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我国氮气气调储粮研发和推广应用进展

发布日期:2017-08-28 12:58 来源:本站 有181 人浏览

    我国氮气气调储粮研发和推广应用进展
    李丹丹1,李浩杰1,张志雄2,周浩1,宫庆3
    (1中储粮成都粮食储藏科学研究所;2洛阳市粮油监督检测站;3中央储备粮威海直属库)
    《粮油仓储科技通讯》 2015,31(5)
           摘要:介绍了氮气气调储粮的基本原理、技术工艺、技术优势,并与二氧化碳气调储粮技术进行了对比,进一步阐述氮气气调储粮的技术特点。从氮气气调应用的历史回顾、规模发展、工艺改进、应用效果等方面分析了这种绿色份储粮技术,并对其应用前景进行展望。
           粮食是人类赖以生存和发展的基础,在人民生活和国民经济发展中,具有特殊的地位和作用。目前我国粮食以常规储藏为主,主要储粮技术为“四合一”技术(即:粮情测控技术、环流熏蒸技术、机械通风技术、谷物冷却技术),在储粮害虫防治方面主要为化学防治,长期依赖于磷化氢熏蒸,带来了诸多问题,如害虫抗药性增加,环境污染风险,对操作人员的健康危害以及不能满足人们对绿色、无公害、无污染粮油的迫切需要等。当前,世界各国对食品安全和环境保护越来越重视,对用于储粮害虫防治化学药剂的限制日益严格,经济发达国家已逐步减少化学药剂在储粮上的使用。世界粮农组织要求各成员国在二十一世纪逐步减少直至全部禁止在粮食储藏过程中使用化学药剂,提倡开展绿色储粮,减少化学药剂对储粮和环境的污染,以达到最大限度地保持粮食的品质,满足广大消费者对绿色食品日益增长的需要。粮食的储藏方式逐步向低温、气调、物理和生物综合防治等绿色储粮方向发展。
           气调储粮是公认的绿色储粮技术,既能保证粮食品质、延缓储粮品质劣变、抑制虫霉孳生、减少化学药剂污染,还能大大提高企业经济效益和社会效益,是符合我国国情的绿色储粮技术之一。因此,以储粮生态系统理论为基础,充分应用气调储粮技术与低温储粮技术相结合的控温气调储粮经济运行模式,成为我国绿色储粮技术发展方向。
          1 氮气气调储粮基本原理和技术优势
          1.1基本原理   
    氮气气调储粮是从空气中分离出高浓度氮气,通过供气管道,充入气密性达标的粮仓中,置换出粮堆内的氧气,长期保持高浓度氮气,在粮堆内形成不利于害虫、霉菌生长繁殖的生态环境,减弱粮食自身的呼吸代谢,实现虫霉物理防治、延缓粮食品质劣变、抑制发热生霉等安全储粮的目的。利用空气来制取氮气有化学方法和物理方法两种途径。   
    化学制氮方法是将燃料在空气中燃烧,将空气中的氧气耗尽,从而得到氮气。木材或柴油燃烧循环降氧技术、丙烷燃烧循环降氧技术都曾应用于储粮过程,但由于这类方法仅可以将储粮环境中的氧气浓度降至5%左右,尚不能起到杀虫抑菌的作用,而且还可能产生安全隐患和烟尘污染,因此目前已很少使用。   
    物理制氮方法主要有深冷法、变压吸附法和膜分离法等三种方法(其中吸附法和膜分离法又称为非深冷法)。变压吸附法具有工艺简单可靠,设备结构紧凑、占地面积小、投资省、安全性好、维修率低,气体生产成本低、纯度和产量易于调整等优点,目前规模较大的氮气气调储粮一般采用变压吸附法。
          1.2氮气气调储粮与二氧化碳气调储粮相比的技术优势   
    氮气气调储粮与二氧化碳气调储粮有诸多的相同点,二者对仓房气密性的要求都高,在GB/T25229-2011中都要求500 Pa降至250 Pa的半衰期在300s以上。氮气气调储粮与二氧化碳气调储粮均能达到较好的杀虫效果,均有一定的保鲜作用,都是绿色环保的储粮害虫防治技术,均可实现免磷化铝熏蒸,既避免员工接触有毒气体,又避免了粮食对熏蒸气体的吸附,对保持粮食品质和减少大气污染都具有积极作用。
