Сушка зерна – суть проблемы

В процессе длительной эволюции растений природа наделила их способностью обязательного воспроизводства. Для этого растение продуцирует семена в количестве в сотни, а то и в тысячи раз больше, чем необходимо для равновесного замещения в следующем сезоне. «Логику» природы понять легко – из всего количества семян в бесконечном сочетании случайных событий обязательно сложатся условия для прорастания отдельных семян, и популяция будет сохранена.

Человек, в борьбе за свое собственное выживание в результате длительного наблюдения, выявил необходимые условия для сохранности зерна в способности к прорастанию и, вообще, к длительному хранению. Основными условиями для этого оказались целостность зерна, температура и влажность его при хранении.

Поскольку средняя относительная влажность окружающей среды около 70%, то для этого значения были определены уровни равновесной влажности, обеспечивающие сохранность семян различных культур при температуре воздуха 20°С. Значения эти оказались для зерновых 13-14%, для сои – 12%, для подсолнечника – 8% и т.д. Как правило, в процессе уборки не часто удается получить указанные параметры по влажности зерна, и сушка зерна в этом случае является очень важным и обязательным звеном в послеуборочной обработке семян. Вообще, сушка семян заметно «облагораживает» будущие семена, ибо:

- ускоряет послеуборочное дозревание семян;

- выравнивает семена по спелости;

- останавливает жизнь микрофлоры даже на травмированных семенах;

- выравнивает влажность отдельных зерен и частей зерна.

Рис. 1. Всхожесть зерна за период послеуборочного дозревания [1].

Рис. 2. Влажность семян, корзинки и стебля после десикации перед уборкой [2].

Рис. 3. Распределение влажности в партии пшеницы при уборочной влажности 22% [1].

Рис. 4. Динамика изменения влажности фракций в смеси «сухого» и «влажного» зерна [1].

Рис. 5. Температура зерна при нагреве его воздушным потоком [1].

Рис. 6. Схема распределения температур при конвективной сушке зерна.

Есть один важный момент, на который хотелось бы обратить внимание. Поскольку при сушке зерна часто возникает вопрос о снижении посевных свойств и связи этого снижения с перегревом зерна, то в таких оценках необходимо учитывать этап послеуборочного дозревания, который у зерновых колосовых занимает не менее 40 дней. На рисунке 1 этот процесс показан для озимой пшеницы и ржи. Во избежание ошибок при оценке посевных свойств семян этот период надо учитывать.Агрономам известно, что при уборке некоторых культур влажность зерна и влажность фрагментов растений, попадающих в бункер комбайна, могут отличаться в разы. Так, для подсолнечника в поле эта разница, даже после десикации, составляет: стебля в 5 раз, а корзинки в 3 раза выше влажности семян [2] (рис. 2).Кроме того, влажность отдельных семянок на материнском растении так же отличается. Т.е., если мы влагомеромпомерили осредненную влажность, взятого для этой цели образца, то надо понимать, что в бурте свежескошенного зерна обязательно есть семянки, влажность которых заметно выше или ниже средней. Так, исследования показывают, что в бурте свежескошенной пшеницы при средней влажностиравной 22%, примерно 10% семян имеют влажность ниже 17%, и около 20% семян увлажнены на уровне 25% [1]. По другому быть и не может, ибо подобные распределения параметров подчиняются закону Гаусса (рис. 3).

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 происходит 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. 4).

При сушке температура зерна всегда ниже температуры теплоносителя (рис. 5).

Такая разность при указанных условиях объясняется интенсивным испарением влаги с поверхности зерна, что и удерживает температуру зерна ниже температуры теплоносителя. Для мелких семян температура на поверхности семянки и в середине практически не отличаются.

При меньшей начальной влажности зерна процесс сближения температуры теплоносителя и зерна происходит быстрее. Этот процесс так же 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. 6). Это вызывает неравномерность влагоудаления, и при определенных условиях может привести к образованию микротрещин в зерновке.

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.

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 которых 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. Интенсивность испарения влаги из зерна пшеницы 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.

Кроме того, необходимо знать, что:

- с увеличением относительной влажности воздуха процесс увлажнения зерна ускоряется (рис. 7 и 8);

- 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 так же находится в пределах 14%.


Рис. 7. Зависимость влажности зерна от относительной влажности воздуха.	Рис. 8. График равновесия относительной влажности воздуха и влажности зерна кукурузы при 20°С.

Рис. 9. Допустимые значения уровня температур зерна и время воздействия для разных значений влажности зерна не приводящих к снижению посевных качеств [1].

Рис. 10. Влияние влажности зерна на интенсивность испарения влаги с его поверхности [1].

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 (рис. 9). Необратимое снижение жизнедеятельности влажного зерна начинается при 55°С (коагуляция белка в зародыше и алейроновом слое), а сухого при 65°С. При этих значениях температуры зерно не должно находиться более 5 минут (рис. 9) [1].

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 (рис. 10).

Это общие положения, но для сушки семян различных культур, в силу разного соотношения белка и крахмала, в силу разной крупности, имеются особенности, которые надо учитывать при сушке. Рассмотрим эти особенности на примере крупных семян таких культур, как бобовые (соя, нут, горох, фасоль и т.п.) и подсолнечника.

Наиболее сложным объектом сушки являются крупные семена зернобобовых. 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.

