Обоснование ресурсосберегающей технологии сушки семенной кукурузы

Аннотация. В работе рассмотрены вопросы разработки ресурсосберегающих технологических схем сушки семенной кукурузы и экспериментального исследования процесса конвективной сушки сырья.
Abstract. The paper deals with the development of resource-saving technological schemes for drying seed corn and the experimental study of the process of convective drying of raw materials.

Одна из важнейших зерновых культур, востребованных для перерабатывающих отраслей АПК Российской Федерации и Республики Казахстан, является кукуруза.

Кукуруза в зерне и початках поставляется на продовольственные, семенные, кормовые цели и для переработки на комбикормовые добавки.

Она широко используется в качестве продукта питания и сырья во многих отраслях промышленности, из ее зеленой массы получают высококачественный корм. Зерно кукурузы - ценный компонент комбикормов для животных и птицы. Силос из кукурузы обладает диетическими свойствами, хорошо переваривается и богат каротином. Пестичные столбики початков кукурузы применяют в медицине.
Из стеблей, листьев и початков кукурузы вырабатывают бумагу, линолеум, вискозу, активированный уголь, искусственную пробку, пластмассу, анестезирующие средства.

Зерно кукурузы применяется для производства муки, крупы, хлопьев, крахмала, этилового спирта, декстрина, глюкозы, сахара, патоки, меда, растительного масла, витамина Е, аскорбиновой и глютаминовой кислот, а также изготовления пива, сиропов, консервов (сахарная кукуруза) [1, 2].

Кукуруза как пропашная культура способствует очищению полей севооборота от сорняков, практически не имеет общих с зерновыми культурами вредителей и болезней. Её применяют в покосных, пожнивных и в качестве повторных посевов. На зерно ее выращивают в Казахстане и районах Российской Федерации с умеренными климатическими условиями, а на силос и зеленый корм - практически на всех территориях.

Кукуруза в Казахстане является самой высокоурожайной зерновой и основной кормовой культурой универсального использования. Территория республики Казахстан отличается разнообразием климатических условий – от холодных степей севера до жарких и сухих полупустынь южных районов. Это обуславливает выращивание и производство гибридов кукурузы разных групп созревания от раннеспелых до позднеспелых. В последние годы в республике наметилась тенденция на переработку кукурузы в пищевых целях, хотя основным было и остается использование ее на корм.
Сушка является одним из важных этапов в уборке зерна, позволяющий значительно продлить срок его хранения.

Вследствие разнообразия природно-климатических условий в зернохранилища может поступать влажное зерно, которое не пригодно к длительному хранению. Это и предопределяет необходимость проведения сушки и разработки различных технологических схем процесса сушки семенной кукурузы, который является не только теплотехническим, но и технологическим процессом, в котором изменяются технологические свойства объекта сушки. Правильно организованный процесс сушки не только не ухудшает технологические свойства, но и дает заметное их улучшение при дозревании. Сушка зерна при оптимальном режиме вызывает повышение всхожести и энергии прорастания зерна. Правильно высушенное зерно дает повышение урожая по сравнению с зерном, высушенным на воздухе в естественных условиях.

Содержание влаги в кукурузном зерне в период уборки составляет около 40%, поэтому сохранить его можно в основном только высушиванием. Сушка семенного зерна отличается длительностью процесса и высокими удельными энергетическими затратами. При этом объекты сушки, как и большинство пищевого растительного сырья, являются термолабильными или требуют применения сушильного агента невысокого термодинамического потенциала [3]

В условиях рыночной конкурентной экономики к качеству и оптимальной стоимости сушки зерна и початков предъявляют все более высокие требования, особенно с позиции сохранности урожая при высокой влажности сырья [4].

Для целей обеспечения продуктовой безопасности Республики Казахстан и Российской Федерации, максимального импортозамещения, повышения степени использования зернового растительного сырья и совершенствования аппаратурного оформления технологических процессов необходимы исследования по интенсификации процесса сушки кукурузы в виде зерна и початков с разработкой эффективной энергосберегающей технологии и линий [3, 5, 6].

Цель работы состоит в определении рационального диапазона границ безопасных и допустимых температур нагрева зерна на основе результатов экспериментального исследования процесса конвективной сушки семенной кукурузы.

В качестве объекта сушки были выбраны семена гибридов кукурузы - Молдавский 215, ЗП - 539 и ЗП - 704  первого поколения, которые наиболее часто используют в Алматинской области при получении высоких урожаев.

