Природно-кліматичні умови більшості регіонів України такі, що сушіння зерна стає фундаментальним етапом післязбиральної обробки врожаю. В умовах підвищеної вологості, нестабільних погодних умов, а також у роки з інтенсивними осадами, значна частина зернової продукції (від 20 % до 50 %) підлягає сушінню; у окремі роки цей відсоток може сягати 70–80 %. При цьому правильно організоване сушіння не тільки підвищує стійкість зерна до псування під час зберігання, а й покращує його технологічні та продовольчі характеристики.
Сушіння дозволяє вирівняти зерно за вологістю та ступенем зрілості, сприяє післязбиральному дозріванню, покращує колір, зовнішній вигляд, інші технологічні властивості. Крім того, воно припиняє життєдіяльність мікроорганізмів, грибків та шкідників – тому сушіння можна застосовувати навіть до дефектного зерна. У переробці зерна (на муку, крупу) правильно висушене зерно дає кращий вихід і якість кінцевої продукції.
Усвідомлюючи ключову роль зернових культур для продовольчої безпеки та економічного розвитку країни, а також їхній значний експортний потенціал, освітні та професійні ініціативи відіграють важливу роль у підвищенні компетентності фахівців агросектору. Зокрема, «Український клуб аграрного бізнесу» спільно з проєктом «Агрокебети» за підтримки американського народу через Програму АГРО створили навчальний центр «АгрокебетиPRO: зернові та олійні». Центр спрямований на поширення знань щодо сучасних технологій сушіння, зберігання та переробки зернових та олійних культур. У межах цієї ініціативи Андрій Шаран, генеральний директор Bühler Україна, ділиться практичними рекомендаціями та досвідом застосування сучасних сушильних технологій, акцентуючи увагу на ефективності, економії енергії та збереженні якості зерна під час післязбиральної обробки.
Мета цієї статті — системно розкрити ключові аспекти технології сушіння зерна: від теорії до практичної техніки, історії розвитку, нових підходів і шляхів підвищення ефективності.
Розділи науки про сушіння зерна
Наука про сушіння зазвичай поділяється на три взаємопов’язані підгалузі:
- Теорія сушіння — вивчає загальні аналітичні та експериментальні закономірності процесу, механізми перенесення тепла та вологи, моделі кінетики та динаміки.
- Технологія сушіння — зосереджується на властивостях матеріалів як об’єктів сушіння (наприклад, зерна різних культур), підборі режимів, способів та методів сушіння для шкірного виду.
- Техніка сушіння — охоплює методи реалізації сушіння у різних типах сушильних установок, а також проектування агрегатів, обчислення, експлуатацію обладнання.
Ці три частини працюють у синергії: теорія дає формули й розуміння, технологія — конкретні режими, а техніка — інструменти реалізації.
Історичні етапи розвитку теорії, технології та техніки сушіння
Перший етап — основи гідродинаміки та термодинаміки вологого газу.
На рубежі XIX — початку XX століть розпочалося формування базових теорій руху газів, теплопередачі, масопереносу у вологих газах. Так, у 1900-1911 рр. В.Є. Грум-Гржимайло розробив теорію руху газів у печах та сушильних установках, спираючись на класичні закони руху газів. Його монографія “Полум’яні печі” (1924) включала розділи для сушильні установки з природною циркуляцією газів.
У 1918 р. Л.К. Рамзін представивши в доповіді основи термодинаміки вологого газу та ввівши графоаналітичний метод розрахунку сушарок з використанням Id діаграми. Схожі I діаграми були опубліковані Мольє у 1923 році. До цієї сфери долучалися також Гірш, Гаусбранд та інші вчені.
