Состав и свойства зерновых масс

Общая характеристика свойств зерновой массы. В зернохранилища поступают партии зерна и семян более 100 различных зерновых, бобовых, масличных и кормовых культур.

Несмотря на большое по внешним признакам разнообразие партий зерна их свойства как объектов хранения во многом сходны.

Под одной партией зерна принято понимать однородную по внешним признакам и показателям качества зерновую массу. В состав каждой зерновой массы входят:

1 - зерна (семена) основной культуры, а также зерна (семена) других культурных растений, которые по характеру использования и ценности сходны с зерном основной культуры,

2- различные фракции примесей минерального и органического происхождения (в том числе и семена дикорастущих и культурных растений, не отнесенные к основному зерну),

3 - микроорганизмы,

4- воздух межзерновых пространств.

Кроме этих постоянных компонентов в отдельных партиях зерна, зараженных вредителями, появляется еще одно живое начало - насекомые и клещи. Поскольку зерновая масса для них является средой, в которой они существуют и влияют на ее состояние, их следует рассматривать как пятый, дополнительный и крайне нежелательный компонент зерновой массы.

Таким образом, необходимо помнить, что каждая зёрновая масса - это комплекс живых организмов.

Свойства зерновой массы с учетом сказанного могут быть разделены на две группы: физические и физиологические.

Уметь точно определить качество каждой партии зерна, составить на основании документов, сопровождающих зерно, осмотра и анализа правильное представление о его особенностях, определить наиболее эффективные методы обработки и своевременно их осуществить, установить рациональный режим хранения - в этом заключается первоочередная задача работников ХПП и элеваторов.

Физические свойства зерна

Сыпучесть. Основой зерновой массы является зерно. Кроме того, в зерновой массе находятся минеральные и органические примеси. Все это обеспечивает легкую подвижность зерновой массы, ее сыпучесть.

Хорошая сыпучесть зерновых масс позволяет довольно легко перемещать их с помощью норий, транспортеров и пневмотранспортных установок, загружать в различные по размерам и форме хранилища (силосы элеваторов, вагоны, суда и т. д.) и, наконец, перемещать их, используя принцип самотека.

Обычно сыпучесть зерновой массы характеризуется углом трения или углом естественного откоса.

Под углом трения понимают наименьший угол, при котором зерновая масса начинает скользить по какой-либо поверхности.

Под углом естественного откоса понимают угол между диаметром основания и образующей конуса, получающегося при свободном падении части зерновой массы на горизонтальную плоскость. На сыпучесть влияют такие факторы, как форма, размеры, характер и состояние поверхности зерен; влажность, количество примесей и их видовой состав; материал, форма и состояние поверхности, по которой самотеком перемещают зерновую массу.

Наименьшим углом трения и естественного откоса, т. е. наибольшей сыпучестью, обладают зерновые массы, состоящие из семян шарообразной формы с гладкой поверхностью (горох, просо, люпин).

Примеси, как правило, снижают сыпучесть зерновой массы. С увеличением влажности зерновой массы сыпучесть ее значительно понижается.

В процессе хранения сыпучесть зерновых масс может меняться, а при неблагоприятных условиях хранения может быть потеряна совсем (в результате самосогревания, слеживания и других причин).

Угол естественного откоса,° может быть:

просо................................................................20-27,

рожь, пшеница ...............................................23-38,

кукуруза...........................................................30-40,

подсолнечник ................................................3 1-45,

рис-зерно.........................................................27-48.

Углы и коэффициенты трения указаны в табл. 1.6.

При проектировании в каждом отдельном случае используют те значения углов, которые дают наиболее неблагоприятные результаты при решении поставленной задачи. Так, при статических расчетах следует брать наименьшие углы трения, а при проектировании углов наклона самотеков и для определения емкости хранилищ - наибольшие углы.

Самосортирование. Всякое перемещение зерновой массы сопровождается ее самосортированием, т. е. неравномерным расслоением входящих в нее компонентов по отдельным участкам насыпи.

Самосортирование происходит по удельной массе, а при свободном падении самосортированию способствует и парусность - сопротивление, оказываемое воздухом перемещению каждой отдельной частицы.

При загрузке силосов в результате самосортирования у стен скапливаются главным образом мелкие и щуплые зерна, легкие примеси, пыль и микроорганизмы. Влажность этих участков обычно выше средней влажности всей партии зерна, поэтому в них легче развиваются микроорганизмы и клещи. В центральной части силоса размещаются наиболее крупные, выполненные зерна и минеральные примеси, имеющие большую удельную массу.

При загрузке складов картина аналогичная. Выпуск зерновой массы также сопровождается ее значительным самосортированием. В результате отдельные части партии, выпущенные из силоса в различное время, могут быть резко разнородными по качеству.

Характер самосортирования при истечении из силоса зависит от характера истечения, который, в свою очередь, обусловлен формой силоса, отношением его высоты к поперечному сечению и местоположением выпускного отверстия. С. Г. Герасимов установил три случая истечения: нормальное, асимметричное и симметричное.

