Правильний підхід до очищення зерна

Зерноочисні операції займають центральне місце в післязбиральній обробці зерна. Технологічні процеси виробництва борошна, круп, спирту, біоетанолу, комбікормів, солоду починаються також із операцій очищення. Зерно завжди містить певні домішки. Більшість домішок надходить у зернову масу під час збирання врожаю у вигляді різних анатомічних складових культурних рослин та бур’янів, шматочків ґрунту, комах тощо. Під час операцій із зерном до його складу можуть потрапити різні випадкові предмети, камінці, пісок і сміття із покриттів поверхні токів, бетонних конструкцій елеваторів та металевих складових транспортних і зернопереробних машин. Будь-яке переміщення зерна пов’язане з інтенсивним тертям зер­нівок між собою та об робочі органи й інші поверхні машин, що спричиняє утворення пилу, тому пил завжди є складовою зернової маси.

Усі домішки, що містяться в зерні, розділяють на сміттєві та зернові. До сміттєвої домішки відносять насіння всіх бур’янів, частки мінерального та органічного походження, значно зіпсовані (травмовані) зернівки основної культури, металеві, ґрунтові домішки тощо. З-поміж її складу виокремлюють шкідливу домішку, яка може негативно впливати на здоров’я людей і тварин, зокрема вміст шкідливого бур’янового насіння та зерна, ураженого хворобами. Наприклад, насін­ня гірчаку, в’язелю та зернівки основної культури, пошкоджені сажкою, ріжками, фузаріозом. Використання на харчові цілі зерна, що містить таку шкідливу домішку, не допускається. До зернової домішки відносять зернівки інших зернових культур, пошкоджені зернівки основної культури, плюсклі, недорозвинуті, пророслі та пошкоджені над­мірним теплом зернівки, а в деяких випадках — зернівки, що відрізняються кольором. Домішки є небажаною складовою зерна, тому їхній вміст, залежно від виду та призначення зерноматеріалу, обмежується державними стандартами, а також дотриманням рекомендацій і правил щодо організації та ведення різних технологічних процесів переробки (або ж узгоджується сторонами під час укладання договорів на поставку зерна)..

Методи, які використовують для очищення зерна, визначаються відповідно до отримання бажаного результату розподілення зерноматеріалу за ознаками відокремлення основного зерна і домішок. Більшість домішок, наявних у зерновій масі, можна згрупувати в дев’ять класів, які, своєю чергою, визначають шість груп за специфікою процесів їхнього відокремлення від основного зерна:

грубі, крупні й дрібні — просіювання на ситах;

легкі — пневмосепарування;

металомагнітні — видалення магнітами;

довгі й короткі — трієрування;

важкі — вібропневматичний спосіб,

домішки, що відрізняються оптичними ознаками, — оптичне сортування.

Слід зазначити, якщо оцінку ефективності очищення проводять для окремих процесів і машин, то враховують початковий і кінцевий вміст лише тих домішок, які можуть бути виокремлені відповідним способом.

Домішки, що можуть бути відокремлені просіюванням на ситах та пневмосепаруванням, прийнято вважати легковідокремлюваними. Для вилучення таких домішок призначені ситові та повітряні сепаратори різної конструкції з їхнім поєднанням у єдиний агрегат.

Очищення зерна від грубих домішок проводять шляхом просіювання його через решета з крупними отворами, що виконується на початку технологічних ліній. Вилучення таких домішок убезпечує процес очищення від створення аварійних ситуацій унаслідок попадання на наступних етапах очищення крупних камінців, цегли, деревини, коренеплодів тощо в транспортні й технологічні складові очищувальної машини. Зазвичай для цього використовують різновид ситових сепараторів — скальператори, що оснащені решетом у вигляді короткого барабана або решітної рухомої стрічки.

Для окремого розподілення зерна й домішок, які відрізняються шириною або товщиною, застосовують сепаратори, оснащені робочими органами у вигляді циліндричних або пласких ситових поверхонь із круглими, довгастими або трикутними отворами, що виконані в тонкому сталевому листі (металопробивне сито). Сито є головним робочим органом таких сепараторів, і від його характеристик суттєво залежить продуктивність і технологічна ефективність просіювання матеріалу. Тому поряд із використанням традиційних сит на разі ведеться активний пошук конструкцій сит із покращеними характеристиками. Наприклад, використання сит, що виконані з металевих стержнів, металопробивних сит із довгастими отворами різної орієнтації в площині або з п’ятикутними отворами, в низці випадків має суттєві переваги.

