Текст книги "Технология хранения зерна и семян"

Зерновая масса, состоящая из громадного числа зерновок и некоторого количества примесей с промежутками, заполненными между ними воздухом, является сыпучим материалом.

Способность зерна и зерновой массы перемещаться по какой-либо поверхности, расположенной под некоторым углом к горизонту, называется сыпучестью. Наиболее сыпучи зерновые партии, состоящие из семян шарообразной формы с гладкой поверхностью (горох, просо, соя). Меньшая сыпучесть у зерновой массы, состоящей из зерен продолговатых, тонких, с шероховатыми оболочками или цветковыми пленками. Снижают сыпучесть примеси, особенно мелкие или с шероховатой поверхностью.

В практике хранения зерна и семян сыпучесть зерновых масс используется для перемещения зерна по принципу самотека. Поднятая на верхние этажи элеватора зерновая масса, под действием силы гравитации самотеком направляется на расположенные в нижних этажах зерноочистительные машины. Принцип самотека используется при отгрузке зерна из силосов элеватора, и в технологическом процессе работы шахтных сушилок. Благодаря сыпучести зерновая масса способна заполнять хранилища самой различной конфигурации.

Показатель сыпучести зерна и семян характеризуется углом естественного откоса. Под углом естественного откоса (углом ската) понимается угол между диаметром основания и образующей конуса, возникающий при свободном падении зерновой массы на горизонтальную плоскость. Угол естественного откоса составляет: для пшеницы и ржи 23–38є, для овса и подсолнечника 31–45є, для проса 20–25є, для кукурузы 30–40є, для риса-зерна 27–48є. Тот наименьший угол, при котором зерно начинает двигаться самотеком по наклонной плоскости, получил название угла трения.

Высокой сыпучестью обладают партии зерна, имеющие зерно шаровидной формы и с гладкой поверхностью.

Сыпучесть зерновой массы зависит от вида культуры, засоренности, влажности и снижается при продолжительном хранении зерна без перемещения. Зерновая масса при длительном хранении уплотняется, и сыпучесть ее снижается. Очень сильно сыпучесть снижается при самосогревании зерновых масс.

Этот процесс является следствием сыпучести, происходит в недостаточно подготовленной к хранению партии зерна, когда она неоднородна и в ней присутствуют тяжелое, выполненное зерно, тяжелые примеси, а также легкие зерна и примеси.

Зерновая масса, не прошедшая полную очистку и калибровку по крупности, чрезвычайно неоднородна по своему составу. Например, масса 1000 зерен овса, взятых из нижней части колоска метелки, нередко вдвое превышает массу других зерен того же колоска. Вследствие этого при засыпке недостаточно очищенного зерна овса в склад происходит его самосортирование. Отсортировавшаяся зерновая масса у подножия насыпи, по данным ВНИИЗ, содержит щуплых и мелких зерен 18 %, органической примеси 13,5 %. Пленчатость зерна в этой части насыпи намного выше (42 %), чем у основной массы зерна в насыпи (32 %).

При заполнении силосов элеватора неоднородной зерновой массой зерно падает с большой высоты и в процессе падения, вследствие различия в массе и аэродинамических свойств зерна и примесей, разделяется на тяжелую и легкую фракции. Тяжелые зерна и примеси располагаются у центра дна силоса, а легкие – ближе к его стенкам. В момент выпуска зерна из силосов самосортирование усиливается, в первую очередь вытекает тяжелое зерно. От этого в силосе нарушается однородность зерновой массы, в отдельных ее участках создаются условия для развития самосогревания.

В практике хранения рекомендуется для исключения самосортирования при выпуске зерна из силосов устраивать или специальные приспособления, или по всей площади днища делать несколько выпускных конусов и отверстий (рис. 48).

Самосортирование происходит и при загрузке складов транспортерами, что создает неодинаковые условия хранения. Явление самосортирования необходимо учитывать при отборе проб зерна для определения качества партий зерна. В методике взятия точечных проб зерна предусмотрено это явление, и поэтому пробы отбираются в различных слоях зерновой насыпи.

В состав зерновой массы входит воздух, находящийся в свободных пространствах между отдельными зернами. Объем складской емкости, занимаемый зерновой массой, состоит из объема собственно зерна вместе с примесями и объема воздушных каналов, находящихся между ними. Объем собственно зерна вместе с примесями, выраженный в процентах от общего объема, занятого зерновой массой, называется плотностью укладки зерновой массы, а объем воздушных промежутков – скважистостью.

