Способ хранения влажного плющеного зерна в анаэробной среде и устройство для его осуществления (варианты)
Владельцы патента RU 2415554:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Смоленская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГОУ ВПО "Смоленская ГСХА") (RU)
Изобретение относится к сельскохозяйственному производству, а именно к хранению зерна, предназначенного для скармливания животным. Способ включает уборку зерновых колосовых культур (пшеница, ячмень, овес) в фазе восковой спелости с влажностью зерна 25-35%, а кукурузы - до 45%, его плющение, укладку на хранение в герметичные секционные хранилища траншейного типа или полиэтиленовые рукава и устройства для откачки воздуха из хранилищ вакуум-насосом через гофрированные полиэтиленовые трубы с перфорацией, уложенные на дно секции или в рукав. Объем откачки воздуха определяется фазовым состоянием зерновой массы. В результате разницы между атмосферным и остаточным давлением в секции хранилища или в рукаве после откачки воздуха, а в секции и дополнительной статической нагрузки, происходит уплотнение зерновой массы, резкое снижение содержания воздуха в ней и практически создается анаэробная среда, препятствующая развитию плесневых грибов. Устройство (вариант 1) включает секционное хранилище траншейного типа, на дно хранилища уложена батарея гибких перфорированных полиэтиленовых труб диаметром 50 мм, подсоединенных к коллектору, неперфорированный конец которого выведен за пределы хранилища и имеет запорный вентиль и штуцер для подключения к вакуум-насосу. Устройство (вариант 2) включает полиэтиленовый рукав и пресс-уплотнитель, в полиэтиленовый рукав уложена гибкая перфорированная полиэтиленовая труба диаметром 50 мм, неперфорированный конец которой через герметичный фланец выведен за пределы рукава и имеет запорный вентиль и штуцер для подключения к вакуум-насосу. Изобретение обеспечивает снижение потери питательности зерна в процессе хранения. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к сельскохозяйственному производству, а именно к хранению зерна, предназначенного для скармливания животным.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - снижение затрат энергии на послеуборочную обработку зерна и потерь его питательности в процессе хранения.
В последнее время получает распространение хранение влажного плющеного зерна в анаэробных условиях. Во влажной земледельческой зоне уборка зерновых культур в восковой спелости с каждого гектара обеспечивает сбор зерна на 5-10 ц больше, чем при уборке в полной спелости (М.И.Липовский и др. Чем убирать зерно для плющения? Кормопроизводство, 2005, №2, с.28-31).
Известен способ хранения влажного зерна (55-60%), в основу которого положен принцип силосования (OS заявка 314947 AT 23.06.83). Однако зерно при уборке колосовых культур редко имеет влажность более 35%, а кукуруза - более 45%.
Известны способы хранения влажного зерна, сохранность которого обеспечивается добавлением к нему муравьиной, уксусной, пропионовой кислот с поверхностно-активным агентом (Великобритания, заявка №1504115, публикация 1978, 15 марта, №4642), диацетата натрия (США, патент №4299854, публикация 1981, 10 ноября. Том 1012 №2), обработкой зерна пропионовой кислотой без ее разбавления (Справочник по кормопроизводству / М.А.Смурыгин, В.Г.Игловиков, В.А.Тащилин и др.; Под ред. М.А.Смурыгина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1985, с.353), хранением в среде газовой смеси азота и диоксида углерода (RU 2005135105 А А23В 9/00 (2006.01)), обработкой препаратом «Berhel» (UA 15798U А23К 3/00; А23К 3/00, публикация 2006-07-17), препаратом «Tufohel-1» (UA 13131U А23К 3/00; А23К 3/00, публикация 2006-03-15).
Применение всех видов консервантов и газов, вытесняющих воздух из массы зерна, требует сложного оборудования и не исключает влияния на работающий персонал с возможной вероятностью отравления людей в процессе обслуживания хранилища и переработки обработанной продукции, а также ведет к значительному удорожанию конечного продукта (Ю.Г.Дубов и др. Экономическая эффективность уборки и хранения влажного фуражного зерна. Кормопроизводство, 2005, №2. с.26-28).