Інший етап — кінетика та динаміка сушіння
У 1904 П.С. Косович зробив важливий крок у вивченні закономірностей сушіння вологих ґрунтів, відкривши існування двох періодів сушіння — першого (інтенсивного) та іншого (інтернального). Пізніші дослідники (Льюїс, Шервуд, Філоненко, Поснов, Федоров, Мініонович) розвинули ці ідеї, математично аналізуючи переноси вологості молекулярним та макроскопічним шляхом. Ключовим параметром процесу став коефіцієнт вологопровідності, який виявився залежним від вологості та температури зерна.
Особливо вагомий внесок зробив академік М.І. Ліков та його школа. У 1932 році Ліков установив основні закономірності сушіння та запропонував концепцію «зони випаровування», коли поверхнева куля не є єдиним джерелом вологи — частина випаровування відбувається глибоко всередині матеріалу. У 1934 році він відкрив явище термовологопровідності — рух вологи під впливом температурного градієнта, аналогічно до термодифузії в газах/рідинах. У 1938 році в його монографії “Кінетика та динаміка процесів сушіння та зволоження” подано фундаментальні теорії. Паралельно Філоненко у своїй монографії “Кінетика сушильного процесу” (1939) розвинув інші аспекти кінетики.
Таким чином, цей етап сушіння вперше розглядалося як нестаціонарний тепло- й вологообмін, і підживлювалося точними математичними моделями.
Третій етап — формування технології сушіння
Після того, як теоретичні основи були закладені, почалося розбудова технології сушіння — прикладних методів, вибір режимів, спосіб ведення процесу. Академічні школи Ребіндера, Ліпатова, Думанського, Кавказова заклали фундамент, особливо в аспектах форми зв’язку вологи з матеріалом.
Ребіндер сформував концепцію різних форм гігроскопічної вологи та їхньої енергетичної зв’язку з матеріалом, що є базою для вибору режимів сушіння.
Також у цей час (XX ст.) біохімічні дослідження зерна (акад. Опарін, Кретович, Козаков, Козьміна, Трисвятський, Любарський та ін.) показали, як температура, режим сушіння та вологоутримуючі механізми впливають на ферментативні процеси, білковий та крахмальний склад зерна.
Четвертий етап — комплексний підхід, нерівноважні процеси, нові рушійні сили
У пізніший період (друга половина XX ст. і XXI століття) процес сушіння почали розглядати як сукупність енергетичних та масових переносів , з урахуванням перехідних та нестаціонарних ефектів. У теорії незворотніх процесів використали потенціали масопереносу.
Відкриття молярного перенесення вологи під впливом нерелаксованого тиску (внутрішнього градієнта) (роботи Лєбєдєва, Максимова) дали поштовх для врахування конвективної дифузії у моделей сушіння.
Сучасні дослідження включають підвійні ефекти — дифузійно-термодифузійні моделі, урахування загального тиску, температури, неоднорідного поля. Деякі автори також експериментують із впливом електричних та магнітних полів на перенесення вологи, що відкриває нові перспективи у технології сушіння.
Отже, розвиток теорії та технології сушіння пройшов шлях від класичних законів газоподібних середовищ до тонких моделей нелінійного масоту теплоперенесення у багатофазних матеріалах.
Види зв’язку вологи в зерні
Одним із ключових аспектів технології сушіння є розуміння виду зв’язку вологи із зерновим матеріалом. На основі енергії зв’язку вологи із твердої фази академік Ребіндер поділив усі форми вологи на три категорії:
- Іонна (хімічно зв’язана) волога — ця волога настільки міцно пов’язана з матеріалом, що її можна видалити лише шляхом руйнування хімічної зв’язку або термічної деградації (прожарювання). У контексті сушіння зерна її часто не враховують і вважають частиною сухого речовини.
- Молекулярна волога — пов’язана з матеріалом у вигляді молекулярної адсорбції або слабких взаємодій типу водородних містків. Видаляється при прогріванні, але потребує енергії.
- Фізико-хімічно зв’язана (слабше зв’язана) волога – міститься в капілярах, порах зерна. Вона менш міцно пов’язана ніж молекулярна волога, але її видалення все одно потребує додаткової енергії.
