Гистерезис увлажнения и «история влажности» зерна

10.05.2015

Мы видели, что общее суммарное определение влажности в зерне не даёт ещё точной картины технологической ценности этого важнейшего при переработке фактора ни в количественном, ни в качественном выражении и, что весьма важно, не даёт представления о распределении влаги по отдельным, составным частям зерна.
При одной и той же величине общей влажности технологический эффект при размоле зерна различен в зависимости от того, имеем ли мы дело с естественной влажностью или искусственной, полученной в результате увлажнения при кондиционировании.
В первом случае, как мы видели, разница между влажностью оболочек и влажностью эндосперма незначительна. Однако часто после долговременного хранения, когда зерновая масса длительное время находится в соприкосновении с окружающим воздухом, имеющим низкий процент относительной влажности воздуха φ, порядка 50—60%, может получиться, что оболочки окажутся менее влажными, чем эндосперм. С таким положением можно мириться в крупяном производстве, но это совершенно недопустимо в условиях переработки зерна на муку при сортовых помолах.
Во втором случае, наоборот, при правильно проведённом искусственном увлажнении создаётся дифференцированное распределение влаги в зерне с превышением влаги в оболочках на 6—8% по сравнению с эндоспермом, чтобы обеспечить правильное ведение технологического процесса, с использованием различия в физико-механических свойствах отдельных частей зерна. Таким образом, в технологическом отношении представляется важным эволюция распределения влаги — «история влажности зерна».
В этом отношении особенно показательна роль предварительной подсушки влажного зерна с последующим его дополнительным увлажнением либо до первоначальной, исходной, влажности, либо до меньшей величины. На примере ряда исследованных нами сортов пшеницы (Украинка, Мелянопус и Лютесценс) мы видели, что при возвращении таким путём к исходной влажности все показатели размола зерна резко изменяются в сторону усиления технологической эффективности процесса измельчения.
В зависимости от сорта пшеницы и перепада влаги показатели М и W после такой предварительной подсушки с последующим увлажнением уменьшаются на 15—30% и одновременно уменьшается зольность муки на 0,05—0,1%. К таким же положительным результатям мы пришли также при переработке ржи на молотковых дробилках в декабре 1943 г. и мукомольной лаборатории МТИПП.

Гистерезис увлажнения и «история влажности» зерна

Рожь с естественной влажностью 16% была подсушена до 11% и снова увлажнена до 16%, в результате чего мы получили понижение N на 5% и повышение мелкой фракции И (проход через сито № 38) на 10%. Действуя таким путём, искусственно перераспределяя влагу, мы не только уменьшаем удельный расход энергии, но повышаем извлечение мелкой фракции и улучшаем качественные показатели технологического процесса.
Здесь налицо явление гистерезиса—физико-химического явления несовпадения во времени следствия и производящей его причины, несмотря на совпадение их по месту. При атом реакция тела, в нашем случае зерна, на внешние силы, его деформация, зависит от того, было ли оно до того момента уже подвергнуто действию этих сил или же явление происходит впервые.
С явлениями гистерезиса мы часто встречаемся в технике, например при намагничивании, сорбции, при упругих и пластических деформациях, сушке дерева и волокнистых веществ. Проявляются они в изменении разных переменных величин, определяющих состояние вещества. Во всех этих случаях кривые деформаций образуют так называемую «петлю гистерезиса».
Гистерезис увлажнения и «история влажности» зерна