Экспериментальное изучение процесса конвективной сушки семенной кукурузы осуществлялось на лабораторной сушильно-охладительной установке, схема которой приведена на рисунке 1 [4, 7, 8].  
Экспериментальная установка состоит из теплового насоса 1, камеры нагрева 2, воздуховода подачи горячего воздуха с вентилятором 3, сушильной камеры 4, вентилятора 5, камеры охлаждения 6, конденсатора 7, терморегулирующего вентиля 8, термоизолятора 9, винта 10 для слива конденсата, а также заслонки 11, воздуховода отработанного воздуха 12 и терморегулятора 13. В случае необходимости, предусмотрены штуцера для добавки наружного воздуха и отвода отработанного агента сушки из сушильной и охладительной камер.



Рисунок 1 – Лабораторная установка для сушки зерна кукурузы

Конструкция лабораторной  установки обладает следующими техническими параметрами: площадь сечения сушильной камеры составляет 0,07 м², диаметр газораспределительной решетки сетчатой камеры 0,3 м, температура сушильного агента – (303...323)К и его скорости – (0,3...1,0) м/с.

Методика проведения экспериментов предусматривала сушку слоя дисперсного сырья восходящим потоком теплоносителя на газораспределительной решетке сетчатой сушильной камеры. Для охлаждения просушенное зерно перемещалось вместе с сетчатой емкостью в камеру охлаждения. Охлажденный и насыщенный влагой теплоноситель через воздуховод направлялся в конденсатор для осушивания за счет осаждения влаги в виде конденсата. Затем охлажденный, сухой воздух подавался в камеру охлаждения.

Выбор рационального технологического режима сушки осуществлялся с учетом сохранности биохимических и семенных достоинств зерна. При этом начальная влажность сырья составляла (26...37)%, конечная влажность – (13...15)% и высота слоя сырья – (0,2...1,2) м.

Анализ полученных результатов при сушке раннеспелого гибрида Молдавский 215 (рисунок 2) свидетельствует о том, что при сохранении качественных показателей семенного зерна и температуре агента сушки 319К основной прогрев отличается значительной продолжительностью и составляет около 2400 с.


Рисунок 2 – Кривые нагрева семенной кукурузы (гибрид Молдавский 215)
при различной температуре сушильного агента, К: 1 – 293; 2 – 305;
3 – 310; 4-315; 5-320; 6- 322

Отмечено, что с повышением температуры сушильного агента до 320К при скорости 0,3 м/с разность между температурами нагрева зерна составила 287К, при 0,5 м/с - 283К и при 1,0 м/с – 280К  в течении сушки (0,5-2,0) ч. При этом повышение температуры сушильного агента с 313 до 322К в периоде сушки (0,5-4) ч увеличивает среднюю неравномерность нагрева зерна между нижним и верхним слоями на 319 - 321 К, независимо от скорости теплоносителя. Вместе с тем, увеличение скорости сушильного агента от 0,3 до 1,0 м/с снижает неравномерность нагрева зерна на 311-318К независимо от его температуры.

Данные для среднеспелого гибрида ЗП-539 и позднеспелого гибрида ЗП-704 имеют аналогичный характер.

Таким образом, для снижения неравномерности нагрева и сушки зерна по высоте слоя наибольшее влияние имеет возрастание скорости сушильного агента. В процессе сушки исходных гибридов с повышением скорости теплоносителя значительнее снижается неравномерность влажности сырья верхних и нижних слоев, обеспечивается меньший перепад температуры сушильного агента по слоям высушиваемого зерна.

При сушке среднеспелого гибрида ЗП-539 начальной влажности 32,6% (рисунок 3) с повышением скорости до 1,0 м/с скорость сушки повышается и продолжительность процесса сокращается примерно в 1,5 раза. При этом разность между температурами нагрева зерна составила для 0,3 м/с - 287К, при 0,5 м/с - 283К и при 1,0 м/с - 280К в периоде сушки (0,5-2,0) ч.



Рисунок 3 – Кривые сушки семенной кукурузы (гибрид ЗП-539) при высоте слоя 0,2 м и различной скорости теплоносителя: 1 – 0,3 м/с; 2 – 0,5 м/с; 3 – 1,0 м/с

В периоде постоянной скорости конвективной сушки процесс лимитируется внешней диффузией, а в периоде падающей скорости доминирующим является внутридиффузионный процесс переноса влаги в частице [3, 7].

