СПОСОБ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА
METHOD OF HYDROTHERMAL TREATMENT OF GRAIN

Изобретение относится к мукомольно-крупяной промышленности, а именно к гидротермической обработке (ГТО) зерновых культур, и может быть применено на крупозаводах. Предложенный способ может использоваться для переработки в крупу культур, таких как гречиха, пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза, рис. Технология получения крупы из зерновых культур включает подготовку зерна к переработке и непосредственно переработку его в крупу путем шелушения. Подготовка зерна к переработке в крупу включает гидротермическую обработку, задачей которой является усилить различие свойств оболочек и эндосперма (ядра) путем повышения прочности ядра и уменьшения прочности оболочек (пленок). Для этого проводят предварительную обработку исходного зерна (сушку или увлажнение в зависимости от начальной влажности), пропаривание, сушку и охлаждение пропаренного зерна. Последующая, после пропаривания сушка, обезвоживает в большей степени наружные пленки, которые, теряя влагу, становятся более хрупкими и легче раскалываются при шелушении. Кроме того, возникающие в процессе пропаривания и сушки деформационные изменения в составных частях зерна приводят к отслаиванию оболочек.
На сегодняшний день известны способы ГТО зерна овса с использованием приемов дополнительного отволаживания с целью получения равномерности увлажнения объема зерновой массы.
Известен способ гидротермической обработки зерна овса [1], заключающийся в увлажнении зерна овса водой до 18-20% в увлажнительных машинах, отволаживании в отлежных закромах в течение 11-14 часов, сушке в сушилке при температуре 150-160°C в течение 3-5 минут и в дальнейшем шелушении.
Известен, также, способ ГТО зерна овса [2], заключающийся в увлажнении в вакуумной камере при наборе вакуума с остаточным давлением 0,03-0,05 МПа и подаче воды в зерно в течение 10-60 секунд с последующим удалением из зерна излишков поверхностной влаги. Затем зерно отволаживают в бункерах в течение 2,5-4,0 часов, сушат и отправляют на шелушение.
Известен, также, способ гидротермической обработки зерна гречихи [3], предусматривающий увлажнение зерна гречихи водой при наборе вакуума с остаточным давлением 0,02-0,04 МПа и подаче воды в зерно в течение 10-60 секунд. Затем осуществляют отволаживание зерна в течение 4-6 часов и сушку.
К недостатками вышеперечисленных способов можно отнести длительность технологического процесса, потребность громоздкого и сложного в эксплуатации оборудования, больших производственных площадей, повышенных энергозатрат, невысокая производительность, а также большое количество колотых зерен.
Известен способ ГТО зерна гречихи, включающий увлажнение зерна водой, его отволаживание и последующую сушку. При этом увлажнение зерна ведут в увлажнительных машинах при атмосферном давлении до влажности 29-31%, отволаживание в бункерах в течение 10-12 ч и сушку в сушилке при температуре агента сушки 160-170°C до влажности после сушки 13-14% [4].
Недостатками данного способа ГТО зерна является пониженный выход готовой продукции, так как для увлажнения зерна до необходимой влажности требуется не менее двух раз пропустить через увлажнительные машины с быстровращающимися рабочими органами, при этом зерно, имеющее довольно хрупкое ядро, травмируется, что приводит при последующей его переработке к увеличению выхода менее ценных, чем ядрица, продуктов: дробленного ядра и мучки. Большая продолжительность процесса ГТО зерна, вызванная необходимостью его длительного отволаживания, требует больших производственных площадей для размещения бункеров для отвалаживания.
Известны способы ГТО, проводимые по стандартной технологии по «Правилами организации и ведения технологических процессов на крупяных предприятиях», с использованием технологии пропаривания с применением режимов периодической обработки и непрерывного пропаривания.