Сепаратори з циліндричними ситовими поверхнями (барабанного типу) вирізняються урівноваженістю ситового барабана (він обертається з малою частотою), надійністю конструкції, а також високою ефективністю очищення сит щітками й молотками. Проте площа робочої поверхні сит таких машин становить близько 30% загальної їхньої площі, що зумовлює деяке збільшення габаритів конструкції. Однак циліндричні сепаратори незамінні в роботі з вологим та сильно засміченим зерном. Сепаратори цього типу здатні ефективно та з високою продуктивністю обробляти слабосипкі й схильні до злежування зернові маси. Крім того, за використання барабанних сепараторів відпадає потреба в застосуванні скальператорів. Слід відзначити, що певні конструкції скальператорів передбачають зміну решіт на металопробивні сита з будь-якими розмірами отворів, що дає змогу використовувати їх не тільки для відокремлення грубих домішок, а й крупних. Ефективність циліндричних ситових сепараторів перебуває в межах 50–70%, а за відокремлення грубих домішок — 100%.

Сепаратори з пласкими ситовими поверхнями (пласкорешітні сепаратори) відрізняються за видом коливання їхніх ситових корпусів, що забезпечують просіювання зернової маси. Машини, що реалізовують спрямовані віброколивання, характеризуються обмеженою площею робочої поверхні сит. Такі сепаратори іноді використовують на млинах та крупозаводах, де немає потреби в обробці зернових потоків значної продуктивності. Сепаратори, що реалізують зворотно-поступальний рух сит, відзначаються складністю конструкції, тому теж мають обмежене використання. Їхнє застосування виправдане для ретельної обробки потоків невеликої продуктивності, наприклад для калібрування насіння. Сепаратори з обертально-поступальним рухом ситових корпусів найпоширеніші. Такі сепаратори високопродуктивні, бо їх можна оснащувати ситовими корпусами зі значною площею ситової поверхні (вони мають широке поле застосування як на елеваторах, так і для потреб переробки зерна). Серед недоліків пласкорешітних сепараторів є деяке генерування динамічних навантажень на будівельні конструкції приміщень. Окрім того, за зниження відцентрового прискорення руху ситових корпусів, що іноді є бажаним для забезпечення ефективності просіювання, спостерігається недостатньо ефективна робота інер­ційних очисників, яка особливо проявляється за використання сит із довгастими отворами. Ефективність біль­шості пласкорешітних сепараторів — у межах 60–80%.

Для виокремлення із зернової маси легкої і пилоподібної домішок, до яких відносять плюсклі й нерозвинені зерна, оболонки, полова, солома тощо, призначені пневмосепаратори. Переважна їхня більшість виконана у вигляді вертикальних каналів, у яких потік зернової маси, що падає під дією сили тяжіння, продувається висхідним потоком повітря. За способом використання повітря розрізняють пневмосепаратори розімкнутого та замкнутого типів. Пневмосепаратори розімкнутого типу викидають використане повітря в навколишнє середовище. Для цього вони додатково оснащені повітропроводами, зовнішнім вентилятором, циклонами або фільтрами. У пневмосепараторах замкнутого типу після відокремлення домішок у вбудованій осадовій камері повітря під дією вбудованого вентилятора знову надходить у зону пневмосепарування. Процес пневмосепарування потребує значної витрати повітря для створення певних умов для відокремлення домішок. Тому пневмосепаратори замкнутого типу мають суттєві переваги, бо не забруднюють навколишнє середовище викидами та не потребують для роботи потужних додаткових пристроїв. Ефективність очищення зерна від легких домішок у пневмосепараторах перебуває в межах 65–75%.

Домішки, які не можуть бути відокремлені сито-повітряним способом, відносять до важковідокремлюваних. Для їхнього видалення із основного матеріалу призначена решта машин, технічні особливості яких ми розглянемо далі.

