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    我國氮氣氣調儲糧研發和推廣應用進展

    2017-08-29 00:11:00

    糧食是人類賴以生存和發展的基礎,在人民生活和國民經濟發展中,具有特殊的地位和作用。目前我國糧食以常規儲藏為主,主要儲糧技術為“四合一”技術(即:糧情測控技術、環流熏蒸技術、機械通風技術、谷物冷卻技術),在儲糧害蟲防治方面主要為化學防治,長期依賴于磷化氫熏蒸,帶來了諸多問題,如害蟲抗藥性增加,環境污染風險,對操作人員的健康危害以及不能滿足人們對綠色、無公害、無污染糧油的迫切需要等。當前,世界各國對食品安全和環境保護越來越重視,對用于儲糧害蟲防治化學藥劑的限制日益嚴格,經濟發達國家已逐步減少化學藥劑在儲糧上的使用。世界糧農組織要求各成員國在二十一世紀逐步減少直至全部禁止在糧食儲藏過程中使用化學藥劑,提倡開展綠色儲糧,減少化學藥劑對儲糧和環境的污染,以達到持糧食的品質,滿足廣大消費者對綠色食品日益增長的需要。糧食的儲藏方式逐步向低溫、氣調、物理和生物綜合防治等綠色儲糧方向發展。

           氣調儲糧是公認的綠色儲糧技術,既能保證糧食品質、延緩儲糧品質劣變、抑制蟲霉孳生、減少化學藥劑污染,還能大大提高企業經濟效益和社會效益,是符合我國國情的綠色儲糧技術之一。因此,以儲糧生態系統理論為基礎,充分應用氣調儲糧技術與低溫儲糧技術相結合的控溫氣調儲糧經濟運行模式,成為我國綠色儲糧技術發展方向。

          1 氮氣氣調儲糧基本原理和技術優勢

          1.1基本原理   

    氮氣氣調儲糧是從空氣中分離出高濃度氮氣,通過供氣管道,充入氣密性達標的糧倉中,置換出糧堆內的氧氣,長期保持高濃度氮氣,在糧堆內形成不利于害蟲、霉菌生長繁殖的生態環境,減弱糧食自身的呼吸代謝,實現蟲霉物理防治、延緩糧食品質劣變、抑制發熱生霉等安全儲糧的目的。利用空氣來制取氮氣有化學方法和物理方法兩種途徑。   

    化學制氮方法是將燃料在空氣中燃燒,將空氣中的氧氣耗盡,從而得到氮氣。木材或柴油燃燒循環降氧技術、丙烷燃燒循環降氧技術都曾應用于儲糧過程,但由于這類方法僅可以將儲糧環境中的氧氣濃度降至5%左右,尚不能起到殺蟲抑菌的作用,而且還可能產生安全隱患和煙塵污染,因此目前已很少使用。   

    物理制氮方法主要有深冷法、變壓吸附法和膜分離法等三種方法(其中吸附法和膜分離法又稱為非深冷法)。變壓吸附法具有工藝簡單可靠,設備結構緊湊、占地面積小、投資省、安全性好、維修率低,氣體生產成本低、純度和產量易于調整等優點,目前規模較大的氮氣氣調儲糧一般采用變壓吸附法。

          1.2氮氣氣調儲糧與二氧化碳氣調儲糧相比的技術優勢   

    氮氣氣調儲糧與二氧化碳氣調儲糧有諸多的相同點,二者對倉房氣密性的要求都高,在GB/T25229-2011中都要求500 Pa降至250 Pa的半衰期在300s以上。氮氣氣調儲糧與二氧化碳氣調儲糧均能達到較好的殺蟲效果,均有一定的保鮮作用,都是綠色環保的儲糧害蟲防治技術,均可實現免磷化鋁熏蒸,既避免員工接觸有毒氣體,又避免了糧食對熏蒸氣體的吸附,對保持糧食品質和減少大氣污染都具有積極作用。

          氮氣氣調儲糧較二氧化碳氣調儲糧具以下兩點優勢:一是二氧化碳氣源需要經過復雜的渠道或較復雜的工藝設備才能獲得,而且需要氣體輸送或者大型的液態氣體儲備罐,因而限制了二氧化碳氣調的推廣應用;氮氣氣調的氣源直接利用空氣分離得到,制氮設備及充氮作業相對簡單。二是氮氣氣調儲糧與二氧化碳氣調儲糧的運行成本差異較大,楊昭等研究發現,二氧化碳氣調儲糧的保管費用高于普通常規倉,噸糧費用為2.27元;氮氣氣調儲糧噸糧電費為0.80元,略高于0.73元/t的熏蒸費用。

