СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СУШКИ ЗЕРНА
METHOD FOR CONTACT DRYING OF GRAIN

Изобретение относится к технологиям сушки материалов и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например химической, биологической, фармацевтической, а также в сельском хозяйстве.
Сушка - технологический процесс, цель которого получить материалы с оптимальными свойствами, увеличить срок их хранения и повысить качество. Процесс сушки имеет большое значение и широко используется в химической промышленности - для производства твердых веществ и плотных суспензий, лесоперерабатывающей - для сушки древесины, биологической - для получения сухих биопрепаратов, фармацевтической - для приготовления лекарств, а также в сельском хозяйстве - для сушки зерна, семян и другой продукции.
Известно, что одним из основополагающих показателей качества зерна является влажность. Влажность пшеницы - главной продовольственной культуры, должна быть не более 14-16% в зависимости от принадлежности субъекта Российской Федерации к определенной зоне, а закладываемых на хранение семян - не более 14% [ГОСТ 52325-2005. Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Москва, Стандартинформ, 2005]. По статистическим данным до 60% свежеубранного зерна имеет повышенную влажность, иногда достигающую 25-30%, что приводит к интенсивному протеканию биохимических процессов, быстрому размножению вредных микроорганизмов, в результате происходит самосогревание зерна, наблюдается резкое снижению всхожести семян и порча урожая. В случае неблагоприятных погодных условий в период уборочной кампании потери зерна составляют 25-40% [Пиляева О.В. Проблемы и перспективы послеуборочной обработки зерна, Ачинск, Краснояр. гос. аграр. ун-т. Ачинский ф-л., 2017, 74 с.].
Своевременно и правильно проведенная сушка не только повышает стойкость зерна при хранении, но и улучшает его продовольственные и семенные качества. Известные способы сушки базируются на двух основных принципах: удаление влаги из зерна без изменения агрегатного состояния в виде жидкости - это механическое обезвоживание, акустическая и сорбционная сушка; удаление влаги с изменением агрегатного состояния путем превращения в пар - тепловые способы сушки [Курдюмов В.И., Павлушкин А.А., Карпенко Г.В., Сутягин С.А. Тепловая обработка зерна в установках контактного типа, Ульяновск, УГСХА им. П.А. Столыпина, 2013, 290 с.].
Тепловые способы сушки традиционны и достаточно широко распространены, но требует существенных энергетических затрат, которые удваиваются при влажности зерна более 27% по сравнению с нормальной начальной влажностью 20%. Высокая энергоемкость и потеря качества зерна при нагревании являются главными недостатками тепловой сушки. Другие способы сушки без нагрева материала обеспечивают сохранение качественных показателей зерна и семян, способствуют повышению энергоэффективности процесса.
Механическое обезвоживание зерна может осуществляться путем фильтропрессования или центрифугирования, что требует меньших затрат энергии, чем тепловая сушка, однако данный способ подходит только для удаления свободной влаги, когда речь идет о высоковлажном зерне, например, намоченном дождем, и не позволяет достигнуть требуемой для хранения зерна значений влажности.
Акустические способы удаления влаги из сыпучих материалов [Пат. RU №2062416 C1, F26B 5/02, 20.06.1996; Пат. RU №2548696 C1, F26B 5/02, 20.04.2015] основаны на применении ультразвуковых колебаний высокой интенсивности и характеризуются рядом специфических особенностей. Ускорение сушки происходит только при высоких интенсивностях, при этом наблюдается нелинейная зависимость интенсивности сушки от силы ультразвукового воздействия, что отрицательно сказываются на эффективности процесса. К недостаткам этих способов следует отнести сложность осуществления, необходимость использования специальной технологической аппаратуры, ограниченность применения, длительность и цикличность процесса с паузами между периодами воздействия.
