Актуальные аспекты сохранности зерна и автоматизированная система контроля состояния его при хранении

 Центральной задачей обеспечения продовольственной безопасности России является сохранение собранного урожая зерна без порчи и потерь. Существующие зернохранилища и их оснащенность не позволяют в полной мере решить эту задачу. Особенно неблагоприятные условия хранения зерна создаются в металлических силосах. Их строительство в последние годы приняло массовый характер из-за низкой стоимости и быстроты возведения по сравнению с железобетонными конструкциями.

В ряде зернопроизводящих стран, где широко распространены металлические силосы (США, Австралия и др.), во время уборки зерно имеет влажность 9-12 %. Такое зерно стойко при хранении. В условиях климата России влажность зерна во время уборки нередко достигает 17-22 %, и его высушивают до критической влажности, которая для большинства культур равна 14,0-15,5 %. Во время уборки температура зерна составляет 25-30 ?С, и охладить его из-за теплой погоды зачастую невозможно.

Резкие суточные колебания температуры осенью и послеуборочное похолодание сопровождаются процессом естественного тепловлагопереноса в зерновой массе, которому способствует и порой неразумно организованная система вентилирования в металлических хранилищах. Происходит конденсация влаги на стенах и крыше силоса и отпотевание поверхностных и пристенных слоев зерновой массы. В них зерно прорастает, подвергается микробиологической порче, гниет, самосогревается. 

Увлажнение зерновой массы ведет к увеличению интенсивности дыхания ее живых компонентов (семян, микрофлоры, насекомых) [1]. Оно сопровождается выделением углекислого газа, воды и 2870 кДж теплоты на каждый грамм-моль (180 г) истраченной глюкозы: 
С6Н12О6 + 6О2 ? 6СО2 + 6Н2О + 2870 кДж.
Состав межзернового воздуха в этих слоях зерновой насыпи меняется наиболее значительно по сравнению с другими участками: количество кислорода снижается, а содержание углекислого газа и водяных паров нарастает.

Именно эти  слои (поверхностный и пристенный) должны в первую очередь подвергаться мониторингу при хранении, что не учитывается традиционными методами контроля.

Сегодняшние металлические хранилища не имеют систем должного слежения за состоянием хранящегося зерна и устройств защиты его от поражения плесенями и насекомыми. 

Происходит массовая порча зерна. Снижается его масса и качество, теряются технологические свойства, нередко зерно становится ядовитым из-за накопления вредных продуктов жизнедеятельности насекомых и микроорганизмов (микотоксинов). 

Исследования ВНИИЗ и ВНИИГИНТОКС показали [2, 3, 4], что длительное питание продуктами из пораженного насекомыми зерна может приводить к постепенному проявлению разных заболеваний: подагре, нарушению аминокислотного обмена и переноса кислорода, малокровию, отечности, дисфункции желудочно-кишечного тракта. Это не может не вызывать постоянное подтравливание людей и повышение заболеваемости населения. Предприятия вынуждены испорченное зерно вывозить на свалки [5, 6, 7].

По оценкам ВНИИЗ [8], потери зерна в России через 6-7 месяцев хранения только от насекомых достигают 5,7-7,8 %. Получается, страна выращивает более 5 млн. тонн зерна стоимостью более 25 млрд. рублей на прокорм насекомым. Это равнозначно труду хлеборобов Ставропольского края.
 
ФАО ООН оценивает ежегодные потери зерна в мире около 20%. Колебания составляют от 1-2 % в высокоразвитых странах Европы и Америки до 30-40 % в некоторых менее развитых странах. Украина при производстве 30-40 млн. т зерна ежегодно теряет около 8 млн. т (20-27 %) [9]. 

ФГУ «Центр оценки безопасности и качества зерна» Россельхознадзора [10, 11] при проверках выявил, что некачественное и опасное зерно составило более четверти проверенных партий и даже имеющих декларации о соответствии.

