Снимок пшеницы, рапса, смеси пшеницы с кизеритом и композитным сорбентом.
Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Красноярские ученые разработали новые эффективные сорбенты для контактной сушки термолабильных материалов, в частности, семян сельскохозяйственных культур. В процессе контактной сушки семян пшеницы достигнуты требуемые для хранения показатели влажности, при этом процент всхожести увеличен по сравнению с традиционным тепловым способом сушки. Результаты исследования представлены в цикле работ, опубликованных в журналах AgriEngineering и Molecules.
Одним из показателей качества зерна и семян сельскохозяйственных культур является влажность. Повышенная влажность приводит к интенсивному протеканию биохимических процессов, саморазогреву зерновой массы, быстрому размножению вредных микроорганизмов, в результате чего наблюдается резкое снижение всхожести семян и порча урожая. Сушка зерна и семян повышает их стойкость при хранении, улучшает продовольственные и семенные качества, является ключевым звеном послеуборочной обработки. Тепловые способы сушки традиционны и широко распространены, однако при нагревании семян, в зависимости от температуры и продолжительности обработки, наблюдается снижение или полная потеря всхожести. Поэтому высокая энергоемкость и потеря качества семенного зерна являются существенными недостатками конвекционной сушки с использованием промышленных систем горячего воздуха.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» разработали и получили патент на новый сорбционно-контактный способ сушки семян сельскохозяйственных культур при помощи микросферического композитного осушителя на основе сульфата магния и ценосфер угольной золы, позволяющий без применения внешнего теплового воздействия снижать их влажность с сохранением или улучшением качественных показателей. Основой является применение эффективных влагопоглощающих веществ, характеризующихся высокими значениями влагоемкости, большой скоростью поглощения воды, нейтральностью, безопасностью, невысокой температурой регенерации.
«Сорбционные технологии широко используются в различных отраслях промышленности, они повышают качество продукции и обеспечивают эффективность производственных процессов. Традиционно сорбенты подбирают из ограниченного круга уже существующих материалов. Наибольшее распространение получили пористые угли, цеолиты, оксиды алюминия, силикагель. Для некоторых из них характерны высокая температура регенерации, низкая механическая прочность, высокая стоимость, а иногда — ограниченная сорбционная емкость, что является их недостатками. «Другой, принципиально отличный подход, заключается в целенаправленном синтезе материалов с заданными свойствами, которые наилучшим образом удовлетворяют требованиям определенного приложения. Для композитных систем появляется дополнительная возможность варьирования свойств за счет комбинирования сорбционно-активных веществ и матрицы определенной природы», — отметил руководитель проекта Александр Аншиц, доктор химических наук, профессор, руководитель научного направления ФИЦ КНЦ СО РАН.
В качестве осушителей сельскохозяйственных культур ранее рассматривались опилки, сухое зерно, гранулированный силикагель, сульфат натрия, глинистые минералы. Продолжительность сушки составляла от 12 часов до нескольких суток. При этом высокая дисперсность некоторых реагентов приводила к их уносу и налипанию на поверхность зёрен. Это, в сочетании с продолжительностью процесса, негативно влияло на общую эффективность сушки. Использование композитных сорбентов, в которых влагопоглощающий компонент помещен во внутренний объем носителя, позволит избежать указанных недостатков.
Красноярские ученые разработали новые микросферические композитные сорбенты и впервые предложили использовать в качестве сорбирующего влагу вещества для сушки семян сульфат магния, в частности, одну из наиболее устойчивых его природных форм — кизерит. Он отличается нейтральностью, высокой скоростью поглощения влаги и большой емкостью, низкой температурой регенерации. Кроме того, сульфат магния является дешевым, нетоксичным и широко применяемым удобрением для сельского хозяйства.
При разработке композитных сорбентов для контактной сушки семян важен не только правильный выбор осушителя, но и его носителя. В этом качестве исследователи предложили использовать ценосферы — частицы, которые содержатся в золе, образующейся при сжигании угля на тепловых электростанциях. Во внутреннюю полость сферической матрицы, располагающей открытой системой транспортных пор, помещали активный влагопоглощающий реагент. Благодаря внутренней полости и высокой прочности стеклокристаллической оболочки, термостабильности и кислотостойкости ценосферы выполняют функцию микроконтейнеров. Преимуществом разработанных композитных сорбентов является капсулирование активного компонента во внутреннем объеме глобул, что предотвращает его унос, загрязнение и налипание на поверхность зерна, обеспечивает стабильные влагопоглощающие свойства на высоком уровне в нескольких циклах сушки.
Действие разработанных сорбентов проверяли на семенах пшеницы, выращенных в Опытно-производственном хозяйстве «Михайловское». Пшеница — одна из главных зерновых культур, производимых и потребляемых в мире. Она играет ключевую роль в обеспечении глобальной продовольственной безопасности. С ростом населения мира возникает острая необходимость в качественных семенах пшеницы. Результаты исследования показали, что после четырехчасовой сушки влажность пшеницы достигала рекомендуемых для безопасного хранения семян значений. Важно, что длительность сушки была значительно меньше по сравнению с другими известными сорбентами.
Всхожесть просушенных таким способом семян составила более 95%. По окончании сушки сорбенты легко отделялись ситовым способом. Ученые также отметили, что при температурах ~ 80°С осушитель можно регенерировать и использовать повторно.
Таким образом, контактная сушка семян пшеницы при помощи разработанных сорбентов является простым и эффективным методом послеуборочной обработки по сравнению с другими способами сушки. Она исключает перегрев зерна и обеспечивает мягкие условия сушки, позволяя достичь требуемой влажности семян и высокой всхожести. Высокая влагоемкость сорбционного материала позволяет проводить циклическую сушку семян без промежуточной регенерации осушителя. После регенерации сорбенты сохраняют стабильные влагопоглощающие свойства на высоком уровне.
«Сокращение потерь зерна при сохранении жизнеспособности семян является важной задачей. Наши сорбенты — это новый уровень композитных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Их преимуществом является нахождение активного компонента внутри ценосфер, что предотвращает его потери, загрязнение пылью и органическими примесями, прилипание сорбента к поверхности зерна. Сферическая форма матрицы предотвращает механические повреждения семян, которые открывают доступ для микроорганизмов и способствуют их активному размножению при высокой влажности. Наши результаты могут послужить основой для разработки эффективных технологий контактной сушки семян сельскохозяйственных культур, которые не переносят термического воздействия или теряют ценные свойства при нагревании. Кроме того, результаты могут быть использованы для разработки устойчивых технологий обезвоживания термолабильных материалов», — рассказала Елена Фоменко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИХХТ СО РАН (проект № FWES–2021–0013). Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»