Удаленный мониторинг состояния зерна - основа его безопасного хранения

Одной из важных задач специалистов-зерновиков является обеспечение сохранности выращенного трудом хлеборобов зерна. Главное беспокойство при хранении зерна вызывают насекомые и плесени [1, 2, 3]. Известно, что основная часть популяции насекомых скапливается в верхних слоях насыпи зерна [4, 5, 6], где их в первую очередь целесообразно обнаруживать при мониторинге. Следует, также, ожидать, что теплый влажный воздух, образующийся в очагах зерновой массы с повышенной физиологической активностью, в т. ч. в очагах самосогревания, должен устремляться в верхние ее слои.

Особенно неблагоприятные условия для сохранения зерна создаются в металлических силосах в период резких суточных колебаний температуры. Ночью, когда температура воздуха опускается к нулевым отметкам, быстро охлаждаются металлическая крыша и верхние участки стен. Влага из поднимающегося из зерна теплого воздуха конденсируется на холодном металле и стекает на зерно. Этот процесс усиливается, когда предприятия, используя холодные ночные понижения температуры воздуха, стремятся охладить зерно путем активного вентилирования. Один из авторов неоднократно был свидетелем, когда в осенние дни в Краснодарском крае с конусной крыши металлических силосов, в которых ночью вентилировали зерно, при ясной погоде в утренние часы ручьями стекал конденсат и по внутренним стенкам силоса на зерновую насыпь, и на улицу, как с зонта во время дождя. 

Поэтому при мониторинге состояния зерна логично сосредоточить внимание на анализе верхнего, наиболее критичного участка насыпи зерна.
Правила выявления насекомых в зерне регламентируются государственным стандартом ГОСТ 13586.6-93. «Зерно. Методы определения зараженности вредителями». Необходимо от партии зерна отобрать среднюю пробу массой 2 кг, отделить от зерна насекомых просеиванием его на решетах, идентифицировать обнаруженных в пробе вредителей, подсчитать их, рассчитать суммарную плотность зараженности (СПЗ) и определить степень зараженности.

Одним из важнейших этапов является отбор представительной средней пробы зерна. Этот этап также регламентирован стандартом. Если зерно хранится в горизонтальном хранилище, то насыпь зерна условно разбивают на секции площадью по 200 м2. В каждой секции выемки зерна отбирают с помощью зернового щупа. В зерновой щуп помещается 100 г зерна. Чтобы из одной секции отобрать среднюю пробу массой 2 кг, необходимо щуп 20 раз погрузить в зерно и из него 20 раз высыпать зерно в тару.

Всего в типовом складе 60x20 м необходимо исследовать 6 секций. Это значит, что лаборант должен сделать минимум 72 погружения щупа в зерно, отобрать 6 средних проб по 2 кг, принести их в лабораторию, просеять зерно, выделить из него, подсчитать и идентифицировать насекомых и рассчитать СПЗ.

В вертикальных хранилищах (силосах элеваторов) с точки зрения отбора средней пробы могут быть два варианта, связанных с полнотой загрузки силоса зерном.
Первый вариант предусматривает случай, когда силос загружен зерном полностью, и лаборант может дотянуться через верхний загрузочный люк до насыпи зерна зерновым щупом. Тогда сначала с помощью зернового щупа отбирают из верхнего 10-сантиметрового слоя и из глубины 0,5-1,0 м выемки зерна общей массой 1 кг. Затем перекачивают 10 тонн зерна «само на себя», и из струи зерна от каждой тонны отбирают по 100 г зерна (всего 1 кг). Обе пробы объединяют в среднюю пробу 2 кг.

Второй вариант представляет ситуацию, когда силос загружен зерном не полностью, и лаборант не может с помощью зернового щупа отобрать выемки зерна с его поверхности. В данной ситуации перекачивают «само на себя» 20 тонн зерна, и из струи зерна от каждой тонны отбирают по 100 г зерна, набирая, таким образом, среднюю пробу 2 кг.
Что касается металлических силосов, исследований по оптимизации отбора представительных проб зерна в них для выявления вредителей нам не известно. В Инструкции по хранению зерна, маслосемян, муки и крупы № 9-7-88 указано лишь, что «отбор проб из металлического силоса проводится из верхнего слоя насыпи (при наличии лазового люка и внутренней лестницы с соблюдением правил техники безопасности), из нижних воронок, при перемещении части зерна в свободный силос».

Стоит обратить внимание, что в перемещаемые 20 т зерна для отбора средней пробы зачастую не попадает верхний, наиболее проблематичный слой зерна, что не дает истинной картины опасного состояния партии зерна.