Нередко плесени и насекомые инициируют самосогревание зерна. При самосогревании выделяются аммиак, метан, сероводород, фенолы и другие низкомолекулярные летучие продукты, способные образовывать в хранилищах взрывоопасные смеси.  Поэтому самосогревание, кроме порчи зерна, сопровождается спеканием зерновой массы и трудностью или невозможностью выгрузки ее из хранилища, повышением температуры, взрывами, разрушением хранилища. Среди причин взрывов 22 % занимает самовозгорание сырья в результате самосогревания [12].

Указанных потерь можно избежать, если вести постоянный контроль появления в зерне насекомых и принимать меры по их уничтожению, а также своевременно выявлять и ликвидировать очаги плесневения и самосогревания зерна.
Традиционные для зерновой отрасли методы мониторинга состояния и сохранности зерна не в полной мере способны предотвратить его потери. Мониторинг состояния сейчас ведут по трем показателям: температура зерна, влажность зерна, зараженность насекомыми.

В складах, где хранится более половины урожая зерна, температуру зерна контролируют вручную с помощью термоштанг. Хранилища силосного типа обычно оборудованы термоподвесками с передачей информации на пульт управления. При таких подходах из-за низкой теплопроводности зерна сведения о его температуре оказываются малоинформативными и не позволяют эффективно и надежно выявить очаги плесневения и самосогревания в зерновой насыпи. 

Для определения влажности и зараженности вредителями нормативными документами предусмотрено от каждой партии зерна регулярно отбирать средние пробы по 2 кг и в них измерять влажность и присутствие насекомых. 

Недостатками мониторинга состояния зерна по средним пробам являются:

• в складах напольного хранения - высокая трудоемкость ручного отбора проб зерна - до 30 человеко-часов на склад [13] и нарушение при этом п. 643 ПБ № 560 (хождение по насыпи зерна запрещено»). В результате, как правило, такой контроль проводится формально;
• в хранилищах силосного типа предусмотрено перемещение зерна для взятия выемок из струи зерна. При этом в пробу не попадает верхний слой зерна, происходят большие энергозатраты и перезаражение вредителями оборудования, увеличивается количество битого зерна и прохода через сито 1 мм, что в общей сложности приводит к уменьшению массы зерна примерно на 1,5 % [14]. 

Традиционные методы отбора средней пробы зерна не учитывают особенностей формирования в зерновой массе критических контрольных участков (точек), которые в первую очередь должны быть охвачены мониторингом.

Разрабатываемая нами система мониторинга состояния зерна при хранении строится на следующих принципиально новых подходах:

• мониторинг ведется без отбора проб зерна, автоматизированно с дистанционной передачей  и регистрацией  контролируемых параметров, с сигнализацией пороговых состояний зерновой массы;
• основное внимание отведено наиболее критическим участкам зерновой массы – верхнему и пристенному слою; 
• в критериях мониторинга используются следующие показатели: численность насекомых; теплота, высвобождающаяся в процессе дыхания, в виде температуры межзернового воздуха; относительная влажность межзернового воздуха, как показатель доступности влаги для метаболических процессов; динамика изменений этих трех показателей и их прогноз.

Реализация описанного мониторинга осуществляется посредством измерителя параметров зерновой массы (ИПЗМ), который является совмещенным интеллектуальным датчиком зараженности зерна насекомыми, температуры и относительной влажности межзернового воздуха. На рис. 1 представлена функциональная схема ИПЗМ.


ИПЗМ устанавливают в наиболее критические слои зерновой насыпи. Результаты он-лайн измерений передаются на персональный компьютер. Полученная информация обрабатывается и визуализируется на дисплее персонального компьютера, в том числе с отображением категорий состояния зерна: «нормально», «тревожно», «опасно». ИПЗМ оснащают устройствами крепления и фиксации их в зерновой массе. 