Известен способ пропаривания в аппарате периодического действия А9-БПБ, который масштабно используют на крупозаводах для ГТО зерна крупяных культур [5]. Согласно используемой технологии периодического пропаривания, перед пропариванием проводят предварительную сушку зерна - подогревают, затем ведут пропаривание насыщенным водяным паром при давлении 0,25-0,30 МПа в течение 5 минут. После пропаривания проводят непродолжительное отволаживание. Затем зерно подвергают сушке воздухом с температурой 120-140°C до остаточной влажности 13,0-13,5%, после чего проводят охлаждение зерна и на конечной стадии подают на шелушение.
К недостаткам данного способа периодического пропаривания можно причислить то, что конструкция парораспределителя предусматривает подачу насыщенного пара в его центральную часть, что приводит к образованию зоны перепаривания в центре и недопаривания на периферии в верхней и, особенно, в нижней частях корпуса. В центральной части корпуса создается повышенная температура и влажность, приводящие к обильному конденсатообразованию, что в неподвижном слое зерна приводит к комкованию и слипанию зерна, налипанию его на конструктивные элементы парораспределителя. В результате повышение давления из-за неравномерности пропаривания приводит к потемнению зерна, готовая крупа приобретает нетоварный вид.
Известен способ ГТО зерна, включающий операции предварительного прогрева зерна, пропаривания в периодическом режиме, сушку зерна, охлаждение и шелушение на конечной стадии. Пропаривание осуществляют насыщенным водяным паром в течение 5-12 минут при давлении 0,40-0,65 МПа [6]. По используемой технологии периодического пропаривания предлагаемая конструкция аппарата позволяет организовать подачу насыщенного водяного пара снизу по всему объему зерна, что обеспечивает равномерность насыщения всей зерновой массы паром, устраняет образование застойных зон. Проведение процесса в таких условиях позволяет обеспечить равномерное пропаривание всей массы зерна и получить крупу гречихи с повышенным выходом, не менее 72%, и с содержанием колотого зерна 0,5-1,5%.
Но и в этом способе есть существенный недостаток. На стадии пропаривания используют насыщенный водяной пар, что приводит к увлажнению зерна и необходимости применения последующей сушки влажного зерна после пропаривания, что увеличивает длительность технологического процесса, а также использование громоздких сушильных установок и повышения энергозатрат.
Известны способы ГТО зерновых культур в непрерывном режиме. Известен способ ГТО овса, заключающийся в пропаривании зерна, его последующей сушке и охлаждении. Пропаривание овса проводят в горизонтальных шнековых пропаривателях непрерывного действия с использованием насыщенного пара при давлении 0,05-0,1 МПа в течение 3-5 минут. Затем зерно сушат и отправляют на шелушение [7].
Недостатком этого способа является неравномерность пропаривания зерна по объему и, соответственно, неравномерность протекания физико-химических процессов в зерне, механическое воздействие шнеков на зерновку приводит к появлению на них трещин, что, в конечном итоге, снижает выход готовой крупы. Кроме того, реализация способа требует дополнительного оборудования в виде громоздких сушилок вследствие увлажнения зерна при пропаривании и, как следствие, увеличения энергозатрат для сушки зерна после пропаривания.
По рассмотренным способам ГТО зерна в крупу ведут согласно «Правил организации и ведения технологических процессов на крупяных предприятиях» (по стандартной технологии), предусматривающей последовательное проведение операций предварительной обработки исходного зерна (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности), пропаривания насыщенным паром, сушку увлажненного зерна, охлаждение пропаренного зерна и шелушение. В соответствии со стандартной технологией ГТО зерна ведут с раздельным проведением каждой операции на специализированном оборудовании, поэтому процесс проводится в несколько этапов (фиг. 1). В зависимости от влажности исходного зерна проводят его сушку в зерносушилках или увлажнение в увлажнительных машинах, пропаривание в пропаривателях периодического или непрерывного действия под действием насыщенного пара, последующую сушку от избыточной влаги проводят в сушильных агрегатах, после чего зерно охлаждают и направляют на шелушение в шелушильные машины.
Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является способ непрерывного пропаривания зерна В.Д. Каминского [8, прототип]. Способ включает пропаривание зерна насыщенным водяным паром в рабочей камере с вертикальным шнеком, лопасти которого имеют уменьшающийся диаметр в нижней части, выгрузку пропаренного зерна вертикальным шнеком, последующую сушку увлажненного зерна и охлаждение в дополнительно используемом оборудовании. Изобретение может быть использовано для пропаривания зерна овса, гречихи, гороха, кукурузы, пшеницы. Для пропаривания гречихи, гороха и кукурузы давление насыщенного пара достигает 0,15…0,25 МПа, что обеспечивается повышением коэффициента трения зерновой массы о кожух, который имеет продольные пазы.
Но к существенным недостаткам этого способа можно отнести то, что обработку ведут насыщенным паром низкого давления и импульсную обработку паром высокого давления, что ведет с росту времени пропаривания, снижается выход готовой крупы, и как следствие, производительность всего способа. К недостатку относится еще и дополнительное увлажнение зерна в ходе обработки в результате конденсации пара, что требует, также, использования дополнительных операций низкотемпературной и высокотемпературной сушки зерна.
Реализация способа по прототипу предполагает использование в соответствии с «Правилами организации и ведения технологических процессов на крупяных предприятиях» операций предварительной обработки исходного зерна (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности) и последующей после пропаривания сушки влажного зерна, вследствие увлажнения его насыщенным паром при пропаривании (фиг. 1). При этом для проведения каждой операции требуется раздельное проведение с использованием дополнительного оборудования в виде громоздких увлажнительных машин и крупногабаритного сушильного оборудования, занимающее значительные рабочие площади и обладающее высоким энергопотреблением. В этом случае ГТО включает наиболее энергоемкие процессы, которые, в итоге, составляют до 70% энергозатрат всей технологии производства крупы.
Предлагаемое техническое решение направлено на разработку способа гидротермической обработки зерна, при котором существенно сокращаются: длительность технологического процесса ГТО, снижаются расход электроэнергии за счет исключения энергоемких процессов предварительной обработки исходного зерна (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности) и сушки готового продукта, сокращаются производственные площади, повышается выход готовой продукции.
По предлагаемому способу гидротермической обработки зерна пропаривание осуществляют в непрерывном режиме с использованием в качестве теплового агента сухого пара с температурой 120-200°C. При этом состояние пара (температура, давление, степень влажности) задается в установке подготовке сухого пара, где происходит смешение сжатого воздуха нагнетаемого воздушным компрессором) и газообразного топлива с последующим сгоранием воздушно-газовой смеси посредством электрозажигания в камере сгорания. Дополнительно в камеру сгорания подается вода, которая, охлаждая газообразные продукты сгорания, испаряется и превращается в пар. При этом в зависимости от необходимых технологических режимов ГТО разных культур (от исходной влажности зерна) подачей воды формируют требуемую влажность образуемого сухого пара, т.е. степень влажности пара.
По предлагаемому способу можно исключить ряд аппаратов, используемых сегодня на мукомольно-крупяных предприятиях: аппаратов для предварительной обработки исходного зерна (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности), сушильных агрегатов для проведения низкотемпературной и высокотемпературной сушки пропаренного зерна. Наличие данного вида оборудования необходимо при организации ГТО при использовании стандартной технологии пропаривания (фиг. 1, по прототипу).
По предлагаемому способу сокращаются операций ГТО, которые проводятся в раздельном оборудовании, и это достигается за счет проведения нескольких операций обработки совместно на одной стадии осуществляемой в объеме пропаривателя непрерывного действия (фиг. 2). На стадии пропаривания происходит совмещение операций предварительной обработки исходного зерна (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности), пропаривания под действием сухого пара и сушки пропаренного зерна. Совмещение операций ГТО на одной стадии обеспечивает сокращение длительности технологического процесса, энергозатрат и количества единиц оборудования для его проведения, а, следовательно, и производственных площадей.