Рис. 48. Явление самосортирования зерна при заполнении (а) и опорожнении (б) силоса и устройства для устранения самосортирования; в – качающийся рассеиватель зерна; г – вращающийся конус с желобом; д – днище силоса с несколькими выпускными отверстиями и сборной воронкой; е – труба с отверстиями

Скважистость может быть рассчитана по одной из формул:

где W – общий объем зерновой массы; V – объем зерна с примесями; t – плотность зерновой массы.

Скважистость зависит от насыпной плотности зерна – массы единицы объема, заполненного зерном. Насыпная плотность, или объемная масса зерна, всегда ниже относительной плотности отдельных составляющих зерновую массу. Скважистость зерновой массы изменяется в зависимости от формы и выполненности зерна, состояния его поверхности, количества и состава примесей, а также от влажности. Наиболее высокая скважистость у насыпи семян подсолнечника – 60–80 %, зерна овса – 50–70 %, риса и гречихи – 50–65 %. Зерно пшеницы, ржи, проса и гороха укладывается более плотно, у этих культур скважистость составляет 35–45 %.

Воздух межзерновых пространств крайне необходим для сохранения жизнеспособности зерна. По воздушным каналам, образующимся за счет скважистости, в зерновой массе происходит перемещение воздуха и влаги, находящейся в газообразном состоянии. За счет скважистости через зерновую массу с большей или меньшей интенсивностью можно пропускать подогретый или охлажденный воздух, а с целью уничтожения вредителей хлебных запасов проводить фумигацию. Такой технологический прием, как активное вентилирование зерна и семян широко применяется в системе элеваторно-складского хозяйства России.

Длительное хранение зерна, с большой высотой насыпи, увеличивает плотность его укладки, снижает скважистость и ухудшает в зерновой массе газообмен, что создает условия для снижения семенами всхожести и может привести к развитию процессов самосогревания.

Наряду с положительным значением скважистость имеет и негативное значение. Наличие в скважинах воздуха обуславливает низкую теплопроводность зерновой массы и слабый отток тепла, образующегося в процессе самосогревания. Скважины в зерновой массе создают великолепные условия для обитания вредителей хлебных запасов, защищают их от перепадов температур и переохлаждения в зимний период хранения зерна.

Свойство зерновой массы передавать тепло называется ее теплопроводностью.

Теплопроводность зерновой массы невысокая, т. к. ее компоненты (зерно и воздух) – плохие проводники тепла. Теплопроводящую способность характеризует коэффициент теплопроводности, показывающий, какое количество теплоты передается в единицу времени через единицу поверхности при изменении температуры на один градус на единицу длины материала:

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); Q – количество передаваемой теплоты, кДж; F – площадь поверхности, м²; t – время, с; t – разность температур, К; l – линейный размер, м.

Зерно плохо проводит тепло, коэффициент его теплопроводности колеблется в пределах от 0,12 до 0,3 Вт/(м · К), в то время, как, например, коэффициент теплопроводимости меди 300–390 Вт/(м · К). Межзерновые пространства зерновой массы на 30–70 % заполнены плохо проводящим тепло воздухом, имеющим, по сравнению с зерном меньшую, примерно в 8 раз теплопроводность. Поэтому теплопроводность у зерновой массы низкая – 0,08-0,15 Вт/(м К). В практике хранения зерна плохая теплопроводность зерновой массы и семян позволяет длительное время сохранять их в охлажденном состоянии, а холод – дешевый и незаменимый консервант любой сельскохозяйственной продукции.

С повышением показателя влажности зерна теплопроводность зерновой массы также повышается. Из-за низкой теплопроводности зерновой массы при сушке зерна кондуктивным методом возможен перегрев отдельных слоев зерна, снижается всхожесть семян, ухудшаются технологические достоинства зерна.

характеризует скорость изменения температуры в зерне, его тепловую инерцию, способность за определенный срок выравнивать температуру в различных слоях насыпи зерна. Коэффициент температуропроводности а, м²/с рассчитывается по формуле:

где а – коэффициент температуропроводности, м²/с; – коэффициент теплопроводности зерна, (Вт/м · К); с – удельная теплоемкость, Дж/(кг К); – натура зерна, кг/м³.

