Сотрудники Красноярского научного центра СО РАН создали новые эффективные сорбенты для контактной сушки термолабильных материалов, в частности, семян сельскохозяйственных культур. В ходе контактной сушки семян пшеницы были достигнуты необходимые показатели влажности для хранения, а процент всхожести увеличился по сравнению с традиционным тепловым методом сушки.
Результаты исследования опубликованы в серии статей в журналах AgriEngineering и Molecules.
Одним из ключевых показателей качества зерна и семян сельскохозяйственных культур является уровень влажности. Избыточная влажность способствует активному протеканию биохимических процессов, приводит к самоподогреву зерновой массы и быстрому размножению вредных микроорганизмов, что, в свою очередь, вызывает резкое снижение всхожести семян и порчу урожая.
Процесс сушки зерна и семян повышает их устойчивость к хранению и улучшает как продовольственные, так и семенные характеристики, становясь важным этапом послеуборочной обработки. Традиционные тепловые методы сушки являются широко распространёнными, однако при нагревании семян, в зависимости от температуры и времени обработки, может наблюдаться снижение или полная потеря всхожести. Таким образом, высокая энергоёмкость и утрата качества семенного зерна являются значительными недостатками конвекционной сушки с использованием промышленных систем горячего воздуха.
Сотрудники ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» разработали и запатентовали новый способ сушки семян сельскохозяйственных культур, основанный на сорбционно-контактном принципе. Этот метод использует микросферический композитный осушитель, который состоит из сульфата магния и ценосфер угольной золы. Он позволяет снижать влажность семян без применения внешнего теплового воздействия, сохраняя или даже улучшая их качественные характеристики. Основой данного подхода являются эффективные влагопоглощающие вещества, обладающие высокой влагоёмкостью, быстрой скоростью поглощения воды, нейтральными свойствами, безопасностью и низкой температурой регенерации.
«Сорбционные технологии находят широкое применение в различных отраслях промышленности, способствуя повышению качества продукции и эффективности производственных процессов. Обычно сорбенты выбираются из ограниченного числа уже известных материалов. Наиболее распространёнными являются пористые угли, цеолиты, оксиды алюминия и силикагель. У некоторых из этих материалов имеются недостатки, такие как высокая температура регенерации, низкая механическая прочность, высокая стоимость и иногда ограниченная сорбционная ёмкость. Принципиально иной подход заключается в целенаправленном синтезе материалов с заранее заданными свойствами, которые лучше всего соответствуют требованиям конкретного применения. В случае композитных систем открывается дополнительная возможность изменения свойств за счёт комбинации сорбционно-активных веществ и матрицы определённого типа», — прокомментировал руководитель проекта Александр Аншиц, доктор химических наук, профессор и руководитель научного направления ФИЦ КНЦ СО РАН.
Фото: КНЦ СО РАН.
Ранее для осушения сельскохозяйственных культур использовались такие материалы, как опилки, сухое зерно, гранулированный силикагель, сульфат натрия и глинистые минералы. Процесс сушки занимал от 12 часов до нескольких суток.
Однако высокая дисперсность некоторых реагентов приводила к их выносу и налипанию на поверхности зёрен, что, в совокупности с длительностью процесса, негативно сказывалось на общей эффективности сушки. Применение композитных сорбентов, в которых влагопоглощающий компонент находится внутри носителя, поможет устранить эти недостатки.
Учёные из Красноярска разработали новые микросферические композитные сорбенты и впервые предложили использовать сульфат магния, в частности его устойчивую природную форму — кизерит, в качестве вещества для поглощения влаги при сушке семян. Кизерит отличается нейтральными свойствами, высокой скоростью влагопоглощения и большой ёмкостью, а также низкой температурой регенерации. Более того, сульфат магния является недорогим, нетоксичным и широко используемым удобрением в сельском хозяйстве.
При создании композитных сорбентов для контактной сушки семян важно правильно выбрать не только осушитель, но и его носитель. В качестве носителя исследователи предложили использовать ценосферы — частицы, которые образуются в золе при сжигании угля на тепловых электростанциях. Внутренняя полость этих сферических матриц, обладающих открытой системой транспортных пор, заполняется активным влагопоглощающим реагентом. Благодаря своей внутренней полости и высокой прочности стеклокристаллической оболочки, а также термостабильности и кислотостойкости, ценосферы функционируют как микроконтейнеры. Одним из преимуществ разработанных композитных сорбентов является капсулирование активного компонента внутри глобул, что предотвращает его утечку, загрязнение и прилипание к поверхности зерна, обеспечивая стабильные влагопоглощающие свойства на высоком уровне в нескольких циклах сушки.
Эффективность разработанных сорбентов была протестирована на семенах пшеницы, полученных в опытно-производственном хозяйстве «Михайловское». Пшеница является одной из основных зерновых культур, которые производятся и потребляются по всему миру, и играет важную роль в обеспечении глобальной продовольственной безопасности. С увеличением численности населения возникает настоятельная необходимость в качественных семенах пшеницы. Результаты исследования продемонстрировали, что после четырехчасовой сушки влажность пшеницы достигала рекомендуемых значений для безопасного хранения семян. Примечательно, что время сушки оказалось значительно короче, чем при использовании других известных сорбентов.
Всхожесть семян, высушенных данным методом, составила более 95 %. По завершении сушки сорбенты легко отделялись с помощью сита. Учёные также отметили, что осушитель можно регенерировать и повторно использовать при температурах около 80 °С.
Таким образом, контактная сушка семян пшеницы с использованием разработанных сорбентов представляет собой простой и эффективный метод послеуборочной обработки, превосходящий другие способы сушки. Этот метод предотвращает перегрев зерна и создает мягкие условия для сушки, что позволяет достичь необходимой влажности семян и высокой всхожести. Благодаря высокой влагоемкости сорбционного материала возможно проводить циклическую сушку семян без необходимости промежуточной регенерации осушителя. После регенерации сорбенты сохраняют стабильные влагопоглощающие свойства на высоком уровне.
«Сокращение потерь зерна при сохранении жизнеспособности семян — это важная задача. Наши сорбенты представляют собой новый уровень композитных материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Их ключевое преимущество заключается в том, что активный компонент находится внутри ценосфер, что предотвращает его потери, загрязнение пылью и органическими примесями, а также прилипание сорбента к поверхности зерна. Сферическая форма матрицы защищает семена от механических повреждений, которые могут открыть доступ для микроорганизмов и способствовать их активному размножению при высокой влажности. Наши результаты могут стать основой для разработки эффективных технологий контактной сушки семян сельскохозяйственных культур, которые не переносят термического воздействия или теряют ценные свойства при нагревании. Кроме того, полученные данные могут быть использованы для создания устойчивых технологий обезвоживания термолабильных материалов», — поделилась Елена Фоменко, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
Фото: КНЦ СО РАН.
Работа была выполнена в соответствии с государственным заданием ИХХТ СО РАН (проект № FWES–2021–0013). Материал подготовлен при поддержке гранта Министерства образования и науки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Источник и фото: КНЦ СО РАН.