Suszenie ziarna - Grain drying
Suszenie ziarna to proces suszenia ziarna, aby zapobiec jego zepsuciu podczas przechowywania . Suszenie ziarna opisane w tym artykule to proces, w którym wykorzystuje się procesy napędzane paliwem lub energią elektryczną uzupełniające procesy naturalne, w tym układanie pokosu / wałowania w celu suszenia powietrzem z otoczenia i nasłonecznieniem.
Przegląd
Setki milionów ton pszenicy , kukurydzy , soi , ryżu i innych zbóż jak sorgo , słonecznika , rzepaku / rzepak , jęczmień , owies , itp, są suszone w suszarni ziarna. W głównych krajach rolniczych suszenie obejmuje redukcję wilgotności z około 17-30% w/w do wartości między 8 a 15% w/w, w zależności od ziarna. Ostateczna zawartość wilgoci do suszenia musi być odpowiednia do przechowywania. Im więcej oleju ma ziarno, tym niższa będzie jego wilgotność przechowywania (chociaż jego początkowa wilgotność do suszenia również będzie niższa). Zboża są często suszone do 14% wag., a nasiona oleiste do 12,5% (soja), 8% (słonecznik) i 9% (orzechy ziemne). Suszenie jest niezbędne do bezpiecznego przechowywania w celu zahamowania rozwoju drobnoustrojów. Jednak niskie temperatury podczas przechowywania są również wysoce zalecane, aby uniknąć reakcji degradacji, a zwłaszcza rozwoju owadów i roztoczy. Dobra maksymalna temperatura przechowywania wynosi około 18°C.
Największe suszarnie są zwykle używane „poza gospodarstwem” w windach i są typu ciągłego: suszarki z przepływem mieszanym są preferowane w Europie, a suszarki z przepływem krzyżowym w Stanach Zjednoczonych. W Argentynie oba typy są powszechnie spotykane. Suszarnie z przepływem ciągłym mogą wytwarzać do 100 ton metrycznych suszonego ziarna na godzinę. Głębokość ziarna, jaką powietrze musi przebyć w suszarniach ciągłych, waha się od około 0,15 m w suszarniach o przepływie mieszanym do około 0,30 m w suszarniach z przepływem krzyżowym. Suszarnie wsadowe są używane głównie „na farmie”, szczególnie w Stanach Zjednoczonych i Europie. Zwykle składają się z zasobnika, w którym ogrzane powietrze przepływa poziomo z wewnętrznego cylindra przez wewnętrzną perforowaną blachę, następnie przez pierścieniowe złoże ziarna o grubości około 0,50 m (współosiowe z cylindrem wewnętrznym) w kierunku promieniowym, a na koniec przez zewnętrzny blacha perforowana, przed wypuszczeniem do atmosfery. Zwykłe czasy suszenia wahają się od 1 h do 4 h w zależności od ilości wody, która musi zostać usunięta, rodzaju ziarna, temperatury powietrza i głębokości ziarna. W Stanach Zjednoczonych w gospodarstwie można znaleźć suszarnie z przepływem przeciwprądowym o ciągłym przepływie, dostosowujące zasobnik do powolnego suszenia ziarna podawanego od góry i usuwanego na dole zasobnika za pomocą zamiatającego ślimaka.
Suszenie ziarna jest aktywnym obszarem badań. Działanie suszarki można symulować za pomocą programów komputerowych opartych na modelach matematycznych, które reprezentują zjawiska związane z suszeniem: fizykę, chemię fizyczną, termodynamikę oraz wymianę ciepła i masy. Ostatnio modele komputerowe są wykorzystywane do przewidywania jakości produktu poprzez osiągnięcie kompromisu między szybkością suszenia, zużyciem energii i jakością ziarna. Typowym parametrem jakości w suszeniu pszenicy jest jakość wypieku chleba i procent kiełkowania, z którymi ograniczenia suszenia są w pewnym stopniu powiązane.