По предлагаемому способу непрерывное пропаривание ведут при движении зерна по высоте аппарата под действием гравитационных сил. В зависимости от влажности поступающего зерна в верней зоне пропаривателя осуществляют предварительную сушку зерна или его увлажнение. Предварительная сушка проходит под действием горячего сухого пара (сушильный агент), поднимающегося из средней зоны пропаривания. При недостаточной влажности поступающего зерна обеспечивают подачу расчетного количества воды в верхнюю зону. В средней зоне ведут пропаривание под действием сухого пара с задаваемой степенью влажности и дополнительно в зону пропаривания обеспечивают подачу воды для контролируемого увлажнения зерна. Вследствие отсутствия избыточной влаги при пропаривании избыточного увлажнения зерна не происходит, что позволяет проводить операцию сушки зерна непосредственно в аппарате для пропаривания в его нижней зоне или полностью исключить сушку.
Пропаривание по предлагаемому способу осуществляют в пропаривателе непрерывного действия вертикального типа, который содержит вертикальный цилиндрический корпус с загрузочным патрубком, штуцер вывода отработанного пара и штуцера для подачи воды в его верхнюю часть, патрубок выгрузки зерна - в нижней части, разгрузочное устройство, приспособление для подачи и распределения пара, ворошитель и отражатель (фиг. 3). Для выполнения равномерного ворошения зерна и создания эффекта псевдоожижения лопасти ворошителя расположены на валу таким образом, что их плоскости в направлении вращения образуют угол 30-50° по высоте вала со смещением на угол 30° (фиг. 4).
Предлагаемое техническое решение представлено на фиг. 2-4. На фиг. 1 представлена структурная схема ГТО зерна по стандартному способу (прототип) с использованием насыщенного водяного пара, в котором используется раздельное проведение операций. На фиг. 2 представлена структурная схема ГТО зерна по предлагаемому способу, где операции предварительной обработки (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности), пропаривания и сушки пропаренного зерна проводят с использованием сухого пара на одной стадии в объеме одного аппарата при непрерывном режиме обработки. На фиг. 3 представлена конструкция непрерывного пропаривателя вертикального типа для реализации предлагаемого способа. На фиг. 4 представлен поперечный разрез (разрез А-А) пропаривателя. Пропариватель содержит вертикальный цилиндрический корпус 1 с патрубком подачи зерна 2, патрубком вывода отработанного пара 3 и патрубком для подачи воды 4 в его верхней части, патрубком выхода пропаренного зерна 5, приспособление для подачи и распределения пара 6 - в нижней части, вал ворошителя 7 установлен в верхней и нижней опорах (подшипниковых узлах) 8 и 9 по оси корпуса аппарата и подсоединен в верхней части к приводу (не показан). Ворошитель снабжен несколькими рядами лопастей 10 в виде, по меньшей мере, двух пластин в каждом ряду, радиально закрепленных на валу таким образом, что их плоскости в направлении вращения образуют угол 30-50. На внутренней поверхности корпуса, с обеспечением возможности перемещения между рядами лопастей ворошителя, выполнены отражательные лопасти 11 в виде нескольких рядов пластин, закрепленных радиально на корпусе, причем пластины отражателя закреплены с углом наклона плоскостей, обратным углу наклона плоскостей лопастей ворошителя. Для облегчения выгрузки обработанного зерна через патрубок выхода 3 на валу в нижней части аппарата закреплены разгрузочные лопасти 12. Приспособление для подачи и распределения пара 6 установлено над разгрузочным устройством.
По предлагаемому способу гидротермической обработки зерна процесс осуществляется следующим образом. В объеме одного аппарата (вертикального пропаривателя непрерывного действия), по мере продвижения зерновой массы по высоте пропаривателя, под действием гравитационных сил сверху вниз проводится несколько операций ГТО: сушка исходного зерна или увлажнение при необходимости до требуемой влажности, пропаривание и сушка пропаренного зерна. Зерно через загрузочный патрубок 2 загружается внутрь корпуса 1 при включенном приводе (не показан), приводящим во вращение вал ворошителя 7. При этом закрепленные на валу лопасти 10 ворошителя отбрасывают зерно вперед и вверх по ходу вращения, при взаимодействии с лопастями отражателя 11 зерно снова отбрасывается вверх и меняет направление движения на противоположное. Таким образом, зерну придается вертикальная составляющая скорости, направленная вверх, частично компенсирующая влияние гравитационных сил, при этом плотность зерна в слое снижается, т.е. зерно приводится в состояние, называемое «псевдовзвешенным». Через приспособление для подачи и распределения пара 6 подают сухой пар с температурой 120-200°C, который при движении снизу вверх к патрубку вывода отработанного пара 3 обеспечивает равномерный контакт с зерновой массой.
