Самосогревание зерновых масс

Явление самопроизвольного повышения температуры зерновой массы называют самосогреванием или самонагреванием. Самосогревание зерновой массы — следствие ее физиологических и физических свойств. Дыхание всех живых компонентов зерновой массы сопровождается выделением тепла. Плохая тепло — и температуропроводность зерновой массы приводит к аккумулированию выделяемого тепла и повышению температуры. Начавшийся процесс самосогревания самостоятельно не прекращается, является самостимулирующимся и может привести в полную непригодность все зерно в хранилище. Чем больше масса зерна, тем труднее прекратить самосогревание. Самосогревание представляет собой наиболее опасный вид порчи зерна. Это одна из основных причин снижения продовольственных, семенных, кормовых достоинств зерна и его потерь в массе.

Самосогревание наблюдается в практике хранения зерна во всех странах, поэтому изучено глубоко и подробно как в нашей стране, так и за рубежом. Установлены источники образования тепла в зерновой массе, характер развития и виды процесса самосогревания, влияние его на качество зерна и зернопродуктов, методы и способы борьбы с самосогреванием.

Многочисленные наблюдения за хранящимся зерном в различных типах зернохранилищ позволили изучить закономерности возникновения и характер развития процесса самосогревания. Виды самосогревания и основные причины его возникновения приведены на рис. 3.

Гнездовое самосогревание может возникнуть в любой части зерновой насыпи. Чаще всего оно вызывается неравномерной влажностью зерна, засыпаемого на хранение, в результате чего образуются зоны, очаги с повышенной влажностью зерна. Увлажнение какого-то участка зерновой насыпи и появление очага самосогревания может вызвать и недостаточная гидроизоляция крыши, стен, пола зернохранилища. Появление очага самосогревания может вызвать и засыпка в одно зернохранилище зерна с большой разницей в его температуре.

По целому ряду причин в каком-то участке зерновой массы могут скапливаться насекомые и клещи, что также может привести к гнездовому самосогреванию.

В отдельных участках зерновой насыпи может образоваться скопление примесей, пыли, щуплого, невыполненного, недозрелого зерна. Это может быть вызвано загрузкой в зернохранилище резко разнородного по содержанию примесей зерна и самосортированием зерновой массы, особенно не подвергавшейся очистке. Интенсивность дыхания всех компонентов зерновой массы в таких участках повышена, что может привести к гнездовому самосогреванию [39].

Пластовое самосогревание возникает в виде горизонтального или вертикального греющегося пласта в любом зернохранилище или в бунтах, оно может возникнуть и при перевозке зерна в судах и вагонах. Пласт греющегося зерна находится на периферийных участках насыпи: в верхней, нижней ее части или возле стен. Эти слои в первую очередь подвержены влиянию температуры наружного воздуха. Перепады температур в периферийных зонах насыпи создают условия для перемещения влаги от более теплых участков к более холодным и даже ее конденсацию.

В зависимости от того, где повышается влажность зерна вследствие градиента температуры, различают верховое, низовое или вертикальное пластовое самосогревание.

Верховое самосогревание. При хранении зерновых масс верховое самосогревание наблюдается чаще всего поздней осенью или весной. Верховому самосогреванию особенно подвержены партии свежеубранного и недостаточно охлажденного зерна. В нем протекают еще достаточно интенсивные физиологические процессы. Воздух межзерновых пространств в результате этого постепенно нагревается, увлажняется и поднимается вверх. При охлаждении верхних слоев насыпи под действием атмосферного воздуха в них повышается влажность и даже может произойти конденсация паров теплого и влажного воздуха, постоянно перемещающегося из насыпи зерна, конденсация происходит при охлаждении верхних слоев зерновой насыпи до температуры ниже точки росы. Перемещению влаги вверх от теплого к холодному зерну способствует и явление тепловлагопроводности. Температура нижней части увлажнившегося зерна благоприятна для развития микроорганизмов и жизнедеятельности самого зерна, что в конечном счете приводит к его самосогреванию. Весной или ранним летом атмосферный воздух теплый, а зерновая масса холодная и может иметь даже отрицательную температуру (после зимы с сильными морозами). Обогревание зерна идет сверху вниз, от верхнего обогреваемого слоя к нижнему холодному. По направлению потока тепла перемещается и влага из поверхностного слоя зерна. Теплый и влажный воздух попадает в холодное зерно, создаются условия для конденсации влаги, увлажнения зерна и активизации процессов жизнедеятельности в зерновой массе, что повышает ее температуру и может вызвать самосогревание [45].