Металомагнітні домішки видаляють за різницею в магнітних властивостях зерна, його продуктів та домішок, що реалізується за допомогою магнітів. Робочим органом магнітних сепараторів є група постійних магнітів, що закрита екраном із немагнітного матеріалу та вбудована в корпус із дверцятами. Зернова маса самопливом надходить у магнітний сепаратор, обтікає екран, що затримує металомагнітні доміш­ки, та самопливом виводиться з пристрою. Після зупинки транспортно-технологічної лінії затримані домішки вручну періодично видаляють із магнітних сепараторів. Металомагнітні домішки дуже різноманітні за розміром, формою та походженням: предмети, що випадково потрапили в зернову масу (цвяхи, шматочки металу, залізної руди, сталевої окалини тощо), а також частинки, що попали в зернову масу в результаті спрацювання робочих органів машин для переробки зерна (шматочки решіт, сит, бичів тощо). Наявність таких домішок у зерновій масі може спричинити зна­чні поломки машин, а також виникнення іскор, що створюють загрозу пожежі та пило-повітряного вибуху. Небажаним і доволі небезпечним є попадання металомагнітних домішок у готову продукцію: борошно, крупи, комбікорми. Тому магнітний захист конструкції очисних машин і зерноматеріалу передбачено на всіх підприємствах із переробки зерна (особливо це стосується машин, що реалізують дію подрібнення, лущення, плющення, гранулювання тощо).

Для видалення домішок, що відрізняються довжиною, застосовують обробку зерна в трєрах. У зерновій масі пшениці коротка домішка представлена, в основному, насінням кукі­лю, польового горошку, битими зернами основної культури, а довга — зерном вівсюга, вівса, ячменю. Якщо із зернової маси будь-якої культури відбирають домішку, що коротша за зерно очищуваної культури, то такий трієр прийнято називати «кукілевідбірником». Якщо ж, навпаки, із зернової маси будь-якої культури відбирають домішку, довшу за зерно самої культури, то такий трієр прийнято називати «вівсюговідбірником». Робочі органи трієрів являють собою чарункову поверхню, виконану на внутрішній стороні горизонтального циліндра, що обертається. Процес трієрування ґрунтується на тому, що за контакту матеріалу з робочою поверхнею короткі частки захоплюються чарунками, виносяться із зернової маси й під дією сили тяжіння падають у збірний лоток, а довгі — залишаються на робочій поверхні та виводяться з машини. З урахуванням перебігу процесу очищення зерна будь-якої культури в трієрі-кукілевідбірнику останній конструктивно відрізняється від трієра-вівсюговідбірника лише розміром чарунок його робочої поверхні. Ефективність трієрів-кукілевідбірників становить 80–90%, а трієрів–вівсюговідбірників — 80–85%. Відповідно до чинних норм трієрування матеріалу, прийнято вважати процес ефективним, якщо за один прохід через трієр відокремлюється не менше як 80% домішки, що може бути видалена в такий спосіб.

Для відокремлення важких домішок та сепарування матеріалу за його питомою вагою застосовують вібропневматичний спосіб, що реалізується в каменевідбірних машинах, пневмостолах, концентраторах, комбінаторах і ситовіяльних машинах. Процес розподілення зернової маси відбувається шляхом використання висхідного потоку повітря в поєднанні з коливаннями сортувальної поверхні. За такого способу частки зернової маси, перебуваючи в псевдорозрідженому стані, зазнають багаторазових зіткнень між собою і сортувальною поверхнею, що зумовлює інтенсивне їхнє самосортування. Відокремлення відбувається таким чином, що нижні шари, які складаються з частинок більшої густини, просіюються через сортувальну поверхню (концентратори, ситовіяльні машини) або спрямовуються нею в бік, протилежний руху частинок із меншою густиною (каменевідбірні машини, пневмостоли). Концентратори, комбінатори та ситовіяльні машини використовують під час виробництва борошна, тому розглядати їхні технічні особливості в межах цієї статті недоцільно.

Каменевідбірні машини використовують для виокремлення із зернової маси мінеральної домішки (галька, крупний пісок, шматочки руди, шлаку, землі тощо). Вони вирізняються високою продуктивністю, компактністю конструкції і ефективністю 98–99%.

На пневмостолах зерно можна розподілити на декілька фракцій за різницею в густині, а також за потреби відокремити дрібні домішки, насіння бур’янів, биті зерна основної культури тощо. Ефективність видалення на пневмостолах домішок із попередньо очищеного зерна за відокремлення його важкої фракції становить 60–80%. Крім того, додатково видаляється 0,2–0,3% відходів і плюсклого зерна.

Головним недоліком машин, які реалізують вібропневматичний спосіб очищення зерно матеріалу, є використання повітря в кількості 450–600 м³ на 1 т зерна, яке після очищення від пилу викидається в навколишнє середовище. Тому перспективним напрямом удосконалення таких машин є запровадження у їхніх конструкціях циклу замкнутого руху повітря.