Podstawy suszenia ziarna
Suszenie rozpoczyna się na dnie pojemnika, czyli na pierwszym miejscu kontaktu z powietrzem. Suche powietrze jest unoszone przez wentylator przez warstwę mokrego ziarna. Suszenie odbywa się w warstwie o grubości od 1 do 2 stóp, co nazywa się strefą suszenia. Strefa suszenia przesuwa się od dna kosza do góry, a gdy osiągnie najwyższą warstwę, ziarno jest suche. Ziarno poniżej strefy suszenia jest w równowadze wilgotnościowej z powietrzem suszącym, co oznacza, że jest bezpieczne do przechowywania; podczas gdy ziarno powyżej nadal wymaga suszenia. Powietrze jest następnie wypychane z pojemnika przez otwór wentylacyjny.
Dopuszczalny czas przechowywania
Dopuszczalny czas przechowywania to oszacowanie, jak długo ziarno musi być suszone przed zepsuciem i utrzymanie jakości ziarna podczas przechowywania. W procesie przechowywania ziarna głównym problemem są grzyby lub pleśnie. Wiele innych czynników, takich jak owady, gryzonie i bakterie, również wpływa na stan przechowywania. Im niższa temperatura ziarna, tym dłuższy będzie dopuszczalny czas przechowywania.
Właściwy poziom wilgoci dla bezpiecznego przechowywania
Możliwe jest bezpieczne przechowywanie przez długi czas, jeśli wilgotność ziarna jest mniejsza niż 14% i jest przechowywana z dala od owadów, gryzoni i ptaków. Poniższy rysunek przedstawia zalecaną zawartość wilgoci do bezpiecznego przechowywania.
| Czas przechowywania | Wymagane MC do bezpiecznego przechowywania | Potencjalne problemy |
|---|---|---|
| Od tygodni do kilku miesięcy przechowywania | 14% lub mniej | Pleśnie, przebarwienia, utrata oddychania, uszkodzenia przez owady, adsorpcja wilgoci |
| Przechowywanie od 8 do 12 miesięcy | 13% lub mniej | Uszkodzenie przez owady |
| Przechowywanie nasion rolnika | 12% lub mniej | Utrata kiełkowania |
| Przechowywanie przez ponad 1 rok | 9% lub mniej | Utrata kiełkowania |
Zawartość wilgoci w równowadze
Zawartość wilgoci w ziarnie jest związana z wilgotnością względną i temperaturą otaczającego powietrza. Punkt wilgotności równowagowej to punkt, w którym ziarno nie traci ani nie zyskuje wody w kontakcie z suszącym powietrzem. Ostateczna zawartość wilgoci w ziarnie zależy od ilości wilgoci w powietrzu suszącym, która jest wilgotnością względną. Niska wilgotność względna oznacza, że powietrze jest suche i ma duży potencjał zbierania wody. Im niższa wilgotność względna, tym suchsze powietrze. Ogólnie rzecz biorąc, zmniejszenie o połowę wilgotności względnej spowodowane jest wzrostem temperatury powietrza o 20 stopni.
Temperatura
Podgrzane powietrze może być wykorzystane w procesie suszenia ziarna. Może nie tylko przyspieszyć migrację wilgoci w jądrze, ale także odparować wilgoć na powierzchni. Głównym problemem związanym z podgrzanym powietrzem do procesu suszenia jest temperatura jądra. Ziarno ziarna może zostać uszkodzone przez wysoką temperaturę ziarna. Zwykle temperatura jądra jest niższa niż temperatura powietrza. W przypadku różnych zastosowań kukurydzy temperatury są różne. Na przykład w przypadku nasion kukurydzy maksymalna temperatura wynosi 110 ° F; w przypadku kukurydzy do karmienia zwierząt gospodarskich maksymalna temperatura wynosi 180 ° F.
Napowietrzanie
Proces napowietrzania odnosi się do procesu przemieszczania powietrza przez ziarno. Przepływ powietrza to miara ilości powietrza w stopach sześciennych na minutę (CFM). W procesie suszenia ziarna czas suszenia w dużej mierze zależy od szybkości napowietrzania. Bez wystarczającego przepływu powietrza ziarno może zostać uszkodzone przed zakończeniem suszenia. Wentylatory służą do przemieszczania powietrza przez ziarno.