Крім того, у зерні існує волога в макро- та мікрокапілярах — вода, що наповнює пори, канали, шляхи, та її зв’язок значно вільніший. Саме ця волога першою залишає зерно під час сушіння.
Такий поділ дає змогу прогнозувати кінетику видалення: спершу йде волога в порах, потім молекулярна, а іонна залишається або змінює структуру зерна.
Розуміння цих зв’язків — ключ до оптимального вибору режиму сушіння, щоб уникнути пошкодження зерна або надмірного енергоспоживання.
Гігроскопічні властивості зерна
Зернівки (зерно) — гігроскопічні об’єкти: вони здатні поглинати водяну пару з повітря (сорбція) або віддавати її (десорбція). Кількість поглиненої вологості залежить від температури, відносної вологості повітря, виду зернової культури та початкової вологості.
Стан, коли зерно перебуває у рівновазі з навколишнім повітрям (вологість повітря та зерна стабільні) — це рівноважна вологість Wр. Для кожної зернової культури за кожної температури та вологості повітря існує своє Wр.
Коли температура знижується або вологість повітря збільшується – зерно вбирає вологу, і навпаки: з підвищенням температури або зменшенням вологості повітря – волога з зерна випаровується. Саме ця властивість враховується при вентилюванні та провітрюванні зерна.
Параметри вологого повітря як агента сушіння
Для сушіння зерна зазвичай застосовують повітря або його суміш із топковими газами. Ці гази служать агентом сушіння: вони передають тепло зерну і виводять водяну пару.
Вологе повітря – це суміш сухого повітря та водяної пари. У загальному випадку у зерносушіння ми маємо справу не з сухим повітрям, а з вологою сумішшю, іноді змішаною з продуктами згоряння палива.
Основні параметри, що характеризують стан вологого повітря:
- загальний тиск,
- парціальний тиск водяної пари сухого газу,
- відносна вологість,
- вологовміст,
- питома вага,
- об’єм,
- температура,
- ентальпія.
Кількість водяної пари у повітрі залежить від температури та тиску. Якщо повітря насичене (містити максимум пари за цієї температури), його називають насиченим. Якщо ні — ненасичений.
У проектуванні зерносушарок, виборі температури, швидкості повітря, утилізації енергії потрібно уважно враховувати ці параметри — вони визначають, наскільки ефективно і з якими втратами буде йти процес сушіння.
Технологічні аспекти сушіння зерна
Вибір режимів сушіння
Перш ніж реалізувати сушіння, необхідно обрати режим: температуру, швидкість потоку повітря, висоту кулі зерна в сушарці, час перебування, профіль зміни температури (поступово чи інтенсивно). Раціональний режим — це такий, що мінімізує втрати за якістю, мінімум ушкоджень, максимальну енергоефективність.
Типово процес проходить у два етапи:
- Режим інтенсивного сушіння — висока температура, висока рушійна сила (тобто великий градієнт вологості та температури). У цьому режимі випаровування відбувається переважно на поверхні.
- Режим інтернального (дифузійного) сушіння — коли поверхневе випаровування сповільнюється, то повітря підтримується, але інтенсивність знижується, і основною стає внутрішня дифузія вологи з внутрішніх шарів зерна.
Обов’язково слід уникати термічних та механічних пошкоджень зерна (струпи, тріщини), випалювання, денатурації білків чи вуглеводів. У технології часто застосовують профільування температури: наприклад, початковий нагрів до середньої температури, потім стабілізацію або зниження температури на завершальних етапах.
Провітрювання/вентиляція
Після основного сушіння часто застосовують провітрювання чи пасивне вентилювання, щоб рівномірно розподілити вологість та охолодити зерно. Це особливо важливо, якщо зерно спочатку було неоднорідним за мірою вологості.