Основные направления совершенствования процесса сушки кукурузного зерна: необходимость снижения удельного расхода энергии; обеспечение равномерности сушки при сохранении качественных показателей; сокращение термической нагрузки на продукт; необходимость рекуперации сушильного агента с целью  повышения тепловой эффективности процесса сушки  зерна [3].

Обеспечение получения качественной семенной кукурузы достигается использованием при сушке сырья «мягких» температурных и «щадящих» режимов перемещения сырья, снижения отрицательного влияния термического процесса, а также разработкой оборудования на основе комбинированного по-стадийного осуществления конвективной сушки с учетом кинетических закономерностей процесса сушки [3, 9-11]

Внедрение эффективных механизмов удовлетворения текущих потребности региональных производителей в качественной и доступной зерновой продукции позволит республике Казахстан и Российской Федерации  на основании собственного высокого ресурсного потенциала не только решить проблемы продовольственного обеспечения государств, на и осуществить успешный выход на международные рынки.

Литература

1. Кузьмин, И.И. Научное обоснование повышения уровня гибридности семян кукурузы и технологии послеуборочной их переработки на заводах: автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 1999. – 24 с.
2. Насруллин, Г. Ш. Разработка эффективной технологии сушки семян гибридов кукурузы: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – Алматы, 2006. – 21 с.
3. Калашников, Г.В. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов / Г.В. Калашников, А.Н. Остриков. – Воронеж: ВГУ, 2001. – 355 с.
4.  Кизатова, М.Ж. Применение 3х-ступенчатого способа сушки семян кукурузы в производственных условиях / М.Ж. Кизатова, Г.Ш. Насруллин, А.Т. Умбетбеков // Кластерно-индустриальное развитие аграрного производства: основные проблемы и перспективные направления: Материалы междунар. научно-практ. конф. – Алматы, 2005. – С. 302-303.
5. Калашников, Г.В. Ресурсосберегающая машинно-аппаратурная схема линии переработки плодов и овощей / Г.В. Калашников, Е.В. Литвинов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: Материалы междунар. научно-техн. конф. – Воронеж: ООО «Диамант-принт». – 2014. – Т.2. – № 3-4. – С. 431-435.
6. Калашников, Г.В. Интенсивность влаготеплового воздействия при осциллированной влаготепловой обработке сыпучих продуктов / Г.В. Калашников, В.Е. Добромиров // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. – 2009. – № 1. – С. 39-44.
7. Калашников, Г.В. Анализ равномерности сушки зерна кукурузы / Г.В. Калашников, Л.М. Алияскарова // Инновационные технологии в пищевой промышленности: наука, образование и производство: Материалы IV Междунар. научно-техн. конф.– Воронеж: ВГУИТ, 2017. – С. 118-121.
8. Калашников, Г.В. Экспериментальное изучение особенностей сушки семенной кукурузы / Г.В. Калашников, Л.М. Алияскарова // Инженерия техники будущего пищевых технологий: Материалы Междунар. научно-техн. конф. – Воронеж: ВГУИТ, 2018. – С. 184-186.
9. Калашников, Г.В. Сушилка термолабильного пищевого растительного сырья непрерывного действия / Г.В. Калашников, О.В. Черняев // Инженерия техники будущего пищевых технологий: Материалы Междунар. научно-техн. конф. – Воронеж: ВГУИТ, 2018. – С. 95-98.
10. Калашников, Г.В.  Энергоэффективное технологическое оборудование для сушки растительного сырья / Г.В. Калашников, О.В. Черняев // Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе: Материалы междунар. научно-практ. конф. – Воронеж: ВГАУ им. Императора Петра I, 2018. – С. 85-89.
11. Роторная сушилка: пат. 2647557 Рос. Федерация: F26 В 15/04 / Калашников Г.В., Черняев О.В.; заявл. 12.05.2017; опубл. 19.03.2018 // Изобретения. Полезные модели. – 2018. – № 8.

Калашников Г.В.¹, д-р техн. наук, профессор
Алияскарова Л.М.², магистрант
¹Воронежский государственный университет инженерных технологий, г. Воронеж
²Алматинский технологический  университет, г. Алма-Аты, Республика Казахстан
 

---