ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Теоретико-методологический анализ элеваторно-складского хозяйства РФ и существующие технологии послеуборочной обработки зерна пшеницы
Элеватор — это комплекс, предназначенный для хранения, обработки и очистки больших партий зерна.
Элеватор представляет собой механизированное зернохранилище силосного типа, в состав которого входят: рабочая башня, силосные корпуса, участки погрузки и выгрузки зерна, зерновые сушилки, оборудование для очистки зерна, подъемное оборудование [1].
Распространено строительство силосных корпусов, связанных с рабочим зданием действующих элеваторов. Железобетонные силосы, вместимостью от 11,2 до 48,0 тысяч тонн, располагают поочередно из силосов двух типов: квадратных, размером 3х3, и круглых, диаметром 6 и 9 метров, или сборных диаметром 6 метров, высотой 30 метров. Квадратные силосы располагаются по ширине силосного корпуса в 6, 8 и 12 рядов, а круглые — в 3, 4 и 6 рядов.
Металлические силосы, вместимостью 2,55 и 3,0 тыс. тонн, располагаются последовательно в один ряд. Силосы соединены с рабочим зданием, где установлено основное технологическое и транспортное оборудование. Зерно из приёмных бункеров поступает в рабочую башню горизонтальным транспортом (конвейерами) и вертикальным подъёмным транспортом (нориями). Далее оно проходит взвешивание, очистку от примесей, сушку в зерновых сушилках и направляется по конвейеру в надсилосные транспортёры, которые распределяют зерно по силосам. Выгружают зерно на конвейеры, установленные под силосным отделением, через отверстия с воронками в днищах силосов. Некоторые силоса устанавливают оборудование для дезинфекции зерна и активного вентилирования зерновой массы. Температуру зерна измеряют термическими подвесками, установленными внутри силоса на разных уровнях.
Элеватор оснащен автомобильными и железнодорожными пунктами приёма и линиями автомобильной или железнодорожной отгрузки зерна [1, 6].
Первый силосный элеватор построен в Соединенных Штатах Америки, (г. Дулут) в 1845, а в России (г. Нижний Новгород) — в 1887 году.
Виды элеваторов и зерноскладов
Хлебоприемные (заготовительные) элеваторы принимают зерно автомобильным транспортом напрямую от колхозов. Проводят первичную обработку зерна (очистку, сушку), хранят и отгружают по назначению железнодорожным, водным или автомобильным транспортом.
Разветвленная сеть этих хлебоприемных предприятий создана с учетом приближения их к производящим районам с тем, чтобы избежать дальних перевозок зерна с полей колхозов и совхозов и в короткие сроки сдать его государству.
Так как значительную массу поступающего зерна нельзя сразу разместить на длительное хранение или передать для переработки хлебоприемным предприятиям, на этих элеваторах наряду с приемом проводят послеуборочную обработку зерна: очистку от примесей, сушку, обеззараживание. Кроме того, эти элеваторы готовят к посеву семена зерновых.
Базисные элеваторы служат для хранения оперативных запасов зерна для текущего потребления. На эти предприятия поступает главным образом зерно из хранилищ, прошедшее первичную обработку. Очистка и сушка зерна на базисных элеваторах являются основными операциями. Кроме того, на них подготавливают крупные однородные партии зерна, удовлетворяющие определенным требованиям. Элеваторы оснащены высокопроизводительным оборудованием и, как правило, имеют большую емкость. Размещают элеваторы на пересечении водных и железнодорожных путей или на крупных железнодорожных станциях [18, 20, 40].
Перевалочные элеваторы используются для приема и перегрузки зерна с одного вида транспорта на другой. В некоторых случаях принимают зерно от колхозов. Строят в местах примыкания железнодорожного транспорта к водным артериям или железнодорожных линий разной колеи. Иногда перевалочные элеваторы используют для длительного хранения зерна. Так как подвоз зерна к месту перевалки и его отгрузка неравномерны, необходимо, чтобы эти элеваторы располагали не только мощными перегрузочными устройствами, но и хранилищами, позволяющими накапливать зерно в период его интенсивного поступления.
