Сушка зерна - Grain drying

Сушка зерна идет процесс сушки зерно для предотвращения порчи во время место хранения. Сушка зерна, описанная в этой статье, использует топливные или электрические процессы, дополняющие естественные процессы, в том числе валкование /валкование для сушки окружающим воздухом и солнечными лучами.

Обзор

Сотни миллионов тонн пшеница, кукуруза, соя, рис и другие зерна в качестве сорго, семена подсолнечника, рапс /рапс, ячмень, овес и др. сушат в зерносушилках.^[1] В основных сельскохозяйственных странах сушка включает снижение влажности примерно с 17-30% по весу.^{[требуется разъяснение ]} до значений от 8 до 15 мас.%, в зависимости от зерна. Конечная влажность для сушки должна быть достаточной для хранения. Чем больше масла в зерне, тем ниже будет его влажность при хранении (хотя исходная влажность для сушки также будет ниже). Зерновые культуры часто сушат до 14% по массе, а масличные - до 12,5% (соя), 8% (подсолнечник) и 9% (арахис). Сушка выполняется как необходимое условие для безопасного хранения, чтобы подавить рост микробов. Тем не менее, низкие температуры при хранении также настоятельно рекомендуются во избежание реакций разложения и, особенно, роста насекомых и клещей. Оптимальная максимальная температура хранения составляет около 18 ° C.

Самые большие сушилки обычно используются «вне фермы», в элеваторах, и относятся к непрерывному типу: в Европе предпочтительны сушилки с смешанным потоком, а в США - сушки с поперечным потоком. В Аргентине обычно встречаются оба типа. Сушилки непрерывного действия могут производить до 100 тонн сушеного зерна в час. Глубина зерна, которую воздух должен проходить в сушилках непрерывного действия, колеблется от 0,15 м в сушилках со смешанным потоком до примерно 0,30 м в сушилках с поперечным потоком. Сушилки периодического действия в основном используются «на фермах», особенно в США и Европе. Обычно они состоят из бункера, в котором нагретый воздух проходит горизонтально из внутреннего цилиндра через внутренний перфорированный металлический лист, затем через кольцевой слой зерна толщиной около 0,50 м (соосно с внутренним цилиндром) в радиальном направлении и, наконец, через внешний перфорированный металлический лист перед выбросом в атмосферу. Обычное время сушки составляет от 1 часа до 4 часов в зависимости от количества воды, которое необходимо удалить, типа зерна, температуры воздуха и глубины зерна. В Соединенных Штатах на фермах можно найти противоточные сушилки непрерывного действия, которые адаптируют бункер для медленной сушки зерна, подаваемого сверху и удаляемого снизу бункера подметающим шнеком.

Сушка зерна - активная область исследований. Производительность сушилки можно моделировать с помощью компьютерных программ, основанных на математических моделях, которые представляют явления, связанные с сушкой: физика, физическая химия, термодинамика и тепломассообмен. Совсем недавно компьютерные модели использовались для прогнозирования качества продукции путем достижения компромисса между скоростью сушки, потреблением энергии и качеством зерна. Типичный параметр качества при сушке пшеницы: хлебопечение качество и процент прорастания, снижение которых при сушке в некоторой степени связано.

Основы сушки зерна

Сушка начинается на дне бункера, где в первую очередь контактируют с воздухом. Сухой воздух нагнетается вентилятором через слой влажного зерна. Сушка происходит в слое толщиной от 1 до 2 футов, который называется зоной сушки. Зона сушки перемещается от дна бункера к верху, и когда она достигает самого верхнего слоя, зерно становится сухим. Зерно ниже зоны сушки находится в равновесном содержании влаги с сушильным воздухом, что означает, что оно безопасно для хранения; в то время как зерно выше все еще нуждается в сушке. Затем воздух вытесняется из бункера через выпускное отверстие.

