Sušení zrna - Grain drying
Sušení zrna je proces sušení zrna, aby se zabránilo zkažení během skladování . Sušení zrna popsané v tomto článku je takové, které využívá palivo nebo elektricky poháněné procesy doplňkové k přírodním, včetně řádkování / řádkování pro sušení okolním vzduchem a slunečním zářením.
Přehled
Stovky milionů tun pšenice , kukuřice , sóji , rýže a dalších zrn jako čirok , slunečnicová semínka , řepka / řepka , ječmen , oves atd. Se suší v sušičkách obilí. V hlavních zemědělských zemích zahrnuje sušení snížení vlhkosti z přibližně 17-30% hmotnostních na hodnoty mezi 8 a 15% hmotnostních, v závislosti na zrnu. Konečný obsah vlhkosti pro sušení musí být přiměřený pro skladování. Čím více oleje zrno má, tím nižší bude jeho skladovací vlhkost (i když počáteční vlhkost pro sušení bude také nižší). Obiloviny se často suší na 14% hmotnostních, zatímco olejniny na 12,5% (sója), 8% (slunečnice) a 9% (arašídy). Sušení se provádí jako nezbytný předpoklad pro bezpečné skladování, aby se inhiboval mikrobiální růst. Nízké teploty při skladování se však také velmi doporučují, aby se zabránilo degradačním reakcím a zejména růstu hmyzu a roztočů. Dobrá maximální skladovací teplota je asi 18 ° C.
Největší sušičky se běžně používají „mimo farmu“ ve výtazích a jsou kontinuálního typu: V Evropě se dává přednost sušičkám se smíšeným tokem, zatímco v USA křížovým sušičům. V Argentině se oba druhy běžně vyskytují. Sušičky s kontinuálním tokem mohou produkovat až 100 metrických tun sušeného zrna za hodinu. Hloubka zrna, kterou musí vzduch procházet v kontinuálních sušičkách, se pohybuje od asi 0,15 mv kombinovaných sušičkách do asi 0,30 m v Cross-Flow. Dávkové sušičky se používají hlavně „na farmě“, zejména ve Spojených státech a Evropě. Obvykle se skládají z koše, přičemž ohřátý vzduch proudí vodorovně z vnitřního válce přes vnitřní děrovaný plech, pak prstencovým zrnitým ložem, tlustým asi 0,50 m (souosým s vnitřním válcem) v radiálním směru, a nakonec přes vnější děrovaného plechu před vypuštěním do atmosféry. Obvyklé doby schnutí se pohybují od 1 hodiny do 4 hodin v závislosti na tom, kolik vody je třeba odstranit, typu zrna, teplotě vzduchu a hloubce zrna. Ve Spojených státech lze na farmě nalézt kontinuální protiproudé sušičky, které přizpůsobují přihrádku pomalu schnoucímu zrnu přiváděnému nahoře a odebírají ve spodní části koše zametacím šnekem.
Sušení zrna je aktivní oblastí výzkumu. Výkon sušičky lze simulovat pomocí počítačových programů založených na matematických modelech, které představují jevy související se sušením: fyzika, fyzikální chemie, termodynamika a přenos tepla a hmoty. V poslední době byly k předpovědi kvality produktu použity kompromisy mezi rychlostí sušení, spotřebou energie a kvalitou zrna. Typickým parametrem kvality při sušení pšenice je kvalita pečiva a procento klíčivosti, jejichž snížení sušení do jisté míry souvisí.
Základy sušení zrna
Sušení začíná ve spodní části koše, což je první místo, kde jsou vzduchové kontakty. Suchý vzduch je přiváděn ventilátorem přes vrstvu mokrého zrna. Sušení probíhá ve vrstvě o tloušťce 1 až 2 stopy, která se nazývá sušicí zóna. Zóna sušení se pohybuje ze spodní části koše na vrchol, a když dosáhne nejvyšší vrstvy, zrno je suché. Zrno pod sušící zónou má rovnovážný obsah vlhkosti se sušicím vzduchem, což znamená, že je bezpečné pro skladování; zatímco zrno výše stále potřebuje sušení. Vzduch je poté vytlačen ven z koše přes výfukový otvor.
Povolená doba úložiště
Přípustná doba skladování je odhadem, jak dlouho je třeba zrno sušit před zkažením a udržovat kvalitu zrna během skladování. Při procesu skladování zrna jsou hlavním problémem houby nebo plísně. Na stav skladování má vliv také mnoho dalších faktorů, jako je hmyz, hlodavci a bakterie. Čím nižší je teplota zrna, tím delší bude povolená doba skladování.