          氮气气调储粮较二氧化碳气调储粮具以下两点优势:一是二氧化碳气源需要经过复杂的渠道或较复杂的工艺设备才能获得,而且需要气体输送或者大型的液态气体储备罐,因而限制了二氧化碳气调的推广应用;氮气气调的气源直接利用空气分离得到,制氮设备及充氮作业相对简单。二是氮气气调储粮与二氧化碳气调储粮的运行成本差异较大,杨昭等研究发现,二氧化碳气调储粮的保管费用高于普通常规仓,吨粮费用为2.27元;氮气气调储粮吨粮电费为0.80元,略高于0.73元/t的熏蒸费用。
          2氮气气调储粮技术研究进展
    从上世纪六十年代末,我国就开展了低氧储粮的室内研究和小规模实仓试验。一是用塑料薄膜密闭粮堆,靠粮食自身呼吸作用耗去粮堆的氧气,达到杀虫、抑菌的目的,也称自然降氧储粮。二是在密闭的粮堆内抽去空气,充入氮气,也称充氮储粮。随着制氮技术的快速发展,中央储备粮南京直属库和广西防城港国家粮食储备库分别在2004年和2005年开始实仓应用试验,效果良好。2008年第八届国际储藏物气调与熏蒸大会在中国成都召开,36个国家的多位国内专家学者共同交流气调技术成就和发展方向,对中国气调技术取得的成果给予了高度的评价,也进一步推动了该技术的发展。
          2.1专有高效节能制氮设备的研发
          目前,非深冷氮氧分离工艺包括变压吸附碳分子筛制氮和中空纤维膜分离制氮,两种工艺整机装配在国内均有技术成熟的规模化生产厂家,但没有适合我国粮库使用、能耗低的专有制氮设备。中储粮成都储藏所与大连力德合作,针对变压吸附和膜分离两种工艺、固定式和移动式两种供气方式开展了应用试验,在系统分析建设应用各种模式优缺点的基础上,提出了固定式变压吸附制氮设备。特别是2009年提出以空压机不卸载设计制氮机的新理念,通过技术攻关和反复应用试验,开发出高产气、低能耗、一键启动和远程自控的气调储粮专用变压吸附制氮设备。
          该设备在我国制氮行业首次设计了减小制氮吸附剂对吸附床的床层阻力的工艺,提高了气体分离效率;对均压工艺进行改进,在均压管路中首次设计了独特的节流装置,减小了变压吸附制氮装置制氮纯度的敏感性,提高制氮效率;设计、开发了并流泄压装置,减少引入产品氮气用于再生阶段的清洗气量,节省清洗用产品氮气从而增大装置的氮气产量;设计的吸附塔中部和底部同时并流泄压的方式,使得吸附剂解吸再生更加彻底,此方式居我国变压吸附制氮行业领先水平;设计开发的储粮用高性能变压吸附制氮装置节能效果优异,在产气量相同情况下,与常规制氮装置相比,可分别节约能耗40%和43%,在我国粮食行业属于首创。
          2.2氮气气调智能化控制
          氮气气调储粮智能控制系统采用无线方式进行通信,由控制中心系统、制氮机房控制系统及仓房侧控系统组成,将充氮储粮过程中的充气、排气、环流、氮浓度平衡、氮浓度检测、仓房气密性检测等繁杂工作和人工手动难以操控的工作流程以及先进的充氮工艺编成计算机程序进行智能化控制。该系统实现了氮气气调全过程智能化控制,够将储粮仓房的氮气充至78%-99.5%之间的任意设定浓度,具有上充下排、下充上排、边充边排、上充、下充、环流平衡等多种充氮模式和工艺,能够通过自动检测仓内氮气浓度来判断自动启动或停止制氮机、自动开启或关闭相关阀门,解决了氮气气调储粮作业时间长、劳动强度大、关联设备及工艺参数多、可能出现误操作等问题。李在刚等在华北地区玉米氮气气调智能控制应用试验表明,氮气气调储粮智能控制系统实现了气调作业的自动化,测控精准、操作简单、运行稳定可靠,粮堆内氮气气调均匀有效,虫霉防治等应用效果达到预期。
          2.3充气工艺的不断改进