Коэффициент температуропроводности зерновой массы зависит от показателей влажности зерна и его температуры и колеблется в пределах 8-10 м²/с.

Имеются различия в коэффициентах тепло– и температуропроводности. Они заключаются в том, что первый коэффициент показывает, какое количество теплоты передается в единицу времени, т. е. характеризует теплоизоляционные свойства, а другой коэффициент – температуропроводность – скорость нагревания или охлаждения зерновой массы, т. е. теплоинерционные свойства. Между этими коэффициентами наблюдается следующая закономерность: коэффициент температуропроводности с увеличением коэффициента теплопроводности возрастает, а при увеличении удельной теплоемкости зерна и плотности зерновой массы уменьшается.

Из-за низкой температуропроводности насыпей зерна колосовых культур они длительное время сохраняют температуру, приобретенную в период поступления на хранение. Примерно 3 месяца требуется для выравнивания температуры насыпи высотой 4 м в складе с температурой окружающего воздуха.

Низкая тепло и температуропроводность зерновой массы в технологии хранения рассматриваются и как положительное, и как отрицательное свойство зерновой массы.

Положительным фактором является то, что хранящиеся массы зерна могут долго находиться в охлажденном за зиму состоянии даже при повышенных весенних температурах воздуха в хранилищах, отрицательным – из-за низкой температуропроводности при интенсивном дыхании зерновой массы и выделении значительного количества тепла может происходить ее концентрация в нижних слоях насыпи, что вызывает самосогревание зерна или семян.

Тепло в зерновой массе передается за счет теплопроводности в результате непосредственного соприкосновения зерен между собой и за счет конвекции тепла воздушным потоком. При конвекции происходит перемещение нагретых частиц воздуха межзерновых пространств в вышележащие слои зерновой массы. Нагретые частицы воздуха становятся легче и вследствие этого нагревают также зерно, перемещаясь в верхние слои зерновой насыпи.

Тепло при самосогревании нижних слоев зерновой массы быстро переходит в верхние слои за счет передачи его от зерна к зерну, а также за счет конвекции воздуха, поднимающегося вверх по скважинам насыпи от нагретого пласта зерна.

зерновой массы характеризуется удельной теплоемкостью – расходом тепла при нагревании 1 кг зерна на 1 °C. В зерне всегда присутствует какое-то количество влаги, и вследствие этого теплоемкость зерна определяется как составляющая теплоемкостей абсолютно сухого зерна, равная 1,32-1,55 кДж/(кг · К), и воды – 4,19 кДж/(кг К).

Удельная теплоемкость зерна рассчитывается как средняя величина между теплоемкостью абсолютно сухого зерна и воды по формуле:

где W – влажность зерна, %; C_{в –} удельная теплоемкость воды, кДж/(кг К); С_с – удельная теплоемкость сухого вещества зерна, кДж/(кг К).

Удельная теплоемкость зерна пшеницы невысокая и при влажности 10–15 % равна 1,8–2,1 кДж/(кг К).

Так как теплоемкость воды значительно выше теплоемкости сухого зерна, то с повышением его влажности показатель теплоемкости зерна возрастает.

При сушке зерна учитывают его теплоемкость. Наличие органических и других примесей в зерновой массе оказывает существенное влияние на теплофизические свойства зерновой массы, а следовательно, уравнения для определения теплофизических характеристик зерновой массы получены несколько эмпирически и применимы только в определенных границах. Хорошим подтверждением этому может служить расчет теплоемкости семян подсолнечника. Известно, что теплоемкость жира составляет 2050 Дж/(кг К), что вдвое превышает теплоемкость белков, углеводов и клетчатки. Так как в семенах отдельных сортов и партий подсолнечника содержание жира может резко варьировать, то для подсолнечника и показатель теплоемкости будет изменяться в широкой амплитуде.

Удельная теплоемкость при расчете процесса сушки и охлаждения влажных партий зерна и семян является важнейшим показателем теплофизических характеристик.

Непосредственно связана с теплофизическими свойствами зерновой массы. Термовлагопроводность – направленное перемещение в зерновой массе влаги, обусловленное градиентом температур, их перепадом. Интенсивность термовлагопроводности характеризует термоградиентный коэффициент, показывающий, какой градиент влажности создается при температурном градиенте, равном единице, и выражается в %/єК. Значение термоградиентного коэффициента, определенного А.В. Лыковым, у сухого зерна твердой пшеницы составляет 0,022-0,026 %/є К.

