Исследование процесса измельчения пшеницы

09.05.2015

Следующая серия опытов имела целью проверить и уточнить полученные результаты па наиболее распространённых культурах — пшенице и ржи — в условиях различных режимов гидромеханической обработки зерна.
Для начала была взята твердая пшеница Меляпопус 069 Азовского района. Опыты были проведены в январе, когда пшеница прошла уже стадию послеуборочного дозревания, Стекловидность зерна была очень высокая и составляла 98%. Путём тщательной очистки были приняты меры к полному отделению мёртвого сора (0,1%) и зёрен посторонних культур, особенно ячменя, присутствие которого даже в размере 0,4% могло завуалировать результаты. Вредители зерна обнаружены не были. Наконец, поврежденные зёрна были полностью удалены.

Исследование процесса измельчения пшеницы

После такой тщательной подготовки образца пшеницы, имевшего исходную влажность 12,9%, было произведено увлажнение до конечной расчётной влажности 15, 16, 18 и 20% при вариантах длительности отлёжки 8, 24, 48, 72 и 96 часов. Ситовой анализ производился при указанной выше нумерации сит, приноровленной к стандартной классификации промежуточных продуктов. Опыты, как это видно из приводимых диаграмм измельчения зерна (рис. 22), табл. 25 и характеристических кривых (рис. 23 и 24) дали следующие результаты:
1) С повышением влажности в пределах до 16—18% силовой показатель твёрдости М уменьшается сначала в линейной зависимости, обратно пропорционально степени упражнения, а затем обнаруживает тенденцию к выравниванию и сохранению устойчивого значения. Это говорит о том, что пшеница Мелянопус со своими более уплотнёнными клетками эндосперма нуждается в большем увлажнении, выходящем за пределы обычно применяемого на наших мельницах (16%).
Исследование процесса измельчения пшеницы

2) Фактор времени Θ0 при влажности зерна до 20% для показателя М особого значения (в пределах одной и той же влажности) не имеет. Как видно из табл. 25, при постоянной В показатель М изменяется с увеличением Θ0 незначительно, часто даже в пределах допускаемой погрешности опыта. Этот вывод, как увидим далее, подтверждается и при исследовании других сортов пшеницы, например Лютесценс. Объясняется это тем, что при прекращении поступления новых количеств воды, когда процесс набухания в основном завершён, дальнейшее отволаживание не вносит существенных изменений в механическую структуру зерна.
Исследование процесса измельчения пшеницы

3) Удельный расход энергии W0 с увеличением влажности растёт сначала очень медленно, отдаляясь от прямой, и лишь при В-18% развитие идет более резко и кривая круто поднимается (рис. 23 и 24). При этом, в отличие от М, удельный расход энергии уменьшается с увеличением Θ0 при сохранении постоянной влажности зерна. Особенно выделяется кривая W0, расположенная вне пучка кривых. Разница во времени отволаживалия от 8 до 96 часов существенно изменяет показатели при изменении В от 13 до 20%.
Объясняется это тем, что одним из слагающих элементов W0 является расход энергии на дробление оболочек, сопротивление которых измельчению, как мы видели, значительно больше, чем у эндосперма. Через 8 часов, например, у пшеницы Мелянопус, влага успевает пропитать лишь незначительную часть эндосперма, прилегающую к оболочкам. Таким образом, для данного показателя W0 время Θ0, наоборот, имеет определённое значение, исходя из чего время отлёжки в данном случае не должно быть менее 24 часов.
Исследование процесса измельчения пшеницы