| Podanie | Szybkość napowietrzania ziarna (cfm/bu) |
|---|---|
| Utrzymanie jakości | 1/50 do 1 |
| Suszenie na powietrzu naturalnym | 1 do 3 |
| Suszenie grzanym powietrzem bin | 2 do 12 |
| Suszarki kolumnowe wsadowe lub z przepływem ciągłym | 50 do 150 |
| Fluidyzacja | ~400 |
Koszt suszenia
Koszt suszenia składa się z dwóch części: kosztu kapitałowego i kosztu operacyjnego. Koszt kapitału w dużej mierze zależy od wymaganej szybkości suszenia i kosztu sprzętu. Koszt operacyjny odnosi się do kosztów paliwa, energii elektrycznej i siły roboczej. Ilość energii potrzebna do wysuszenia buszla ziarna jest podobna we wszystkich metodach suszenia. Niektóre metody zależą w dużej mierze od powietrza naturalnego, podczas gdy inne mogą wykorzystywać ciepło niskociśnieniowe lub gaz ziemny, co powoduje różne koszty energii. Zasadniczo, paliwo i energia elektryczna są głównymi częściami kosztów operacyjnych. Koszt suszenia opiera się na zużyciu BTU zmiany temperatury ze środowiska do pożądanego.
Klasyfikacja metod suszenia ziarna według trybu wymiany ciepła
- Metody suszenia w magazynie
- Suszenie w niskiej temperaturze
- Suszenie wielowarstwowe
- Metody suszenia wsadowego
- Suszenie wsadowe do pojemników
- Suszenie partii kolumnowej
- Metody suszenia ciągłego przepływu
- Suszenie w przepływie krzyżowym
- Suszenie przeciwprądowe
- Suszenie współbieżne
Metody suszenia w magazynie
Suszenie w niskiej temperaturze
Metody suszenia w magazynie odnoszą się do tego, że ziarno jest suszone i przechowywane w tym samym pojemniku. Suszenie niskotemperaturowe, znane również jako suszenie w temperaturze otoczenia, jest jedną z metod suszenia w magazynie. Na suszenie niskotemperaturowe mają wpływ cztery główne czynniki: zmienność pogody, wilgotność zbiorów, przepływ powietrza w zasobniku oraz ilość ogrzanego powietrza. Większość suszarni niskotemperaturowych jest zbudowana tak, aby suszyć ziarno tak wolno, jak to możliwe, przy jednoczesnym ograniczeniu jego psucia się. Sugeruje się, że system suszenia niskotemperaturowego działa lepiej, gdy średnia dzienna temperatura wynosi od 30 °C do 50 °C. Zamiast kontrolować temperaturę powietrza suszącego, suszenie niskotemperaturowe koncentruje się na wilgotności względnej w celu uzyskania równowagi wilgotności (EMC) we wszystkich warstwach ziarna. Proces suszenia niskotemperaturowego trwa zwykle od 5 dni do kilku miesięcy, w zależności od kilku ważnych zmiennych: pogody, przepływu powietrza, początkowej wilgotności i ilości zużytego ciepła. Wśród których kluczowym czynnikiem jest przepływ powietrza. Bez odpowiedniego natężenia przepływu powietrza zepsucie nastąpi przed zakończeniem suszenia. Dzięki zastosowaniu ogrzanego powietrza (ciepło niskociśnieniowe, ciepło elektryczne i ciepło słoneczne) można lepiej kontrolować wilgotność względną powietrza suszącego, aby osiągnąć pożądaną zawartość wilgoci. Zazwyczaj osuszacz z podgrzewanym powietrzem jest używany, gdy wilgotność względna jest większa niż 70%. W suszarkach z ogrzewaniem elektrycznym, grzałka elektryczna jest zwykle umieszczana przed wentylatorem, aby ogrzewać strumień powietrza. W niektórych przypadkach do sterowania nagrzewnicą wykorzystywany jest higrostat. W suszarkach solarnych powietrze suszące najpierw przechodzi przez kolektor słoneczny w celu podgrzania (zwykle wzrost o 10 do 12°F), a następnie wchodzi do pojemnika przez wentylator i silnik. Zalety suszenia w niskiej temperaturze w magazynie to szybkie napełnianie, produkt wysokiej jakości, mniejsze wymagania sprzętowe; natomiast wadami są długi czas suszenia, zapotrzebowanie na energię elektryczną w przypadku korzystania z ciepła elektrycznego, wysokie umiejętności zarządzania i niepewna zawartość wilgoci w zbiorach.