Энергосберегающий сорбционный способ сушки особенно актуален в отношении термолабильных материалов, в том числе сельскохозяйственных культур, которые не переносят теплового воздействия или теряют при нагревании ценные свойства. При сорбционной сушке влажное зерно смешивают с влагопоглотителем, в качестве которого могут быть использованы сухое зерно, гранулированный силикагель, или другие вещества, способные к влагопоглощению, и выдерживают в течение определенного времени для протекания контактного влагообмена.
Известны способы сушки, в которых зерно с высоким содержанием влаги смешивают с сухим зерном в определенном соотношении, перемешивают при заданной скорости в специальном устройстве до достижения выравнивания влажности всей зерновой массы [Пат. JP №2997096 В2, F26B 5/00, 11.01.2000]. Зерно ячменя влажностью 7 и 23% перемешивали в соотношении 3:1, сообщается, что лишь только через 3 дня влагообмен между сухим и влажным зерном составил ~90% от возможного [Henderson S. Journal of Agricultural Engineering Research 37 (1987) 163].
В качестве осушителей зерна сельскохозяйственных культур используют различные алюмосиликатные глинистые минералы, такие как слюда, иллит, монтмориллонит, каолинит, диккит [Пат. JP №Н03277205 A, F26B 5/16, 09.12.1991]. Известен способ сорбционной сушки зерна с использованием природного глинистого минерала бентонита, который смешивали с кукурузой, пшеницей или овсом в соотношении 1:1, процесс сорбции осуществляли в две последовательные стадии продолжительностью по 24 часа каждая с заменой осушителя перед второй стадией [Craham V.A., Bilanski W.K., Menzies D.R. Transactions of the ASAE 26 (1983) 1512].
Известен способ сушки семян сои, в котором их смешивали с силикагелем [Li Z, Kobayashi N., Watanabe Е, Hasatani М. Drying Technology: An International Journal, 20 (2002) 223], количество силикагеля составляло 25, 50 и 75% от массы сои, сушку осуществляли в неподвижном слое при температурах окружающей среды 293, 303 и 311 К в течение 12 часов. Силикагель использовали в качестве осушителя зерен кукурузы [Danziger М.Т., М Steinberg М.Р., Nelson A.I. Transactions of the ASAE 15 (1972) 1071], смешивание осуществляли в закрытом контейнере при соотношении 0,1-0,35 г силикагеля на 1 г зерен с начальной влажностью 25,7%, через 48 часов была достигнута равновесная влажность 22%) при минимальной добавке силикагеля и 14% - при максимальной.
В рассмотренных выше известных вариантах сорбционной сушки необходимые значения влажности зерна были достигнуты за продолженное время от 12 до 72 часов. Длительность процесса, обусловленная низкой скоростью диффузии прочно связанной влаги от внутренних слоев зерна к поверхности, является основным недостатком этих способов сушки и ограничивает их применимость.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ сушки сыпучих материалов [SU №928878, МПК F26B 5/16, опубл. 30.05.86 г., бюл. №20 (прототип)]. Способ заключается в контактировании материалов с твердым сыпучим адсорбентом при их перемешивании и перемещении в противотоке с последующей регенерацией адсорбента, целью которого являлось сокращение времени сушки и повышение качества. Сокращение времени сушки достигается тем, что размеры контактирующих частиц выбирают в соотношении 2:10 при размере крупных частиц не более 10 мм, а перемешивание ведут в барабане в насыпном слое с порозностью 0,2-0,5 при вращении барабана со скоростью, составляющей 0,2-0,8 от критической скорости частиц, и тем, что регенерацию адсорбента ведут путем его контакта с кипящим слоем катализатора полного окисления топлива в процессе сжигания последнего. В качестве обезвоживаемых материалов используют гранулы гидроксида алюминия, керамзит, зерно пшеницы, кормовые и лекарственные травы, овощи. В качестве адсорбента используют алюмосиликат и активную окись алюминия. Перед смешением обезвоживаемых материалов с адсорбентом последний нагревают до заданной температуры. В качестве примера описана сушка зерна пшеницы с начальной влажностью 25%, которую осуществляли активной окисью алюминия в три последовательных стадии, на каждой из которых смешивали зерно с адсорбентом в массовом соотношении 1:1, затем непрерывно перемешивали в герметичной колбе, отделяли зерно от адсорбента. Перед каждой стадией адсорбент предварительно нагревали до 70, 82 и 120°С, что при смешивании с пшеницей вызывало разогрев зерна до 35, 40 и 43°С соответственно. Влажность зерна после каждой стадии уменьшалась до следующих значений: 19,3, 17,2 и 11,8% соответственно. Общее время сушки (три стадии непрерывного контакта адсорбента с зерном по 4 мин каждая) составило 12 мин - это без учета времени, затраченного на отделение адсорбента и его подогрев.