При резких весенних перепадах температур атмосферного воздуха и хранящегося зерна самосогревание может возникнуть даже в сухих, длительно хранящихся партиях зерна. Верховому самосогреванию обычно подвергается пласт зерна на глубине 0,5…1,5 м.

При верховом самосогревании в связи с пониженными тепломассообменными свойствами зерновой массы температура под пластом греющегося зерна повышается медленно, большая часть выделяемого тепла конвективными потоками уносится из зерновой массы, количество греющегося зерна возрастает медленно.

Низовое самосогревание развивается в нижнем слое насыпи на глубине 0,2…0,5 м от пола или днища силоса. Этот вид самосогревания наиболее часто встречается осенью при засыпке свежеубранного и недостаточно охлажденного зерна на холодный пол. Возникнуть самосогревание может и при засыпке зерна на сырой грунт или площадку без должной гидроизоляции. В слое зерна, соприкасающемся с холодным полом, температура понижается, возникает градиент температуры в насыпи зерна и перемещение влаги из теплого к холодному зерну. Влага конденсируется на зерне и на полу, что приводит к активизации физиологических процессов и самосогреванию зерна. Низовое самосогревание часто приводит к прорастанию зерна в нижнем слое. Низовое самосогревание может возникнуть и в силосах элеватора. При понижении температуры атмосферного воздуха охлаждаются все конструкции подсилосного этажа, в том числе и выпускные воронки, особенно изготовленные из металла, что создает предпосылки для перепада температуры и перемещению влаги в зерновой массе к зерну, находящемуся в воронке и прилегающих слоях. Низовое самосогревание — самый опасный вид пластового самосогревания. Тепло и влага, образующиеся в нижнем греющемся участке насыпи, перемещаются и вышележащие слои и вся зерновая масса за короткий период подвергается самосогреванию. Низовое пластовое самосогревание без принятия экстренных мер по его устранению быстро переходит в сплошное самосогревание.

Вертикально-пластовое самосогревание возникает в силосах, складах и бункерах в виде вертикального греющегося пласта возле стены зернохранилища. Вызывается охлаждением или нагревом одной из стен зернохранилища, что приводит к возникновению градиента температур в зерновой насыпи и перемещению влаги к более холодным ее участкам. Перепад температур может быть вызван нагревом одной стены зернохранилища солнцем или соседним греющимся силосом. Охлаждение наружной стены атмосферным воздухом в осенний или зимний период также может вызвать вертикально-пластовое самосогревание в недостаточно охлажденном зерне. Такие причины и вид самосогревания наиболее характерны для зерна, хранящегося в металлических силосах. Причиной вертикально-пластового самосогревания может быть и недостаточная гидроизоляция стен силосов и складов, приводящим к увлажнению стен и прилегающего к ним зерна, что иногда наблюдается, например, в наружных силосах из сборного железобетона без требуемой гидроизоляции швов.

Возникновению вертикально-пластового самосогревания способствует самосортирование зерновой массы при засыпке в зернохранилище. Скатывающиеся к стенам примеси, щуплые зерна, пыль, семена сорных растений и другие компоненты зерновой массы имеют повышенную физиологическую активность и могут вызвать вертикально-пластовое самосогревание [17].

Сплошное самосогревание характеризует такое состояние, когда греется вся зерновая массы за исключением самых периферийных участков. Является следствием запущенных форм любого вида самосогревания (гнездового или пластового). Может возникать и самостоятельно при хранении зерна с высокой влажностью или с содержанием большого количества примесей и недозрелых зерен. Такое зерно нестойко при хранении, интенсивные физиологические процессы протекают одновременно во всей массе зерна, и за короткий промежуток времени она вся подвергается самосогреванию.