Suszenie wielowarstwowe
Metoda suszenia wielowarstwowego odnosi się do wykorzystania ciepła LP lub gazu ziemnego do suszenia kukurydzy. W porównaniu z metodami niskotemperaturowymi suszenie wielowarstwowe wymaga wyższych temperatur, co skutkuje krótszym dopuszczalnym czasem przechowywania. Suszenie wielowarstwowe bez mieszania jest podstawową metodą suszenia wielowarstwowego, w której strumień powietrza jest wprowadzany przez grzałkę LP za pomocą wentylatora. Zwykle wzrost temperatury po palniku LP jest utrzymywany na niskim poziomie, aby uniknąć nadmiernego wysuszenia w dolnych warstwach pojemnika. Jak tylko kukurydza wyschnie w pojemniku, palnik jest wyłączany, a wentylator jest używany do doprowadzenia kukurydzy do temperatury otoczenia. Zaletami suszenia wielowarstwowego bez mieszania jest niewielka manipulacja kukurydzą, a pojemnik może być używany jako suszarka lub magazyn; wady to powolne wypełnianie i przesychanie w dolnych warstwach (Bern i Brumm, 2010). Wielowarstwowe suszenie z mieszaniem może nie tylko wysuszyć równowagę ziarna od góry do dołu, ale również zmniejszyć opór powietrza ziarna. Co więcej, zastosowanie systemu mieszania pozwala uniknąć problemu przesuszenia w dolnej warstwie i zapewnić równomierną zawartość wilgoci w ziarnie w całym zasobniku. Po zakończeniu suszenia palnik jest wyłączany, a wentylator i mieszadło mieszają kukurydzę w celu uzyskania jednakowej wilgotności i temperatury. Zaletami dodawania mieszania są zapobieganie nadmiernemu wysuszeniu i przyspieszanie suszenia oraz dopuszczalna szybkość napełniania; Wadami systemu mieszania są dodatkowe koszty i zmniejszająca się pojemność pojemnika.
Metody suszenia wsadowego
Suszenie w pojemnikach
W metodach suszenia partiami najpierw umieszcza się pewną ilość ziarna, zwykle 2 do 4 cali, partia jest suszona i schładzana później, następnie suszenie jest zatrzymywane i partia jest usuwana. Suszarki okresowe zwykle pracują w tej kolejności i powtarzają tę sekwencję kilka razy. Metody suszenia bin-batch wykorzystują w pełni perforowaną podłogę jako suszarkę. Bez mieszania dostępna jest duża różnorodność sprzętu, a partia może być używana zarówno jako suszarka, jak i chłodnia, ale może występować duży gradient wilgoci od góry do dołu, co powoduje stratę czasu w procesie załadunku i rozładunku. Przy dodawaniu układu mieszającego unika się problemu nierównowagowej zawartości wilgoci, jednakże mieszadło stanowi dodatkowy koszt. W przypadku korzystania z suszarni dachowej typu bin-batch można rozwiązać problem utraty czasu. Pod dachem pojemnika znajduje się podłoga do suszenia, a wentylator suszący i palnik są zainstalowane wysoko na ścianie pojemnika. Po zakończeniu procesu suszenia ziarno jest umieszczane w zwykłym dnie zasobnika, co skraca czas rozładunku. Jednak w suszarniach dachowych wsadowych nie ma mokrego ziarna, co wiąże się z większymi wydatkami na maszyny.
Suszenie wsadowe w kolumnie
Kolumna utworzona w tego rodzaju suszarce składa się z dwóch pionowych perforowanych blach stalowych, każdy o grubości około 12 cali. Wydajność kolumnowych suszarek porcjowych jest zbyt mała do przechowywania ziarna. Zalety stacjonarnej suszarni wsadowej są łatwe do przenoszenia, a farbiarka może być używana jako chłodnica; natomiast wadą jest strata czasu podczas chłodzenia, załadunku i rozładunku oraz nierównomierne rozprowadzanie wilgoci po zakończeniu suszenia. W przypadku stosowania suszarki recyrkulacyjnej wsadowej kolumnowej unika się problemu zmienności zawartości wilgoci, ale dodatkowy proces obsługi może skutkować psuciem się ziarna.