К недостаткам данного способа следует отнести большой расход адсорбента, многостадийность процесса, включающего многократное смешивание и разделение компонентов; нагрев адсорбента перед каждой стадией; разогрев пшеницы до температуры, превышающей рекомендованное значение для семенного зерна; высокую температуру регенерации адсорбента. Требуемые значения влажности пшеницы не были достигнуты: после второй стадии сушки зерно характеризуются как «сырое» - влажность ≥17%, а после третьей становится пересушенным - влажность <14%.
Техническим результатом изобретения является уменьшение количества порошкового осушителя, сокращение стадий сушки и снижение энергоемкости процесса.
Технический результат достигается тем, что в способе контактной сушки зерна, включающем смешивание зерна с порошковым осушителем, удаление влаги из зерна при перемешивании смеси, отделение зерна и регенерацию осушителя, согласно изобретению, в качестве порошкового осушителя используют магний сернокислый MgSO, при массовом соотношении «зерно : осушитель», равным (2-6):1, при этом процесс сушки зерна осуществляют за один цикл, а регенерацию осушителя выполняют при температуре 150°С.
Перечисленные отличительные признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не выявлены при изучении других известных технических решений в данной области техники и, следовательно, обеспечивают ему соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения заключается в следующем.
Зерно относится к коллоидным капиллярно-пористым материалам, на кинетику сушки которых влияет не только температура сушильного агента, но и свойства самого материала. Специфические свойства зерна как объекта сушки в значительной мере обусловлены особым состоянием воды, содержащейся в зерне, и механизмом ее взаимодействия с веществами зерна. Для обоснованного выбора способа сушки необходимо учитывать различные формы связи влаги в зерне и последовательность ее удаления. Формы и виды связи влаги, находящейся в зерне, различны: от самой прочной, обусловленной молекулярными силами, до чистого механического удерживания на поверхности зерна. В зависимости от величины энергии связи принято различать: химически связанную, физико-химически связанную и физико-механически связанную влагу [Гинзбург А.С., Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов: Справочник, Москва, Легкая и пищевая промышленность, 1982, 280 с.; Казаков Е.Д., Кретович В.Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки, Москва, Колос, 1980, 319 с.]. Физически и механически связанную воду можно удалить из зерна в процессе сушки. В случае удаления химически связанной воды структура веществ зерна необратимо разрушается.
4
4
2
2
4
2
4
2
4
2
Эффективность процесса сорбционной сушки зерна напрямую зависит от влагопоглощающих свойств сорбента. Магний сернокислый безводный MgSO, как высушивавший агент, используется для обезвоживания в различных процессах [Гордин А., Форд. Р. Спутник химика. Физико-химические свойства, методики, библиография. - Москва, Мир, 1976, 541 с.]. Известно несколько кристаллогидратов сульфата магния MgSO ⋅ nHO, где n=1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 12. Наиболее устойчивыми являются кристаллогидраты с 7, 6 и 1 моль НО: эпсомит MgSO ⋅ 7НО, гексагидрат MgSO ⋅ 6НО и кизерит MgSO ⋅ HO [Robson J. Am. Chem. Soc. 49 (1927) 2772].