Иногда причиной сплошного самосогревания является неправильный способ ликвидации гнездового или пластового самосогревания: например, недостаточная удельная подача воздуха при активном вентилировании или когда зерно из очага самосогревания, даже обработанное, смешивается с остальной массой зерна.

Из рассмотрения всех возможных видов самосогревания совершенно очевидно, что физиологической основой процесса является повышенная интенсивность дыхания самого зерна и компонентов зерновой массы, а физической основой является плохая тепло — и температуропроводность зерновой массы и способность ее к самосортированию.

Все вышеперечисленные источники теплообразования весьма существенны, однако основными являются само зерно и микроорганизмы, их жизнедеятельность. Подтверждением этому является самосогревание партий зерна, очищенных от примесей и без признаков заражения вредителями хлебных запасов.

Л.А. Трисвятский считает, что микроорганизмам принадлежит ведущая роль в развитии процесса самосогревания, это хорошо подтверждают его данные, приведенные в таблице 4. Обладая огромной интенсивностью дыхания, они используют только 5… 10% выделяемой при дыхании тепловой энергии [35].

Энергия, выделяемая самим зерном в результате гидролитических процессов и дыхания при прорастании, вероятно, используется в основном на процессы развития Таблица 4.

Повышение температуры в прорастающих семенах подсолнечника.

клеток и тканей зародыша. В результате многочисленных исследований можно считать доказанным, что микроорганизмам принадлежит основная роль в образовании тепла в зерновой массе.

Одним из источников образования тепла в зерновой массе могут служить насекомые и клещи при их массовом скоплении в отдельных, наиболее благоприятных для их жизнедеятельности участках насыпи. Интенсивность дыхания, например, долгоносиков при равной их массе с зерном превышает интенсивность дыхания самого зерна в 20…130 тыс. раз. Интенсивность их дыхания зависит от влажности и температуры зерна. Так как насекомые и клещи могут проявлять жизнедеятельность и при пониженной влажности хранящегося зерна (9…10%), они могут быть основной причиной самосогревания сухого зерна. С повышением температуры греющегося участка насыпи зерна выше оптимальной для данного вида насекомых или клещей они перемещаются в соседние, менее прогретые участки, продолжают активную жизнедеятельность, постепенно увеличивая тем самым зоны греющегося зерна. Кроме непосредственного выделения тепла и участия в самосогревании, насекомые и клещи разрушают покровные ткани зерна, способствуют при этом развитию микроорганизмов, что ускоряет процесс самосогревания.

Ранее отмечалось, что зерновая масса при наличии высокого процента зерновок с повреждениями или другими дефектами либо с большим содержанием семян сорных растений чаще согревается, чем здоровое, очищенное зерно. Объясняется это тем, что интенсивность дыхания таких компонентов зерновой массы гораздо выше, чем самого зерна. Л. А. Трисвятский приводит, например, данные, показывающие, что интенсивность дыхания примесей в 14…40 раз выше, чем основного зерна.

Таким образом, явление процесса самосогревания зерновых масс носит комплексный характер. Самосогревание является следствием жизнедеятельности зерна, микроорганизмов, примесей, насекомых и клещей. Активизация жизнедеятельности любого источника тепла в зерновой массе повышает жизнедеятельность всех других компонентов, процесс является взаимовлияющим и самостимулирующимся.

Условия хранения зерна, приводящие к возникновению и развитию процесса самосогревания. Возникновение и интенсивность развития процесса самосогревания зависит от многих причин, обычно объединяемых общим названием «условия хранения». При этом имеют в виду состояние зерновой массы, состояние зернохранилищ, условия содержания в них зерна, методы ухода за ним. Условия хранения играют определяющую роль в самосогревании зерна. При одних условиях самосогревание может развиваться медленно, а при других — очень быстро. Для понимания влияния определенных условий хранения на процесс самосогревания следует дать его общую характеристику, рассмотреть развитие процесса во времени [34].

