Еще один важный фактор заключается в том, что у влажного зерна изменяются в худшую сторону физические свойства. Снижается натура (то есть, вес какого-либо объема, например, 1 тн. зерна, в отличие от распространенного показателя веса 1000 шт. зерен) и сопротивление раздавливанию, ухудшается сыпучесть. Оболочки становятся гладкими и более эластичными. В результате, на механическое дробление приходится расходовать больше энергии, чем для сухого материала. Бывает и так, что переработка оказывается просто невозможной.
В период уборки различных зерновых культур, влажность урожая колеблется в значительном диапазоне – от 10% до 30% и более. По указанным выше причинам, определение данного параметра является важным этапом производственного процесса. В зависимости от его результатов, принимается решение о необходимости повышении качества посредством сушки.
Виды влаги в зерне
Определенное количество влаги в зерне есть всегда. Точное его значение зависит от множества факторов: климатических условий, вида культуры, особенностей ее анатомии, степени спелости, наличия гидрофильных коллоидов, условий уборки и последующего хранения.
Вода в зерне может находиться в трех состояниях:
-
Химически связанная. В этом случае молекулы Н2О, в строго определенных соотношениях, входят в состав молекул компонентов зерна. Чтобы удалить такую воду, надо прокалить материал, или провести химическую реакцию. В обоих случаях, структура входящих в зерно веществ окажется разрушенной.
-
Физически связанная. Сюда относится вода структурная, осмотически поглощенная и адсорбционная. Соотношения молекул Н2О могут варьироваться в некоторых пределах. Если они сорбированы присутствующими в зерне гидрофильными коллоидами, то выступать в качестве растворителя уже не могут. Перемещение таких молекул Н2О в теле зерна затруднено, как и участие в химических реакциях. В результате физиологические процессы с их участием почти не происходят. При высушивании такая влага, с трудом, но все же удаляется.
-
Механически связанная. Она располагается в имеющихся в теле зерна макро- и микрокапиллярах. Эта вода называется свободной. Она сохраняет все свои свойства и принимает участие в происходящих в зерне микробиологических, биохимических и физиологических процессах. Легко убирается высушиванием.
Физически и механически связанную воду, которую можно удалить из зерна в процессе сушки, называют гигроскопической.
Оценка влажности и ее критическое значение
По уровню влажности зерно может быть сухое, средней сухости, влажное или сырое. По каждой группе определены показатели в процентах, разные для различных культур. Например, для ячменя, ржи или пшеницы они составляют, соответственно: до 14% включительно; 14,1% - 15,5%; 15,6% - 17,0%; 17,1% и более. У некоторых бобовых эти цифры выше, у масличных – ниже. В частности, в сухом семени подсолнечника присутствует не более 7% влаги.
Лучше всего хранить сухое зерно. Свободная влага в нем практически отсутствует. А связанная, в основном, удерживается гидрофильными коллоидами. Влажность, при которой в зерне появляется свободная вода, после чего резко интенсифицируются дыхание, прорастание и прочие физиологические процессы, вследствие которых начинают активно развиваться микроорганизмы, называют критической.
По основным злакам нормальной для хранения считается влажность ниже 14%, то есть, меньше критической. В этом случае зерно можно относительно долго держать в насыпях высотой до 30 м и более. Если влажность на грани критической (зерно средней сухости), то интенсивность дыхания возрастает в 2 – 4 раза. Но, поскольку газообмен небольшой, то сроки хранения тоже достаточно долгие. У влажного зерна данный показатель увеличивается в 4 – 8 раз, у сырого – в 20 – 30 раз. При этом, с активным развитием микроорганизмов, наблюдается процесс выделения тепла – самосогревание, в процессе которого температура зерновой массы иногда поднимается до 75 град С.
Нормативные документы
Важность получения своевременной и точной информации о наличии влаги в зерне подтверждается тем, что по данной операции на государственном уровне приняты соответствующие нормативные документы:
Есть и другие, например, ГОСТ 29305-92. В первом стандарте прописан метод измерения влажности зерна злаковых, включая кукурузу, и зернобобовых культур, по технологии воздушно-тепловой сушки. Данный способ считается эталонным и наиболее точным. Используется на перерабатывающих и хлебоприемных заводах, во время проведения контрольных замеров и в спорных ситуациях. Второй ГОСТ распространяется на влагомеры твердых и сыпучих веществ, принцип действия которых основан на использовании косвенных (электрических) методов: диэлькометрическом (объемном), кондуктометрическом, инфракрасном и сверхвысокочастотном. Приборы, работающие по прямым методам измерения, к сфере действия этого документа не относятся.
Методы определения влажности
Все методы измерения влажности твердых и сыпучих веществ делятся на две категории:
-
Прямые. Количество влаги в материале определяется непосредственно, путем его разделения на воду и сухое вещество.
