水稻種子機(jī)械化干燥技術(shù)及裝備研究現(xiàn)狀與發(fā)展探討

廖 騫，劉大為，王修善

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省智能農(nóng)機(jī)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

水稻是我國(guó)主要的糧食作物。 水稻種子質(zhì)量對(duì)于水稻的產(chǎn)量有著極為重要的意義。目前，我國(guó)對(duì)糧食干燥的研究比較多，而對(duì)于水稻種子干燥技術(shù)的研究相對(duì)較少。種子和水稻谷物的干燥有著明顯的差異。水稻的種子主要用來(lái)繁殖，因此，種子干燥應(yīng)注重保持其活性質(zhì)量，而糧食主要用來(lái)食用，谷物干燥應(yīng)注重保證口感和營(yíng)養(yǎng)。水稻種子收獲時(shí)間比正常的水稻谷物收獲時(shí)間早。水稻種子在收獲時(shí)的含水率都比較高，必須及時(shí)將水稻種子的含水率降低到13%左右。如果不及時(shí)干燥，水稻種子將會(huì)因發(fā)熱變質(zhì)而失去育種價(jià)值，造成不必要的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)水稻種子的機(jī)械干燥率約為30%[1]。我國(guó)水稻種子的機(jī)械干燥技術(shù)還有很大的發(fā)展研究空間。

1 水稻種子的干燥工藝

水稻種子和水稻谷物相比有著特殊的工藝要求。干燥溫度過(guò)高，容易破壞種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使種子失去育種價(jià)值。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水稻種子的最佳干燥溫度進(jìn)行了研究。王攀[2]研究表明，種子活力指數(shù)最高時(shí)的干燥溫度為 45 ℃，隨著干燥溫度的升高，種子的發(fā)芽率會(huì)明顯降低，種子的導(dǎo)電率會(huì)增加，種子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度的增加受到破壞。OYOH和MENKITI[3]研究表明，40 ℃是水稻種子干燥的最佳溫度，能夠更好地保證種子的活性。HASAN等人報(bào)道水稻種子在干燥溫度超過(guò)40 ℃以后發(fā)芽率會(huì)一直下降[4]。張銀[5]研究表明，在干燥過(guò)程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種子的溫度，在谷物溫度超過(guò) 34 ℃后，種子的發(fā)芽率明顯下降；當(dāng)干燥溫度為 40 ℃時(shí)，種子溫度約為 34 ℃，因此，水稻種子干燥時(shí)干燥溫度應(yīng)不超過(guò) 40 ℃，這樣才能有效保障水稻種子的發(fā)芽率。

除了對(duì)干燥溫度進(jìn)行研究以外，還有很多專家對(duì)水稻種子干燥其他方面的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究。HERTER和BURRIS[6]研究發(fā)現(xiàn)，影響種子干燥質(zhì)量最主要的因素是干燥溫度和干燥速度。MCDONALD和COPELAND[7]干燥玉米種子時(shí)發(fā)現(xiàn)，水分較高的種子在干燥時(shí)更加容易受到熱損失。他們建議進(jìn)行分段干燥，先在低溫下干燥高水分的種子，當(dāng)種子含水率為20%左右時(shí)提高干燥溫度到46 ℃，然后進(jìn)行后續(xù)干燥。諸凱等[8]研究表明，在干燥種子的過(guò)程中，對(duì)種子施加一定頻率的振動(dòng)能夠加快種子內(nèi)部水分的流失，進(jìn)一步得到優(yōu)質(zhì)的干燥效果。

隨著水稻種子干燥時(shí)間的增加，其內(nèi)外部水分差不斷增加，產(chǎn)生應(yīng)力后會(huì)使種子產(chǎn)生裂紋而影響種子的品質(zhì)，因此在種子干燥過(guò)程中應(yīng)該增加緩蘇處理。干燥一段時(shí)間后進(jìn)行緩蘇處理，能夠使種子內(nèi)部水分向外層滲透，使種子內(nèi)外層水分含量均勻，減少水分差，從而降低產(chǎn)生裂紋的可能性。相關(guān)研究表明[9-11]，緩蘇處理對(duì)于提高干燥效率、提升干燥品質(zhì)有極大幫助。王攀[2]研究表明，長(zhǎng)時(shí)間的高溫干燥會(huì)降低種子的活力；干燥一段時(shí)間后再進(jìn)行5～20 min的緩蘇處理，種子活力不會(huì)下降。緩蘇處理能夠減少種子在干燥過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力裂紋，并且能夠避免種子長(zhǎng)時(shí)間處于高溫干燥的環(huán)境中，減少種子的熱損害。

