.5. Распространение самосогревания в сторону более засоренной части зерновой насыпи.

И, наконец, третья особенность. Зерновые при согревании до 28-29°С при последующем охлаждении и сохранении в требуемых условиях (влажность 12-13% и температура около 10°С) не претерпевают каких-либо необратимых изменений, а у подсолнечника при вышеназванных температурах повышается кислотное число и в дальнейшем уменьшить его уже никакими приемами не возможно. Все это накладывает на обращение с подсолнечником особенные требования как при подготовке его к хранению, так и самому хранению.

Таким образом, очаг самосогревания, будучи запущенным, является самодостаточным для распространения границ самосогревания в прилегающие объемы зерна, поскольку все необходимые условия для этого – вода и тепло – генерируются самим очагом. Схематично этот процесс показан

 

 Интересно то, что микроорганизмы запустив процесс самосогревания зерна, сами же в этом очаге (при температуре критической для них) разрушаются, однако при этом провоцируют высокую активность других, более термостойких микроорганизмов. Так полевые грибы в конкурентной борьбе уступают место грибам хранения. По мере увеличения температуры, дыхание зерна уменьшается из-за его «умирания», а микроорганизмов – нарастает.жизнедеятельности микроорганизмов,  находящихся в зерне и, еще быстрее в соре, поскольку сор, в силу большей зараженности микроорганизмами быстрее присоединяется к очагу самосогревания. Дыхание микроорганизмов, как было сказано выше, намного активнее дыхания зерна, а их количество быстро увеличивается, и процесс повышения температуры в очаге самосогревания ускоряется. 

Теплоотвод от 

Горячий воздух в очаге содержит много молекул воды, т.к. он ее испарил, и при встрече с холодным зерном эта молекулярная вода конденсируется в виде капель, тем самым активизируя жизнь микроорганизмов в направлении движения температуры. Именно вода обеспечивает питание микроорганизмов. Интересно, что плесневые грибы тратят на дыхание около 90% потребляемых органических веществ зерна и только 1% на построение собственного организма, т.е. образно можно сказать, что микроорганизмы зерно «выпивают», а «выпитое выдыхают», но это «дыхание» и несет в себе влагу и тепло.очага самосогревания затруднен плохой теплопроводностью зерна. 85% выделяемого тепла концентрируется в очаге самосогревания и радиус изменения температуры от очага не более 1 м. т.е. теплота, выделяемая зерном и микроорганизмами при их активной жизнедеятельности, не «торопится» покидать очаг, тем самым удерживая в нем высокую температуру.на рисунках 4, 5. Тепло и влага быстро запускают механизмы

Рис. 6. Зерно и воздух в межзерновых зазорах.   Рис. 7. Коэффициент теплоемкости различных материалов и зерновой массы [2].

 Встает вопрос – почему такая устойчивость очага самосогревания? Почему не происходит отвод теплоты от очага в холодное зерно? Вернее, происходит, но очень медленно, в силу плохой теплопроводности зерновой массы. Если рассмотреть единицу объема зерна пшеницы – 1м³, то количество зерен в нем составляет 25 млн. штук (масса 1000 шт. – 30 г), а значит и такое же количество локальных воздушных объемчиков в зазорах между зернами, сообщенных между собой. Схематично это показано на рисунке 6. Таким образом, зерновая масса представляет из себя пористый проницаемый материал с очень малой теплопроводностью и высокой теплоемкостью. Так, в сравнении с известными теплоизоляторами, теплоемкость зерновой массы сопоставима с материалом из пробки (рис. 7).

 

Рис 8. Температура центральной зоны зерновой массы при хранении с февраля по август [2].

Это объясняется тем, что в силу вязкости воздуха и наличия пограничных слоев у границ твердых стенок (поверхность 
зерен), 
скорость движения воздуха у твердой стенки равна «0». То есть массообмен воздуха в зерновой массе происходит чрезвычайно медленно. Это значит, что при отсутствии конвективного тепломассопереноса, теплообмен осуществляется исключительно теплопроводностью воздуха, имеющего очень низкое значение коэффициента теплопроводности. Именно поэтому, градиент температуры от очага самосогревания в зерновой массе в сторону холодного зерна не превышает радиус 0,5-1,0 м. Все 
вышесказанное легко объясняет длительную сохранность того значения температуры в зерновой массе, при которой оно было засыпано на хранение. Так, зерно, будучи засыпано в хранилище в августе при температуре 20°С, охладится до температуры равной 0°С лишь к маю, а будучи засыпанным в декабре при -12°С, подойдет к отметке 0°С только к августу (рис. 8)

Приведенные данные позволяют сделать три вывода:

-        зерновая масса в состоянии длительное время удерживать уровень температуры, при котором зерно было засыпано в хранилище;

-        после любого теплового воздействия зерновую массу необходимо охладить, иначе зерно долгое время будет находится под воздействием высокой температуры;

Рис.9. Зависимость влажности зерна от относительной влажности воздуха [2].

Кроме того, о влажности зерна необходимо знать следующее. 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.-        зерновая масса, будучи охлажденной сухим воздухом способна удержать низкую температуру несколько месяцев.

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.

Борьба с потерями зерна из-за согревания является важнейшей задачей и рассматривается во всем мире, как один из резервов сокращения недостатка в снабжении населения продуктами питания. В связи с этим снижение травмирования зерна является составляющей решения проблемы, т.к. травмированное зерно (механически поврежденное) увеличивает вероятность начала самосогревания со всеми вытекающими последствиями.

Именно поэтому, следующие разделы посвящены доказательству необходимости очистки зерна и анализу эффективности зерноочищающих машин.