          孙相荣等在密闭的模拟仓中采用上充下排和下充上排的充氮方式进行试验,一次性充气使粮堆内达到98%的氮气浓度,玉米中氮气的进气量需要达到粮堆密闭体积的0.806倍,稻谷是0.861倍,而小麦是0.774倍,相应地所需耗电量玉米为0. 3 kW·h/t,稻谷0.4 kW·h八,而小麦0.25kW·h/t。使粮堆内一次性充气达到95%的氮气浓度,玉米约需要耗电0.25 kW·h/t,稻谷0.24kW·h/t,小麦0. 15 kW·h/t。
          结合实仓应用情况,充气工艺主要有稀释法、置换法和强排法三种,三种充气工艺均可实现气调杀虫、气调防虫、气调储藏的目的,只是不同的充气工艺能耗有所差别。从表1可以看出,当粮堆氮气浓度达到98%时,强排法所需氮气量仅为粮堆空间体积的2-3倍,明显低于置换法和稀释法;采用强排法,粮堆各点氮气浓度相对均匀、无需环流,而采用置换法和稀释法时粮堆各点氮气浓度不均匀、需环流;采用强排法,粮堆氮气浓度容易达到98%,对仓房气密性要求较低,而采用置换法和稀释法,粮堆氮气较难达到98%的浓度,与仓房气密性相关性大。强排充气工艺不仅对仓库气密要求有所降低,同时可以在不环流状态下氮气浓度达到比较均匀,达到98%的浓度也较为容易,
           充气时间也比其他两种充气工艺缩短了近一半时间,是目前较为理想经济的充气工艺。
          表1 不同充气方式效果比较

            2.4提高仓房气密性
            气调储粮的使用效果与仓房气密性密切相关,要取得良好的气调杀虫、防虫、抑菌剂延缓品质变化效果,就必须使仓内的氮气浓度达到理想浓度以上,并在该浓度下维持一定的时间。由于我国绝大部分仓房是在2000年左右建设,气密性达不到气调储粮的要求,迫切需要提高仓房的气密性。基于此创新研制了一种粮仓覆膜密闭系统并创新提出了橡胶软管内充气处理新工艺,可实现仓房五面挂膜密封,大大提高了仓房气密性,减轻了劳动强度,从实用性角度提升了储粮技术水平。中央储备粮三明直属库采用该技术氮气气调储粮情况表明,高大平房仓屋面密封是加强气密性的有效措施,实仓挂膜能有效减轻劳动强度;气调储粮的效果与仓房气密性密切相关,气密性越好,虫霉防治效果越好,运行成本越低。
           3氮气气调储粮应用效果
           3.1有效防治储粮害虫
           目前研究认为,高纯氮气环境中,试虫完全依赖体内储存的能源物质维持生命,其体内能源物质的耗尽和有毒物质的积累导致昆虫死亡。昆虫的种类不同、组织和生理状态不同,其能源物质的储存必然存在一定的差异。氮气气调防治害虫的效果与粮堆气体浓度、处理时间以及仓房的气密性有着密切的关系。国内外学者做了大量的理论研究表明20~29℃,氧气含量低于1%的条件下,致死锯谷盗需要1d以上时间,谷蠹需要超过4d,米象需要超过14d,赤拟谷盗和杂拟谷盗需要7d以上。蛀食性害虫中的谷蠹、谷象和米象成虫对不同氧气含量低氧环境的忍耐性普遍比锈赤扁谷盗、锯谷盗和赤拟谷盗更强,在防治中需要更长的处理时间才能达到理想的效果。试虫对高纯氮气环境的忍耐能力由大到小的排列顺序为:玉米象>米象>谷蠹>赤拟谷盗(中山品系)>杂拟谷盗>赤拟谷盗(益阳品系)>嗜卷书虱>锯谷盗。
           考虑到仓房泄露等气密性不足的问题,为了在生产中取得理想的害虫防治效果,理论上需要在低氧环境中暴露至少14 d,莫代亮等使用膜降氧机组在储藏4900 t玉米的高大平房仓开展低氧防治储粮害虫实仓试验,将粮仓氧气浓度降至2%,经过新收获玉米粮堆的自然降氧,使粮堆中氧气浓度一直维持在1%以下超过15 d,散气后检查人为放置于粮堆内部的布袋试虫笼中的试虫死亡率,赤拟谷盗、锯谷盗、谷蠹、米象和玉米象的成虫100%死亡。由此可见,氮气气调能有效地防治储粮害虫,解决了常规储粮对熏蒸药剂磷化铝的单一依赖、害虫抗性增强的难题,为储粮害虫抗性治理提供了新方法。