Správné úrovně vlhkosti pro bezpečné skladování
Je možné dlouhodobé bezpečné skladování, pokud je obsah vlhkosti zrna nižší než 14%a je skladován mimo hmyz, hlodavce a ptáky. Následující obrázek představuje doporučený obsah vlhkosti pro bezpečné skladování.
| Doba skladování | Požadovaný MC pro bezpečné skladování | Potenciální problémy |
|---|---|---|
| Týdny až několik měsíců skladování | 14% nebo méně | Plísně, změna barvy, ztráta dýchání, poškození hmyzem, adsorpce vlhkosti |
| Skladování 8 až 12 měsíců | 13% nebo méně | Poškození hmyzem |
| Skladování farmářských semen | 12% nebo méně | Ztráta klíčivosti |
| Skladování déle než 1 rok | 9% nebo méně | Ztráta klíčivosti |
Rovnovážný obsah vlhkosti
Obsah vlhkosti v zrnu souvisí s relativní vlhkostí a teplotou okolního vzduchu. Bod rovnovážné vlhkosti je bod, kdy zrno při kontaktu se sušícím vzduchem již neztrácí nebo nezískává vodu. Konečný obsah vlhkosti zrna je až do množství vlhkosti v sušícím vzduchu, což je relativní vlhkost. Nízká relativní vlhkost vzduchu znamená, že vzduch je suchý a má velký potenciál nabírat vodu. Čím nižší je relativní vlhkost, tím je vzduch sušší. Obecně je poloviční snížení relativní vlhkosti způsobeno zvýšením teploty vzduchu o 20 °.
Teplota
Při sušení zrna lze použít ohřátý vzduch. Může nejen urychlit migraci vlhkosti uvnitř jádra, ale také může odpařit vlhkost na povrchu. Hlavním problémem ohřívaného vzduchu pro proces sušení je teplota jádra. Jádro zrna může být poškozeno vysokými teplotami jádra. Teplota jádra je obvykle nižší než teplota vzduchu. Pro různé použití kukuřice se teploty liší. Například u osiva kukuřice je maximální teplota 110 ° F; pro krmení kukuřice hospodářskými zvířaty je maximální teplota 180 ° F.
Provzdušňování
Provzdušňovací proces se týká procesu pohybu vzduchu zrnem. Průtok vzduchu je měření množství vzduchu v kubických stopách za minutu (CFM). V procesu sušení zrna závisí doba sušení do značné míry na rychlosti provzdušňování. Bez dostatečného proudění vzduchu může dojít k poškození zrna před dokončením sušení. Ventilátory se používají k pohybu vzduchu skrz obilí.
| aplikace | Rychlost provzdušňování zrna (cfm/bu) |
|---|---|
| Kvalitní údržba | 1/50 až 1 |
| Sušení přihrádky na přírodní vzduch | 1 až 3 |
| Sušení ohřívače vzduchu | 2 až 12 |
| Sušičky s kolonou nebo s kontinuálním průtokem | 50 až 150 |
| Fluidizace | ~ 400 |
Náklady na sušení
Náklady na sušení se skládají ze dvou částí: kapitálových nákladů a provozních nákladů. Investiční náklady do značné míry závisí na požadavcích na rychlost sušení a na nákladech na vybavení. Provozní náklady se týkají nákladů na palivo, elektřinu a pracovní sílu. Množství energie potřebné k sušení bušlu zrna je u všech způsobů sušení podobné. Některé metody do značné míry závisí na přírodním vzduchu, zatímco jiné mohou využívat teplo LP nebo zemní plyn, což činí náklady na energii různé. V zásadě hlavní část provozních nákladů tvoří palivo a elektrická energie. Náklady na sušení jsou založeny na spotřebě BTU změny teploty z prostředí na požadované.