4
2
4
2
2
2
4
2
4
2
Процесс термического разложения кристаллогидратов сульфата магния, особенно MgSO ⋅ 7НО, подробно исследован [Hamad S., Thermochimica Acta 13 (1975) 409; Emons H.-H, Ziegenbalg G., Naumann R., Paulik F. Journal of Thermal Analysis 36 (1990) 1265; van Essen K.M., Zondag H.A., Schuitema R., van Helden W.G.J, Rindt C.C.M. Journal of Solar Energy Engineering 131 (2009) 041014]. По справочным данным [Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник, Ленинград, Химия, 1978, 392 с.] MgSO ⋅ 7НО теряет 6 молекул НО при температуре 150°С, 7 молекул НО - при 200°С. Значения потери массы при полном разложении кристаллогидратов MgSO⋅ 6НО и MgSO ⋅ 7НО составляют 47,31 и 51,16 мас. % соответственно.
Сульфат магния - это хорошо зарекомендовавшее и широко используемое в сельском хозяйстве дешевое удобрение, которое не загрязняет почву, обеспечивает растения необходимыми питательными веществами серой и магнием, поддерживает злаковые культуры во время зимовки. Магний, входящий в состав хлорофилла, участвует в аккумуляции растениями солнечной энергии в процессе фотосинтеза.
2
4
Высокие значения НО-емкости, невысокая температура регенерации и положительный опыт применения в сельском хозяйстве определили перспективность использования MgSO как порошкового осушителя для процесса контактной сушки зерна. Активизация процесса внутреннего влагопереноса в зерне достигается за счет экзотермического эффекта реакции образовании кристаллогидратов при контакте влаги зерна с порошковым осушителем. По сравнению с прототипом, данный факт позволяет исключить предварительный нагрев сорбента с целью его дополнительного использования в качестве теплоносителя, а не только как агента сушки.
Зерно, высушенное заявляемым способом с использованием сульфата магния, при употреблении в пищу не может нанести вред здоровью человека, поскольку по окончанию процесса сушки легко отделяется от порошкового осушителя ситовым способом. Стоит отметить, что на мукомольных предприятиях предусмотрена многостадийная обработка зерна перед помолом, включающая очистку от примесей, минеральных загрязнений и микроорганизмов сухим и мокрым способами, влаготепловую обработку гидротермическим способом [Кузьмина Н.П., Любарский Л.Н. Пшеница и оценка ее качества, Москва, Колос, 1967, 496 с.]. Сульфат магния является лекарственным средством, при пероральном приеме плохо всасывается - не более 20%. Максимальная доза для взрослых - до 40 г/сут. Тяжелые последствия от передозировки сульфатом магния могут наступить только при парентеральном введении в случае превышения терапевтической дозы [Справочник Видаль 2022. Лекарственные препараты в России. Изд-во Видаль Рус, 2022. 1120 с.].
4
4
4
4
4
Сущность изобретения демонстрируется следующими таблицами и иллюстрациями. В Таблице 1 приведены значения влажности зерна пшеницы и величина влагосъема в определенное время от начала процесса контактной сушки с порошковым осушителем MgSO (хч); температура регенерации 200°С; влажность зерна определена влагомером «ФАУНА - М» (РКГЯ 4.844.002 РЭ). В Таблице 2 приведены значения влажности зерна пшеницы и величина влагосъема в определенное время от начала процесса контактной сушки с порошковым осушителем MgSO (ч); температура регенерации 150°С; влажность зерна определена методом воздушно-тепловой сушки (ГОСТ 13586.5-2015). В Таблице 3 приведены качественные показатели зерна после контактной сушки зерна пшеницы, отобранного в период уборочной кампании; порошковый осушитель MgSO (ч); температура регенерации 150°С; влажность зерна определена методом воздушно-тепловой сушки (ГОСТ 13586.5-2015). На Фиг. 1 приведены оптические снимки зерна пшеницы после процесса контактной сушки и отсева сульфата магния. На Фиг. 2 приведены кинетические зависимости: 1 - влажности зерна пшеницы, 2 - величины влагосъема в процессе контактной сушки с порошковым осушителем MgSO (хч), температура регенерации 200°С; влажность зерна определена влагомером «ФАУНА - М» (РКГЯ 4.844.002 РЭ). На Фиг. 3 приведены кинетические зависимости: 1 - влажности зерна пшеницы, 2 - величины влагосъема в процессе контактной сушки с порошковым осушителем MgSO (ч), температура регенерации 150°С; влажность зерна определена методом воздушно-тепловой сушки (ГОСТ 13586.5-2015).