4) Ситовой анализ показал, что в пределах влажности 13-20%:
а) Извлечение добротных продуктов И увеличивается с повышением процента В при Θ0=соnst. При этом это суммарное увеличение идёт за счёт повышения средних и мелких фракций против крупных, процент которых, естественно, уменьшается, так как более крупные частицы легче подвергаются измельчению. Однако увеличение И происходит до определённого предела, наступающего при переувлажнении эндосперма.
Судя по опытам с пшеницей других сортов, например Украинкой, кривая извлечения проходит через свой максимум при сравнительно высокой влажности (22—24%,).
б) Процент извлечения И уменьшается и в лучшем случае остаётся на одном уровне при В=const и увеличивающемся в0, то можно объяснить тем, что после поглощения зерном определённого количества воды и соответственного распределения её в эндосперме и оболочках (что, в зависимости от сорта, наступает через 12—24 часа) достигается определённая степень насыщения и дальнейшая отлёжка не вносит механических изменений. Косвенно это подтверждается указанной выше стабилизацией объёмного веса. Таким образом, в данном случае фактор времени после определённого предела не играет роли в изменении мукомольных качеств зерна. По некоторым данным Θ0 в этом случае играем некоторую роль лишь в хлебопекарном отношении (Берлинер).
5) Объёмный вес G0 постепенно уменьшается с увеличением В, но остаётся неизменным при постоянном В и переменном в„. Это мы наблюдали и у риса. Причина заключаемся в том, что отсутствие притока воды, после того как G0 достигло определённой величины, не вносит существенных изменений в физическое состояние зерна.
6) Производительность L, выраженная в весовых единицах, резко падает с повышением В (так как объёмный вес уменьшается), причём особенно низка производительность при большой влажности зерна (18—20%) после отволаживания в течение первых 8 часов. Это объясняется тем, что влага скопилась в вязкой оболочке, которая не успела пропустить влагу внутрь эндосперма. После 24 часов отлёжки происходит более равномерное падение L. Это обстоятельство необходимо учесть тем производственникам, которые пытаются иногда оправдать технологическую эффективность восьмичасовой отлёжки. При твёрдой пшенице, для которой нужна большая влажность, это обстоятельство ведёт к ещё большему понижению производительности.
7) С повышением процента влажности зольность муки, полученной проходом через сито № 9, как показывает ситовой анализ, уменьшается, причём наиболее резкое расхождение обнаруживается в нерпой стадии увлажнения. Тут разница достигаете,15%, затем разность уменьшается до 0,05%. Увеличение же длительности отлёжки при В=соnst после того как зерно уже пролежало 8 часов, на изменение зольности влияния не оказывает.
8) Критической влажностью для пшеницы Мелянопус (данного района) являются 18%, после чего и энергетические и технологические показатели обнаруживают тенденцию к ухудшению.
Опыты с другими сортами пшеницы, входящими в первую группу, показали, что установленные закономерности действительны и для других сортов стекловидной пшеницы. Из них в первую очередь нужно назвать волжскую Саррубру и сибирскую Цезиум 0111. Поведение этих сортов пшеницы при гидромеханической обработке протекает так же, как у Мелянопус, причём Саррубра несколько уступает Мелянопус в абсолютном значении показателей.
Что касается Цезиум, то этот весьма распространённый в восточных районах сорт, не нарушая установленной закономерности, обнаружил большее абсолютное значение М и W0 в сравнении с Сарруброй, что объясняется особенностями сибирского зерна — большей толщиной и вязкостью оболочек и большим сопротивлением измельчению эндосперма. Полученные результаты вполне совпадают с известными производственными трудностями для достижения вымалываемости Цезиума, нуждающегося, с одной стороны, в большем увлажнении и большей отлёжке, а с другой стороны, требующего удлинённой размольной линии.
На сибирских мельницах явление это известно, и поэтому особое внимание уделяется последним вымольным системам в отличие от практики волжских мельниц, где, например, Саррубра, как культура, дающая много крупки, нуждается, наоборот, в усилении первых размольных систем, перерабатывающих крупу, — «головных».
Поэтому малоопытный технолог при переработке пшеницы Цезиум «промалывает», не добирает выходов. Это имело место на украинских мельницах в дореволюционное время в неурожайные годы, когда «толстокорый» Цезиум был привезён из Алтайского кран на южные мельницы, где привыкли к таким мягким сортам, как Банатка, Сандомирка, Гирка, вымалывающимися на шести драных и двенадцати-четырнадцати размольных системах. При худшей же вымалываемости Цезиума пришлось число драных систем довести до семи (не считая передира для сходов веек), а число размольных увеличить до шестнадцати-восемнадцати и дать более развитую схему с большим количеством вымалывающих систем.