Зерно, перемещаясь сверху вниз, в зависимости от исходной влажности, проходит стадию предварительной сушки в верхней части пропаривателя за счет обработки отработанным паром или стадию контролируемого увлажнения за счет впрыска воды. При избыточной влажности удаление влаги происходит под действием горячего сухого пара (сушильный агент), поднимающегося из средней зоны пропаривания. При недостаточной для пропаривания влажности обеспечивают подачу расчетного количества воды в верхней зоне для увлажнения зерна до заданного значения. Для этого, в зависимости от влажности поступающего зерна, в пропариватель подают для увлажнения зерна воду температурой 15-20°C через патрубок 4. Затем при дальнейшем движении зерна в средней части аппарата происходит пропаривание увлажненного зерна под действием сухого пара и влаги. Состояние пара (температура, давление, степень влажности) задается в установке подготовке сухого пара, где происходит смешение сжатого воздуха нагнетаемого воздушным компрессором) и газообразного топлива с последующим сгоранием воздушно-газовой смеси посредством электрозажигания в камере сгорания. Дополнительно в камеру сгорания подается вода, которая, охлаждая газообразные продукты сгорания, испаряется и превращается в пар. При этом в зависимости от необходимых технологических режимов ГТО разных культур (от исходной влажности зерна) подачей воды формируют требуемую влажность образуемого сухого пара, т.е. степень влажности пара.
Вследствие отсутствия избыточной влаги в составе сухого пара избыточного увлажнения зерна в ходе пропаривания не происходит, что позволяет проводить процесс сушки зерна непосредственно в нижней зоне пропаривателя или полностью исключить сушку. После сушки в нижней части по мере продвижения зерна к днищу аппарата зерно захватывается разгрузочными лопастями 12 и выгружается через патрубок выгрузки 5. Конструкция пропаривателя обеспечивает возможность проведения операций предварительной обработки (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности), пропаривания и сушки в одном аппарате и в непрерывном режиме. Глубина гидротермической обработки зерна может регулироваться за счет изменения температуры пара, степени заполнения пропаривателя и оборотов вала ворошителя с расположенными на нем пластинами разгрузочного устройства. Проведение процесса ГТО зерна в «псевдовзвешенном» состоянии способствует разрыхлению слоя зерна и снижению плотности массы, что обеспечивает его равномерное увлажнение в средней части и создает благоприятные условия для протекания физико-химических процессов, таких как: частичная денатурация белка, клейстеризация крахмала, приводящие к укреплению структуры ядра зерна и повышению выхода готовой продукции.
Предлагаемый способ реализован в опытно-промышленной установке вертикального пропаривателя непрерывного действия производительностью 10 т/час, испытанной на ОАО «Бийский элеватор» (г. Бийск, Алтайский край) в цехе по переработке зерна гречихи. В связи с тем, что метод непрерывного пропаривания по прототипу предполагает применения стандартной технологии обработки зерна согласно «Правил организации и ведения технологических процессов на крупяных предприятиях» (фиг. 1) сравнительная характеристика предлагаемого способа проведена в отношении стандартной технологии с использованием периодического пропаривания в пропаривателе А9-БПБ, получившей массовое применение на крупяной промышленности. В сравнении с ней, занимаемая технологическим оборудованием производственная площадь по предлагаемому способу сократилась в 3,5-4,0 раза, а расход пара снижен на 30-40%, что позволяет снизить расход электроэнергии на 39%. При этом длительность процесса ГТО зерна по предлагаемому способу снижается в 3-5 раз. Общая продолжительность процесса по предлагаемой технологии составила 20-30 минут в сравнении с затратами времени проведения ГТО по стандартной технологии до 90-120 мин. Проведение процесса по предлагаемой технологии требует использование сухого пара при давлении 0,05-0,15 МПа, в то время как по стандартной технологии (по прототипу) давление составляет 0,25-0,55 МПа.