При нормальном (рис. 1.10, а) истечении, в первую очередь, движется вертикальный слой зерна над выпускным отверстием. Постепенно в этот слой втягиваются верхние боковые слон (в силосах с симметрично расположенными загрузочным и выпускным отверстиями с относительно большим диаметром).

Асимметричный характер истечения (рис. 1. 10, б) наблюдается в силосах с большим диаметром, но при несимметричном расположении загрузочного и выпускного отверстий.

Симметричное истечение (рис. 1.10, в) наблюдается в узких силосах. Оно характеризуется одновременным движением всей зерновой массы с несколько более быстрым движением центрального столба. Когда в силосе остается примерно половина зерна, характер истечения становится нормальным. Таким образом, в результате самосортирования в зерновой массе, засыпанной на хранение, нарушается ее однородность, и создаются условия, способствующие развитию различных физиологических процессов, приводящих к частичной или полной порче зерна. В случае недостаточного наблюдения возможно широкое распространение этих активных в физиологическом отношении очагов, приводящих к общему самосогреванию.

Скважистость. Скважистость S есть отношение объема, занятого промежутками (скважинами) между твердыми частицами зерновой массы, к общему объему, занятому зерновой массой:

                                                                                                                            (1.1)

где W - общий насыпной объем зерновой массы;

V - истинный объем твердых частиц зерновой массы. Скважистость может быть выражена также формулой:

                                                                S=100 – t =100-                                                        (1.2)

где t - плотность зерновой массы.

Скважистость некоторых зерновых масс:

       подсолнечник - 60-80%, при натуре 325-440 г/л;

     рис-зерно - 55-65%, при натуре 440-550 г/л;

     кукуруза - 35-55%, при натуре 680-820 г/л;

     пшеница - 35-45%, при натуре 730-840 г/л;

     горох (люпин) - 40-45%, при натуре 750-800 г/л.

Зерновая масса обладает меньшей скважистостью, укладывается более плотно, если она имеет в своем составе крупные и мелкие зерна. Выравненные зерна, а также шероховатые или со сморщенной поверхностью укладываются менее плотно. При прочих равных условиях тонкие и короткие зерна укладываются более плотно, чем зерна другой формы. Крупные примеси обычно увеличивает скважистость, мелкие легко размещаются в межзерновых пространствах и уменьшают ее.

С увеличением влажности скважистость возрастает. В случае увлажнения уже сложенного в хранилище зерна оно набухает, увеличивается в объеме, и в связи с этим зерновая масса несколько уплотняется. В результате значительно снижается сыпучесть, и создаются предпосылки к слеживанию.

Скважистость зависит также от формы и размера зернохранилища, высоты насыпи, продолжительности хранения. С увеличением этих параметров скважистость уменьшается до определенного предела.

Таким образом, зная объем, занимаемый зерновой массой, и процент ее скважистости, легко установить объем находящегося в скважинах воздуха. При активном вентилировании это количество воздуха принимается за один обмен.

Воздух, перемещающийся по скважинам, способствует передаче тепла путем конвекции и перемещению влаги через зерновую массу в виде пара.

В связи с самосортированием скважистость в различных участках зерновой массы может быть неодинаковой. Это приводит к неравномерной обеспеченности воздухом отдельных участков зерновой массы.

Теплофизические свойства зерна

Термоустойчивость - способность зерна к сохранению в процессе сушки семенных, продовольственных и других качеств.

Например, при определенных тепловых режимах белки свертываются (денатурируются), что приводит к потери их способности к набуханию. Как следствие резко ухудшаются технологические свойства зерна при помоле, приготовлении теста, резко снижается способность семян к прорастанию. Для пшеницы это характерно при температуре выше 50°С.

При температуре выше 60°С заметно ухудшается качество крахмала. Происходит его частичный распад с образованием декстринов, что приводит к понижению качества муки и снижению всхожести семян.

Жиры более устойчивы к нагреву, но при температуре выше 70°С и они подвергаются частичному разложению.

Теплопроводность - способность тел проводить тепло. Характеризуется коэффициентом теплопроводности.

Температуропроводность связана со скоростью изменения температуры в зерновой массе и характеризуется коэффициентом температуропроводности (потенциалопроводности).

Зерновая масса имеет низкую теплопроводность и температуропроводность. Это обусловлено ее органическим составом и наличием воздуха в межзерновых пространствах. Большая теплоинерционность зерновой массы, медленные естественное охлаждение и прогревание зерновой массы имеют как положительное, так и отрицательное значение.

С теплофизическими свойствами зерновой массы тесно связано явление термовлагопроводности - направленное перемещение влаги в зерновой массе, обусловленное градиентом температуры. Влага из зоны с повышенной температурой вместе с потоком тепла перемещается в менее нагретые участки, где и конденсируется. Это наблюдается, например, при осыпании теплой зерновой массы на асфальтированный или бетонный пол.

Теплоемкость определяется количеством тепла, необходимого для повышения температуры 1 кг зерна на 1°С.