2 水稻種子干燥技術(shù)

目前水稻種子的干燥技術(shù)可以分為自然晾曬干燥和機(jī)械干燥兩大類[12]。自然晾曬干燥主要是利用太陽(yáng)光直接照射水稻種子表面來(lái)進(jìn)行干燥,達(dá)到降低水稻種子水分的目的。由于自然晾曬干燥容易受到氣候、場(chǎng)地等多方面因素的影響，所以無(wú)法滿足大規(guī)模的制種要求。在水稻種子機(jī)械干燥技術(shù)中，運(yùn)用最廣泛、最成熟的是熱風(fēng)干燥技術(shù)。除此之外，還有干燥劑干燥、微波干燥等技術(shù)。

2.1 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的一種干燥技術(shù)。根據(jù)熱風(fēng)與被干燥物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熱風(fēng)干燥可以分為順流、逆流、混流三種。其原理是利用燃燒煤炭、空氣源熱泵、太陽(yáng)能等先將空氣加熱，然后將待干燥物與加熱好的空氣接觸，實(shí)現(xiàn)干燥。熱風(fēng)干燥是我國(guó)種子干燥的主要方法[13]。熱風(fēng)干燥處理量大，便于實(shí)行大規(guī)模制種，成本低，設(shè)備完善，但干燥過(guò)程中失水較快，容易破壞種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且熱風(fēng)干燥容易造成干燥不均勻[14]。

2.2 干燥劑干燥

干燥劑干燥是目前世界上各國(guó)用來(lái)獲得超干種子的一種常用處理方法。干燥劑以硅膠和生石灰(氧化鈣)為主，其中氧化鈣干燥速率通常比硅膠要快[15]。干燥劑干燥所需時(shí)間受多方面的因素影響，包括干燥劑和種子的比例、種子種類、干燥劑種類等。許美玲[16]在研究煙草種子超干干燥時(shí)發(fā)現(xiàn)超干燥處理和儲(chǔ)藏也適合處理和保存大量種子，并且證實(shí)了煙草種子在超干燥的條件下壽命可達(dá)25年。

2.3 微波干燥

目前，許多產(chǎn)品都成功應(yīng)用微波干燥技術(shù)并取得了一定經(jīng)濟(jì)效益[15]。微波干燥具有干燥時(shí)間短、設(shè)備節(jié)能高效、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)。廖慶喜等[17]進(jìn)行發(fā)芽實(shí)驗(yàn)表明，微波干燥能夠激發(fā)種子的活力，增加種子的發(fā)芽勢(shì)。隨著研究的進(jìn)一步發(fā)展，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)將微波干燥和其他干燥方式組合在一起比單純的微波干燥無(wú)論在干燥時(shí)間、干燥質(zhì)量等方面都更具優(yōu)勢(shì)[18-20]。

3 水稻種子干燥裝備

現(xiàn)階段我國(guó)在水稻種子干燥裝備方面相比國(guó)外差距明顯，干燥裝備的質(zhì)量、數(shù)量、智能自動(dòng)化水平不如國(guó)外，且存在干燥工藝研究不足，干燥裝備的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定不全面等問(wèn)題。目前我國(guó)還沒(méi)有專門(mén)用于干燥水稻種子的干燥機(jī)，使用的都是用于糧食干燥的低溫干燥機(jī)。國(guó)外先進(jìn)的水稻種子烘干裝備對(duì)我國(guó)水稻種子烘干機(jī)的研究發(fā)展有著重要意義，目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)主要種子烘干機(jī)根據(jù)其原理可以分為4大類。