Для получения крайних значений показателей измельчения следующая серия опытов была проведена с пшеницей третьей группы —мягкой мучнистой. Были взяты сорта Московская 02411 со стекловидностью 46% и, наконец, наиболее мягкая из подопытных образцов Заря (Киевская область) с низким процентом стекловидности —всего лишь 13,7%.
В первую очередь у этих сортов мягкой пшеницы нужно констатировать резкое снижение абсолютных величин основных показателей М и W0 в сравнении с аналогичными данными у противоположной группы твёрдой пшеницы (Мелянопус, Саррубра, Цезиум). Показатель твёрдости М, например, у Московской и Зари при одной и той же влажности уменьшается в сравнении с Мелянопус соответственно на 15—25%, а на 30—35% (верхний предел относится к пшенице Заря).
При этом динамика изменения М остаётся та же, что и у Мелянопус, т. е. имеет место обратная линейная зависимость от влажности, с той лишь разницей, что у испытуемых сортов мягкой пшеницы М стремится стабилизироваться уже начиная с B=16—17%, так как их оптимальная (технологическая) влажность лежит значительно ниже, чем у Мелянопус.
С увеличением Врастёт и W0 однако не с такой динамикой роста, как у Мелянопус: у мягкой пшеницы кривая W0 в начальной стадии проходит через минимум на уровне В=14—15%. Это обстоятельство характерно вообще для мягкой пшеницы.
Совершенно другая картина получается у мягкой пшеницы в сравнении с сортами твёрдой пшеницы для процента извлечения И. Гораздо меньшее сопротивление при размельчении эндосперма приводит к тому, что при такой же влажности увеличивается суммарное значение И и особенно резко повышается процент муки (проход через сито № 9) — при 15% в 4у2 —5 раз, а при 18% — н 2 раза. Наоборот, процент крупной крупки уменьшается при В = 15% на 18%, а при В=18% на 30% (табл. 26).
Таблица эта говорит ещё о том, что оптимальная влажность для показателя И у твёрдой Мелянопус лежит ближе к 18%, так как И19 >B15, а у мягкой Московской пшеницы ближе к 15%, так как здесь И18Всё это находит отражение в производстве, где твёрдая пшеница, например Мелянопус и Гордеиформе, добавляется при составлении зерновых смесей, в частности для увеличения количества крупок, что связано с усилением роли первых размольных систем.
Таким образом, для каждого сорта пшеницы в зависимости от величины М существуют оптимальные условия получения крупок, в свою очередь связанные с оптимальной технологической влажностью зерна, поступающего на 1 драную систему.
Выявленные закономерности, установленные для двух крайних групп (твёрдой и мягкой — мучнистой), были проверены дополнительно на зерне одного из наших лучших, наиболее ценных сортов озимой пшеницы — Украинка. Были взяты образцы этой пшеницы со стекловидностью 90% (район произрастания Лиман Харьковской области).
В связи с тем, что данный сорт пшеницы является основным, весьма распространённым в наиболее хлебородной части бывш. Союза (Украина и Краснодарский край), эксперименты с ним были проведены в очень широких пределах со значительным количеством вариантов. Диапазон влажности, например, колебался в пределах от 8,23 до 23,2%. Увлажнять больше нельзя было по конструктивным особенностям дробильного аппарата.
Продолжительность отлёжки варьировала от 16 до 120 часов, что дало возможность выявить самые крайние допустимые величины технологических показателей. Кроме того, в отдельных экспериментах время отволаживания распределялось с интервалами в 2—4 часа. При испытании был введён также ряд вспомогательных условий экспериментирования для выявления роли подсушки, ступенчатого увлажнения, величины зёрен, температуры воды и т. д. Всё это, естественно, потребовало значительного числа опытов.
Всего с Украинкой, включая повторные испытания, было проведено свыше 500 одиночных опытов, что дало возможность в весьма обстоятельной в экспериментальном отношении обстановке получить интересную картину поведения рассматриваемых показателей измельчения зерна. Из большого числа полученных диаграмм приведены лишь некоторые, например при колебаниях В от 12,48 (неувлажнённое зерно) до 23,20% при Θ0=48 часам.
В целом опыты подтвердили, что в основном интересующие нас показатели М, W0,, И и L вместе с сопутствующими (зольность, объемный вес) подчиняются тем же законам развития, что и у рассмотренных выше сортов Мелянопус, Саррубра, Цезиум, Московская и Заря, с некоторыми поправочными коэффициентами, значение которых выявляется из данных табл. 27, 28 и кривых рис. 25, дающих графическое изображение динамики развития приведённых выше показателей в зависимости от влажности.
Исследование процесса измельчения пшеницы