Известен метод переработки влажного зерна по авторскому свидетельству BG №42849, А23К 1/14, недостатком которого являются существенные потери питательности зерна в процессе его хранения и отсутствие защиты от плесневения.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является «Способ хранения сельскохозяйственной продукции в анаэробных условиях и устройство для его осуществления» (RU 2310316 С2 A01F 25/00 (2006.01); A01F 25/14 (2006.01) опубликовано 2007.11.20), заключающийся в том, что производят локализацию зерновой массы по объему хранения с исключением надзернового пространства. Вместе с тем, в межзерновых и внутризерновых порах остается значительный объем воздуха, что обусловлено фазовым составом зерновой массы и является существенным недостатком прототипа.
Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.
Согласно изобретению заявляемый способ включает уборку зерновых колосовых культур (пшеница, ячмень, овес) в фазе восковой спелости с влажностью зерна 25-35%, а кукурузы - до 45%, его плющение, укладку на хранение в герметичные хранилища траншейного типа или полиэтиленовые рукава,
Устройство (варианты) для откачки воздуха из хранилища после загрузки зерна и его герметизации состоит из гибких гофрированных перфорированных полиэтиленовых труб (дренажных), уложенных в траншейное хранилище или полиэтиленовый рукав, вакуум-насоса и запорной арматуры.
Любая зерновая масса состоит из зерен (семян) основной культуры, составляющих как по объему, так и по количеству основу всякой зерновой массы; примесей и микроорганизмов. Разнообразная конфигурация зерен и примесей, их неодинаковые размеры приводят к тому, что при размещении их в любых вместилищах образуются пустоты (скважины), заполненные воздухом. Кроме указанных постоянных компонентов, в отдельных партиях зерна могут быть насекомые и клещи. Микрофлора зерновой массы состоит из сапрофитных (включая и эпифитные), фитопатогенных и патогенных для животных и человека микроорганизмов. Межзерновые пространства (скважины) составляют значительную часть объема зерновой массы и существенно влияют на ее физические свойства и физиологические процессы, протекающие в ней. Кроме того, внутри зерен имеется значительный объем воздуха (внутризерновая скважность).
Нормальным процессом жизнедеятельности зерна при хранении является дыхание. При этом наблюдаются два типа дыхания: аэробное, т.е. окисление сахаров (гексоз), и анаэробное, конечный результат которых выражается следующими уравнениями (Трисвятский Л.А. и др. Хранение и технология сельскохозяйственных продуктов. /Под ред. Л.А.Трисвятского, - 4-е изд., перер. и доп. - М.: Лгропромиздат, 1991, с.108-123):
С6Н12O6+6 O2=6 СO2+6 Н2O + энергия 2763,4 кДж (1)
С6Н12O6=2 CO2+2 С2Н5ОН + энергия 114,8 кДж (2)
При достаточном доступе воздуха в зерне преобладает процесс аэробного дыхания. Зерно основных злаковых культур с влажностью до 14% (ниже критической) устойчиво при хранении. Процессы дыхания замедленны. С повышением влажности зерна более 14% интенсивность дыхания усиливается. Сырое зерно с влажностью свыше 17% дышит в 20-30 раз интенсивнее сухого. Микрофлора зерновой массы почти полностью состоит из аэробных организмов, количество строгих аэробов в ней ничтожно.
Влажность - важнейшее условие развития микроорганизмов в зерновой массе. Наименее требовательны к влаге плесневые грибы. Их активное развитие при доступе кислорода возможно при влажности зерна 15-16% и более. Среди них имеются штаммы, образующие микотоксины (аспергилловые грибы).
При хранении без доступа воздуха зерна основной культуры и семена сорных растений переходят на анаэробное дыхание (формула 2) и постепенно теряют всхожесть, но это не снижает их кормовых достоинств. Практически полностью прекращается жизнедеятельность микроорганизмов, так как подавляющая масса их состоит из аэробов. Исключается возможность развития клещей и насекомых, также нуждающихся в кислороде. При этом резко сокращаются потери массы зерна за счет дыхания (формулы 1 и 2). Исключение из технологического процесса высушивания свежеубранного зерна до влажности 14% для обеспечения его устойчивого хранения дает большую экономию энергии, поскольку на испарение 1 кг воды расходуется 2,26 мДж (Физика. Большой энциклопедический словарь. / Гл. ред. A.M.Прохоров. - 4-е изд. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998).