3.1 橫流式干燥機(jī)

傳統(tǒng)的橫流式谷物干燥機(jī)是一種讓谷物豎直運(yùn)動(dòng)，使熱風(fēng)橫向通過(guò)谷物層，實(shí)現(xiàn)谷物干燥的機(jī)械，如圖1所示。該類型烘干機(jī)一般設(shè)有兩個(gè)風(fēng)室，上層為熱風(fēng)室，下層為冷風(fēng)室，谷物由輸送機(jī)運(yùn)送到入料口，然后靠重力落下經(jīng)干燥層、冷卻層，最后排出谷物在干燥機(jī)內(nèi)干燥的時(shí)間和速度取決于排糧輪的轉(zhuǎn)速。橫流式干燥機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易被農(nóng)民接納。它的主要缺點(diǎn)是進(jìn)風(fēng)側(cè)的種子與出風(fēng)側(cè)的種子干燥不均勻，熱能利用率較低[22-24]。目前我國(guó)橫流式干燥機(jī)主要有循環(huán)橫流塔式烘干機(jī)和靜態(tài)臥式干燥機(jī)。

3.2 順流式干燥機(jī)

順流式谷物干燥機(jī)的谷物運(yùn)動(dòng)方向與熱風(fēng)的流向相同，目前大多數(shù)順流式干燥機(jī)都設(shè)有多級(jí)的干燥層，各級(jí)干燥層之間都設(shè)有緩蘇層。圖2為二級(jí)順流式干燥機(jī)的工作示意圖，谷物首先經(jīng)過(guò)輸送運(yùn)送到干燥機(jī)的頂端，通過(guò)篩網(wǎng)落下，經(jīng)過(guò)一級(jí)干燥，二級(jí)干燥，冷卻層冷卻，最后通過(guò)卸糧螺旋排出。順流干燥解決了谷物干燥不均勻的問(wèn)題，干燥質(zhì)量好，熱利用率相比橫流式提高了30%左右。但是其機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本相比其他干燥機(jī)械高，采用多級(jí)干燥，一級(jí)入風(fēng)口位置較高，所以需要大功率的風(fēng)機(jī)[22-24]。

圖2 二級(jí)順流式干燥機(jī)

3.3 逆流式干燥機(jī)

逆流式干燥機(jī)是種子與熱風(fēng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的一種干燥機(jī)械，如圖3所示。逆流式干燥機(jī)的熱利用率比較高，從排風(fēng)口排出的空氣中的水分已經(jīng)接近飽和狀態(tài)[22-24]。李長(zhǎng)友[25]等根據(jù)南方地區(qū)的高平均溫度(24～38 ℃)、高濕度的環(huán)境，設(shè)計(jì)了一款5HN-15連續(xù)式逆流干燥機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)逆流式干燥機(jī)

圖4 5HN-15連續(xù)式逆流干燥機(jī)

3.4 混流式干燥機(jī)

混流式干燥機(jī)是指種子受到多種流向的熱風(fēng)混和干燥的一種干燥裝備，也是目前國(guó)外發(fā)展最完善、應(yīng)用最廣泛的干燥裝備，傳統(tǒng)混流式干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5所示?；炝魇礁稍餀C(jī)內(nèi)部有許多排氣角盒與進(jìn)氣角盒，以實(shí)現(xiàn)種子與熱風(fēng)的混合干燥?；炝魇礁稍餀C(jī)的通用性強(qiáng)，可適用于多種谷物和種子的干燥，干燥效果好[26]，隨著技術(shù)的發(fā)展其功能逐步增強(qiáng)。目前我國(guó)用于水稻種子干燥的混流式干燥機(jī)主要有混流靜態(tài)房式烘干機(jī)和混流循環(huán)塔式烘干機(jī)。

圖5 傳統(tǒng)混流式干燥機(jī)