Способ подтверждается конкретными примерами.
4
2
Пример 1. В качестве объекта сушки используют зерно пшеницы влажностью 22%. Определение влажности зерна выполняют с помощью специализированного портативного аппарата влагомер «ФАУНА - М» (РКГЯ 4.844.002 РЭ). В качестве осушителя используют химический реактив магний сернокислый 7-водный MgSO ⋅ 7HO (ГОСТ4523-77) квалификации «химически чистый», температура предварительной обработки осушителя составляла 200°С.
Контактную сушку зерна проводят следующим образом. Партию зерна массой 200 г равномерно перемешивают с осушителем в соотношении 2:1, 4:1, 6:1, помещают в закрытую емкость и перемешивают. Контроль влажности зерна выполняют через 5, 15, 30, 60, 90 мин от начала процесса сушки. По окончанию сушки смесь зерна с осушителем помещают на сито с размером ячейки 2 мм и разделяют. Качество разделения отражают оптические снимки зерна пшеницы после процесса контактной сушки и отсева сульфата магния, которые представлены на фиг. 1.
Значения влажности зерна пшеницы и величина влагосъема, которая рассчитывалась как разность между начальной и конечной влажностью, в определенное время от начала процесса контактной сушки приведены в таблице 1, кинетические зависимости для этих параметров представлены на фиг. 2. Наиболее интенсивно поглощение влаги порошковым осушителем происходит за 5 минут от начала процесса сушки. Величина влагосъема в этот период максимальна и составляет 3,6% для соотношения «зерно/осушитель»=2:1, -3% - для 4:1 и 6:1. Через 60 минут от начала сушки во всех случаях достигается требуемая влажность зерна 16%. Через 90 минут от начала процесса сушки влажность зерна составляет 14,6-15,5%. Значения влажности сохраняются на уровне 14-15% через 1 час после выдержки зерна без осушителя в открытом стакане при толщине слоя 3 см, что подтверждает равномерность снятия влаги активным компонентом и эффективность процесса контактной сушки.
Эксперименты с разным соотношением «зерно / осушитель» показали, несмотря на то, что при соотношении 6:1 процесс сушки протекает менее интенсивно, это не является недостатком. Плавный влагосъем, когда в процессе сушки влага успевает диффундировать к поверхности зерна, т.е. скорость диффузии воды внутри зерна ≥ скорости поглощения осушителем, исключает пересушку приповерхностного слоя и возможное растрескивание зерен.
4
2
Пример 2. В качестве объекта сушки используют зерно пшеницы влажностью 24-25%. Определение влажности зерна пшеницы выполняют методом воздушно-тепловой сушки [ГОСТ 13586.5-2015. Зерно. Метод определения влажности. Москва, Стандартинформ, 2019]. В качестве осушителя используют химический реактив магний сернокислый 7-водный MgSO ⋅ 7HO (ГОСТ4523-77) квалификации «чистый», температура предварительной обработки осушителя составляла 150°С.