На рис. 34, 35, 36 приведены изотермы сорбции и десорбции влаги для разных тел: пшеничного крахмала, хлопковой целлюлозы и зерновой массы пшеницы Лютесценс.
Раковский, опубликовавший в 1913 г. свои классические исследования явлений гистерезиса при оводнении и обезвоживании крахмала — основного элемента эндосперма, установил, что процессы, протекающие в этой коллоидной системе, непрерывны и необратимы и что изотермы сорбции и десорбции совпадают только в двух точках, соответствующих нулевому и максимальному давлениям пара. В остальных точках эти кривые расходятся, образуя типичную петлю гистерезиса необратимых процессов (см. рис. 34).
На рис. 35 приведены аналогичные данные Уркварда и Вильямса для хлопковой целлюлозы, по химическому составу родственной оболочкам зерна. Такие петли гистерезиса получаются при обезвоживании и оводнении и других коллоидов, причём максимальное расхождение кривых получается при большей структурной неоднородности материала, подвергающегося увлажнению и высушиванию.
При этом имеют место внутренние деформации сложного порядка, изменение тех переменных величии, которые характеризуют состояние вещества — в первую очередь прочность материала, Объяснение этому явлению нужно искать в наличии внутреннего трения, связанного с тем, что часть работы затрачивается на деформации в необратимой форме.
Для примера рассмотрим явления, имеющие место в родственной нам области древесиноведения. Опыты Хухрянского показали, что при пересушке древесины с последующим возвращением к первоначальной влажности наблюдается ослабление прочности образца: сопротивление на сжатие уменьшается на 15%.
Этот весьма важный для нас технологический эффект можно объяснить следующим образом: при отдаче влаги древесиной волокна сближаются, уплотняются, в соответствии с чем повышается коэффициент прочности; при поглощении же влаги происходит обратное явление, и крепость древесины понижается. Повторность этого процесса, многократность этого приёма вызывают перераспределение расположения молекул в клетках, появляются «усталость древесины» и резкое снижение механических свойств.
Аналогичные явления, бесспорно, имеют место и при соответственной обработке зерновой массы, заключающейся в предварительной подсушке с последующим увлажнением до первоначальной величины влажности. При этом часть энергии тратится на необратимые процессы, в конечном итоге приводящие к ослаблению прочности зерна, понижению соответственных показателей, особенно у богатого крахмалом эндосперма.
Явления гистерезиса, положительные для зерна в технологическом отношении, протекают в зерне в более благоприятных условиях ещё потому, что при последующем увлажнении происходит перераспределение влаги, усиливающее перераспределение молекул в строении клеток и быстрее приводящее всю архитектонику зерна к «усталости», в результате чего ослабляется прочность зерна со всеми вытекающими последствиями.
На рис. 36 приведены аналогичны: изотермы для пшеницы Лютесценс, подвергшейся исследованию в мукомольной лаборатории МТИПП. Испытуемая пшеница, имевшая естественную влажность 17,9%, была подсушена до 10,6% и затем снова увлажнена до 18%. По характеристическим кривым для данного сорта пшеницы первоначальное исходное состояние зерновой массы определялось точками W'17,9 и М'17,9. После же подсушки и увлажнения точки эти перешли соответственно в положение W''18 и М''18, причем удельный расход энергии W уменьшился на 27%, а показатель твёрдости М понизился на 18,5%, L увеличилась на 9% и зольность дала лучшие показатели.
Операция эта, как увидим ниже, в большинстве случаен выгодна и в техно-экономическом отношении.
Таким образом, мы приходим к весьма важным и производственном отношении выводам: зерно с В>17—18% экономически невыгодно молоть (падение L, повышение N, ухудшение выходов и т. д.), а часто и технически невозможно (замазывание рифлей, сит, закупорка самотёка и т. д.).
Выходом из положения является не только подсушка такого зерна до величины технологического оптимума влажности (15—16%), но и дальнейшая «пересушка» до 10—12% с последующим увлажнением до технологически нужных 15—16%. Более того, зерно с влажностью, лежащей на границе допустимых 16—17%, также целесообразно подвергнуть подсушке с последующим увлажнением после предварительно проведённого экономического подсчёта технологической эффективности.
Ещё более резкие результаты получаются, если зерно с естественной влажностью 18% подсушить и снова увлажнить, но уже до 20%. При этом М уменьшается у пшеницы Украинка на 20%,
на 38%, а L увеличивается на 30%. Объёмный вес G0 при этом почти не меняется, следовательно, все изменения параметров измельчения происходят за счёт ослабления внутренних напряжений в зерне, более удачного распределения влаги, в особенности по отношению к эндосперму, о чём свидетельствует понижение М. При этих условиях усиливается значение сушилок, получающих дополнительное значение в борьбе с потерями.
Технологическая эффективность указанного производственного приёма оправдывается: 1) улучшением всех показателей измельчения зерна, главным образом М, N, И и зольности, за счёт использования явлений «усталости» зерна—изменений молекулярного его строения — и перераспределения влаги в сторону более выгодного в технологическом отношении дифференцированного распределения между оболочкой и эндоспермом; 2) техно-экономическими соображениями, подлежащими проверке в каждом отдельном случае.
Таким образом, при работе с зерном гистерезис увлажнения в отличие от других случаев, встречающихся в технике, используется как положительный фактор.