Как видно из табл. 27, при увеличении влажности с 12,48 до 23,20% показатель М уменьшился почти в 2 раза, а значение W0 возросло больше чем в 2 раза.
Исследование процесса измельчения пшеницы

Чтобы проверить роль оболочек, были проведены опыты с пшеницей Украинка (2-й подтип) при увлажнении с 11,6 до 16,25%, после чего зерно подверглось отволаживанию с небольшими интервалами в 2 часа (2; 4; 6; 8), затем в 12 и в 24 часа.
Полученные результаты оказались характерными в том отношении, что сначала (уже после 2 часов отллёжки) W0 возрастает на 15%, а затем постепенно уменьшается и лишь через 24 часа достигает первоначального значения. Объясняется это тем, что в данном случае с увеличением Θ0 (при В = const) влага постепенно переходит внутрь эндосперма за счёт уменьшения влажности оболочек, теряющих, таким образом, свою искусственно созданную повышенную вязкость, вследствие чего их сопротивление при дроблении уменьшается. Одновременно уменьшается и сопротивление эндосперма и в конечном итоге в этот «период разбега» W0 уменьшается до определённой величины влажности зерна. Косвенно это подтверждается тем, что величина И в течение 24 часов отволаживания почти не меняется.
Исследование процесса измельчения пшеницы

Весьма характерны также результаты определения зольности муки, полученной при просеивании через сито № 9. Показательно, что при увлажнении зерна в течение такого короткого времени как 2 часа зольность снижается на 0,14%, потому что за это время оболочка, хотя и частично, но успевает пропитаться водой, поднять свою вязкость, и вследствие этого менее крошится при измельчении. Этот фактор мы и используем, замачивая зерно перед I драной системой за 1—2 часа до измельчения, для того чтобы получить в конечном итоге более крупные так называемое «лопастные» отруби.
При исходной влажности зерна 12,48% зольность муки, получаемой при измельчении зерна на аппарате, составляет 1,17%. С повышением В зольность постепенно падает, достигая минимума 0,85% при В=18—19%, давая при этом понижение зольности на 27% по сравнению с первоначальной, после чего величина её снова начинает повышаться.
Такое экстремальное развитие кривой зольности объясняется им, что при искусственном увлажнении зерна до 18—19% для данного сорта пшеницы (Украинка) с использованием определённого времени отлёжки получается в первой стадии измельчения, соответствующей I драной системе, такое распределение влаги в оболочках и эндосперме, которое обеспечивает наиболее выгодное в технологическом смысле соотношение вязкости оболочек и хрупкости эндосперма, приводящее к минимальной дробимости оболочек, т. е. минимальному засорению муки оболочечными частицами.
Зольность муки (в данном случае с I драной системы) получает минимальное значение при искусственном влажности зерна 18—19%. Что же касается общей муки, в составлении которой принимают участие также размольные системы, то здесь минимальная зольность достигается при меньшей влажности зерна (порядка 15—16%), так как участие оболочек становится меньше, уступая место эндосперму, требующему меньшего увлажнения.
Производительность L с увеличением В резко уменьшается, и при 5=22% уменьшение составляет 47%. В производственных условиях величина эта еще увеличивается, так как конечный результат отражает сумму потерь на разных системах, причём максимальные потери получаются на вымалывающих системах. Поэтому, если считать допустимым понижение L лишь на 8—10%, то ясно, что нельзя увлажнять данный сорт пшеницы выше 16,5%.
Характерную картину даёт баланс промежуточных продуктов, показывающий повышение общего процента извлечения промежуточных продуктов, включая муку, при увеличении влажности до 20%, после чего кривая И, прошедшая через свой максимум, идёт вниз (см. табл. 28).
На рис. 26 полученные результаты по отдельным показателям сведены в комплекс характеристических кривых для пшеницы Украинка.
Исследование процесса измельчения пшеницы