В таблице 1 приведен сравнительный анализ процессов ГТО зерна по стандартной технологии с использование раздельного проведения операций и по предложенной технологии с использованием совмещенного проведения стадий процесса в пропаривателе непрерывного действия.
Предлагаемый способ ГТО в пропаривателе непрерывного действия обеспечивает возможность обработки зерна различных культур при различных влажностно-тепловых режимах. Известно, например, что режимы ГТО зерна гречихи для получения крупы и гречневой муки различны и определяют потребительские свойства готовой продукции. На опытно-промышленной установке в процессе ГТО зерно гречихи для переработки в крупу получают темно-бежевого цвета с интенсивным вкусом и ароматом, в то время как для муки - светлой окраски, с легким ароматом и вкусом поджаренного ореха. Органолептические показатели крупы гречневой ядрицы после обработки в непрерывном пропаривателе приведены в таблице 2. Как следует из таблицы, крупа гречневая ядрица, выработанная по предложенному способу, по органолептическим показателям, также, не уступает стандартной технологии, с возможностью регулирования цветности по заявке потребителя.
Светло-зеленый цвет крупы после ГТО обработки свидетельствует о прохождении процесса в наиболее мягких условиях, при которых в крупе сохраняется большее количество природных веществ и, соответственно, она обладает повышенной пищевой ценностью. Обработка зерна овса по предлагаемому способу на опытно-промышленной установке позволяет получать крупу с выходом не менее 61% и содержанием колотых зерен 0,5-1,0%. При этом улучшаются органолептические качества крупы, т.к. способ позволяет получать крупу различных цветовых оттенков, что повышает конкурентоспособность продукции (таблица 2).
Таким образом, предлагаемый способ ГТО за счет использования системы непрерывного пропаривания под действием сухого пара обеспечивает сокращение числа технологических стадий с исключением энергоемких и габаритных процессов предварительной обработки исходного зерна (сушки или увлажнения в зависимости от начальной влажности) и сушки влажного зерна после пропаривания, необходимой в системах с насыщенным паром. За счет совмещения операций в одном аппарате отпадает необходимость использования ряда аппаратов для раздельного проведения процессов предварительной обработки (сушки или увлажнения) и сушки пропаренного зерна, что дает сокращение производственных площадей для размещения технологического оборудования, увеличивает общий выход готовой продукции и существенно сокращает затраты на обслуживание оборудования.
В настоящеее время способ гидротермической обработки в пропаривателе непрерывного действия при обработке сухим паром прошел апробацию на опытно-промышленной установке вертикального пропаривателя непрерывного действия производительностью 10 т/час на ОАО «Бийский элеватор» (г. Бийск, Алтайский край) в цехе по переработке зерна гречихи, где получены результаты, представленные в таблицах 1 и 2.
Источники информации:
1. Патент РФ №2119820, опубл. 10.10.1998.
2. Патент РФ №2169615, опубл. 09.07.1999.
3. Патент РФ №2261145, публ. 10.24.2003
4. Анисимов Л.В. Гидротермическая обработка зерна гречихи без использования пропаривания // Известия вузов. Пищевая технология. - 2000. - №5-6. - С. 50-52.
5. Оборудование для производства муки и крупы: справочник / А.Б. Демский, М.Н. Борискин и др. - СПб.: Профессия, 1990. - 624 с. с. 148-149.
6. Патент РФ №2388539, 10.04.2010.
7. Мельников Е.М. Технология крупяного производства. - М.: ВО «Агропромиздат». 1991. с. 136-139.
8. Патент РФ №2021853, опубл. 30.10.1994.