Сушіння насіння ультразвуком

Найбільшого поширення в практиці сушіння насіння набули конвективні сушарки, які використовують у технологічному процесі роботи повітряні потоки з температурою нагріву 60–70°С. Такі сушарки характеризуються високим енергоспоживанням (особливо це помітно за сушіння великих партій насіння), великим процентом псування матеріалу через його перегрівання чи нерівномірне висушування, а також унаслідок тривалого сушіння.

За використання сушарок конвективного типу посівні властивості насіння погіршуються. Для зменшення негативного впливу сушіння на посівні властивості насіння слід обмежити температуру повітряного потоку, що продуває насіння в сушильній камері. Але водночас забезпечення цієї умови погіршує якість висушеного насіння, особливо коли початкова вологість насіння на 3% перевищує кондиційну. Та вихід є! Вирішити цю проблему можливо шляхом застосування ультразвукових коливань під час сушіння зернової (насіннєвої) маси.

Зазвичай, ультразвукові коливання в насінництві використовують для передвисівної обробки, що стимулює насіння до проростання. Для цього насіння поміщають у водний розчин, у який занурені ультразвукові випромінювачі. Наявність рідини між ультразвуковим випромінювачем і насінням забезпечує якісну передачу ультразвуку майже без затухання.

А от під час сушіння насіння слід уникати контакту насіння з водою. А це означає, що для передачі ультразвуку можливе використання лише повітря. Оскільки повітря гірше передає ультразвук, ніж вода, потрібно збільшувати інтенсивність ультразвукових коливань. Для якісного сушіння їхній рівень має приймати значення 130–150 дБ, що від­повідає питомій потужності ультразвукових коливань 50–65 Вт/кг. Частоту ультразвукових коливань вибирають у діапазоні 24–27 кГц за умов мінімального затухання у сушильній камері та допустимих норм шуму.

Процес сушіння насіння ультразвуком можна розділити на дві стадії. Перша стадія характеризується сталою швидкістю сушіння, за якої волога, що видаляється з поверхні насінини, постійно поповнюється вологою, яка надходить із внутрішніх шарів завдяки дифузії. Видалення вологи із капілярів і поверхні насінини відбувається в результаті струшування під дією енергії акустичних хвиль ультразвукової частоти, що поширюється у повітряному навколонасіннєвому середовищі.

Дифузійний межовий шар вологи постійно деформується. Під дією ультразвукових хвиль волога переміщується капілярами до поверхні, де струшується у повітряне середовище у вигляді мікрокрапель. Струшування вологи з поверхні насінини та капілярів також збільшує поверхню шару рідини, що сприяє підвищенню швидкості випаровування. Зменшення вологості в капілярах і на поверхні насінини зумовлює швидку дифузію вологи з внутрішніх частин. Таким чином, у результаті опромінення насіння ультразвуком волога постійно видаляється у повітря у вигляді «туману» з мікрокрапель. Для того, щоб відбулося струшування вологи, необхідне деяке граничне значення акустичного тиску, яке залежить від форми насінини, типу акустичного потоку, вологості насінини та повітря в сушильній камері. Швидкість сушіння на цій стадії у два–шість разів перевищує швидкість традиційного конвективного сушіння.

Друга стадія сушіння характеризується спадаючою швидкістю сушіння, оскільки насінина має вже низьку вологість і з внутрішніх її шарів волога майже не надходить.

Найефективніше застосовувати ультразвук на першій стадії сушіння насін­ня. Для цього потрібно постійно відслідковувати поточну вологість насіння.

У разі застосування ультразвуку за сушіння насіння слід мати на увазі деякі особливості. Оскільки ультразвукові хвилі поширюються в повітрі, слід забезпечити їхнє найменше затухання за поширення в сушильній камері. Для цього, як правило, обирають ультразвукові випромінювачі дискової форми, а сушильна камера являє собою повздовжній канал циліндричної чи прямокутної форми, яка слугує хвилепровідником. Щоб ультразвукові хвилі не затухали під час поширення в сушильній камері, її об’єм має бути узгоджений із частотою ультразвукового випромінювання. Це дає можливість шляхом резонансного підсилення додатково збільшити інтенсивність на 20–40 дБ. Для ефективного використання енергії ультразвуку на одному краю сушильної камери розміщують випромінювач, а на протилежному — акустичний відбивач, або поглинач. Усе це зумовлює певні обмеження в конструкції сушильних камер.

Крім цього, слід відзначити, що за ультразвукового сушіння насіння в просторі сушильної камери створюється «туман», який потрібно швидко випарувати чи видалити, щоб уникнути утворення конденсації вологи на стінках сушильної камери або на насіннєвій масі. Оскільки шар вологи в капілярах тонший, ніж на поверхні, то перенесення вологи із внутрішніх шарів під дією ультразвуку відбувається інтенсивніше, ніж видалення її з поверхні. Це призводить до погіршення умов видалення вологи з поверхні. Тому для ефективного використання ультразвуку для сушіння насіння потрібно додатково застосовувати й інші методи, які дадуть можливість випаровувати «туман» та інтенсифікувати процес видалення вологи з поверхні насінини.

Враховуючи недоліки сушіння нагрі­тим повітрям, додатково поряд із сушінням ультразвуком можна застосовувати вакуум. Користь використання останнього пояснюється тим, що це дає можливість інтенсивно випаровувати вологу за кімнатних температур (20–30°С), які безпечні для насіння. Однак водночас слід зважати на те, що зменшення тиску повітряного середовища збільшує затухання ультразвукових коливань. Тому рекомендовано підтримувати тиск на рівні 30–45 кПа.

Які саме переваги має ця технологія над іншими? По-перше, можна досягти інтенсивного вологовидалення без нагрівання насіння, що дає можливість сушити насіння без втрат його посівних властивостей. По-друге, застосування ультразвуку в сушінні, окрім того, вбиває мікрофлору на поверхні насінини, тим самим підвищуючи термін його зберігання. По-третє, опромінення ультразвуком підвищує силу росту та дружність появи сходів. І, зрештою, екологічність технології, оскільки цей процес сушіння насіння не потребує використання палива, а отже, немає шкідливих продуктів його згоряння.

До недоліків слід віднести потребу в генераторі акустичних коливань і спеціальному випромінювачі, а також обов’язкова наявність сушильної камери, яка забезпечувала б рівномірну вза­ємодію акустичних коливань у всьому об’ємі матеріалу сушіння.

Висновок

Отже, використання комбінованого вакуумного та ультразвукового сушіння насіння сільськогосподарських культур є перспективною технологією, яка дає можливість сушити насіння без нагрівання з додатковим знезараженням, що підвищує посівні властивості насіння. Водночас необхідно використовувати сушильну камеру з певними конструкційними особливостями.

В. Швидя, канд. техн. Наук

Журнал «Пропозиція», №7, 2019 р.