Влага в зерновых массах из-за перепадов температуры в различных пластах постоянно перемещается в направлении теплового потока – от более нагретых к менее нагретым слоям.

Перемещение влаги в зерновой массе вследствие термовлагопроводности имеет большое практическое значение для хранения зерна. Так, из-за неравномерного обогрева весной стен зернохранилища солнечными лучами или при размещении неохлажденной зерновой массы на холодном бетонном или асфальтовом полу в ней возникает резкий перепад температур, вызывающий миграцию влаги из слоев насыпи с большей температурой к слоям более холодным. Охлаждаясь до температуры ниже точки росы, влажный воздух образует в этих слоях капельно-жидкую влагу. Зерно представляет собой коллоиднопористое тело, способное поглощать воду с огромной сосущей силой, равной 500–700 атм. Поэтому появившаяся капельно-жидкая влага немедленно увлажняет зерно. При высокой влажности находящиеся в зерне ферменты активизируются, повышается интенсивность дыхания и возникает самосогревание зерновой массы.

Явление термовлагопроводности наблюдается как в зерне, так и в продуктах переработки зерна – в муке и крупе. Обычно мука хранится в затаренном виде – в мешках. Размещая ее на хранение, нельзя укладывать мешки с мукой непосредственно на холодный бетонный пол склада, т. к. вследствие увлажнения от термодиффузии в такой муке происходит интенсивное развитие микрофлоры, плесеней хранения. Мука приобретает затхлый запах, темнеет, теряет свои товарные достоинства и становится токсичной в результате накопления в ней микотоксинов.

Для предупреждения всех этих нежелательных явлений с мукой размещать ее на хранение следует только на деревянных поддонах, не допуская соприкосновения со стенами и полом хранилища.

Сорбция – поглощение водяных паров и газов телами. Зерно всех культурных растений, семена сорняков и вся зерновая масса способны интенсивно поглащать или, как принято говорить, сорбировать (от лат. sorbere – поглощать) различные газы и пары. Сорбционные свойства зерна высокие, что объясняется его капиллярно-пористой структурой и способностью отдельных биохимических веществ зерна поглощать и удерживать строго определенное количество воды. Система макро– и микрокапилляров зерна с высокой активностью стенок капилляров обеспечивает интенсивное поглощение и удерживание молекул воды.

Наибольшей гигроскопичностью в зерне пшеницы обладает зародыш, затем оболочка и эндосперм. Щуплые и мелкие зерна обладают большей гигроскопичностью, чем выполненные, крупные. Это связано с тем, что отношение зародыша к размеру зерновки и отношение площади поверхности к массе зерна у щуплых и мелких зерен значительно больше. Битые и деформированные при обмолоте зерна также обладают повышенной гигроскопичностью.

Из-за высокой сорбционной способности зерновых масс хранить их в помещениях, где находятся пахучие вещества, нельзя. Следует своевременно проводить очистку партий зерна, в которых обнаружены корзинки полыни, дикого чеснока, кориандра и др.

Гигроскопичность зерновых масс, т. е. способность поглощать и отдавать пары воды – одно из его важнейших физико-химических свойств, учитываемых при хранении зерна и семян.

Зерно и зерновая масса способны поглощать или отдавать пары воды, происходит процесс сорбции или десорбции влаги. Это явление получило название гигроскопичности. Десорбция воды происходит, если парциальное давление водяного пара в непосредственной близости от поверхности зерна больше, чем в окружающем воздухе. Скважистость зерновой массы, обеспечивающая ее проницаемость, дает возможность каждому зерну принимать активное участие в процессах сорбции и десорбции.

Процессы сорбции и десорбции воды находятся у зерна в состоянии динамического равновесия. Каждому значению парциального давления водяного пара, находящегося в воздухе, и температуры соответствует определенное количество сорбируемой или десорбируемой воды. Сухое зерно поглощает водяные пары до тех пор, пока не наступит так называемое гигроскопическое равновесие, т. е. прекратится обмен влаги между зерном и воздухом. Установившаяся влажность зерна при данных параметрах влажности и температуры воздуха называется равновесной.

