СПОСОБ ХРАНЕНИЯ ВЛАЖНОГО ПЛЮЩЕНОГО ЗЕРНА В АНАЭРОБНОЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК A01F25/00 

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;

S_d - плотность сухого вещества зерновой массы, S_d=S:(1+W:100), т/м³;

S_s - 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(S_d) Доля в единице объема сухого вещества (ф₁) воды (ф₂) воздуха(ф₃) 1 2 3 4 5 6 Пшеница(S_s=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 (S_s=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 (S_s=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 (S_s=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;

m_ср - 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:

V_ocт.воз=(0,25÷0,30)·V_воз (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.

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.

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-S_d:S_s-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;
S_d - плотность сухого вещества зерновой массы, S_d=S:(1+W:100), т/м³;
S_s - 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
V_воз=ф₃·L·m_ср·h,
где ф₃ - доля воздуха в единице объема зерновой массы, определяется по формуле;
L - длина секции траншеи, м;
m_cр - средняя ширина траншеи;
h - высота укладки зерновой массы, м;
объем воздуха в уложенной в рукав зерновой массе после герметизации определяют по формуле:
V_воз=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
V_{ост.воз}=(0,25÷0,30)·V_воз;
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.