          2氮氣氣調儲糧技術研究進展

     從上世紀六十年代末,我國就開展了低氧儲糧的室內研究和小規模實倉試驗。一是用塑料薄膜密閉糧堆,靠糧食自身呼吸作用耗去糧堆的氧氣,達到殺蟲、抑菌的目的,也稱自然降氧儲糧。二是在密閉的糧堆內抽去空氣,充入氮氣,也稱充氮儲糧。隨著制氮技術的快速發展,中央儲備糧南京直屬庫和廣西防城港國家糧食儲備庫分別在2004年和2005年開始實倉應用試驗,效果良好。2008年第八屆國際儲藏物氣調與熏蒸大會在中國成都召開,36個國家的多位國內專家學者共同交流氣調技術成就和發展方向,對中國氣調技術取得的成果給予了高度的評價,也進一步推動了該技術的發展。

          2.1專有高效節能制氮設備的研發

          目前,非深冷氮氧分離工藝包括變壓吸附碳分子篩制氮和中空纖維膜分離制氮,兩種工藝整機裝配在國內均有技術成熟的規?;a廠家,但沒有適合我國糧庫使用、能耗低的專有制氮設備。中儲糧成都儲藏所與大連力德合作,針對變壓吸附和膜分離兩種工藝、固定式和移動式兩種供氣方式開展了應用試驗,在系統分析建設應用各種模式優缺點的基礎上,提出了固定式變壓吸附制氮設備。特別是2009年提出以空壓機不卸載設計制氮機的新理念,通過技術攻關和反復應用試驗,開發出高產氣、低能耗、一鍵啟動和遠程自控的氣調儲糧專用變壓吸附制氮設備。

          該設備在我國制氮行業首次設計了減小制氮吸附劑對吸附床的床層阻力的工藝,提高了氣體分離效率;對均壓工藝進行改進,在均壓管路中首次設計了獨特的節流裝置,減小了變壓吸附制氮裝置制氮純度的敏感性,提高制氮效率;設計、開發了并流泄壓裝置,減少引入產品氮氣用于再生階段的清洗氣量,節省清洗用產品氮氣從而增大裝置的氮氣產量;設計的吸附塔中部和底部同時并流泄壓的方式,使得吸附劑解吸再生更加徹底,此方式居我國變壓吸附制氮行業領先水平;設計開發的儲糧用高性能變壓吸附制氮裝置節能效果優異,在產氣量相同情況下,與常規制氮裝置相比,可分別節約能耗40%和43%,在我國糧食行業屬于首創。

          2.2氮氣氣調智能化控制

          氮氣氣調儲糧智能控制系統采用無線方式進行通信,由控制中心系統、制氮機房控制系統及倉房側控系統組成,將充氮儲糧過程中的充氣、排氣、環流、氮濃度平衡、氮濃度檢測、倉房氣密性檢測等繁雜工作和人工手動難以操控的工作流程以及先進的充氮工藝編成計算機程序進行智能化控制。該系統實現了氮氣氣調全過程智能化控制,夠將儲糧倉房的氮氣充至78%-99.5%之間的任意設定濃度,具有上充下排、下充上排、邊充邊排、上充、下充、環流平衡等多種充氮模式和工藝,能夠通過自動檢測倉內氮氣濃度來判斷自動啟動或停止制氮機、自動開啟或關閉相關閥門,解決了氮氣氣調儲糧作業時間長、勞動強度大、關聯設備及工藝參數多、可能出現誤操作等問題。李在剛等在華北地區玉米氮氣氣調智能控制應用試驗表明,氮氣氣調儲糧智能控制系統實現了氣調作業的自動化,測控精準、操作簡單、運行穩定可靠,糧堆內氮氣氣調均勻有效,蟲霉防治等應用效果達到預期。

          2.3充氣工藝的不斷改進

          孫相榮等在密閉的模擬倉中采用上充下排和下充上排的充氮方式進行試驗,一次性充氣使糧堆內達到98%的氮氣濃度,玉米中氮氣的進氣量需要達到糧堆密閉體積的0.806倍,稻谷是0.861倍,而小麥是0.774倍,相應地所需耗電量玉米為0. 3 kW&middot;h/t,稻谷0.4 kW&middot;h八,而小麥0.25kW&middot;h/t。使糧堆內一次性充氣達到95%的氮氣濃度,玉米約需要耗電0.25 kW&middot;h/t,稻谷0.24kW&middot;h/t,小麥0. 15 kW&middot;h/t。