Общая характеристика развития процесса самосогревания. Самосогревание зерновой массы может начаться при ее температуре не ниже 10…15°С. При более низких температурах самосогревание обычно не возникает, так как в этом случае интенсивность процессов жизнедеятельности компонентов зерновой массы близка к нулю даже при высокой ее влажности.

Развитие любого вида самосогревания имеет общую закономерность (рис. 4). В начале процесса температура повышается примерно до 25…30⁰С — отрезок АВ. Температуры до 25⁰С являются далеко не оптимальными для газообмена в зерновой массе. Образование тепла незначительно превышает его отдачу в окружающую среду, повышение температуры идет медленно. При достижении температуры 25…30°С создаются оптимальные условия для развития мезофильной микрофлоры и прежде всего плесневых грибов. Происходит бурное нарастание плесневых грибов Aspergillus и Penicillius, и видом, продуцирующим токсичные вещества (афлотоксины) — Aspergillus flavus. Бактерии Е. herbicola вытесняются грибами, появляются и начинают быстро развиваться микрококки и спорообразующие бактерии, при этом общая численность микроорганизмов постепенно снижается. При температуре 25−30⁰С резко возрастает также Кривая, характеризующая интенсивность дыхания зерна и семян. В зерновой массе, и прежде всего от жизнедеятельности микроорганизмов, накапливается большое количество тепла, и она очень быстро нагревается до температуры 50…55°С — участок ВС.

Дальнейшее повышение температуры греющегося зерна идет значительно медленнее, интенсивность повышения температуры снижается до достижения температурного максимума 60…65⁰С (реже 70…74°С) — участок СD. Тепло на последних этапах выделяется термофильными микроорганизмами и самим зерном. При такой температуре прекращается жизнедеятельность всех компонентов зерновой массы из-за их гибели. В дальнейшем начинается медленное естественное охлаждение зерна. Однако к этому времени вся зерновая масса уже полностью утратила пищевые, посевные, кормовые качества и уже не пригодна для какого-либо хозяйственного использования.

В семенах масличных культур высокие температуры на последней стадии самосогревания могут служить импульсом для быстрого химического разложения жиров. Процесс проходит при наличии кислорода, сопровождается сильным повышением температуры, возможно даже самовозгорание семян — участок DF [35].

Активно развивающиеся при самосогревании плесневые грибы разрушают покровные ткани зерна, поэтому партии зерна, ранее подвергавшиеся самосогреванию, неустойчивы при хранении и требуют постоянного контроля.

Состояние зерновой массы. Физиологическая активность зерновой массы зависит от ее влажности, температуры и состава микрофлоры. Ранее описано влияние влажности и температуры на интенсивность дыхания и выделения тепла. Все процессы жизнедеятельности, приводящие к повышению температуры хранящегося зерна, интенсивно развиваются при его влажности выше критической, при наличии слабосвязанной и свободной влаги и температурах выше 10…15°С. Поэтому процессы самосогревания развиваются в первую очередь в партиях зерна, заложенного на хранение в сыром или влажном состоянии. Особенно усиливают жизнедеятельность микроорганизмов и выделение ими тепла появление капельно-жидкой влаги.

На устойчивость зерна при хранении влияет множество факторов: условия, при которых произошло развитие, созревание и уборка зерна, степень зрелости его во время уборки, способы уборки, методы обработки перед закладкой на хранение. В свежеубранном зерне, не прошедшем послеуборочного дозревания, интенсивность дыхания зерновой массы всегда повышена, такое зерно может быстро начать самосогреваться. В партиях зерна недозрелого, морозобойного, с наличием проросших зерен, большим количеством примесей и семян сорных растений, а также ранее подвергавшихся самосогреванию, интенсивность дыхания зерновой массы может быть очень велика и они чаще и быстрее самосогреваются, чем здоровое зерно той же влажности.

Таким образом, чем больше свободной влаги содержится в зерне в примесях, чем больше в зерне дефектных зерен и примесей, тем интенсивнее идет процесс самосогревания. Если самосогревание начинает развиваться в зерне с температурой около 25⁰С, какая характерна для многих регионов страны в момент уборки урожая и закладки его на хранение, то интенсивность развития процесса возрастает во много раз, а продолжительность может исчисляться несколькими часами [40].