Долю воздуха в единице объема зерновой массы определяют по формуле
где ф3 - доля воздуха в единице объема;
ф1 - доля сухого вещества в единице объема в плотном состоянии без учета пор внутри зерен;
ф2 - доля воды в единице объема, равная W·S:100;
S - плотность уложенной на хранение зерновой массы, т/м3;
Sd - плотность сухого вещества зерновой массы, Sd=S:(1+W:100), т/м3;
Ss - плотность частиц твердой фазы (сухого вещества) зерновой массы, принимаемая для пшеницы и овса 1,53, ячменя 1,54 и кукурузы 1,51 т/м3. Вычислены авторами заявки по химическому составу (Трисвятский Л.А. и др., с.44) и удельной плотности белка, жира, крахмала, целлюлозы и золы (Химическая энциклопедия: В 5 Т: т.1, т.2. / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Сов. энцикл., 1988, 1990; Химия. Большой энциклопедический словарь. / Гл. ред. И.Л.Кнунянц. - 2-е изд. - Большая Российская энциклопедия, 1998);
100 - коэффициент пересчета.
В таблице приведены расчетные данные доли сухого вещества, воды и воздуха в единице объема зерновой массы в зависимости от ее влажности и плотности сложения, которые свидетельствуют, что доля межзерновых и внутризерновых пор, занятых воздухом, довольно большая. Поэтому зерно пшеницы влажностью 23,45% после 6 месяцев хранения имело фруктовый запах с оттенком затхлости (Ю.П.Секанов и др. Изменение свойств зерна пшеницы при хранении в анаэробных условиях. Техника в сельском хозяйстве, 2004, №2, с.34-36), что свидетельствует о развитии плесневых грибов. Таким образом, основным условием, исключающим развитие последних, является создание анаэробных условий путем откачки воздуха, находящегося в межзерновых и внутризерновых порах. Плющение облегчает процесс удаления воздуха из зерновой массы, поскольку нарушается естественная структура зерна.
Влажность зерновой массы при укладке, % на сухое вещество (W) | Плотность уложенной зерновой массы, т/м3(S) | Плотность сухого вещества зерновой массы, т/м3(Sd) | Доля в единице объема | ||
сухого вещества (ф1) | воды (ф2) | воздуха(ф3) | |||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Пшеница(Ss=1,53 т/м3) | |||||
20 | 0,70 | 0,583 | 0,381 | 0,140 | 0,479 |
0,75 | 0,625 | 0,408 | 0,150 | 0,442 | |
0,80 | 0,667 | 0,436 | 0,160 | 0,404 | |
0,85 | 0,708 | 0,463 | 0,170 | 0,367 | |
25 | 0,70 | 0,560 | 0,366 | 0,175 | 0,459 |
0,75 | 0,600 | 0,392 | 0,188 | 0,420 | |
0,80 | 0,640 | 0,418 | 0,200 | 0,382 | |
0,85 | 0,680 | 0,444 | 0,213 | 0,343 | |
30 | 0,70 | 0.538 | 0,352 | 0,210 | 0,438 |
0,75 | 0,577 | 0,377 | 0,225 | 0,398 | |
0,80 | 0,615 | 0,402 | 0,240 | 0,358 | |
0,85 | 0,654 | 0,427 | 0,255 | 0,318 | |
35 | 0,70 | 0,519 | 0,339 | 0,245 | 0,416 |
0,75 | 0,556 | 0,363 | 0,263 | 0,374 | |
0,80 | 0,593 | 0,388 | 0,280 | 0,332 | |
0,85 | 0,630 | 0,412 | 0,298 | 0,290 | |
Овеc (Ss=1,53 т/м3) | |||||
20 | 0,40 | 0,333 | 0,218 | 0,080 | 0,702 |
0,45 | 0,375 | 0,245 | 0,090 | 0,665 | |