Испытания системы автоматизированного мониторинга состояния зерновой массы  проводятся в лабораторных и производственных условиях.

В лабораторных условиях испытания осуществляются с зерном разной влажности, с насекомыми разных видов, с разной плотностью заражения ими зерна.

В производственных условиях испытания ведутся на элеваторе и в складе на одном из предприятий в Воронежской области. В их задачу входит сравнительная оценка состояния зерна с использованием ИПЗМ и стандартными методами, а также определение отношения специалистов предприятия к новому методу. Имитационная модель и результаты одного из опытов показаны на рис. 2. 


Модель представляет собой сосуд с зерном, в котором установлен ИПЗМ. В одном из опытов зерно было заражено жуками амбарного долгоносика. На графике видно, как со временем увеличивается количество срабатываний счетчика насекомых.

В производственных условиях испытания ведутся на элеваторе и в складе на одном из предприятий в Воронежской области. В их задачу входит сравнительная оценка состояния зерна с использованием ИПЗМ и стандартными методами, а также определение отношения специалистов предприятия к новому методу.

Литература
1. Фейденгольд, В. Б., Алексеева, Л. В., Закладной, Г. А., Львова, Л. С., Темирбекова, С. А. Меры борьбы с потерями зерна при заготовках, послеуборочной обработке и хранении на элеваторах и хлебоприемных предприятиях / Под ред. В. Б. Фейденгольда. - М.: ДеЛи принт, 2007. – 320 с. ISBN 978-5-94343-139-5.
2. Закладной, Г. А. Биохимическая и гигиеническая оценка зерна пшеницы, зараженного рисовым долгоносиком / Е.А. Антонович, А.Я. Черковская, Н.И. Киселева, Н.С. Сыроед : сб. науч. тр. / Всесоюз. науч-иссл. ин-т зерна и продуктов его переработки.-М.,1987.-№ 109-0,4 п.л.
3. Закладной, Г. А. Гигиеническая регламентация зараженности зерна амбарными вредителями [Текст]  / Е. А. Антонович, Н. С. Сыроед : Сб. Всес. науч. конф. «Пути повышения качества зерна и зернопродуктов, улучшения ассортимента крупы, муки и хлеба», 17-19 октября 1989 г. Тезисы докладов //М.-1989.- С. 139-141.
4. Закладной, Г. А. Регламентации вредных насекомых и клещей в зерне в СССР [Текст]  / Е. А. Антонович, Н.С . Сыроед : Сб. тезисов докладов. Международный симпозиум «Экспрессное определение качества зерна и зернопродуктов», Москва, 20-22 ноября 1990.- С. 56.
5. http://bankfax.ru
6. http://news2.ru
7. http://fedpress.ru
8. Закладной Г. А. Зерно и насекомые // Хлебопродукты. – 2011. – 12. - С. 57.
9. http://agroinformer.com
10. Хатунцов, А. В. Страсти по зерну [Текст] // Хлебопродукты. – 2011. – 10. - С. 4-7.
11. Хатунцов, А. В. Доклад ФГБУ «Центр оценки качества зерна» (по материалам «Зерновой Форум Сибири-2012», г. Новосибирск
12. Теплов, А. Ф. Защита от взрывов и аварий на производстве. http://xreferat.ru/8/786-1-zashita-ot-vzryvov-i-avariiy-na-proizvodstve.html
13. Разработка технических  требований на механизированный пробоотборник для отбора проб из насыпи зерна в складах: Промежуточный отчет / Сибирский фил. ВНИИЗ; руководитель работы Э. В. Кучко. – 8.05.01 раздел 1, № ГР 74018333; Инв. № Б 348070. – Новосибирск, 1973.- 134 с.
14. Тухватуллин М.М., Совершенствование оборудования и улучшение сохранности продуктов зерноперерабатывающих предприятий за счет использования полимерных материалов [Текст].  - М.: Издательский комплекс МГУПП, 2003. – 314 с.
 

---