Етапи сушіння — прикладний алгоритм
- Прийом зерна, очищення та сортування
- Попереднє підігрівання
- Основне сушіння (інтенсивний + інтернальний)
- Охолодження / провітрювання
- Перевірка вологості, контроль якості
- Пакування / складування у зерносховища
Втрати при сушінні
У практиці важливо враховувати втрати, які можуть виникнути у процесі сушіння:
- Втрати маси через втрату води (непродуктивні втрати через надмірне сушіння),
- Втрати за якістю — пошкодження глибоких структур зерна, тріщини, зміни вмісту білків/крохмалю, колір, смакові якості, деградація поживних речовин,
- Втрати енергії через недосконалі теплообмін, нерівномірність потоку повітря, вихлоп, рекупераційні втрати.
Питання енергозабезпечення й економіки
Сушіння зерна — енергомістка операція. У структурі тарифу на сушіння домінуючою статтею є вартість пального чи електроенергії (залежно від типу сушарки). У 2022 році, наприклад, ціна на сушіння зерна в Україні зросла на ~50 % порівняно з попереднім сезоном, пишуть в UkAgroConsult.
Якщо сушіння кукурудзи потребує зняття 10 % вологи, це може коштувати 2 500 грн/т. Вартість газу складає 50–60 % від загального тарифу на сушіння.
Щоб знизити витрати, у практикі застосовують рекуперацію теплоти, використання теплої вихлопної газової суміші, інтеграцію з іншими енергетичними системами (біогаз, теплові насоси) та оптимізацію робочих режимів.
Технічні рішення: конструкції сушильних установок
Типи сушильних установок для зерна можна класифікувати за способами подачі повітря, конструктивними особливостями, масштабом, джерелами нагрівання тощо.
За напрямком повітря:
- Прямотокові (повітря рухається від низу до верху через кулю зерна)
- Протиточні (повітря рухається згори донизу)
- Перехресні (комбінація бокового та вертикального руху)
Прямоток дає швидке початкове сушіння, але може пересушити верхню кулю; протитік забезпечує більш рівномірне охолодження. Часто застосовують модульні чи комбіновані конструкції.
За типом сушильного агрегату:
- Трубчасті сушарки, де зерно просувається вдоль труби, а повітря рухається впоперек або вдовж
- Сушарки шахтного типу (вертикальні башти)
- Барабанні сушарки
- Пластинчасті сушарки
- Плівкові сушарки (тонка куля зерна)
- Ротаційні, контурні сушарки
Кожна конструкція має свої переваги: наприклад, шахтні та баштові дозволяють велике навантаження, але вимагають уважного проектування потоку повітря; барабанні — компактні, але гірші у контролі вологості.
Джерела тепла:
- Прямий нагрів — спалювання палива (газ, мазут, дрова) прямо в повітрі сушіння
- Нагрівачі теплоносія / теплообмінники — нагрів повітря через теплоносій (водяна пара, гаряча вода, термоолія)
- Електричне нагрівання
- Сонячне / геліоенергетика — попереднє підігрівання повітря сонячними колекторами
- Теплові насоси / рекуперація теплоти — збирання теплоти з вихлопу або інших потоків
У сучасних установках використовують комбінації цих методів, щоби підвищити ефективність.
Система рекуперації та енергозбереження
Рекуперація теплоти (утилізація тепла з вихлопних газів) — одна з ключових для зниження енерговитрат. У технологіях застосовують теплообмінники, рекупераційні блоки, проміжні нагрівачі, вентиляційні схеми з рекуперацією, контроль подачі повітря.
Система контролю та автоматизації
Сучасні зерносушарки оснащені датчиками температури, вологості, тиску, швидкості повітря, керованим приводом вентиляторів та клапанів, а також системами керування та моніторингу. Завдяки цьому можна адаптувати режим у реальному часі, реагуючи на зміни умов (зовнішня температура, вологість, зміна вологості зерна).