0,50 | 0,417 | 0,273 | 0,100 | 0,627 | |
0,55 | 0,458 | 0,299 | 0,110 | 0,591 | |
25 | 0,40 | 0,320 | 0,209 | 0,100 | 0,691 |
0,45 | 0,360 | 0,235 | 0,113 | 0,652 | |
0,50 | 0,400 | 0,261 | 0,125 | 0,614 | |
0,55 | 0,440 | 0,288 | 0,138 | 0,574 | |
30 | 0,40 | 0,308 | 0,201 | 0,120 | 0,679 |
0,45 | 0,346 | 0,226 | 0,135 | 0,639 | |
0,50 | 0,385 | 0,252 | 0,150 | 0,598 | |
0,55 | 0,423 | 0,276 | 0,165 | 0,559 | |
35 | 0,40 | 0,296 | 0,193 | 0,140 | 0,667 |
0,45 | 0,333 | 0,218 | 0,158 | 0,624 | |
0,50 | 0,370 | 0,242 | 0,175 | 0,583 | |
0,55 | 0,407 | 0,266 | 0,193 | 0,541 | |
Ячмень (Ss=1,54 т/м3) | |||||
20 | 0,55 | 0,458 | 0,297 | 0,110 | 0,593 |
0,60 | 0,500 | 0,325 | 0,120 | 0,555 | |
0,65 | 0,542 | 0,352 | 0,130 | 0,518 | |
0,70 | 0,583 | 0,379 | 0,140 | 0,481 | |
25 | 0,55 | 0,440 | 0,286 | 0,138 | 0,576 |
0,60 | 0,480 | 0,312 | 0,150 | 0,538 | |
0,65 | 0,520 | 0,338 | 0,163 | 0,499 | |
0,70 | 0,560 | 0,364 | 0,175 | 0,461 | |
30 | 0,55 | 0,423 | 0,275 | 0,165 | 0,560 |
0,60 | 0,462 | 0,300 | 0,180 | 0,520 | |
0,65 | 0,500 | 0,325 | 0,195 | 0,480 | |
0,70 | 0,538 | 0,349 | 0,210 | 0,441 | |
35 | 0,55 | 0,407 | 0,264 | 0,193 | 0,543 |
0,60 | 0,444 | 0,288 | 0,210 | 0,502 | |
0,65 | 0,481 | 0,312 | 0,228 | 0,460 | |
0,70 | 0,519 | 0,337 | 0,245 | 0,418 | |
Кукурузa (Ss=1,51 т/м3) | |||||
20 | 0,65 | 0,542 | 0,359 | 0,130 | 0,511 |
0,70 | 0,583 | 0,386 | 0,140 | 0,474 | |
0,75 | 0,625 | 0,414 | 0,150 | 0,436 | |
0,80 | 0.667 | 0,442 | 0,160 | 0,398 | |
0,85 | 0,708 | 0,469 | 0,170 | 0,361 | |
25 | 0,65 | 0,520 | 0,344 | 0,163 | 0,493 |
0,70 | 0,560 | 0,371 | 0,175 | 0,454 | |
0,75 | 0,600 | 0,397 | 0,188 | 0,415 | |
0,80 | 0,640 | 0,424 | 0,200 | 0,376 | |
0,85 | 0,680 | 0,450 | 0,213 | 0,337 | |
30 | 0,65 | 0,500 | 0,331 | 0,195 | 0,474 |
0,70 | 0,538 | 0,356 | 0,210 | 0,434 | |
0,75 | 0,577 | 0,382 | 0,225 | 0,393 | |
0,80 | 0,615 | 0,407 | 0,240 | 0,353 | |
0,85 | 0,654 | 0,433 | 0,255 | 0,312 | |
35 | 0,65 | 0,481 | 0,319 | 0,228 | 0,453 |
0,70 | 0,519 | 0,344 | 0,245 | 0,411 | |
0,75 | 0,556 | 0,368 | 0,263 | 0,369 | |
0,80 | 0,593 | 0,393 | 0,280 | 0,327 | |
0,85 | 0,630 | 0,417 | 0,298 | 0,285 | |
40 | 0,65 | 0,464 | 0,307 | 0,260 | 0,433 |
0,70 | 0,500 | 0,331 | 0,280 | 0,289 | |
0,75 | 0,536 | 0,355 | 0,300 | 0,345 | |
0,80 | 0,571 | 0,378 | 0,320 | 0,302 | |
0,85 | 0,607 | 0,402 | 0,340 | 0,258 | |
45 | 0,65 | 0,448 | 0,257 | 0,293 | 0,450 |
0,70 | 0,483 | 0,320 | 0,315 | 0,365 | |
0,75 | 0,517 | 0,342 | 0,338 | 0,320 | |
0,80 | 0,552 | 0,366 | 0,360 | 0,274 | |
0,85 | 0,586 | 0,388 | 0,383 | 0,229 |
Поставленная задача решается следующим образом. Зерно колосовых культур убирают в восковой спелости влажностью до 35% (пшеница, овес, ячмень), а кукурузы - до 45%, минуя процесс сушки, подвергают плющению, загружают в хранилища с последующей герметизацией последних, включают устройство для разрежения воздуха 0,03-0,05 мПа на расчетное время.