Допустимое время хранения

Допустимое время хранения - это оценка того, как долго нужно сушить зерно перед порчей и поддерживать качество зерна во время хранения. В процессе хранения зерна больше всего беспокоят грибки или плесень. Многие другие факторы, например насекомые, грызуны и бактерии, также влияют на условия хранения. Чем ниже температура зерна, тем дольше будет допустимое время хранения.^[2]

Правильный уровень влажности для безопасного хранения

При влажности зерна менее 14% возможно длительное безопасное хранение вдали от насекомых, грызунов и птиц. На следующем рисунке показано рекомендуемое содержание влаги для безопасного хранения.^[3]

Срок хранения	Требуется MC для безопасного хранения	Потенциальные проблемы
Хранение от недель до нескольких месяцев	14% или меньше	Плесень, изменение цвета, нарушение дыхания, повреждение насекомыми, адсорбция влаги
Хранение от 8 до 12 месяцев	13% или меньше	Ущерб насекомыми
Хранение фермерских семян	12% или меньше	Потеря всхожести
Хранение более 1 года	9% или меньше	Потеря всхожести

Равновесное содержание влаги

Содержание влаги в зерне зависит от относительной влажности и температуры окружающего воздуха. Точка равновесного содержания влаги - это точка, когда зерно больше не теряет и не набирает воду при контакте с сушильным воздухом. Конечное содержание влаги в зерне зависит от количества влаги в сушильном воздухе, то есть относительной влажности. Низкая относительная влажность означает, что воздух сухой и может собирать воду. Чем ниже относительная влажность, тем суше воздух. Как правило, снижение относительной влажности наполовину вызвано повышением температуры воздуха на 20 °.^[4]

Температура

В процессе сушки зерна можно использовать нагретый воздух. Он может не только ускорить миграцию влаги внутри ядра, но также может испарять влагу с поверхности. Основной проблемой нагретого воздуха для процесса сушки является температура ядра. Ядро зерна может быть повреждено из-за высоких температур ядра. Обычно температура зерна ниже, чем температура воздуха. Для разного использования кукурузы температура различается. Например, для семян кукурузы максимальная температура составляет 110 ° F; для кукурузы, кормящей домашний скот, максимальная температура составляет 180 ° F.

Аэрация

Процесс аэрации относится к процессу перемещения воздуха через зерно. Воздушный поток - это измерение количества воздуха в кубических футах в минуту (CFM). В процессе сушки зерна время сушки во многом зависит от скорости аэрации. Без достаточного воздушного потока зерно может быть повреждено до завершения сушки. Вентиляторы используются для перемещения воздуха через зерно.^[5]

Заявление	Скорость аэрации зерна (куб. Фут / мин / бушель)
Качественное обслуживание	1/50 к 1
Сушка в бункере с естественным воздухом	1 к 3
Сушка бункера с подогревом	От 2 до 12
Сушилки для колонн периодического или непрерывного действия	От 50 до 150
Флюидизация	~400

Стоимость сушки

Стоимость сушки состоит из двух частей: капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Капитальные затраты во многом зависят от требований к скорости сушки и стоимости оборудования. Эксплуатационные расходы включают стоимость топлива, электроэнергии и рабочей силы. Количество энергии, необходимое для сушки бушеля зерна, одинаково для всех методов сушки. Некоторые методы в значительной степени зависят от природного воздуха, в то время как другие могут использовать тепло сжиженного нефтяного газа или природный газ, что приводит к изменению стоимости энергии. По сути, топливо и электроэнергия составляют основную часть эксплуатационных расходов.^[6] Стоимость сушки основана на B.T.U. потребление изменения температуры от окружающей среды до желаемой.

Классификация способов сушки зерна по режиму теплопередачи

^[7]