Инструкция № 9-7-88 требует проводить проверку зерна на зараженность вредителями при температуре +5 °С и ниже 1 раз в месяц, при температуре выше +5 °С - 2 раза в месяц.
По оценкам Сибирского филиала ВНИИЗ [7, 8] только отбор проб для одного анализа в одном складе требует затрат до 30 человеко-часов.

Обычно на хлебоприемных предприятиях бывает 10-20 складов, а в элеваторах - сотни силосов. Это значит, что для соблюдения требований инструкции № 9-7-88 и ГОСТ 13586.6-93 предприятия должны каждые 15-30 суток отбирать сотни средних проб зерна и проводить анализы их на зараженность вредителями.

Из-за такого огромного объема работы по выявлению насекомых в зерне в современных условиях на предприятиях проблематично провести определение зараженности зерна насекомыми в горизонтальных и вертикальных хранилищах в соответствии с требуемыми правилами. Это обстоятельство приводит к запоздалым оценкам показателя зараженности и большим потерям зерна из-за своевременного непринятия соответствующих мер по предотвращению катастрофического увеличения численности насекомых в зерновых массах и потерь от них.

Должны заметить, что п. 643 Правил безопасности взрывопожароопасных производственных объектов хранения и переработки растительного сырья от 21 ноября 2013 г. N 560 (ПБ-560) гласит: «Хождение по насыпи зерна или других продуктов хранения запрещено». Отсюда вытекает важное заключение о том, что ручной отбор проб зерна, связанный с хождением по насыпи, оказывается не легитимным и представляет опасность для жизни людей.

Надо также пояснить, что анализ данных, приведенных в [9], позволяет сделать обобщенный вывод о том, что перемещение зерна по технологическим линиям, в том числе для отбора проб зерна, приводит к увеличению количества битых зерен в размере около 2 % и количества прохода сита 1 мм до 0,5 %. По ГОСТ Р 52554-2006 «Пшеница. Технические условия» 50 % массы битых и изъеденных зерен относят к зерновой примеси, а весь проход сита 1 мм - к сорной примеси. Это означает, что однократное перемещение зерна вызывает потерю его массы в количестве около 1,5 %.

Легко посчитать, что, при среднем сроке хранения 6 месяцев, чтобы отобрать средние пробы для определения зараженности зерна и не нарушить при этом требования инструкции № 9-7-88, ГОСТ 13586.6-93 и ПБ-560 потребуется 12 раз переместить часть зерна. А это равносильно потере 18 % (1,5 % х 12 раз) массы перемещаемого зерна. Для каждого силоса элеваторa, в котором хранится до 200 т зерна пшеницы, эти потери составляют 20 т х 12 раз х 1,5 % = 3,6 т или 1,8 %.

Повисает в воздухе вопрос - как предприятиям удается завуалировать эти потери зерна. Если их в действительности нет - это означает, что предприятия не контролируют состояние зерна по зараженности в соответствии с нормативными документами. А если надлежащий контроль зараженности не обеспечен, тогда вступают в силу неизбежные потери массы зерна от насекомых. И их тоже приходится как-то прикрывать. Чудес, как мы неоднократно убеждались, не существует.

Помимо стандартного метода определения зараженности зерна насекомыми существует набор других методов выявления их в зерновой массе.
Большинство известных методов предполагают отбор пробы от партии зерна и анализ этой пробы. Помимо просеивания на решетах обнаружение насекомых в пробе осуществляют: улавливанием шума от насекомых с помощью различных электронно-акустических устройств [10, 11]; гальванометрическим методом [12]; рентгеноскопией [13]; окрашиванием входных отверстий насекомых [14]; химической индикацией гемолимфы насекомых [15] и др.

В результате исследований [4, 5, 6] предложен способ и устройство для определения зараженности зерна насекомыми без отбора проб зерна. Создана ловушка насекомых, которая представляет собой перфорированный отверстиями цилиндр, снабженный приманкой насекомых. Ловушку устанавливают в зерновую насыпь. Через несколько дней ловушку извлекают из зерна и подсчитывают попавших в нее насекомых по видам. С помощью специальных номограмм рассчитывают плотность популяции вредителей в зерне.