На фиг.1 (план и поперечное сечение) показано устройство для создания анаэробной среды в зерновой массе, уложенной в горизонтальное хранилище траншейного типа, а на фиг.2 (план и поперечное сечение) - в полиэтиленовый рукав.
Для сохранности зерна после вскрытия траншеи или полиэтиленового рукава оно должно быть использовано в короткие сроки во избежание заплесневения. По этой причине при небольшом суточном расходе зерна в траншеях устраивают отдельные секции.
Устройство для разрежения (откачки) воздуха в горизонтальном хранилище траншейного типа 5 представляет собой батарею гибких перфорированных труб 1 диаметром 50 мм, подсоединенных к коллектору 4, один конец которого выведен за пределы секции траншеи и за пределами секции не перфорирован. На этом конце трубы расположен вентиль 2 и штуцер 3 для подключения к вакуум-насосу. После откачки воздуха вентиль закрывают и отключают вакуум-насос. Поставленная цель достигается при условии полной герметизации хранилища. Однако на практике обеспечить полную герметизацию хранилища полиэтиленовой пленкой 6 практически невозможно. Поэтому после заполнения и герметизации каждой секции хранилища перед откачкой воздуха осуществляют пригрузку уложенной зерновой плющеной массы 8 статической нагрузкой, равной 0,003-0,005 мПа, что эквивалентно слою минерального грунта 7 толщиной 20-30 см. Как показали данные экспериментов, указанная пригрузка предотвращает разуплотнение зерновой массы в результате уменьшения величины уплотняющей нагрузки за счет увеличения давления в массе, достигнутого при откачке воздуха при неполной герметизации хранилища, и тем самым снижает до безопасного порога влияние всасываемого в траншею воздуха.
Устройство для разрежения (откачки) воздуха в полиэтиленовом рукаве представляет собой дренажную полиэтиленовую перфорированную трубу диаметром 50 мм 1, уложенную в полиэтиленовый рукав 2, один конец которого (без перфорации) через герметичный фланец 3 выведен за пределы рукава и соединен с патрубком 4, имеющим запорный вентиль 5 и штуцер 6 для подключения к вакуум-насосу 7. После откачки воздуха вентиль закрывают и отсоединяют вакуум-насос.
В результате откачки воздуха происходит уплотнение зерновой массы под действием давления, равного разности между атмосферным давлением и давлением в массе, достигнутом разрежением. Процесс уплотнения аналогичен приложению статической нагрузки, когда масса практически мгновенно сжимается на некоторую величину и протекает с постепенно затухающей интенсивностью в течение длительного промежутка времени (деформация ползучести) с наличием остаточного объема воздуха.
Объем воздуха в зерновой массе, уложенной в секцию траншеи, после герметизации:
где ф3 - доля воздуха в единице объема зерновой массы (табл.), определяется по формуле (3);
L - длина секции траншеи, м;
mср - средняя ширина траншеи;
h - высота укладки зерновой массы, м.
Объем воздуха в зерновой массе, уложенной в полиэтиленовый рукав, после герметизации:
где ф3 - доля воздуха в единице объема зерновой массы (табл.), определяется по формуле (3);
Д - диаметр полиэтиленового рукава, м;
L - длина полиэтиленового рукава, м;
η=3,14 - постоянное число.