Заключительные в группе пшеницы опыты с Лютесценс также подтвердили приведённые выше положения относительно развития М, W0, И, зольности и роли фактора времени Θ0.
Из всех этих опытов видно, что фактор времени даёт себя чувствовать в меньшей степени, чем фактор влажности, являющийся решающим, подчиняющим себе другие.
Этот весьма важный для производства вывод не совпадает с стремлением многих производственников сделать упор на длительность отлёжки, вместо того чтобы следить за достаточным увлажнением зерна перед I драной системой. Действительно, на многих мельницах имеется недобор муки, а при переработке на 85%-ную муку пшеница на многих мельницах совсем не замачивается, что является ошибкой.
Аналогичные испытания, как уже указывалось, были выполнены с другой, также весьма распространённой, но яровой пшеницей Лютесценс 062, район распространения которой весьма велик, начиная от юго-восточной зоны, южной, ЦЧО и кончая северо-восточной и северо-западной зонами (Ленинградская область). Нами были взяты три образца стекловидной и полустекловидной пшеницы из Краснодарского края и Ленинградской области. Стекловидность соответственно была равна 70, 50 и 33%, с различной естественной влажностью от 14,4 до 18%. Увлажнение производилось с интервалами до 23%, а время Θ0 колебалось в пределах от 8 до 96 часов. Такой широкий диапазон условий опыта дал возможность проверить закономерности, полученные для других сортов пшеницы.
В целом были получены результаты, по тенденции изменения, совпадающие с другими сортами пшеницы и в числовом выражении большe всего подходящие к сорту Украинка, но по отдельным показателям, в зависимости от района происхождения (например в Ленинградском), величины получили меньшее значение. В целом же закономерности развития остались те же, что и для Украинки.
В связи с тем что пшеница Лютесценс распространена во многих районах с повышенным количеством осадков и часто поступает в переработку с значительной влажностью, этот сорт был использован для выявления роли некоторых вспомогательных факторов. В первую очередь была подвергнута исследованию роль, предварительной подсушки.
Исходный образец пшеницы Лютесценс, имевшей естественную влажность 17,9%, был подсушен до 10,6% и снова увлажнён до 18,2% при том же значении Θ0, равном 24 часам.
Сравнительная оценка соответствующих показателей подтвердила, что речь идёт о совершенно различном состоянии зерна и в структурном отношении и в смысле влажности, как в отношении распределения её между отдельными частями зерна, так и в смысле формы связи воды с коллоидными материалами зерна. Полученные при испытании результаты приведены в табл. 29.
Исследование процесса измельчения пшеницы

Из этой таблицы видно, что здесь имеют место явления, которые можно рассматривать как гистерезис увлажнения, к вопросу о котором вернёмся далее.
Из табл. 29 видно, что величина М уменьшилась на 18,5%; это следует отнести за счёт более удачного перераспределения влаги, перемещения её из эндосперма в оболочку. W0 понизилось при этом на 27%, а L возросло на 17%.
Ещё более резко выступает разница в показателях, если пшеницу с естественной влажностью В=18% мы увлажним до 20% и сравним с предварительно подсушенной, а затем снова увлажненной до 20%.
Из табл. 30 видно, что значение M уменьшилось при этом на 20%, W0 уменьшилось на 38%, L возросло на 30%.
Кроме того, ситовой анализ показал, что процент крупных крупок также увеличился за счёт средних и мелких фракций.
Исследование процесса измельчения пшеницы