          結合實倉應用情況,充氣工藝主要有稀釋法、置換法和強排法三種,三種充氣工藝均可實現氣調殺蟲、氣調防蟲、氣調儲藏的目的,只是不同的充氣工藝能耗有所差別。從表1可以看出,當糧堆氮氣濃度達到98%時,強排法所需氮氣量僅為糧堆空間體積的2-3倍,明顯低于置換法和稀釋法;采用強排法,糧堆各點氮氣濃度相對均勻、無需環流,而采用置換法和稀釋法時糧堆各點氮氣濃度不均勻、需環流;采用強排法,糧堆氮氣濃度容易達到98%,對倉房氣密性要求較低,而采用置換法和稀釋法,糧堆氮氣較難達到98%的濃度,與倉房氣密性相關性大。強排充氣工藝不僅對倉庫氣密要求有所降低,同時可以在不環流狀態下氮氣濃度達到比較均勻,達到98%的濃度也較為容易,

           充氣時間也比其他兩種充氣工藝縮短了近一半時間,是目前較為理想經濟的充氣工藝。


          表1 不同充氣方式效果比較

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    我國氮氣氣調儲糧研發和推廣應用進展(圖1)



            2.4提高倉房氣密性

            氣調儲糧的使用效果與倉房氣密性密切相關,要取得良好的氣調殺蟲、防蟲、抑菌劑延緩品質變化效果,就必須使倉內的氮氣濃度達到理想濃度以上,并在該濃度下維持一定的時間。由于我國絕大部分倉房是在2000年左右建設,氣密性達不到氣調儲糧的要求,迫切需要提高倉房的氣密性?;诖藙撔卵兄屏艘环N糧倉覆膜密閉系統并創新提出了橡膠軟管內充氣處理新工藝,可實現倉房五面掛膜密封,大大提高了倉房氣密性,減輕了勞動強度,從實用性角度提升了儲糧技術水平。中央儲備糧三明直屬庫采用該技術氮氣氣調儲糧情況表明,高大平房倉屋面密封是加強氣密性的有效措施,實倉掛膜能有效減輕勞動強度;氣調儲糧的效果與倉房氣密性密切相關,氣密性越好,蟲霉防治效果越好,運行成本越低。

           3氮氣氣調儲糧應用效果

           3.1有效防治儲糧害蟲

           目前研究認為,高純氮氣環境中,試蟲完全依賴體內儲存的能源物質維持生命,其體內能源物質的耗盡和有毒物質的積累導致昆蟲死亡。昆蟲的種類不同、組織和生理狀態不同,其能源物質的儲存必然存在一定的差異。氮氣氣調防治害蟲的效果與糧堆氣體濃度、處理時間以及倉房的氣密性有著密切的關系。國內外學者做了大量的理論研究表明20~29℃,氧氣含量低于1%的條件下,致死鋸谷盜需要1d以上時間,谷蠹需要超過4d,米象需要超過14d,赤擬谷盜和雜擬谷盜需要7d以上。蛀食性害蟲中的谷蠹、谷象和米象成蟲對不同氧氣含量低氧環境的忍耐性普遍比銹赤扁谷盜、鋸谷盜和赤擬谷盜更強,在防治中需要更長的處理時間才能達到理想的效果。試蟲對高純氮氣環境的忍耐能力由大到小的排列順序為:玉米象>米象>谷蠹>赤擬谷盜(中山品系)>雜擬谷盜>赤擬谷盜(益陽品系)>嗜卷書虱>鋸谷盜。

           考慮到倉房泄露等氣密性不足的問題,為了在生產中取得理想的害蟲防治效果,理論上需要在低氧環境中暴露至少14 d,莫代亮等使用膜降氧機組在儲藏4900 t玉米的高大平房倉開展低氧防治儲糧害蟲實倉試驗,將糧倉氧氣濃度降至2%,經過新收獲玉米糧堆的自然降氧,使糧堆中氧氣濃度一直維持在1%以下超過15 d,散氣后檢查人為放置于糧堆內部的布袋試蟲籠中的試蟲死亡率,赤擬谷盜、鋸谷盜、谷蠹、米象和玉米象的成蟲100%死亡。由此可見,氮氣氣調能有效地防治儲糧害蟲,解決了常規儲糧對熏蒸藥劑磷化鋁的單一依賴、害蟲抗性增強的難題,為儲糧害蟲抗性治理提供了新方法。