Остаточный объем воздуха после его откачки в секции траншеи или в рукаве:
Vocт.воз=(0,25÷0,30)·Vвоз (формула 4 или 5)
Время работы вакуум-насоса t, в час, определяется по формуле:
где n - производительность вакуум-насоса, м3/чac.
Если герметизация рукава обеспечена, то разуплотнения не происходит, а наоборот, деформация уплотнения продолжается и после прекращения откачки воздуха за счет ползучести, но она незначительна. В случаях повреждений рукава их ликвидируют путем заклеивания повреждений, а при необходимости и дополнительной откачкой воздуха.
Предлагаемый способ хранения влажного зерна практически создает бескислородную среду в зерновой массе, что предотвращает развитие плесневых грибов (Ассонов Н.Р. Микробиология [Текст]: учебник. / Н.Р.Ассонов. - М.: Колос, Колос-Пресс, 2002, с.276-277), обеспечивая высокое качество кормового зерна и экономию энергетических ресурсов за счет исключения операции по его сушке в размере 2,26 гДж на 1 т испаряемой воды.
1. Способ хранения влажного плющеного зерна в анаэробной среде, включающий уборку зерновых колосовых культур в фазе восковой спелости с влажностью зерна 25-35%, кукурузы - до 45%, его плющение, укладку на хранение, отличающийся тем, что воздух удаляют регулированием разности между атмосферным давлением и давлением в массе зерна, достигнутым разрежением воздуха 0,03-0,05 мПа в секции траншеи или в рукаве, причем в секции траншеи - дополнительной статической нагрузкой 0,003-0,005 мПа, при этом объем откачки воздуха определяют по фазовому состоянию зерновой массы, уложенной на хранение.
2. Способ хранения влажного плющеного зерна по п.1, отличающийся тем, что долю воздуха в единице объема зерновой массы определяют по формуле
ф3=1-ф1-ф2=1-Sd:Ss-W·S:100,
где ф3 - доля воздуха в единице объема;
ф1 - доля сухого вещества в единице объема в плотном состоянии без учета пор;
ф2 - доля воды в единице объема, равная W·S:100;
W - влажность зерновой массы на сухое вещество, %;
S - плотность уложенной на хранение зерновой массы, т/м3;
Sd - плотность сухого вещества зерновой массы, Sd=S:(1+W:100), т/м3;
Ss - плотность частиц твердой фазы (сухого вещества) зерновой массы, принимаемая для пшеницы и овса 1,53, ячменя 1,54 и кукурузы 1,51, т/м;
100 - коэффициент пересчета;
объем воздуха в уложенной в секцию траншеи зерновой массе после герметизации определяют по формуле
Vвоз=ф3·L·mср·h,
где ф3 - доля воздуха в единице объема зерновой массы, определяется по формуле;
L - длина секции траншеи, м;
mcр - средняя ширина траншеи;
h - высота укладки зерновой массы, м;
объем воздуха в уложенной в рукав зерновой массе после герметизации определяют по формуле:
Vвоз=ф3·η·(Д/2)2·L,
где ф3 - доля воздуха в единице объема зерновой массы;
Д - диаметр полиэтиленового рукава, м;
L - длина полиэтиленового рукава, м;
η=3,14 - постоянное число;
остаточный объем воздуха после его откачки в секции траншеи или в рукаве
Vост.воз=(0,25÷0,30)·Vвоз;
время работы вакуум-насоса t, ч, определяют по формуле
где n - производительность вакуум-насоса, м3/ч.
3. Устройство для осуществления способа по п.1 или 2, включающее секционное хранилище траншейного типа, отличающееся тем, что на дно хранилища уложена батарея гибких перфорированных полиэтиленовых труб диаметром 50 мм, подсоединенных к коллектору, неперфорированный конец которого выведен за пределы хранилища и имеет запорный вентиль и штуцер для подключения к вакуум-насосу.
4. Устройство для осуществления способа по п.1 или 2, включающее полиэтиленовый рукав и пресс-уплотнитель, отличающееся тем, что в полиэтиленовый рукав уложена гибкая перфорированная полиэтиленовая труба диаметром 50 мм, неперфорированный конец которой через герметичный фланец выведен за пределы рукава и имеет запорный вентиль и штуцер для подключения к вакуум-насосу.