Контактную сушку зерна проводят следующим образом. Партию зерна массой 20 г равномерно перемешивают с осушителем в соотношении 2:1, 4:1, 6:1, помещают в закрытую емкость и перемешивают. Контроль влажности зерна выполняют через 5, 15, 30, 60, 90, 150 мин для соотношения 2:1 и 4:1 и 5, 15, 30, 60, 90, 150, 210 мин для соотношения 6:1 от начала процесса сушки.
4
2
Значения влажности зерна пшеницы и величина влагосъема в определенное время от начала процесса контактной сушки приведены в таблице 2, кинетические зависимости для этих параметров представлены на фиг. 3. Приведенные данные показывают, что в качестве порошкового осушителя зерна можно успешно использовать более дешевый сульфат магния MgSO ⋅ 7HO квалификации «чистый». Температуру предварительной обработки осушителя рекомендуется снизить до 150°С. Оптимальным режимом процесса контактной сушки зерна можно считать соотношение «зерно / осушитель=4:1.
Пример 3. В качестве объекта сушки используют зерно пшеницы влажностью 24%. Определение влажности зерна пшеницы и контактную сушку выполняют, как описано в примере 2. В качестве осушителя применяют сульфат магния, использованный в сушке зерна в примере 2. Предварительно осушитель регенерируют при температуре 150°С. Соотношение «зерно / регенерированный осушитель» составляет 4:1. Значения влажности зерна пшеницы и величина влагосъема в определенное время от начала процесса контактной сушки приведены в таблице 2. Анализ данных таблицы 2 показывает, что повторное использование сульфата магния не ухудшает его влагопоглощающих свойств, что позволяет многократно использовать осушитель, подвергая его регенерации, что не снижает эффективности процесса сушки.
Пример 4. В качестве объекта сушки используют партию свежеубранного зерна пшеницы, отобранную непосредственно в период уборочной кампании. Исходное свежеубранное зерно имеет пониженные семенные и технологические достоинства, так как ко времени уборки не достигает физиологической спелости [Трисвятский Л.А., Лесик Б.В., Курдина И.Н. Хранение и технология сельскохозяйственных продуктов, Москва, Агропромиздат, 1991, 415 с.]. Полная физиологическая зрелость зерна, наивысшая всхожесть и энергия прорастания наступают по истечении периода послеуборочного дозревания, которое становится возможным лишь при низкой влажности зерна. Послеуборочное дозревание у зерновых составляет не менее 40 дней, включает целый комплекс процессов, которые в случае благоприятных условий повышают энергию прорастания и всхожесть семян [Егоров Г.А. Технологические свойства зерна, Москва, Агропромиздат, 1985, 334 с.].
Влажность свежеубранного зерна составляла 21-26%. Определение влажности зерна, подготовку осушителя, контактную сушку проводят, как описано в примере 2. Соотношение «зерно / осушитель» составляет 2:1,4:1.
Для контроля возможного разогрева зерновой массы при контакте с сульфатом магния определяют температуру смеси более влажного зерна с осушителем. Температура зерна с начальной влажностью 26% составляла 23°С. После смешивания этого зерна с осушителем в соотношении 4:1 через 2 минуты от начала процесса контактной сушки температура увеличилась до 34°С за счет экзотермического эффекта реакции образовании кристаллогидратов.
По окончанию процесса контактной сушки свежеубранного зерна определяют энергию прорастания и всхожесть семян [ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. Москва, Издательство стандартов, 2004] (Таблица 3). Анализ данных таблицы 3 показывает, что предлагаемый контактный способ сушки зерна улучшается энергию прорастания и всхожесть семян повышенной влажности ~26% по сравнению с контрольным образцом, высушенным на воздухе.
Таким образом, заявляемый способ контактной сушки является простым, эффективным и ресурсосберегающим, исключает перегрев зерна и обеспечивает мягкие условия сушки по сравнению с другими способами, осуществляется за один цикл, позволяет достигнуть требуемых значений влажности зерна при сохранении их качественных показателей.