Шляхи підвищення ефективності сушіння
З розвитком технологій та збільшенням енергетичної вартості стає актуальним пошук нових методів:
- Неоднорідні поля — акустичні, електричні, магнітні
Наприклад, накладання акустичного поля, електричних чи магнітних імпульсів може змінити структуру зерна, послаблювати зв’язок вологи, прискорюючи її міграцію.
- Осцилюючі режими
Наприклад, чергування нагрівання – охолодження, або нагрівання – «відлежування» (пауза) – допомагає зняти напругу внутрішніх градієнтів і рівномірніше пересушити зерно.
- Вібросушіння
Вібрація змінює капілярні утримання вологи, сприяє кращому відтоку води.
- Інфрачервоне опромінення
Переривчасте опромінення інфрачервоними лучами може стимулювати внутрішнє переміщення вологи без перегріву поверхневої кулі.
- Гібридні
підходи (ІЧ + конвекція, акустика + гаряче повітря) можуть дати синергійний ефект.
- Оптимізація аеродинамики та потоку повітря
Використання CFD‑моделювання (Computational Fluid Dynamics) для точного проектування повітряних каналів, усунення “мертвої зони”, рівномірного розподілу повітря.
- Енергетичний менеджмент
Впровадження систем рекуперації, теплообмінників, мультиступеневих схем, гібридних джерел енергії (біомасу, сонця) та поєднання з іншими процесами (сушіння інших матеріалів, вентиляція складів).
Лектор навчального центру доц. А. Шаран часто наголошує на важливості:
- балансу якості та енергетичних витрат — вибір режиму сушіння має мінімізувати витрати, не шкодячи якості зерна;
- адаптації та автоматизації процесу — у сучасних сушарках автоматичне керування режимом з урахуванням змін вологості та температури забезпечує стабільний кінцевий продукт;
- використання рекуперації теплоти та гібридних джерел енергії — це знижує енергетичні витрати та підвищує стійкість виробництва під час коливань цін на топливо.
Цитуючи один з його виступів:
«Основне завдання — не просто швидко видалити вологу, а зробити це з мінімальними втратами якості та енергії», – Андрій Шаран, генеральний директор Bühler Україна.
Сушіння зерна є критичною ланкою післязбиральної обробки врожаю — без неї неможливе тривале зберігання, безпека, якість та ефективна переробка. Науково обґрунтована технологія та вдумливо спроектована техніка дозволяють досягти балансу між продуктивністю, енергоефективністю та збереженням якості зерна.
Розвиток теорії переносів тепла та вологи від класичних газодинамічних основ до сучасних моделей із врахуванням нестаціонарності, конвективної дифузії, термовологопровідності заклав базу для нових підходів. Відповідно, технологія й техніка сушіння наслідували ці теоретичні досягнення і розвиваються у напрямку інновацій: акустичних, електричних, імпульсних режимів, автоматизації, гібридних енергетичних схем.
У майбутньому шлях підвищення ефективності сушіння лежить через:
- активне впровадження гібридних методів (ІЧ, акустика, імпульсні режими),
- застосування автоматичних систем управління,
- розвиток енергоощадних схем (рекуперація, теплообмінники, альтернативні джерела енергії),
- точний розрахунок і моделювання (CFD) при проектуванні сушарок,
- удосконалення конструкцій сушильних установок із рівномірним потоком повітря, мінімальними мертвими зонами, адаптивною конструкцією.
Наразі в «АгрокебетиPRO: зернові та олійні» триває інтенсивний курс перекваліфікації GrainPlus: «Сучасні технології зберігання та переробки зернових культур». Якщо ви працюєте в агросекторі або плануєте розвивати власну справу – долучайтесь! Отримайте сучасні знання від провідних експертів галузі та практичні навички, які можна застосувати вже сьогодні.
Деталі та реєстрація через сайт навчального центру: https://agrokebety.com/navchalniy-centr