Методы сушки при хранении

Низкотемпературная сушка
Многослойная сушка

Серийные методы сушки

Бункерная сушка
Колонна периодической сушки

Способы сушки в непрерывном потоке

Сушка с поперечным потоком
Сушка в противотоке
Сушка в параллельном потоке

Методы сушки при хранении

Низкотемпературная сушка

Под методами сушки при хранении понимают, что зерно сушится и хранится в одном контейнере. Низкотемпературная сушка, также известная как сушка при температуре окружающей среды, является одним из методов сушки при хранении. Существует четыре основных фактора, влияющих на сушку при низкой температуре: изменчивость погоды, влажность урожая, поток воздуха в бункере и количество нагретого воздуха.^[8] Большинство низкотемпературных сушилок рассчитаны на максимально медленную сушку зерна и в то же время меньшую порчу зерна. Предполагается, что систему сушки при низкой температуре лучше использовать при средней дневной температуре от 30 ° C до 50 ° C. Вместо того, чтобы контролировать температуру воздуха для сушки, при низкотемпературной сушке основное внимание уделяется относительной влажности, чтобы достичь равновесного содержания влаги (EMC) во всех слоях зерна.^[9] Процесс низкотемпературной сушки обычно занимает от 5 дней до нескольких месяцев и зависит от нескольких важных переменных: погоды, воздушного потока, начального содержания влаги и количества используемого тепла. Среди них воздушный поток является ключевым фактором. Без соответствующей скорости воздушного потока порча произойдет до завершения сушки. Используя нагретый воздух (тепло низкого давления, электрическое тепло и солнечное тепло), можно лучше контролировать относительную влажность осушающего воздуха для достижения желаемого содержания влаги. Обычно осушитель воздуха с подогревом используется, когда относительная влажность превышает 70%. В электрических сушилках для нагрева воздушного потока перед вентилятором обычно размещается резистивный электрический нагреватель. В некоторых случаях для управления нагревателем используется гигростат. В солнечных сушилках сушильный воздух сначала проходит через солнечный коллектор, чтобы нагреться (обычно на 10–12 ° F), а затем попадает в бункер через вентилятор и двигатель. Преимущества низкотемпературной сушки при хранении: быстрое наполнение, высокое качество продукта, меньшая потребность в оборудовании; а недостатками являются долгое время сушки, потребность в электроэнергии при использовании электрического нагрева, высокие управленческие навыки и неопределенное содержание влаги в урожае.

Многослойная сушка

Метод многослойной сушки относится к использованию тепла низкого давления или природного газа при сушке кукурузы. По сравнению с низкотемпературными методами, многослойная сушка требует более высоких температур, что приводит к более короткому допустимому времени хранения. Многослойная сушка без перемешивания является основным методом многослойной сушки, при котором воздушный поток поступает через нагреватель низкого давления с помощью поклонник. Обычно повышение температуры после горелки низкого давления остается низким, чтобы избежать пересыхания нижних слоев бункера. Как только кукуруза сушится в бункере, горелка выключается и используется вентилятор для доведения кукурузы до температуры окружающей среды. Преимущества многослойной сушки без перемешивания: небольшая обработка кукурузы, а бункер можно использовать либо как сушилку, либо как хранилище; Недостатками являются медленное заполнение и пересушивание нижних слоев (Bern, Brumm, 2010). Многослойная сушка с перемешиванием может не только высушить зерно до равновесия сверху вниз, но и снизить сопротивление воздуха зерну. Более того, использование системы перемешивания позволяет избежать проблемы пересушивания нижнего слоя и обеспечить равномерное содержание влаги в зерне во всем бункере. Когда сушка завершена, горелка выключается, а вентилятор и мешалка используются для перемешивания кукурузы для достижения равного содержания влаги и температуры. Преимущества добавления перемешивания заключаются в предотвращении чрезмерного высыхания и ускорении высыхания и допустимой скорости заполнения; К недостаткам системы перемешивания относятся дополнительные затраты и уменьшение емкости бункера.

Методы сушки партиями

Бункерная сушка

В методах сушки партиями сначала помещается определенное количество зерна, обычно от 2 до 4 дюймов, партия сушится и охлаждается позже, затем сушку прекращают и партию удаляют. Сушилки периодического действия обычно работают в этой последовательности и повторяют эту последовательность несколько раз. В методах сушки партиями бункера используется полностью перфорированный пол в качестве сушилки. Без перемешивания доступно большое разнообразие оборудования, и партия может использоваться как в качестве сушилки, так и в качестве холодильника, но может быть большой градиент влажности сверху вниз и потеря времени в процессе загрузки и разгрузки. При добавлении системы перемешивания можно избежать проблемы неравновесного содержания влаги, однако использование мешалки требует дополнительных затрат. При использовании бункерных крышных сушилок можно решить проблему потери времени. Под крышей бункера находится сушильный пол, а сушильный вентилятор и горелка установлены высоко на стене бункера. Когда процесс сушки завершен, зерно помещается на дно обычного бункера, что сокращает время разгрузки. Однако в бункерных сушилках с крышной загрузкой влажное зерно не удерживается, и машины требуют больших затрат.