Необходимо подчеркнуть, что объёмный вес зерна почти не изменился (70—69,5 г/100 см3), так что все улучшение произошло за счёт ослабления внутренних напряжений. Наличие этих напряжений при большой естественной влажности вполне понятно, так же, как и понятно более целесообразное распределение влаги при искусственном увлажнении: большее увлажнение оболочки за счёт уменьшения влажности эндосперма, о чём свидетельствует в первую очередь уменьшение М, отражающее понижение твёрдости эндосперма.
Этот вывод весьма важен для промышленности, так как указывает на большое значение сушки зерна в мельничном хозяйстве, ибо за последние годы зерно поступает на мельницы часто с влажностью 16% и больше, причём, по соображениям временного порядка, не подсушивается, а стало быть, и не увлажняется, что, естественно, приводит к производственным потерям.
Из вспомогательных факторов была проверена роль крупноты зерна на примере пшеницы Саррубра. Рассортировав зерно на фракции по сходам с сит с диаметром отверстий 2,5; 2,25; 2,0 и 1,75 мм, мы получили следующее распределение в весовом отношении и по зольности и по W0 для неувлажнённого зерна (табл. 31).
В дальнейшем была выяснена роль увлажнения. Пшеница, имевшая исходную влажность 11,64%,, была увлажнена до 17,5% и после отлёжки в течение 48 часов, т. е. при оптимальных условиях гидромеханической обработки, была подвергнута исследованию сначала в общей смеси, а затем по фракциям. Полученные данные приведены в табл. 32.
Из таблицы видно, что:
1) Значение W0 получает максимум при средней фракции (сход с сита с диаметром отверстий 2,0 мм).
2) После увлажнения разница в величине показателей для разных фракций даёт себя чувствовать сильнее и увеличивается до 40%.
3) И, и М смеси (нерассортированная пшеница) не являются средневзвешенными величинами: фактические цифры отличаются от расчетных в сторону увеличен и я, что подтверждает пользу предварительной рассортировки зерна перед помолом на фракции, на что указывалось выше при рассмотрении вопроса о влажности зерна различной величины.
4) Испытания подтвердили, что в технологическом отношении невыгодны крайние фракции, как слишком крупного, так и слишком мелкого зерна, и потому ставку нужно делать на среднее по крупноте зерно, что известно и производственникам.
5) Была выяснена также роль ступенчатости замочки, весьма распространенной, как установил автор, на мельницах США, где применяется двойная, тройная и даже четверная замочка. Повторные испытания, проведённые с разными сортами пшеницы (Мелянопус, Украинка, Лютесценс), не дали, однако, заметной разницы в показателях удельного сопротивления измельчению. В числовом выражении эта разница не выходит за пределы 3—4%, т. е. в данном случае лежит в пределах допускаемой погрешности опытов. Небольшое уменьшение зольности при ступенчатой замочке не имеет существенного значения.
Таким образом, встречающаяся в практике американских мельниц и частично на наших предприятиях ступенчатая замочка имеет чисто эксплуатационное значение, облегчая процесс увлажнения весьма сухой пшеницы, не поддающейся требуемому увлажнению в один приём. Кроме того, при этом уменьшается подсыхание наружной оболочки зерна при передвижении к I драной системе. С этим нежелательным явлением ведут борьбу, повторно увлажняя зерно до поступления его на I драную систему с отволаживанием не больше 1—2 часов. В течение такого короткого времени вода успевает пронизать лишь оболочку, не проникая в эндосперм, т. е. сохраняется то дифференцированое распределение влаги в зерне, о котором уже говорилось и которое приводит к требуемому повышению вязкости оболочки.
Исследование процесса измельчения пшеницы