Фондовые элеваторы предназначены для длительного (в течение трех-четырех лет) хранения государственных зерновых резервов. К качеству зёрна, поступающего на эти элеваторы, предъявляются повышенные требования. Зерно с них отпускают лишь в порядке обновления запасов или для временного восполнения дефицита. Как правило, фондовые элеваторы имеют большие (100-200 тыс. т) емкости и должны иметь возможность принимать и отгружать зерно железнодорожными маршрутами.
Производственные элеваторы обеспечивают зерном перерабатывающие предприятия (мукомольные, крупяные, комбикормовые и другие заводы) [11, 36]. Эти хранилища должны располагать соответствующей емкостью для обеспечения бесперебойной работы перерабатывающих предприятий, а также иметь соответствующее оборудование для подготовки зерновых партий к переработке.
Портовые зернохранилища принимают зерно с базисных и перевалочных зернохранилищ, подготавливают партии зерна на экспорт и отгружают его в морские суда; принимают зерно, прибывшее по импорту, из морских судов и отгружают потребителям внутри страны. Портовые зернохранилища отличаются большой емкостью и оснащаются высокопроизводительным транспортным оборудованием.
Реализационные базы служат для снабжения потребителей зерном, мукой, крупой и комбикормами. Кроме того, реализационные базы могут принимать зерно от хлебосдатчиков.
Линейные элеваторы принимают зерно в основном с автомобильного транспорта. Прием зерна с железной дороги предусматривается как случайная операция. Отпуск зерна в железнодорожные вагоны предусмотрен через люки в крыше или через дверной проём с помощью вагонозагрузчика [21, 46, 47].
Все элеваторы независимо от их типов и назначений работают по следующей схеме:
Рисунок 1. Технологические схемы элеватора:
а - приемка зерна с автомобильного транспорта – очистка - размещение в силосах; б - приемка зерна с автомобильного транспорта – размещение в силосах; 1 – автомобилеразгрузчик; 2 – приемный бункер; 3,15 – конвейеры; 4,11 – нории; 5,12 – надвесовые бункера; 6,13 – весы; 7,14 – распределительные устройства; 8 – надсепараторный бункер; 9 – сепаратор; 10 – подсепараторный бункер; 16 – силосы.
Виды зерновых складов
Зерновые склады представляют собой одноэтажные помещения с горизонтальными или наклонными полами, кирпичными, каменными или железобетонными стенами. Зерно в таких складах хранят насыпью на полу или в закромах. Различные способы хранения зерна, размеры хозяйств и набор культур определили появление большого числа типов и размеров зернохранилищ [15, 30, 41, 60].
Зерновые склады делятся на механизированные и немеханизированные.
Немеханизированные склады строят только с горизонтальными полами. Прием, перемещение и отпуск зерна в этих складах осуществляют с применением передвижных и самоходных механизмов.
Механизированные склады строят как с горизонтальными, так и с наклонными полами. Эти склады оборудуют верхними (загрузочными) и нижними (разгрузочными) стационарными ленточными транспортерами и нориями, установленными в торцах складов.
Рисунок 2. Типы складов для зерна
Для более полного заполнения склада, особенно вдоль продольных стен, на верхнем транспортере устанавливают сбрасывающую тележку с зерновым сбрасывателем, при помощи которого зерно, разгружаемое с транспортера, отбрасывается к стенам. Высота насыпи зерна в складах с горизонтальными полами, допускается: у стен 2–2,5 м, в середине склада 4–5 м.
В складах с горизонтальными полами можно одновременно хранить несколько разных партий зерна. Для этого склад делят на отсеки (закрома). Некоторые зерновые склады оборудуют стационарным или напольно-переносным оборудованием для активного вентилирования.
Механизированные склады с наклонными полами строят в районах с низким уровнем грунтовых вод. Заглубляют такие полы на 6–7 м, что позволяет хранить зерно насыпью до 10-11 м [27].
На основе анализа установлено, что элеваторы, по сравнению с зерноскладами, представляют собой более совершенное хранилище, которое способствует лучшей сохранности зерновой массы в связи с высокой механизацией и более совершенной технологией хранения.
Послеуборочная обработка зерна - комплекс технологических мер, выполняемых в послеуборочный период для повышения стойкости и качества зерновой.