При повышении влажности теплоемкость материала увеличивается, поскольку теплоемкость воды почти втрое превышает теплоемкость сухого вещества зерна, и для нагревания той же зерновой массы требуется значительно больший расход энергии.

Гигроскопические свойства зерна

Гигроскопичность - способность зерновой массы поглощать (сорбция) и отдавать (десорбция) пары воды.

Сорбционные свойства обусловлены капиллярно-пористой структурой и спо8бностью входящих в зерно химических веществ поглощать и удерживать строго определенное количество воды.

Поглощение водяных паров происходит до тех пор, пока не наступит так называемое гигроскопическое равновесие, когда давление водяного пара в зерне и воздухе уравняется, обмен между зерном и воздухом прекратится, влажность зерна стабилизируется. Такая влажность зерна называется равновесной. Максимальной равновесной влажности зерно и семена достигают при относительной влажности воздуха 100%. Для пшеницы в этих условиях она достигает 30-32%, для подсолнечника 16-19%. Чем меньше относительная влажность, тем суше воздух, тем больше воды он может поглощать, и тем меньше равновесная влажность зерна.

Таким образом, равновесная влажность - это такой уровень влажности зерна, который устанавливается при данной относительной влажности воздуха.

 Жизнедеятельность зерна

Каждый организм для поддержания жизни нуждается в систематическом притоке энергии.

У всех высших растений и многих микроорганизмов энергия освобождается в результате диссимиляции органических веществ, главным образом сахаров.

При хранении зерна и семян в них наблюдаются два вида диссимиляции, конечный результат которой может быть выражен следующими уравнениями, получившими название уравнений дыхания:

                                    С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6С0₂ + б Н₂О + энергия,                               (1.4)                                                                                                                                                                          

                                    (гексоза)

                                     С₆Н₁₂О₆ = 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН + энергия                                     (1.5)

                                         (гексоза) 

Уравнение (1. 4) характеризует аэробное дыхание (окисление сахароз). Уравнение (1. 5) - анаэробное (уравнение спиртового брожения).

При достаточном доступе воздухё в зерне и семенах преобладает процесс аэробного дыхания. Если же не обновлять воздух в межзерновых пространствах, в них накапливается выделяемый при дыхании углекислый газ. Клетки зерен и другие организмы, способные к анаэробному дыханию, вынуждены переходить на этот вид дыхания.                              

Анаэробное дыхание в свою очередь приводит к образованию этилового спирта, угнетающе действующего на жизненные функции клеток зерна и приводящего к потере его жизнеспособности. Отсюда вывод: хранить семена необходимо только с доступом воздуха.       

В результате дыхания зерна в отдельных зернах и в целом в зерновой массе происходят существенные изменения:

При хранении зерна, особенно продовольственного и фуражного назначения, большое значение имеет не вид или характер дыхания, а интенсивность его. Чем выше интенсивность дыхания, тем ощутимее потери в массе сухого вещества и тем труднее уберечь зерновую массу от порчи.              

На интенсивность процесса дыхания оказывают влияние такие факторы, как влажность зерна и зерновой массы, их температура, ботанические особенности, зрелость зерна, выполненность и крупность зерен, наличие травмированных и проросших зерен.             

С увеличением влажности и температуры зерна интенсивность дыхания его возрастает. Недостаточный обмен воздуха в зерновой массе приводит к понижению интенсивности дыхания.

Резкое увеличение интенсивности дыхания во влажном и сыром зерне объясняется не только усилением его жизнедеятельности, но и активизацией микробиологических процессов.

В пределах уравненной критической влажности зерно кукурузы, овса, семян подсолнечника, просо, сорго проявляют большую интенсивность дыхания, чем зерно пшеницы, ржи, ячменя и семена бобовых культур. Пшеницы мягкие мучнистые дышат более интенсивно, чем стекловидные и твердые.

Недозрелые, щуплые, травмированные и проросшие зерна имеют повышенную интенсивность дыхания по сравнению с нормально вызревшим, выполненным сухим и целым зерном.

Интенсивность семян сорных растений имеет аналогичную зависимость от перечисленных факторов.

В процессе хранения при определенных условиях может возникнуть процесс самосогревания зерна.

Самосогреванием (или самонагреванием) зерновой массы называют явление повышения ее температуры вследствие протекающих в ней физиологических процессов (дыхания всех живых компонентов) и плохой теплопроводности.

В процессе самосогревания изменяются следующие показатели качества зерна

При далеко зашедшем процессе самосогревания (повышение температуры до 50ᵒС и более) резко снижается сыпучесть зерновой массы, происходит интенсивное потемнение зерна, отдельные зерна оказываются проплесневевшими или прогнившими, зерно выделяет сильные запахи разложения. Процесс самосогревания завершается обугливанием зерна и полной потерей сыпучести зерновой массы, которая иногда превращается в монолит.

Систематически и правильно организованное наблюдение за температурой зерновых масс в течение всего срока хранения позволяет своевременно ликвидировать процесс самосогревания.