Что касается выявления очагов самосогревания, то на сегодняшний день в практике их надеются выявлять путем регистрации повышения температуры в разных участках зерновой насыпи с использованием термоподвесок. Однако эта затея малоперспективна в силу крайне низкой теплопроводности и температуропроводности зерновой массы. Это великолепно доказано теоретическими и экспериментальными исследованиями еще в далекие 70-е годы прошлого столетия [16, 17]. В обобщенном виде вывод гласит следующим образом: «...около 85 % выделившейся в очаге энергии концентрируется в его границах. Через 10 сут. температура в центре очагов повышается примерно на 10 °С, на границе их - на 6-5 °С, а на расстоянии, удаленном на 0,5 м от этой границы, - всего лишь на 0,8-1,1 °С, причем из последнего приращения 0,6 °С - результат воздействия теплового фона окружающего массива» [17]. Отсюда следует вывод, что надежность выявления очагов самосогревания по показаниям одних термодатчиков не велика.
Из теории дыхания известно, что при окислении Сахаров живыми компонентами зерновой массы помимо тепла выделяется влага и углекислота [3]. Поэтому обоснованными следует считать предпосылки повышения надежности обнаружения очагов самосогревания, если помимо контроля температуры будет осуществляться регистрация динамики относительной влажности межзернового воздуха.
Анализ приведенного обзора свидетельствует, что создание системы контроля состояния зерновой массы в хранилищах, которая исключала бы основные негативные стороны существующих методов оценки зараженности насекомыми и обнаружения очагов самосогревания, представляет собой актуальную задачу

Эта задача была решена нами в рамках государственного контракта ОАО «Мельинвест» и Минпромторга РФ.
С целью разработки системы удаленного мониторинга разработан измерительный комплекс. Измеритель параметров зерновой массы (ИПЗМ) представляет собой зонд длиной 1 м. Корпус зонда состоит из двух продольных каналов. 

В верхней и нижней частях одного канала имеется перфорация для воздухообмена. В районе перфорированной части установлены датчики температуры с разрешающей способностью 0,1 °С и относительной влажности воздуха с разрешающей способностью 0,5 %, воспринимающие информацию об этих параметрах зерновой массы в двух ее слоях: на глубине примерно 0-10 см и 70-80 см.

Другой канал представляет собой ловушку насекомых. Он снабжен отверстиями для проникновения в него насекомых из окружающей зерновой массы. В нижней части канала расположен инфракрасный датчик - счетчик жуков вредных насекомых, которые, попадая в ловушку, проваливаются вниз канала.

Верхняя часть зонда снабжена соединительной коробкой. В соединительной коробке размещен измерительный цифровой блок и подключены провода. По проводам осуществляется подвод питания и опрос данных.

Все устанавливаемые в зерновую насыпь ИПЗМ соединяются между собой параллельно 4-х проводной шиной. Из хранилища в лабораторию протягивается 4-х проводной кабель. К кабелю подключается блок питания и компьютер, на котором отображаются мгновенные значения измеряемых параметров.

Измерительный комплекс позволяет оценивать текущее состояние зерновой массы по следующим 9-ти измеряемым и вычисляемым параметрам:
- температура зерна;
- аппроксимированная на интервале времени скорость изменения температуры зерна;
- направленность вектора изменения температуры зерна;
- относительная влажность межзернового воздуха;
- аппроксимированная на интервале времени скорость изменения относительной влажности межзернового воздуха;
- направленность вектора изменения относительной влажности межзернового воздуха;
- зараженность насекомыми;
- аппроксимированная на интервале времени скорость изменения зараженности насекомыми;
-  направленность вектора изменения зараженности насекомыми.

Измеряемые данные отображаются на компьютере в виде численных значений и графиков. Предусмотрена запись собираемых данных в базу данных с отметками времени и с возможностью анализа данных за длительные интервалы времени по критериям.

В составе ИПЗМ также разработаны алгоритм передачи информации о величине и динамике указанных показателей в реальном времени и программы обработки полученной информации и визуализации ее на дисплее персонального компьютера, в том числе с указанием: «нормально», «тревожно», «опасно».
Система может быть установлена в хранилищах любого типа (склады, элеваторы, металлические силосы и др.). Состав системы при поставке на одно предприятие включает один персональный компьютер с программным обеспечением, один интерфейс с многоточечным подключением датчиков, 5-9 датчиков на каждое хранилище и одно устройство для крепления и перемещения датчиков на каждое хранилище.

В заключение следует заметить, что система позволяет отслеживать состояние и безопасность партии зерна в любой точке земного шара.