Зерно в процессе сбора имеет вид неоднородной зерновой массы, в которую входят различные примеси органического и минерального происхождения. Особенно нежелательными являются листья и стебли сорняков, которые, как правило, имеют повышенную влажность. Поэтому такое собранное зерно неустойчиво при хранении: через короткий промежуток времени в нем могут начаться процессы гидролиза, что приводит к ухудшению качества и потерям урожая [24, 26].
Самым неустойчивым является зерно, собранное прямым комбайнированием. Даже при уборке сухой зерновой массы в ней содержится битое, травмированное, плоское зерно, органическая пыль, что значительно снижает устойчивость зерна. Поэтому собранное зерно нужно немедленно направлять на обработку, желательно в потоке с уборкой.
Послеуборочная обработка включает ряд операций, которые проводят в зависимости от состояния, назначения и особенностей культуры. К основным операциям относится размещение свежесобранного зерна, его очистка, сортировка, сушка, вентиляция и, при необходимости, охлаждение [28, 31, 33].
В процессе уборки зерно размещают отдельными партиями в зависимости от вида культуры, сорта и показателей качества. Отдельно размещают низкокачественное и дефектное зерно (пораженное фузариозом, головней, рожками, клопом-черепашкой, проросшее, с несвойственным запахом, обесцвеченное, с тяжело отделяемыми и вредными примесями) [37]. Особое внимание уделяется размещению зерна сильных и ценных сортов пшеницы, твердой пшеницы, качество которых должно быть под постоянным контролем.
При размещении учитывают состояние и технологические показатели зерна, по которым оно должно быть обработано и доведено до норм готовой продукции. Особое внимание обращают на засоренность и влажность зерна. При превышении нормы засоренности, установленной отдельно для каждой культуры, такое зерно отделяют и далее направляют на очистку.
Зерно с разной влажностью имеет такой порядок размещения и обработки: до 14-15% - сухое и пригодное для хранения; до 17% - как влажное, требующее подсушивания или вентилирования; более 17% - сырое с обязательной сушкой в потоке с уборкой. В случае накопления и задержки с сушкой сырого зерна его следует размещать на установках активного вентилирования с обязательным контролем температуры и влажности [2, 29].
Основные методы чистки и сортировки зерна
Зерно, убранное комбайнами, подлежит немедленной очистке, особенно если оно влажное. Задержка с очисткой влажного и сырого зерна может привести к его самосогреванию и ухудшению качества уже через 10-12 ч хранения насыпью [63, 64].
Очистка может быть:
1) предварительная очистка - это вспомогательная операция по очистке зерна. Ее проводят для создания условий для последующего выполнения технологических операций послеуборочной обработки зерна, в особенности для сушки. Предварительная очистка влияет на факторы порчи, повышая устойчивость зерна, особенно к развитию процесса самосогревания.
2) первичная очистка – следующий этап после предварительной очистки и сушки. Эта очистка способствует тому, чтобы из зерновой массы отделить крупные, мелкие и легкие примеси при минимальных потерях зерновой массы. Зерно сепарируют по ширине, толщине и аэродинамическим свойствам в сепараторах, а также по длине - в триерах. После обработки продукт должен соответствовать требованиям стандартов. Зерно, поступающее на первичную очистку, должно содержать сорной примеси не более 8 % и иметь влажность не выше 18 %.
3) вторичная очистка – применяется для обработки семенного зерна, прошедшего первичную обработку.
Для очистки-сортировки применяют различные воздушно-решетные зерносепараторы, аспираторы. Для отбора трудноотделяемых примесей используют триеры, пневмосортировальные столы.
Зерноочистительные машины должны быть укомплектованы сменными рабочими органами, чтобы обеспечить различные режимы сепарации. Но в каждом конкретном случае режим уточняют, исходя из фактической чистоты и крупности зерновки, ее влажности.
Особенности технологий сушки зерна
Эту операцию выполняют при повышенной уборочной влажности, а также для термического обеззараживания зерна от вредителей. При наличии различных партий прежде всего сушат зерно более влажное, пораженное, с признаками самосогревания. Во время заготовки различных сортов пшеницы сначала сушат зерно твердых, сильных и ценных сортов [29, 35].