Klasifikace metod sušení zrna podle způsobu přenosu tepla
- Metody sušení při skladování
- Nízkoteplotní sušení
- Vícevrstvé sušení
- Dávkové metody sušení
- Sériové sušení
- Dávkové sušení kolony
- Metody průběžného sušení
- Křížové sušení
- Protiproudé sušení
- Souběžné sušení průtokem
Metody sušení při skladování
Nízkoteplotní sušení
Metody sušení při skladování se týkají toho, že zrno se suší a skladuje ve stejné nádobě. Nízkoteplotní sušení, známé také jako sušení v blízkosti okolního prostředí, je jednou z metod sušení při skladování. Existují čtyři hlavní faktory, které ovlivňují sušení při nízkých teplotách: proměnlivost počasí, vlhkost sklizně, proudění vzduchu v zásobníku a množství ohřátého vzduchu. Většina nízkoteplotních sušiček je postavena na sušení zrna tak pomalu, jak je to jen možné, a zároveň na zrnu méně kazí. Doporučuje se, aby byl systém sušení při nízkých teplotách lépe provozován, když je průměrná denní teplota mezi 30 ° C a 50 ° C. Nízkoteplotní sušení se místo řízení teploty sušícího vzduchu zaměřuje na relativní vlhkost, aby dosáhlo rovnovážného obsahu vlhkosti (EMC) ve všech vrstvách zrn. Proces sušení při nízké teplotě obvykle trvá 5 dní až několik měsíců, závisí na několika důležitých proměnných: počasí, proudění vzduchu, počáteční obsah vlhkosti a množství použitého tepla. Mezi nimi je klíčovým faktorem proudění vzduchu. Bez odpovídající rychlosti proudění vzduchu dojde ke zkáze před dokončením sušení. Použitím ohřátého vzduchu (teplo LP, elektrické teplo a sluneční teplo) je relativní vlhkost sušícího vzduchu lépe regulována tak, aby bylo dosaženo požadovaného obsahu vlhkosti. Vysoušeč s ohřívaným vzduchem se obvykle používá, když je relativní vlhkost vyšší než 70%. V elektrických tepelných sušičkách je elektricky odolný ohřívač obvykle umístěn před ventilátor pro ohřev proudu vzduchu. V některých případech je k ovládání ohřívače použit zvlhčovač. V solárních sušičkách prochází sušící vzduch solárním kolektorem, který se nejprve ohřeje (obvykle o 10 až 12 ° F), poté vstupuje do koše přes ventilátor a motor. Výhody nízkoteplotního sušení při skladování jsou rychlé plnění, vysoce kvalitní výrobek, menší nároky na vybavení; nevýhodou je dlouhá doba schnutí, spotřeba elektrické energie při použití elektrického tepla, vysoké manažerské schopnosti a nejistý obsah sklizňové vlhkosti.
Vícevrstvé sušení
Vícevrstvý způsob sušení se týká použití tepla LP nebo zemního plynu při sušení kukuřice. Ve srovnání s nízkoteplotními metodami vyžaduje vícevrstvé sušení vyšší teploty, což má za následek kratší přípustnou dobu skladování. Vícevrstvé sušení bez míchání je základní vícevrstvý způsob sušení, při kterém se proud vzduchu dostává přes LP ohřívač ventilátorem. Nárůst teploty po LP hořáku je obvykle nízký, aby se předešlo přesychání ve spodních vrstvách v koši. Jakmile je kukuřice v koši usušena, hořák se vypne a pomocí ventilátoru se kukuřice ohřeje na teplotu okolí. Výhodou vícevrstvého sušení bez míchání je malá manipulace s kukuřicí a přihrádku lze použít buď jako sušičku, nebo jako sklad; nevýhodou je pomalé plnění a přesychání ve spodních vrstvách (Bern a Brumm, 2010). Vícevrstvé sušení za míchání může nejen vysušit rovnováhu zrna shora dolů, ale také snížit odpor vzduchu zrna. Kromě toho lze použitím míchacího systému zabránit problémům s přesycháním spodní vrstvy a zajistit rovnoměrný obsah vlhkosti zrna v celém zásobníku. Po dokončení sušení se hořák vypne, zatímco pomocí ventilátoru a míchadla se kukuřice míchá, aby se dosáhlo stejného obsahu vlhkosti a teploty. Výhody přidávání míchání jsou zabránění přesychání a urychlení sušení a přípustná rychlost plnění; Nevýhodou míchacího systému jsou dodatečné náklady a snížení kapacity zásobníku.
Dávkové metody sušení
Sušení v dávkách
Při dávkovém sušení se nejprve umístí určité množství zrna, obvykle 2 až 4 palce, dávka se suší a ochladí později, potom se sušení zastaví a dávka se odstraní. Dávkové sušičky obvykle pracují v této sekvenci a několikrát tuto sekvenci opakují. Metody sušení ve dvou dávkách používají jako sušičku plně perforovanou podlahu. Bez míchání je k dispozici široká škála zařízení a šarži lze použít jako sušičku i chladič, ale může dojít k velkému gradientu vlhkosti shora dolů a ke ztrátě času při procesu nakládání a vykládání. Při přidávání míchacího systému se předejde problémům s nerovnovážným obsahem vlhkosti, avšak míchadlo představuje další náklady. Při použití střešní sušičky s binovou dávkou lze problém se ztrátou času vyřešit. Pod střechou koše je sušicí podlaha a sušicí ventilátor a hořák jsou instalovány vysoko na stěně koše. Když je proces sušení dokončen, zrno se vkládá do běžné podlahy koše, čímž se zkracuje doba vykládky. V binárních dávkových střešních sušičkách však nedochází k zadržování mokrého zrna a na strojích jsou větší náklady.