           3.2对好氧微生物的显著抑制效果
           实验室及实仓应用实践证明:在安全水分条件下,当氧浓度下降到2%以下时,对大多数好氧性霉菌具有明显的抑制作用;当氧浓度低于1%时,不仅控制了储藏物的代谢,也明显地影响到微生物的代谢活动。但是有些霉菌可忍耐低氧环境,如灰绿曲霉、米根霉能在0.2%氧浓度下生长,厌氧性霉菌如毛霉、根霉、镰刀菌等亦能在低氧环境中生长。吴卫平等研究发现富氮低氧储存前后,试验仓玉米生霉粒没有增加;两个对照仓分别从0.4%增加到1.0%和0.5%增加到1.6%。采用高浓度磷化氢熏蒸也可以有效抑制霉菌的增长,但抑制效果没有富氮低氧好。
           3.3延缓了粮食品质劣变速度
           杨健等通过室内模拟实仓实验结果表明,20℃-30℃条件下,维持90%以上或交替充氮的氮气气调方式都可以延缓稻谷和玉米脂肪酸值的增加;交替充氮延缓稻谷脂肪酸值增加的效果没有连续维持的效果好;氮气气调储藏启封后,稻谷和玉米的脂肪酸值不会发生影响。肖建文等对充氮气调和常规储藏的玉米品质进行比较发现,储藏0. 5a后,低温条件下的充氮气调与常规储藏的玉米品质变化规律相近;但在35℃高温下,充氮气调与常规储藏的玉米发芽率分别从最初的96%下降到87%和85%,脂肪酸值从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),过氧化氢酶活动度分别从51. 2 mg/g下降到30.4mg/g和20.3 mg/g。氮气气调对玉米发芽率、过氧化氢酶活动度的降低及脂肪酸值的升高起到明显的延缓作用,对保持玉米储藏品质有明显的优越性。金文等以常规储藏大豆作对照,研究了不同温度储藏条件下充氮气调大豆品质指标随时间的变化情况。结果表明,在相同储藏条件下,温度越高,大豆品质劣变越明显。充氮气调优于常规储藏,对保持大豆的储藏品质有明显的优越性,尤其对大豆发芽率、水溶性蛋白和氮可溶性指数的降低及脂肪酸值的升高起到明显的延缓作用,而对粗脂肪和粗蛋白的含量变化影响不明显。   
           在实际应用中,有很多粮库采用了预先埋样等方式进行品质对比验证表明,控温和氮气气调相结合保持粮食品质效果良好,脂肪酸值上升速度较常规储藏慢,色泽、气味正常,能延缓品质变化(粘性下降,延长储藏期),具有一定的保水作用,更好地解决了玉米储藏易发热的难题。桂林直属库在高大平房仓平均粮温21℃-22℃的情况下,
          三个试验仓度夏后,稻谷脂肪酸值平均增加0.4(KOH/干基)/(mg/ 100g),两个对照仓度夏后脂肪酸值平均增加2.4 (KOH/干基)/(mg/100g),气调散气后,三个气调仓脂肪酸值平均增加0.6 (KOH/干基)/(mg/100g);湖州直属库对稻谷品尝评分、脂肪酸值、色泽气味、水分等多个指标在气调前后进行了检测,数据表明控温气调较好地保持了粮食的品质,且在启封后未出现品质加速变化的情况;三明直属库8栋高大平房仓,控温气调度夏,平均脂肪酸值增加0. 8 (KOH/干基)/(mg/l00g)。
          4 展望
          氮气气调储粮改变了储粮害虫防治主要依靠化学药剂的传统模式,是循环经济在粮食仓储行业的具体体现,在储粮中实现化学药剂的“零使用、零排放”,避免了微生物生长可能产生的真菌毒素,有利于保护生态环境和保障人民的身体健康,符合国资委推进企业节能减排工作的要求,社会、经济、环境效益显著,在我国南方高温高湿地区具有较大的发展潜力。
     

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