Пшеницу высушивают при переменных температурных режимах с учетом качества клейковины в зерне. При слабой клейковине температуру повышают, а при слишком прочной - снижают, чтобы сохранить и улучшить качество зерна. Повышенные температуры позволяют несколько укрепить клейковину, пониженные - не приводят к ее дополнительному укреплению. При мягких режимах высушивают зерно ценных, сильных и твердых пшениц. Зерно проросшее, поврежденное клопом-черепашкой формирует слабую клейковину, поэтому его также высушивают при повышенных температурах, но с постоянным контролем режима сушки.
После каждого прохождения зерна через сушилку его влажность должна снижаться не более чем на 6-8%. Поэтому для снижения влажности более 8% зерно следует пропустить через сушилку несколько раз.
Активное вентилирование зерновой массы с целью сушки и охлаждения [2, 38, 67].
В процессе уборки, обработки и хранения зерно может иметь повышенные показатели влажности и температуры, что снижает его устойчивость и качество. Для такого зерна эффективным может быть активное вентилирование, которое заключается в продувке атмосферным воздухом зерновой массы с помощью вентиляционного оборудования. Прием имеет ряд существенных преимуществ, в частности: зерно обрабатывается без перемещения и травмирования, этот метод не требует значительных капиталовложений и энергозатрат, ускоряет созревание недозрелого зерна, повышает устойчивость и продолжительность его хранения [54, 58, 69].
Вентилирование происходит в режиме подсушивания или охлаждения (в зависимости от состояния зерна). В режиме подсушивания зерно вентилируют сухим или нагретым воздухом. С помощью такого приема зерно, собранное с влажностью до 17%, можно довести до сухого состояния.
В режиме охлаждения зерно вентилируют холодным атмосферным воздухом или охлажденным с помощью холодильных машин. Охлаждать зерно можно также с помощью вентиляционного оборудования сушилки. В этом случае отключают ее топку и вентилируют зерно. Вследствие охлаждения, проведенного в осенне-зимний период, повышается устойчивость зерна и увеличивается продолжительность его хранения.
В процессе вентилирования следует соблюдать нормы подачи воздуха в насыпь зерна в зависимости от его влажности. Следят также за высотой насыпи: она должна обеспечивать равномерную продувку зерна. Проводить вентилирование нужно при определенных условиях, а именно: фактическая влажность зерна должна превышать его равновесную, иначе зерно, наоборот, будет увлажняться из-за поглощения водяных паров воздуха. Если равновесная влажность неизвестна, то вентилирование проводят при температуре наружного воздуха.
Согреваемое зерно непрерывно вентилируют при повышенной подаче воздуха и сниженной высоте насыпи. Но лучше согретое зерно немедленно направить на сушку.
Активное вентилирование проводят в наземных зерноскладах или бункерных хранилищах-силосах, которые имеют систему вентиляции.
В последнее время зерно все больше хранят в металлических силосах-башнях, оборудованных системой активной вентиляции. Стоит учитывать, что зерно в металлических силосах, особенно верхние его слои, испытывает влияние колебаний метеоусловий - изменяет температуру и влажность. Поэтому в случае значительного повышения температуры и влажности следует принять срочные меры - провести вентиляцию или перезагрузить хранилище [30, 47, 75].
Организация контроля качества зерновой массы.
Качество зерна контролируют как в процессе послеуборочной обработки, так и на стадии хранения. Применяют государственный контроль готовой продукции. Зерно продовольственно-кормовое и техническое контролируют по показателям, установленным для каждой культуры стандартам ГОСТ. Для пшеницы ГОСТ 9353-2016.
Рисунок 3. Обеспеченность зернового подкомплекса РФ элеваторными мощностями. Источник: Росстат.
В Российской Федерации, по данным Минсельхоза, общая емкость хранения зерна пшеницы составляет 138 млн т. Из них 47% — это специализированные зернохранилища (элеваторы, хлебоприемные пункты и склады при перерабатывающих предприятиях), а остальное — зерносклады в сельхозпредприятиях и личных подсобных хозяйствах, в которых отсутствует правильная технология хранения и переработки зерна. При таком хранении не только неизбежны потери количества и качества собранного зерна, но также возникает вопрос о его безопасном использовании для продовольственных и фуражных нужд.