Равновесная влажность для злаковых культур и гречихи колеблется в пределах 7-36 %. При относительной влажности 60–70 % и температуре воздуха 20 є С зерно пшеницы имеет влажность 13,4-14,8 % и будет сухим (табл. 6).

Таблица 6

Равновесная влажность зерна различных культур при температуре 12 – 25 є С, % на сырую массу (по данным Б. А. Кригер)

* Равновесная влажность при температуре 20 є С.

У гречихи наблюдается неравномерное распределение влаги в ее морфологических частях. Так, при относительной влажности воздуха 75–77 % влажность гидрофильной части целого зерна составляет 15,6-15,9 %, а влажность гидрофильных каллоидов зародыша достигает 16,5-17,0 %. Повышенная влажность гидрофильных коллоидов зародыша по сравнению с плодовой оболочкой объясняется различиями в химическом свойстве. В ядре содержится гидрофильного белка в 4,5 раза выше, чем в плодовой оболочке. Эту закономерность в распределении влаги в анатомических частях гречихи следует учитывать при закладке ее на хранение. Гречиху на длительное хранение с влажностью более 13,0-13,55 % засыпать не следует.

С явлением сорбции и десорбции зерном, колосом и соломой влаги во время уборки урожая зерновых культур сталкивается в поле комбайнер. Так, если в ночные часы выпадает роса, то хлебные валки за ночь впитывают влагу, становятся не пригодными для обмолота, но в хорошую погоду по истечении некоторого времени они подсыхают и уборка продолжается.

Исследования влажности зерна, взятого в различное время из бункера комбайна, также говорят об этом (табл. 7).

Таблица 7

Влияние времени суток в период уборки урожая пшеницы на количество зерна различной влажности

При одной и той же относительной влажности и температуре воздуха зерно различных культур имеет различную влажность, что непосредственно связано с его химическим составом и гидрофильностью входящего в его состав белка.

Особенно заметными эти различия становятся при высокой влажности воздуха. Так, при относительной влажности воздуха 85 %, равновесная влажность зерна кукурузы составляет 18,1 %, а гороха, богатого белком, – 19,0 %.

С сухим веществом зерна и семян выявлены различные формы связи воды. На основе термодинамического принципа о формах связи воды, предложенного П. А. Ребиндером, сухие коллоиды поглощают первые порции воды с тепловым эффектом, соответствующим энергии образования химической связи. В зерне это химически связанная вода, удаление ее нарушает молекулярную структуру тканей зерновки. Затем, с повышением обводненности коллоида, тепловой эффект прогрессивно уменьшается, т. к. молекулы воды, окруженные гидратационными оболочками электроотрицательных группировок коллоидов, начинают удерживаться силами электростатического притяжения.

Вода эта адсорбционно связанная, при ее удалении структура ткани зерновки нарушается, а при последующем увлажнении восстанавливается.

Установлено, что молекулы воды в периферических слоях водных оболочек слабо удерживаются, и их можно удалить даже при небольшом внешнем воздействии. Внедряющиеся при набухании молекулы воды раздвигают молекулы коллоидов и тем самым ослабляют силы взаимного притяжения между ними. С увеличением толщины гидратного слоя уменьшаются силы притяжения воды, набухание затормаживается. Эта вода – капиллярно связанная, осмотически удерживаемая, при тепловой сушке может быть удалена без нарушения молекулярной структуры тканей.

В зерне не вся связанная вода удерживается с одинаковой энергией, и ее определяют как свободную и связанную. Та часть воды, которая удерживается большой силой, является связанной, а удерживаемая меньшей – свободной. Химически и адсорбционно связанной в зерне является связанная вода, капиллярно связанной и осмотически удерживаемой – свободная. При появлении в зерне и семенах свободной воды возрастает активность ферментов, участвующих в дыхании, активизируется сам процесс дыхания.

Граница появления в зерне свободной воды, при которой наблюдается резкий скачок интенсивности дыхательных процессов, получила название критической влажности.

Ее величина зависит от вида зерна, анатомического строения и химического состава. Чем больше в зерне содержится крахмала и белка, тем выше критическая влажность. Она низкая у семян масличных культур, т. к. вода в них удерживается только нелипидной частью семянки (табл. 8).

Таблица 8

Критическая влажность зерна и семян злаковых, бобовых и масличных культур

Зерно и семена масличных культур, содержащие свободную воду в значении ниже критического, считаются сухими и пригодны для хранения.