Сортування за оптичними ознаками — це, безперечно, нова, передова технологія очищення зерна, що швидко розвивається. Та, попри її новизну, в промисловості вже є значний досвід використання оптичних сортувальників, який дає можливість визначити межі їхнього ефективного використання. Оптичний сортувальник — це машина, яка в якості ознаки для цільового відокремлення використовує, в основному, різницю в кольорі поверхні об’єкта очищення і тим цінна, що жодна з традиційних машин не використовує принцип розподілення матеріалу за такою ознакою. Разом з тим, слід добре усвідомлювати, наскільки використовувана такою машиною ознака відокремлюваності відповідає меті очищення. Часто помилкою застосування оптичних сортувальників є те, що за різницею в кольорі намагаються відокремити домішки, які з високою ефективністю можна видалити простими традиційними способами очищення. Тому застосування оптичних сортувальників слід сприймати не як альтернативний або ефективніший спосіб, що здатен замінити традиційні способи очищення, а лише як раціональне їхнє доповнення. Виходячи з практики, використання оптичних сортувальників доцільне на фінішній операції очищення окремих партій насіння та готової продукції.

Як видно з наведеного огляду, різноманітність процесів очищення, їхня розгалуженість і багатоетапність визначаються різноманіттям і відмінністю фізико-механічних властивостей зерна і домішок, а також сучасним рівнем ефективності використовуваних процесів і машин, що їх реалізують.

Залежно від кондицій зернової маси та мети очищення, розрізняють попереднє, первинне та вторинне очищення.

Попереднє очищення, в основному, використовують у межах післязбиральної обробки зерна. Власне, це видалення грубих, крупних, мілких та легких домішок. Свіжозібраній зерновій масі характерна висока вологість і засміченість, а через це — низька сипкість і шпаруватість, що зумовлює загрозу самозігрівання. З особливою гостротою зазначена проблема виникає за збирання пізніх культур — соняшнику та кукурудзи. Зазвичай значна вологість зернової маси зумовлена високою вологістю певної її складової — невеликих рослинних решток. Тому завданням попереднього очищення є швидке видалення вологих домішок, що забезпечує тимчасове збереження зерна перед сушінням, та набуття ним сипкості для можливості виконання очисної операції. Як уже було зазначено, для виконання цього завдання найефективніше використовувати ситові барабанні сепаратори, агрегатовані з пневмосепараторами.

Метою первинного очищення є доведення зерна до товарної кондиції, зокрема видалення легких, крупних та мілких домішок, що також виконується у сито-повітряних сепараторах. Ретельному очищенню підлягає сухе зерно з уміс­том смітної домішки в межах 3–10%, що потребує високої ефективності роботи сепаратора, а значить — суттєвих роз­мірів площі його ситової поверхні. Таким вимогам відповідають пласкорешітні сепаратори, що агрегатовані з повітряними сепараторами як на вході, так і на виході ситового кузова. За неможливості відокремлення домішок на потрібному рівні шляхом одноразового очищення матеріалу зерно повторно пропускають через ту саму або іншу сито-повітряну машину.

Вторинним очищенням зерно доводять до кондицій, що відповідають вимогам використання його на харчові цілі або як насіннєвий матеріал. Під час виконання вторинного очищення зерно може багаторазово піддаватись очищенню також у пласкорешітних сито-повітряних сепараторах. Однак, оскільки підвищення степеня очищення на етапі попереднього та первинного проведення цієї операції досягається видаленням легковідокремлюваних домішок, то основним завданням вторинного очищення здебільшого є видалення домішок, які важко відокремлюються. На основі розрізнення складу та характеристик наявних домішок вторинне очищення може передбачати використання деяких (або всіх) розглянутих вище способів видалення домішок, що важко відокремлюються, а саме: шляхом застосування магнітів, трієрування, вібропневматичного та оптичного принципів очищення. Як правило, вторинне очищення реалізують у складі ліній із виробництва борошна, круп, насіння тощо.

Слід зазначити, що продуктивність і ефективність очищення суттєво залежать не тільки від рівня оснащення технологічних ліній машинами, а й від правильного підбору їхніх робочих органів (сит, чарункових поверхонь, інерційних очисників тощо) та налаштування режимів роботи машин щодо максимального використання ознак відокремлення основного зерна і домішок у кожному конкретному випадку виробничої ситуації.

О. Верещинський, д-р техн. наук, генеральний директор ТОВ «ОЛИС»

Журнал «Пропозиція», №11, 2018 р.