Sušení kolony
Sloupec vytvořený v tomto druhu sušičky je tvořen dvěma svislými perforovanými ocelovými plechy, každý o tloušťce přibližně 12 palců. Kapacita sloupcových dávkových sušáren je příliš malá na skladování zrn. Výhody kolonového dávkového, stacionárního sušiče se snadno přesouvají a barvíř lze použít jako chladič; nevýhodou je ztráta času při chlazení, nakládání a vykládání a nerovnoměrné rozložení vlhkosti po dokončení sušení. Když se používá recirkulační sušička kolony, odpadá problém s kolísáním obsahu vlhkosti, ale dodatečný manipulační proces může mít za následek zkažení zrna.
Metody průběžného sušení
Křížové sušení
Křížové sušičky jsou jednou z nejpoužívanějších kontinuálních sušiček. V sušičce s příčným tokem je proud vzduchu kolmý na proud zrna. Poté se zrno poblíž sušícího vzduchu přesuší, zatímco na druhé straně se zrno pod suší. Po dokončení sušení existuje gradient vlhkosti. Ve skutečnosti platí, že čím nižší je rychlost proudění vzduchu, tím vyšší jsou rozdíly v obsahu vlhkosti zrna mezi dvěma stranami kolony.
Souběžné sušení průtokem
V souběžné sušičce s prouděním se zrno i vzduch pohybují stejným směrem, což znamená, že nejmokřejší zrno je vystaveno nejteplejšímu sušícímu vzduchu. Jádra nechávají sušicí oblast při stejné teplotě a stejném obsahu vlhkosti. Energetická účinnost je o 40% lepší ve srovnání s křížovým sušičem. Hloubka lože však musí být hlubší než 12 palců než typ s křížovým tokem. V tomto typu sušičky jsou tedy požadavky na výkon ventilátoru vysoké.
Protiproudé sušení
V protiproudém sušiči se zrno a vzduch pohybují v opačných směrech, což znamená, že nejsušší zrno je vystaveno nejteplejšímu sušícímu vzduchu. Jádra nechávají sušicí oblast při stejné teplotě a stejné vlhkosti jako v souběžných průtočných sušičkách. Navrhované teploty vzduchu jsou nižší než 180 ° F, protože nejsušší jádra jsou pravděpodobněji poškozena horkým vzduchem.
Aplikace sušení zrna
Sušení slunečnice
U různých druhů slunečnic je obsah konzervační vlhkosti odlišný. Slunečnice olejnatá se suší lépe na obsah vlhkosti 9 procent, zatímco slunečnice ptačích semen obsah vlhkosti 10 procent. Ve srovnání se sušením kukuřice se slunečnice snadněji suší a uchovávají v bezpečném skladu. A co víc, vysoká teplota nemusí mít nepříznivý vliv na jádro slunečnice, což může být důvodem složení mastných kyselin. Při sušení vzduchem zahřátým na 220 ° F nebyly žádné známky poškození. Jemné chlupy a vlákna na slupce slunečnice však mohou způsobit požár. Při zahřívání slunečnic se doporučuje nejprve odstranit hořící částice.
Sušení fazolí
Osivo fazole je poměrně křehké a snadno se poškodí při praskání a štěpení, což může způsobit ztrátu producentovi. Některé studie o fazolích naznačovaly, že aby se zabránilo praskání, je lepší udržovat sušící vzduch nad 40 procent relativní vlhkosti.
Sušení kukuřice
Při sušení kukuřičných zrn je důležité mít na paměti, že praskliny a zlomeniny v kukuřici mohou vést k mnoha problémům jak při skladování, tak při zpracování. Hlavním problémem, který nastává při vysokoteplotním sušení a poté rychlém ochlazování zrna, je praskání napětím. K praskání ve stresu dochází, když jsou v endospermu kukuřice přítomny zlomeniny. Stresem popraskaná jádra často absorbují vodu příliš rychle, je větší pravděpodobnost, že se rozbijí a během suchého skladování jsou stále náchylnější k poškození hmyzem a plísní. Aby se snížilo množství zrna, které se ztrácí v důsledku praskání napětím, je třeba použít metody střední teploty a pomalého ochlazování nebo metody přírodního vzduchu a sušení při nízké teplotě.