-
Косвенные. Наличие влаги узнается путем измерения какой-либо физической величины, числовое значение которой связано с количеством воды в материале.
Прямые методы
В первую категорию измерения влажности твердых и сыпучих материалов входят способы: высушивание, дистилляционные, экстракционные и химические.
Наиболее распространенным является метод воздушно-тепловой сушки (термогравиметрический), описанный в ГОСТ 13586.5-2015. Суть его заключается в том, что навеску измельченного зерна взвешивают, а затем высушивают в специальном шкафу при температуре 130 град С в течение 40 мин. После этого – охлаждают в эксикаторе (без доступа влаги из атмосферы) и снова взвешивают. Влажность зерна определяют по формулам, исходя из полученных значений масс, и выражают в процентах. Достоинство метода заключается в его высокой точности. Недостатки – длительный процесс, необходимость наличия сушильного шкафа и вспомогательного оборудования, а также квалифицированного лаборанта.
Для ускорения сушки материала, могут применяться инфракрасные лучи или токи высокой частоты.
При дистилляционном методе материал нагревают в сосуде с жидкостью, которая с водой не смешивается (минеральное масло и др.). В процессе нагрева, из сосуда выделяются пары этой жидкости с парами воды, содержащейся в исследуемом материале. Их отводят через холодильник в мерный сосуд, где пары воды конденсируются, после чего остается измерить их вес или объем. Эта технология не слишком точная, допускаются ошибки, в том числе, систематические.
В экстракционных методах влага из исследуемого материала извлекается с помощью водопоглощающей жидкости (например, спирта). После этого надо определить числовые значения физических характеристик полученного экстракта, таких как температуры замерзания или кипения, показателя преломления, плотности или других, зависящих от содержания в нем воды.
В основу химических методов положена обработка исследуемого образца таким реагентом, который вступает в реакцию только с содержащейся в материале влагой. Процентное содержание воды определяется по количеству образовавшегося в результате реакции конечного продукта. Самыми популярными в данной категории являются газометрический (карбидный) способ и технология с использованием реактива Фишера.
Косвенные методы
К косвенным методам относятся механические, физические и другие. В ходе механических измеряют характеристики, которые зависят от количества влаги в материале. Например, определяют сопротивление пшеничного зерна раздавливанию. Или усадку материала под давлением поршня, сопротивление деформации или вдавливанию конуса и прочие. Механические технологии отличаются простотой исполнения и низкой точностью результатов, поэтому большого распространения они не получили.
Намного шире используются физические методы. В ходе их проведения, влажность материала преобразуется в другую величину, более удобную для измерения. Все они относятся к двум категориям: электрические и неэлектрические. В первом случае измеряются электрические параметры образца, зависящие от количественного содержания влаги. Во втором – другие характеристики.
Среди неэлектрических технологий наиболее популярными являются способы, в основу которых положено применение или изучение:
-
Теплофизических характеристик вещества.
-
Акустических свойств материала.
-
Нейтронов и гамма-лучей (радиометрические методы), рентгеновского излучения.
-
Магнитного ядерного резонанса.
-
Инфракрасного излучения и видимого света (спектральные способы).
В группе электрических методов самыми популярными являются кондуктометрический и диэлькометрический (емкостный). Кроме них, есть и другие, основанные на изучении прочих характеристик влагосодержащих веществ – электростатического заряда, ЭДС гальванический пары и т.д. Но их распространенность крайне низкая.
При определении влажности кондуктометрическим методом , меряется электрическое сопротивление исследуемого вещества, которое зависит от содержания в нем воды. Пробу материала 1 располагают между электродами 2 преобразователя. Амперметр 3 показывает силу проходящего через образец тока. Резистор R0 нужен для того, чтобы точно выставить аппарат на нулевую отметку. Первые приборы, работающие по этому способу, определяли влажность сыпучих веществ в диапазоне от 2% до 20%. Выше было проблематично, так как, с ростом влажности, снижается чувствительность. Ниже – тоже, по причине трудности измерения значительных сопротивлений.
При диэлькометрическом методе емкостный влагомер служит для измерения в большом диапазоне частот диэлектрических свойств материала. При этом, работа на сверхвысоких частотах имеет некоторые существенные отличия, из-за чего ее иногда рассматривают, как отдельный способ.
Основные компоненты сухого зерна – слабо полярные или неполярные. Их диэлектрическая проницаемость невысокая. Например, у жиров она составляет 3,5, у клетчатки – 6,5, у крахмала – 10. Вода, наоборот, является веществом сильно поляризованным, у нее данный параметр равен 81 (при 18 град С). Поэтому, наличие в зерне влаги значительно изменяет его диэлектрическую проницаемость – когда зерно сухое, оно диэлектрик, когда влажное, оно проводник. Для определения содержания воды, достаточно измерить емкость конденсатора, между пластинами которого размещен исследуемый материал.