1.2 Объемы производства и переработки зерна пшеницы в РФ и по округам
Основа растениеводческой отрасли в РФ – производство зерновых и зернобобовых культур, посевная площадь которых в 2021 году составила 41,5 млн га, намолочено 109,4 млн тонн зерна.
Рисунок 4. Регионы-лидеры по валовому сбору зерновых и зернобобовых культур в 2021 г., млн. т
Из них пшеница обмолочена с площади 26,8 млн га, намолочено 75,6 млн тонн зерна. Ячмень обмолочен с площади 7,7 млн га, намолочено 18,4 млн тонн. Кукуруза на зерно обмолочена с площади 927,9 тыс. га, намолочено 4,5 млн тонн. Рис обмолочен с площади 53,6 тыс. га, намолочено 339,7 тыс. тонн.
При текущей организации сельского хозяйства валовые сборы зерновых зависят от природно-климатических факторов. В системе ресурсосберегающего земледелия влияние погоды и климата на эффективность растениеводства сведено к 20%. Остальные 80% приходятся на технологии и управление в сельском хозяйстве, объединенные в одну систему.
Пшеница обмолочена с площади 26,3 млн га и собрано ее 74,2 млн тонн с расчетной урожайностью 28,2 ц/га. В прошлом году на эту дату было собрано 85,2 млн тонн, а урожайность составляла 30,6 ц/га.
В 2020 году Россия собрала в чистом весе 132,9 млн тонн зерна. По данным Росстата, это оказалось на 9,7% больше, чем в 2019 году (121,2 млн тонн), а урожай стал вторым по величине в истории РФ (рекорд был поставлен в 2017 году — 135,5 млн тонн).
Рисунок 5. Валовый сбор и урожайность зерновых и зернобобовых культур в России, млн т. и ц. га.
В 2021 году погодные условия были не столь благоприятными: в ряде регионов наблюдалась засуха, а в некоторых, напротив, избыточные для высокого урожая дожди.
Таким образом, неблагоприятные погодные условия (особенно засуха) являются главной причиной более низких показателей по валовому сбору зерновых культур. Также риск для урожая представляло переувлажнение почв.
1.3 Оборудование, используемое на элеваторах
Назначение и виды элеваторного оборудования
Оборудование для элеваторов можно разделить на следующие виды:
• транспортные механизмы и устройства – с их помощью осуществляются выгрузка, транспортировка и отгрузка зерновых материалов;
• системы вентиляции, аспирации, сушки, увлажнения – помогают поддерживать необходимый для длительной сохранности урожая микроклимат;
• системы очистки и обработки – применяются для очистки зерна от примесей, пыли, грязи;
• элеваторное оборудование для сортировки и классификации – используется для разделения исходного материала на фракции, взвешивания, определения сортности;
• управляющая автоматика и приборы контроля.
Типы устройств механизации и автоматизации
В перечень используемого оборудования для элеваторов входят:
• специализированные автомобилеразгрузчики;
• конвейеры, перегружатели и нории различных типов;
• устройства самотечной подачи зерна;
• вентиляторы, циклоны, воздуховоды;
• пробоотборники, влагомеры, датчики;
• шлюзовые затворы, задвижки и многое другое.
Автомобилеразгрузчики – это устройства, предназначенные для разгрузки автомобилей с сыпучим грузом.
Автомобилеразгрузчик работает по следующей схеме: по специальной наклонной заездной площадке автомобиль въезжает на помост разгрузчика. После того, как борта автомобиля (задний или боковой) откроют, оператор поднимает автомобиль на нужный угол, что способствует разгрузке путем ссыпания груза в приемный бункер [1, 27].
Нории предназначены для вертикальной транспортировки таких продуктов, как зерно, мука, комбикорм и гранулы.
Рисунок 6. Конструктивные элементы нории
1 - приводной барабан, 2 – разгрузочный патрубок, 3 - лента, 4 – ковш, 5 – трубы, 6 – натяжной барабан, 7,8 – приемные патрубки.
Ленточные конвейеры предназначены для горизонтальной транспортировки на большие расстояния таких продуктов, как зерно, мука, комбикорм и гранулы.