           3.2對好氧微生物的顯著抑制效果

           實驗室及實倉應用實踐證明:在安全水分條件下,當氧濃度下降到2%以下時,對大多數好氧性霉菌具有明顯的抑制作用;當氧濃度低于1%時,不僅控制了儲藏物的代謝,也明顯地影響到微生物的代謝活動。但是有些霉菌可忍耐低氧環境,如灰綠曲霉、米根霉能在0.2%氧濃度下生長,厭氧性霉菌如毛霉、根霉、鐮刀菌等亦能在低氧環境中生長。吳衛平等研究發現富氮低氧儲存前后,試驗倉玉米生霉粒沒有增加;兩個對照倉分別從0.4%增加到1.0%和0.5%增加到1.6%。采用高濃度磷化氫熏蒸也可以有效抑制霉菌的增長,但抑制效果沒有富氮低氧好。

           3.3延緩了糧食品質劣變速度

           楊健等通過室內模擬實倉實驗結果表明,20℃-30℃條件下,維持90%以上或交替充氮的氮氣氣調方式都可以延緩稻谷和玉米脂肪酸值的增加;交替充氮延緩稻谷脂肪酸值增加的效果沒有連續維持的效果好;氮氣氣調儲藏啟封后,稻谷和玉米的脂肪酸值不會發生影響。肖建文等對充氮氣調和常規儲藏的玉米品質進行比較發現,儲藏0. 5a后,低溫條件下的充氮氣調與常規儲藏的玉米品質變化規律相近;但在35℃高溫下,充氮氣調與常規儲藏的玉米發芽率分別從最初的96%下降到87%和85%,脂肪酸值從22.4 (KOH/干基)/(mg/100g)上升到49.5 (KOH/干基)/ (mg/100g)和57.6 (KOH/干基)/(mg/100g),過氧化氫酶活動度分別從51. 2 mg/g下降到30.4mg/g和20.3 mg/g。氮氣氣調對玉米發芽率、過氧化氫酶活動度的降低及脂肪酸值的升高起到明顯的延緩作用,對保持玉米儲藏品質有明顯的優越性。金文等以常規儲藏大豆作對照,研究了不同溫度儲藏條件下充氮氣調大豆品質指標隨時間的變化情況。結果表明,在相同儲藏條件下,溫度越高,大豆品質劣變越明顯。充氮氣調優于常規儲藏,對保持大豆的儲藏品質有明顯的優越性,尤其對大豆發芽率、水溶性蛋白和氮可溶性指數的降低及脂肪酸值的升高起到明顯的延緩作用,而對粗脂肪和粗蛋白的含量變化影響不明顯。   

            在實際應用中,有很多糧庫采用了預先埋樣等方式進行品質對比驗證表明,控溫和氮氣氣調相結合保持糧食品質效果良好,脂肪酸值上升速度較常規儲藏慢,色澤、氣味正常,能延緩品質變化(粘性下降,延長儲藏期),具有一定的保水作用,更好地解決了玉米儲藏易發熱的難題。桂林直屬庫在高大平房倉平均糧溫21℃-22℃的情況下,

          三個試驗倉度夏后,稻谷脂肪酸值平均增加0.4(KOH/干基)/(mg/ 100g),兩個對照倉度夏后脂肪酸值平均增加2.4 (KOH/干基)/(mg/100g),氣調散氣后,三個氣調倉脂肪酸值平均增加0.6 (KOH/干基)/(mg/100g);湖州直屬庫對稻谷品嘗評分、脂肪酸值、色澤氣味、水分等多個指標在氣調前后進行了檢測,數據表明控溫氣調較好地保持了糧食的品質,且在啟封后未出現品質加速變化的情況;三明直屬庫8棟高大平房倉,控溫氣調度夏,平均脂肪酸值增加0. 8 (KOH/干基)/(mg/l00g)。

          4 展望

          氮氣氣調儲糧改變了儲糧害蟲防治主要依靠化學藥劑的傳統模式,是循環經濟在糧食倉儲行業的具體體現,在儲糧中實現化學藥劑的“零使用、零排放”,避免了微生物生長可能產生的真菌毒素,有利于保護生態環境和保障人民的身體健康,符合國資委推進企業節能減排工作的要求,社會、經濟、環境效益顯著,在我國南方高溫高濕地區具有較大的發展潛力。

     


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