Список литературы
1. Закладной, Г. А. Вредители хлебных запасов [Текст] : Приложение к ж. «Защита и карантин растений». - 1999. - № 8.- 16 с.
2. Закладной, Г. А. Вредители хлебных запасов : Издание второе, дополненное [Текст] // Защита и карантин растений. -2006. -№6.-С. 81(1)-104(24).
3. Фейденгольд, В. Б. Меры борьбы с потерями зерна при заготовках, послеуборочной обработке и хранении на элеваторах и хлебоприемных предприятиях [Текст] / В. Б. Фейденгольд, Л. В. Алексеева, Г. А. Закладной, Л. С. Львова, Темирбекова С. А. // М., ДеЛи принт. - 2007. - 302 с. +31 ил. цв.
4. Закладной, Г. А. Современные направления защиты хранящегося зерна от насекомых [Текст] : дис... докт. биол. наук. -М. - 1985. -426 с.
5. Закладной, Г. А. Обнаружение насекомых в зерне без отбора проб [Текст] / Г. А. Закладной, В. И. Саулькин : Обзорн. инф. Серия «Элеваторная промышленность» //М.: ЦНИИТЭИ ВНПО «Зернопродукт». - 1991 - 56 с.
6. Закладной, Г. А. Новые способы дезинсекции зерна [Текст] / Г. А. Закладной, В. И. Саулькин, А. Н. Васильев, С. А. Желтова и др. // М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР. - 1982. - 46 с.
7. Разработка технических требований на механизированный пробоотборник для отбора проб из насыпи зерна в складах [Текст] : отчет о НИР (промежуточный). Шифр 8.05.01. № Гр 74018333 / Сибирский филиал Всесоюзн. науч.-иссл. ин-та зерна и продуктов его переработки; рук. Кучко Э.В. - Новосибирск, 1973. 134 с.
8. Уточнение методики отбора проб из большегрузных автомашин, из складов, при отгрузках и поступлении зерна в вагонах. Исследование и разработка переносного пробоотборника для механизированного отбора проб из насыпи зерна в складах [Текст] : отчет о НИР (промежуточный). Шифр 8.05.01. № Гр 74018333 / Сибирский филиал Всесоюзн. науч.-иссл. ин-та зерна и продуктов его переработки; рук. Кучко Э.В. - Новосибирск, 1974.-86 с.
9. Тухватуллин, М. М. Совершенствование оборудования и улучшение сохранности продуктов зерноперерабатывающих предприятий за счет использования полимерных материалов : Монография [Текст] / М. М. Тухватуллин // М.: Издательский комплекс МГУПП. - 2003. - 314 с.
10. Закладной, Г. А. Спектральные характеристики акустического шума вредителей хлебных запасов и прибор для определения зараженности зерна [Текст] // Г. А. Закладной, В.Ф. Ратанова, Л.Р. Гаврилов, М.Г. Сиротюк, В.В. Рябухин: сб. науч. тр. / Всесоюз. науч-иссл. ин-т зерна и продуктов его переработки. -М, 1971.-№71.-С. 64-71.
11. Fesus, I., Molnar J. Elektroakustikai modszez a rakttari kartevok okozta fertozes kumulatatasara [Текст] // Novenyvedelem. - 1975. - V. 11, N 10. - P. 452-462.
12. A. c. 987519 СССР. Автоматический регистратор скрытой зараженности зерна [Текст] / Г.А. Чаусовский (СССР). - № 3338995/30-15; заявл. 04.08.81 ; опубл. 1983, Бюл. № 1.
13. Osuji, F. N. С. Radiographic studies of the development of Callosobruchus maculates Fabricius (Coleoptera:Bruchidae) in cowpea seeds [Текст] // J. stored Prod. Res. - 1982. - V. 18. - P. 1 -8.
14. ГОСТ 13586.4-83. Зерно. Методы определения зараженности и поврежденности вредителями [Текст]. - Введ. 1984-07-01. -М.:Госстандарт СССР : Изд-во стандартов, 1984. - 4 с.
15. Dennis, N. М, Decker, R. W. A method and machine for detecting living internal insect infestation in wheat [Текст] // J. Econ. Entomol. - 1962. -V. 55, N 2.
16. Шумский, О. Д., Уколов, В. С, Сергунов, В. С. Результаты экспериментальных исследований теплового режима греющейся зерновой насыпи [Текст] / О. Д. Шумский, В. С. Уколов, В. С. Сергунов // Хранение и переработка зерна. Серия: Элеваторная промышленность // М.: ЦНИИТЭИ Минзага СССР. -1972.-С. 17-20.
17. Уколов, В. С. Тепловой режим зерновой насыпи с очагами повышенного тепловыделения [Текст] / В. С. Уколов // Сб. науч. тр. / Всесоюз. науч-иссл. ин-т зерна и продуктов его переработки. - М, 1980. - № 93. - С. 49-55.
 
 

---