Metody suszenia ciągłego przepływu
Suszenie krzyżowe
Suszarki z przepływem krzyżowym są jednymi z najczęściej stosowanych suszarek z przepływem ciągłym. W suszarce z przepływem krzyżowym strumień powietrza jest prostopadły do przepływu ziarna. Następnie ziarno w pobliżu suszącego powietrza jest przesuszone, natomiast z drugiej strony ziarno jest niedosuszone. Po zakończeniu suszenia występuje gradient wilgotności. W rzeczywistości im mniejsze natężenie przepływu powietrza, tym większa zmienność wilgotności ziarna pomiędzy dwoma stronami kolumny.
Suszenie współbieżne
W suszarce z przepływem współbieżnym zarówno ziarno, jak i powietrze poruszają się w tym samym kierunku, co oznacza, że najbardziej mokre ziarno jest poddawane działaniu najgorętszego powietrza suszącego. Ziarna opuszczają obszar suszenia w tej samej temperaturze i tej samej wilgotności. Sprawność energetyczna jest o 40% lepsza w porównaniu z osuszaczem krzyżowym. Jednak głębokość złoża musi być głębsza niż 12 cali głębokości niż typ przepływu krzyżowego. W związku z tym w tego typu suszarni wymagania dotyczące mocy wentylatora są wysokie.
Suszenie przeciwprądowe
W suszarni przeciwprądowej ziarno i powietrze poruszają się w przeciwnych kierunkach, co oznacza, że najsuchsze ziarno jest poddawane działaniu najgorętszego suszącego powietrza. Ziarna opuszczają obszar suszenia w tej samej temperaturze i takiej samej wilgotności jak w suszarniach z przepływem współbieżnym. Sugerowane temperatury powietrza są niższe niż 180 ° F, ponieważ najbardziej suche ziarna są bardziej narażone na uszkodzenie przez gorące powietrze.
Zastosowania suszenia ziarna
Suszenie słonecznika
Dla różnych rodzajów słoneczników zawartość wilgoci konserwującej jest różna. Słoneczniki oleiste są lepiej suszone do 9 procent wilgotności, podczas gdy słoneczniki ptasie mają 10 procent wilgotności. W porównaniu do suszenia kukurydzy słoneczniki łatwiej suszy się i przechowuje w bezpiecznym miejscu. Co więcej, wysoka temperatura może nie mieć negatywnego wpływu na pestki słonecznika, co może być przyczyną składu kwasów tłuszczowych. Nie było dowodów na uszkodzenia, gdy powietrze zostało podgrzane do 220 ° F podczas suszenia. Jednak cienkie włosy i włókna na okrywie nasiennej słonecznika mogą powodować zagrożenie pożarowe. Sugeruje się, aby najpierw usunąć płonące cząstki podczas ogrzewania słoneczników.
Suszenie fasoli
Okrywa nasienna fasoli jest dość delikatna i łatwo ulega uszkodzeniu w wyniku pękania i pękania, co może powodować straty dla producenta. Niektóre badania na fasoli sugerowały, że aby uniknąć pękania, lepiej jest utrzymywać suszące powietrze powyżej 40 procent wilgotności względnej.
Suszenie kukurydzy
Podczas suszenia ziaren kukurydzy należy pamiętać, że pęknięcia i pęknięcia w kukurydzy mogą prowadzić do wielu problemów zarówno podczas przechowywania, jak i przetwarzania. Głównym problemem, który pojawia się przy suszeniu w wysokiej temperaturze, a następnie szybkim schłodzeniu ziarna, jest pękanie naprężeniowe. Pęknięcia naprężeniowe mają miejsce, gdy w bielmie kukurydzy pojawiają się pęknięcia. Ziarna popękane naprężeniowo często zbyt szybko wchłaniają wodę, są bardziej podatne na pękanie i są coraz bardziej podatne na uszkodzenia przez owady i pleśń podczas przechowywania w suchym miejscu. Aby zmniejszyć ilość traconego ziarna w wyniku pękania naprężeniowego, należy stosować metody średniotemperaturowe i powolne chłodzenie lub suszenie naturalnym powietrzem i niską temperaturą.