Рис. 11. Способность к поглощению воды разными составляющими зерна пшеницы [3].

Рис. 12. Динамика сушки семян бобовых культур и пшеницы [1].

Особенности эти обусловлены следующим. 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. 11) [3]. 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. На рисунке 12 показана сравнительная динамка сушки бобовых и пшеницы. Если взять отношение тепла потраченного на нагрев зерна и на испарение влаги (так называемый критерий Косовича*), то 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 [1].

*К=тепло на испарение влаги/тепло на нагрев зерна

Что же до оболочки бобовых культур, то, во-первых, они при тепловой конвекции очень быстро отдают влагу и, не являясь эластичными (в отличии от оболочки кукурузы), легко лопаются при сушке, что приводит к дроблению боба на две доли. На рисунке 12 показан процесс изменения влажности разных частей семянки гороха при сушке [1].

Специально поставленные исследования показали, что при сушке зернобобовых поверхность их быстро обезвоживается, а центральная часть семян остается влажной. На рисунке 13 изображены поля влажности при сушке семян гороха при начальной влажности 35% при температуре в сушильном шкафу 65°С. Графически эти данные показаны на рисунке 14. 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.

Рис. 13. Схема распределения влажности в оболочке и в центре боба через час, два и три часа сушки. Температура теплоносителя 65°С [1].

Тогда был поставлен более длительный эксперимент с временем отлежки 48 часов, результаты приведены на рисунке 15. Если учесть, что время отлежки требует емкостей, что затрудняет поточность технологии сушки, то применительно к зернобобовым культурам с целью предотвращения растрескивания бобов при сушке необходимо на первом этапе нагрева бобов подавать относительно влажный теплоноситель умеренной температуры и влагосъем по среднему значению влажности на всем этапе сушки не должен превышать 3%.Казалось бы, проблему можно решить, применяя способ сушки с периодами отлежки, но исследования по оценке требуемого времени для выравливания влажности в семенах зернобобовых утешительных результатов не дали. 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 поднялась до 9,9%, т.е. влажность поднялась всего 1,2%, а через 1,5 часа влажность оболочки всего составила 10,4%, т.е. темп влаговыравнивания снизился.

Рис. 14. Изменение влажности разных частей зернобобовых (соя, горох и т.п.) при начальной влажности 35% и температуре в сушильном шкафу 65°С [1].

В этом случае сушки с рекуперацией тепла до 70% имеют предпочтение перед другими, так как при такой схеме первая фаза сушки – нагрев боба 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 культур поступающих на сушку.

Особенности сушки подсолнечника заключаются в том, что плодовая оболочка (лузга) и ядро сильно отличаются по структуре, физическим и механическим свойствам. Семена подсолнечника состоят из плодовой оболочки (лузги), семенной оболочки (пленки) и семени (ядра). Главная функция плодовой оболочки состоит в предохранении ядра от механических повреждений и разрушительного воздействия микроорганизмов и некоторых вредителей. Плодовая оболочка, как правило, плотно прилегает к ядру. Воздушные полости находятся в острых ребрах семянки.

В соответствии с анатомическим и структурным строением, химическим составом отдельная семянка как объект сушки представляет собой биоколлоидную систему двухкомпонентного сочетания: капиллярно-пористого (плодовая оболочка) и коллоидного (ядро) тел, для которых характерно наличие всех видов связи влаги.

Рис. 15. Влаговыравнивание в семенах зернобобовых культур за время их отлежки после сушки с 26% до 19% [1].

Общее количество влаги в семянке и распределение ее между ядром и плодовой оболочкой зависит от многих факторов: погодных условий, степени зрелости и биологических особенностей самих семян. В период уборки в зависимости от района возделывания средняя влажность семян колеблется в широких пределах.

Неоднородность семечки – наличие высокобелкового ядра, прочно удерживающего влагу, и плодовой оболочки (лузги), легко теряющей влагу – требует создания таких условий сушки, при которых будет происходить интенсивное удаление слабо связанной поверхностной влаги из капиллярно-пористой оболочки и перемещение прочно связанной влаги в коллоидном ядре к поверхности семечки.

Влагоинерционность семян, обусловленная низким коэффициентом влагопроводности, создает условия для растрескивания семян при форсированной конвективной сушке. При быстром испарении влаги с поверхности происходит усадка семян, а из-за низкой влагопроводности влага не успевает переместиться из глубинных слоев семени к поверхности. В результате этого семенная оболочка трескается.

При сушке семян подсолнечника в шахтных сушилках выявлен еще ряд существенных недостатков: неравномерность скорости движения внутри шахты и распределения сушильного агента в зонах сушки. Следствием этого является неравномерное и, местами, очень сильное нагревание семян по всей ширине шахты, что приводит к возникновению пожаров и ухудшению качества семян и содержащегося в них масла. Используются рециркуляционные сушилки, в которых сушка и отлежка многократно чередуются, что способствует более полному и равномерному высушиванию семян. При отлежке происходит перераспределение влаги внутри семени, а также испарение влаги с поверхности за счет аккумулированного тепла. При испарении влаги, при отлежке температура поверхности семян снижается. Это приводит к тому, что влага начинает перемещаться к поверхности не только в результате влагопроводности, но и влагопереноса,

В следующей статье рассмотрим принцип работы сушек разного исполнения.обусловленного свойством термовлагопроводности [4].