除了上述4種主要的種子烘干機(jī)以外，國(guó)內(nèi)外許多研究人員還研制了其他種子干燥機(jī)。GILL R S,SINGH S, SINGH P P研制了一臺(tái)專為種子薄層干燥的干燥劑種子干燥機(jī)[27]，一次性可以干燥 2 kg種子。該干燥機(jī)由空調(diào)控制單元和種子干燥室兩部分組成，該干燥機(jī)的原理是利用干燥劑進(jìn)行空氣除濕，然后再在低溫條件下用除濕空氣進(jìn)行干燥，這樣能使種子在不降低發(fā)芽率的同時(shí)保持種子的低含水量。SOONTARAPA和ARNUSAN設(shè)計(jì)了一款殼聚糖膜干燥器[28]。該類型的干燥器通過(guò)蒸汽滲透過(guò)程除去潮濕空氣中的水蒸氣，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中殼聚糖膜干燥器能夠完美的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱風(fēng)干燥器，在1～2 h將水稻的含水量從23%降低到16%和13.5%左右，而傳統(tǒng)自然晾曬只能夠?qū)⒑繌?3%降低到17.5%和14.5%左右，在40 ℃的熱風(fēng)干燥機(jī)中也只能夠?qū)⒑繌?1.5%降低到17.4%和15%左右。GULANDAZ等人研制一款太陽(yáng)能水稻種子干燥機(jī)[29]，該干燥機(jī)是一款容量為 500 kg的混合太陽(yáng)能種子干燥機(jī)，能在太陽(yáng)光照和非太陽(yáng)光照期間利用儲(chǔ)存或備用能量進(jìn)行干燥，該類型的干燥機(jī)適用于太陽(yáng)輻射充足的地方。除了采用太陽(yáng)能以外，目前西方國(guó)家都開(kāi)始積極轉(zhuǎn)型，以天然氣或者空氣源熱泵等清潔能源作為主要的熱源[30]，空氣源熱泵具有高效節(jié)能、無(wú)污染零排放、干燥質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在近年逐步得到發(fā)展[30-32]。

4 發(fā)展趨勢(shì)及討論

(1)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主流水稻種子烘干機(jī)都是采用熱風(fēng)干燥，但是也存在其他干燥方法，例如用除濕空氣對(duì)水稻種子進(jìn)行干燥，先用各種辦法將空氣除濕，然后用含水量很低的空氣對(duì)水稻種子進(jìn)行干燥，這樣能夠避免種子處于高溫環(huán)境，很好地保護(hù)種子，在低溫的環(huán)境中也能將水稻種子含水量降低。這種干燥方法以后將會(huì)是水稻種子干燥的發(fā)展趨勢(shì)。

(2)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外的干燥機(jī)大多都是以煤炭為主要熱源，對(duì)環(huán)境的污染比較嚴(yán)重，隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境的重視，環(huán)保型的科技將成為主流。目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家主要以天然氣和空氣源熱泵為主要熱源，除了這兩種應(yīng)用比較成熟的清潔能源外，還有正在研制中的太陽(yáng)能、微波能等都將成為行業(yè)發(fā)展的主流，環(huán)保性干燥機(jī)將得到飛速發(fā)展。

(3)目前干燥機(jī)基本都是中大型干燥機(jī)，并且還需蓋烘干房，配套380 V的工業(yè)電源，這提高了許多丘陵地區(qū)，中小散農(nóng)戶的使用難度。因此要大力發(fā)展小型家用烘干機(jī)，在設(shè)計(jì)研制小型烘干機(jī)時(shí)，應(yīng)該以移動(dòng)方方便、干燥范圍廣、一機(jī)多用、功率低等為優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行研發(fā)。隨著科技的發(fā)展，小型干燥機(jī)將成為干燥機(jī)行業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

(4)目前隨著5G技術(shù)的發(fā)展，智能化、無(wú)人化是全世界各大科技領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，水稻種子烘干機(jī)的研發(fā)也要緊跟時(shí)代的腳步。烘干機(jī)需要更加準(zhǔn)確的智能測(cè)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地對(duì)烘干過(guò)程中的種子含水量、種子溫度、熱風(fēng)溫度等關(guān)鍵因素進(jìn)行檢測(cè)，然后反饋給熱風(fēng)機(jī)、出風(fēng)口等機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)烘干過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。