Резонансный контур влагомера состоит из конденсатора переменной емкости СХ и катушки индуктивности L. Для получения резонанса, настраивается конденсатор С0. С помощью такого контура, определяется емкость преобразователя и, соответственно, диэлектрические потери. Вольтметр 2 служит для индикации резонанса. От генератора 1 колебательный контур отделен конденсатором СР.
Если влажность исследуемого материала 3 увеличивается, то, соответственно, изменяется емкость преобразователя. Чтобы восстановить симметричное положение, следует емкость конденсатора С0 изменить на такую величину, чтобы общая емкость контура вновь стала равна первоначальной. Разница между начальным и конечным положением ручки конденсатора С0 покажет содержание влаги в зерне.
У диэлькометрического метода есть один минус – емкость образца зависит не только от влажности, а еще и от химического состава. Поэтому, для каждого материала в комплекте прибора должна быть «своя» градуированная шкала.
Современные анализаторы влажности
В настоящее время анализаторы влажности отечественного и зарубежного производства представляют собой намного более совершенные приборы, чем те, которые выпускались в конце прошлого столетия. Все они делятся на две группы: лабораторные и портативные. Первые предназначены для стационарного применения. Они используют гравиметрическую технологию (высушивание образцов, с измерением массы навески). Работают быстро. Например, влагомер серии РМ (Kett, Япония), выдает результаты через 15 секунд после начала измерений.
Большинство портативных устройств работает по кондуктометрическому либо диэлькометрическому методу. Во втором случае, к прибору прилагается несколько (от 5 до 20) различных шкал для разных видов зерна. Есть возможность сделать индивидуальную градуировку. Диапазон измерений максимально широкий, от 0% до 100%. (Здесь надо отметить, что, при покупке влагомера для зерна, не обязательно выбирать аппарат с самыми большими возможностями, поскольку это увеличивает его цену. Вполне достаточно от 0% до 50%, или даже меньше, потому что содержание воды практически никогда не выходит за эти пределы).
Есть модели для определения влажности зерна в потоке. Например, «Фауна – П».
На рынке предлагаются анализаторы влажности универсальные и специализированные. Первые могут определить содержание воды практически в любом материале, или в очень большом перечне веществ разных типов. Они способны работать, как с твердыми и сыпучими образцами, так и с жидкими либо газообразными. Вторые предназначены для одного или нескольких материалов одной группы, например, для зерновых, для древесины и т.д.
Ниже, в качестве примера, описано несколько марок наиболее популярных влагомеров для зерна.
Анализатор влажности Эвлас
Анализатор влажности Эвлас – это универсальный прибор, с помощью которого можно определить содержание воды в более чем 300 видов пищевых продуктов и других материалов в отраслях сельского хозяйства, химической, фармацевтической, строительной и прочих.
Аппарат работает по гравиметрической технологии. Сушильная камера оборудована тороидальным инфракрасным нагревательным элементом, благодаря чему влага удаляется равномерно. Близкое к пробе расположение управляющего сенсора позволяет точно регулировать температуру. Время измерения (сушки) колеблется в пределах от 5 мин до 15 мин. Точное значение зависит от массы навески, влажности материала и его способности «отдавать» воду. Диапазон значений – от 0% до 100%.
Влагомер состоит из двух основных узлов: сушильной камеры с нагревателем и блока управления (микропроцессора) со взвешивающим устройством. Программное обеспечение позволяет работать в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Результаты выводятся на индикатор с точностью до 0,01%.
Влагомер зерна Фауна
Влагомер зерна Фауна – это специализированный портативный аппарат с автоматической термокомпенсацией температуры, предназначенный для определения влажности до двух десятков зерновых, зернобобовых и масличных культур. При необходимости, после выполнения индивидуальной градуировки, можно работать и с наименованиями, не входящими в базовый перечень. Анализатор компактный (помещается на ладони), весит всего 330 г., имеет автономное питание от батареи 9В, поэтому применяется в полевых условиях, на токах, в хранилищах и во всех других случаях, когда надо быстро определить влажность зерна на месте взятия пробы.
Аппарат работает по диэлькометрическому методу. Диапазон влажности составляет от 4,5% до 35,0% для зерновых и зернобобовых, от 6,5% до 20,0% для масличных культур. Время непосредственного измерения – 12 секунд.
Не смотря на большое число разнообразных методов определения влажности, в настоящее время на производстве все большее распространение получают анализаторы двух видов – универсальные лабораторные, работающие по гравиметрической технологии, и специализированные портативные, в которые реализованы кондуктометрический или емкостный способы. Эти приборы просты в обслуживании, выдают довольно точные результаты в течение короткого времени и могут работать автономно, что чрезвычайно важно в промышленных условиях.
8:00‑18:00
Выходные
Вопросов: 1