Рисунок 7. Конструктивные элементы ленточного конвейера
1,5 – приводной и натяжной барабаны, 2 - лента, 3 – опорный ролик, 4 - загрузочный патрубок.
Скребковые конвейеры предназначены для горизонтальной и полого-наклонной транспортировки зерна, муки, комбикорма, гранул в тех случаях, когда необходима закрытая или пыленепроницаемая система транспортировки.
Рисунок 8. Конструктивные элементы скребкового конвейера
1 – натяжное устройство, 2 – тяговая цепь, 3 - скребки, 4 – приводные звездочки, 5 – загрузочные люки, 6 – желоб днища.
В зерновом элеваторе с автоматизированным управлением всеми процессами имеются компактно расположенные большие ёмкости. Условия хранения продукции в зерновых элеваторах рассчитаны на полную сохранность здесь зерна и даже улучшение качества зерновых культур, находящихся в данном сооружении какое-то продолжительное время.
Зерновой элеватор (по сравнению с обычными складами) имеет свои преимущества: зерновой комплекс занимает меньшую площадь территории для расположения на ней различных культур; простоту работы с вредителями (прежде всего с грызунами); возможность постоянного регулярного контроля за состоянием продукции; полную механизацию операций с зерном; эффективную систему активного вентилирования продукта [15, 32, 46].
Среди плюсов таких зерновых элеваторов также значится меньшая трудоемкость работ по обеспечению полной сохранности (в том числе по очистке и сушке) зерна, наличие системы термометрии, меньшие потери зерна, лучшая изоляцию продукта от внешней среды. Более того, срок службы конструкции значительно выше, чем простых складов, а расходы на эксплуатацию меньше.
1.4 Общие характеристики физико-химических и технологических свойств зерна, используемые при приеме, послеуборочной обработке, хранении и переработки.
Физические свойства зерновой массы
Зерновую массу следует рассматривать как комплекс организмов, которые могут повлиять на состояние и качество зерна в зависимости от конкретных условий.
Разные по качеству партии зернового сырья отрицательно сказываются на хранении и переработке, и необходимо научиться управлять нежелательными явлениями или устранять их последствия [7].
В состав каждой партии зерновой массы входят:
1) зёрна основной культуры (полноценные и дефектные), а также зерна других культурных растений;
2) минеральные и органические примеси;
3) микроорганизмы;
4) воздух межзерновых пространств с парами воды;
5) зараженность насекомыми и клещами. Это крайне нежелательный компонент.
Все партии зерна отличаются по составу и состоянию, так как каждый компонент массы изменяется под влиянием множества факторов. В 1 тонне зерна пшеницы около 30–40 млн шт. зерновок и все они отличаются друг от друга по множеству признаков: форме и размерам, влажности и химическому составу, плотности и массе.
По результатам исследований, в верхней части колоса масса 1000 зёрен – 29–30 г, в средней – 38–39, в нижней – 33–34 г. Различались зёрна и по влажности: в верхней части колоса – 15–17 %, в средней – около 20 и в нижней – 22–24 % [10].Различия обусловлены неравномерностью созревания. Разнородность ещё больше возрастает в процессе уборки, так как при обмолоте зёрна в различной степени травмируются.
Содержание растительных примесей в зерновой массе делает её ещё более неоднородной, снижает качество зерна и влияет на сохранность зерновой массы. Это связано с тем, что семена сорных растений, как правило, имеют повышенную влажность, и влага примесей быстро передаётся основному зерну.
Семена основной культуры и примесей энергично дышат и являются благоприятной средой для микроорганизмов. Состав микроорганизмов весьма разнообразен и непостоянен. Уровень дыхания зёрен, жизнедеятельность микроорганизмов и вредителей в значительной мере зависят также от состава, температуры и влажности воздуха, находящегося в межзерновых пространствах свежеубранной зерновой массы. Присутствие в зерновой, да и любой другой растительной массе столь различных компонентов придаёт ей много специфических свойств [37].
Изученные свойства показали, что они разделяются на две группы: физические и физиологические. В основе физических процессов лежат физические свойства растительной массы, в основе физиологических – биологические.