Множество влияющих факторов, их нестабильность в различных партиях, во времени и пространстве, зависимость от зернохранилища и климатических условий не только не позволяют математически описать процесс хранения зерна, но даже не позволяют установить максимальную безопасную влажность или безопасный срок хранения любого зерна или зернопродукта при хранении.

Конструкция и состояние зернохранилищ. Возможность возникновения и развития процесса самосогревания хранящегося зерна во многом зависит от степени его защиты, от воздействия внешних факторов, которую обеспечивает зернохранилище. Чтобы сохранить количество и качество зерна, его необходимо защитить от неблагоприятных погодных условий, увлажнения, высоких температур, вредителей хлебных запасов, загрязнения. Чем лучше гидроизолировано зернохранилище, чем меньше теплопроводность строительных конструкций, чем оно герметичнее и тем легче регулировать в нем доступ воздуха к зерновой массе, тем лучше можно организовать в нем процесс хранения и тем меньше опасность возникновения самосогревания.

При недостаточной гидроизоляции пола, крыши и стен вода может попасть в зерновую массу, увлажнить ее и создать условия для самосогревания. При высокой теплопроводности стен, пола и крыши зернохранилища в зерновых массах возникает перепад температур между внутренними и наружными участками насыпи, что приводит к перемещению влаги из теплого к холодному зерну, его увлажнение и возможность самосогревания.

Легкий доступ наружного воздуха в зернохранилище также может вызвать перепад температур в отдельных участках зерновой насыпи и привести к ее самосогреванию. Если конструкция зернохранилища позволяет ограничить доступ воздуха в него, что особенно важно весной и осенью, то уменьшается возможность возникновения очага самосогревания. Конструкция зернохранилищ должна также предохранять хранящееся зерно от всех видов вредителей хлебных запасов.

Условия хранения и методы ухода за зерном. Устойчивость хранящегося зерна в значительной степени зависит от высоты насыпи соблюдения рекомендуемых режимов при сушке, очистке и активном вентилировании.

Высота зерновой насыпи зависит от ее состояния. Чем выше влажность зерна, а следовательно, и его физиологическая активность, тем меньше должна быть высота насыпи. Сухое и охлажденное зерно устойчиво при хранении и может длительное время сохранять все исходные качества при размещении в силосах элеватора высотой 30 м и более. Такое зерно хорошо хранится и в полностью загруженных складах при высоте насыпи 4…6 м. Партии влажного и сырого зерна с повышенной физиологической активностью размещают меньшим слоем, однако это не гарантирует их от самосогревания даже при высоте насыпи до 1 м. Хранение такого зерна может быть только временным до его сушки или охлаждения при систематическом контроле. Нарушение технологических режимов и правил ведения процесса в различных операциях с зерном может не только не предотвратить возможность возникновения самосогревания, но даже спровоцировать и форсировать его [27].

Недостаточное снижение влажности зерна в процессе сушки, большая ее неравномерность при выходе из зерносушилки, недостаточное снижение температуры просушенного зерна могут привести к началу процесса самосогревания зерна, заложенного на хранение.

При неудовлетворительной работе зерноочистительных машин в зерновой массе может остаться большое количество примесей, что приведет к самосортированию при загрузке зернохранилища, скоплению примесей в отдельных участках насыпи и к возможному появлению очага самосогревания.

При активном вентилировании в насыпи хранящегося зерна необходимо подавать достаточное количество воздуха, в насыпи не должно быть застойных зон, относительная влажность воздуха должна быть не выше равновесной влажности зерна. При нарушении этих требований зерно может увлажниться, температура в массе не снизится, зерновая масса будет только аэрироваться, что может спровоцировать процесс самосогревания или бурное его развитие, если активное вентилирование применялось с целью ликвидации начавшегося процесса.

Зная природу самосогревания, условия его развития, учитывая невозможность самоликвидации процесса, необходимо с момента поступления зерна на предприятие работать с ним, приводить его в стойкое состояние, осуществлять постоянный контроль за хранящимся зерном.