Сушка партии в колонне

Колонна, сформированная в сушилках такого типа, состоит из двух вертикальных перфорированных стальных листов толщиной около 12 дюймов каждый. Вместимость колонных сушилок периодического действия слишком мала для хранения зерна. Преимущества колонны периодического действия, сушилки с неподвижным слоем - простота перемещения, а сушилка может использоваться как охладитель; а недостатками являются потеря времени при охлаждении, загрузке и разгрузке и неравномерное распределение влаги после завершения сушки. При использовании колонной рециркуляционной сушилки периодического действия проблема изменения содержания влаги устраняется, но дополнительный процесс обработки может привести к порче зерна.

Способы сушки в непрерывном потоке

Сушка в поперечном потоке

Сушилки с поперечным потоком - одна из наиболее широко используемых сушилок с непрерывным потоком. В сушилке с поперечным потоком воздушный поток перпендикулярен потоку зерна. Затем зерно около сушильного воздуха пересушивается, а с другой стороны зерно недосушено. По окончании сушки существует градиент влажности. В действительности, чем ниже скорость воздушного потока, тем выше колебания влажности зерна между двумя сторонами колонны.^[10]

Сушка в параллельном потоке

В сушилке с параллельным потоком и зерно, и воздух движутся в одном направлении, что означает, что самое влажное зерно подвергается воздействию самого горячего сушильного воздуха. Ядра покидают зону сушки при той же температуре и той же влажности. Энергоэффективность на 40% выше по сравнению с сушилкой с поперечным потоком. Однако глубина слоя должна быть более 12 дюймов, чем у поперечного потока. Таким образом, в сушилках этого типа требования к мощности вентилятора высоки.

Сушка противотоком

В противоточной сушилке зерно и воздух движутся в противоположных направлениях, что означает, что самое сухое зерно подвергается воздействию самого горячего сушильного воздуха. Ядра покидают зону сушки при той же температуре и той же влажности, что и в сушилках с параллельным потоком. Предполагаемая температура воздуха ниже 180 ° F, потому что самые сухие ядра с большей вероятностью будут повреждены горячим воздухом.

Применение сушки зерна

Сушка подсолнечника

У разных видов подсолнечника консервационная влажность разная. Подсолнечник из семян масличных культур лучше сушить до 9% влажности, а подсолнечник из семян птиц - до 10%. По сравнению с сушкой кукурузы подсолнечник легче сушить и хранить в безопасном месте. Более того, высокая температура не может отрицательно повлиять на ядро подсолнечника, что может быть причиной жирнокислотного состава. Признаков повреждения при сушке при нагревании воздуха до 220 ° F не обнаружено. Однако тонкие волоски и волокна на семенной оболочке подсолнечника могут стать причиной пожара. При нагревании подсолнухов рекомендуется сначала удалить пылающие частицы.

Сушка фасоли

Семенная оболочка бобов довольно хрупкая, ее легко повредить, растрескивая и раскалывая, что может стать причиной потерь для производителя. Некоторые исследования бобов показали, что во избежание растрескивания лучше поддерживать сушильный воздух при относительной влажности выше 40 процентов.^[11]

Сушка кукурузы

При сушке зерен кукурузы важно помнить, что трещины и трещины в кукурузе могут вызвать множество проблем как при хранении, так и при переработке. Основная проблема, возникающая при высокотемпературной сушке и последующем быстром охлаждении зерна, - это растрескивание под напряжением. Растрескивание под напряжением - это появление трещин в эндосперме кукурузы. Ядра с растрескиванием под напряжением часто слишком быстро впитывают воду, с большей вероятностью ломаются и становятся все более уязвимыми для насекомых и плесени во время хранения в сухом виде. Чтобы уменьшить количество зерна, которое теряется из-за растрескивания под напряжением, следует использовать методы сушки при средней температуре и медленном охлаждении или естественном воздухе и при низкой температуре.^[12]