Исследование сушки зернового материала с наложением электрогидродинамического потока на пилотной установке непрерывного действия

Введение: Современные технологии сушки зернового сырья ориентированы на повышение энергоэффективности процессов при одновременном обеспечении сохранности качественных характеристик продукции. Энергетическая эффективность сушки напрямую влияет на уровень технологической и экономической конкурентоспособности предприятий зерноперерабатывающей отрасли. В условиях роста объемов перерабатываемого сырья и, как следствие, увеличения энергетических затрат, актуализируется необходимость внедрения альтернативных методов сушки. В то же время остаётся недостаточно изученной область применения электродинамического (ЭГД) потока в процессах обезвоживания зерновых материалов, что указывает на существующий научно-технологический пробел и обуславливает необходимость проведения дальнейших исследований в данном направлении.

Цель: Изучение процесса сушки зернового материала в ЭГД потоке на пилотной установке непрерывного действия с определением эффективности сушки, потребления энергии и возможности масштабирования установки. 

Материалы и методы: В качестве объекта сушки использовали фуражное зерно пшеницы. В качестве технологии сушки с ЭГД-потоком использовали пилотную сушильную установку производительностью 50 кг/час. Установка работает по циклическому принципу, воздействуя на фуражное зерно пшеницы попеременно коронным и искровым разрядом, многократно пропуская зерновой материал через электродные блоки до достижения заданного уровня влажности. Напряженность электрического поля в зоне обработки достигала 8 кВ/см. Анализ эффективности сушки проводили путем оценки кинетики сушки, общего энергопотребления и эксергетического показателя сушки. Все эксперименты были проведены в трехкратной повторности, а результаты статистически обработаны методами ANOVA анализа.

Результаты: Показано, что наложение электрогидродинамического потока на зерновой материал вызывает комбинацию эффектов «травления» поверхности зерна с возникновением мелкоячеистой структуры и способствует объемному нагреву за счет Джоулева тепла. При сушке зерна с использование электрогидродинамического потока снижение влажности зерна за один проход в установке составило 0,28%. Удельные затраты предлагаемой установки составляют 1,85 кВт/кг влаги, что на 30% ниже по сравнению с традиционной сушкой с использованием теплового агента при аналогичных температурных условиях. 

Выводы: Установка для сушки зернового материала с наложением электрогидродинамического потока может быть использована в технических линиях малой производительности с целью подсушки или полноценной сушки зернового материала. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых сушильных установок и модернизации существующих технологий в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

1. Баскаков, И. В., Оробинский, В. И., Гиевский, А. М., Чернышов, А. В., & Чернова, О. В. (2023). Влияние процесса озонирования на качественные показатели зерна озимой пшеницы. Хранение и переработка сельхозсырья, (1), 177-189. https://doi.org/10.36107/spfp.2023.396

2. Мунассар, Е. Х. А., & Шорсткий, И. А. (2024a). Сушка зернового материала с предварительной обработкой слаботочным плазменным каналом искрового разряда. Техника и технология пищевых производств, 54(1), 116-123. https://doi.org/10.21603/2074-9414-2024-1-2493

3. Мунассар, Е. Х. А., & Шорсткий, И. А. (2024b). Зерносушильная установка на базе электрогидродинамического потока. В Передовые исследования Кубани: Сборник материалов Ежегодной отчетной конференции грантодержателей Кубанского научного фонда (с. 84-86). Краснодар: Кубанский научный фонд.

4. Смирнов, К. А., & Кузнецова, Л. В. (2020) Анализ производительности зерносушильных установок в условиях агропромышленного комплекса. Сельскохозяйственные машины и технологии, (4), 45–50.

5. Шорсткий И. А., & Мунассар Е. Х. (2023). Влияние низкотемпературной атмосферной плазмы слаботочных высоковольтных разрядов на структуру поверхности и водопоглощающую способность зернового материала. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 85(2), 23-31.

6. Ali M. E. H., Sherstykov A., & Shorstkii I. (2025). Application of cold filamentary microplasma pretreatment for wheat seeds drying. Drying Technology, 1-8. https://doi.org/10.1080/07373937.2025.2472386

7. Anukiruthika, T., Moses, J. A., & Anandharamakrishnan, C. (2021). Electrohydrodynamic drying of foods: Principle, applications, and prospects. Journal of Food Engineering, 295, 110449. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2020.110449

8. Ayeni, K. I., Atanda, O. O., Krska, R., & Ezekiel, C. N. (2021). Present status and future perspectives of grain drying and storage practices as a means to reduce mycotoxin exposure in Nigeria. Food Control, 126, 108074.https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2021.108074

9. Baldanov, B. B., Ranzhurov, T. V., Sordonova, M. N., & Budazhapov, L. V. (2020). Changes in the properties and surface structure of grain seeds under the influence of a glow discharge at atmospheric pressure. Plasma Physics Reports, 46, 110–114. https://doi.org/10.1134/S1063780X2001002X

10. Chaple, S., Sarangapani, C., Jones, J., Carey, E., Causeret, L., Genson, A., Duffy, B., & Bourke, P. (2020). Effect of atmospheric cold plasma on the functional properties of whole wheat (Triticum aestivum L.) grain and wheat flour. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 66, 102529. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2020.102529

11. Charles, A. P. R., Jin, T. Z., Mu, R., & Wu, Y. (2021). Electrohydrodynamic processing of natural polymers for active food packaging: A comprehensive review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 20(6), 6027-6056.https://doi.org/10.1111/1541-4337.12827

12. Ciprian Foronda, K. D., Gafaro Garcés, D. C., Restrepo Rendón, L., Mendoza Alvites, Y. Y., Ricardo Sagra, J. P., Orozco Mendoza, G. L., & Zartha Sossa, J. W. (2022). Electrohydrodynamic drying in agribusiness: Literature review. Frontiers in Sustainable Food Systems, 5, 761297. https://doi.org/10.3389/fsufs.2021.761297

13. de Groot, G. J. J. B., Hundt, A., Murphy, A. B., Bange, M. P., & Mai-Prochnow, A. (2018). Cold plasma treatment for cotton seed germination improvement. Scientific Reports, 8(1), 14372. https://doi.org/10.1038/s41598-018-32692-9

14. Defraeye, T., & Martynenko, A. (2018). Electrohydrodynamic drying of food: New insights from conjugate modeling. Journal of Cleaner Production, 198, 269-284. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.06.250

15. Defraeye, T., & Martynenko, A. (2018). Future perspectives for electrohydrodynamic drying of biomaterials. Drying Technology, 36(1), 1-10. https://doi.org/10.1080/07373937.2017.1326130

16. Du, Y., Yang, F., Yu, H., Xie, Y., & Yao, W. (2022). Improving food drying performance by cold plasma pretreatment: A systematic review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 21(5), 4402-4421.https://doi.org/10.1111/1541-4337.13027

17. Dubinov, A. E., Lazarenko, E. R., & Selemir, V. D. (2000). Effect of glow discharge air plasma on grain crops seed. IEEE Transactions on Plasma Science, 28(1), 180-183. https://doi.org/10.1109/27.842898

18. Iranshahi, K., Onwude, D. I., Rubinetti, D., Martynenko, A., & Defraeye, T. (2022). Scalable electrohydrodynamic drying configuration for dehydrating biological materials at industrial scale. Engineering Archive, 30(2), 1-14. https://doi.org/10.31224/2328

19. Jiang, H., Lin, Q., Shi, W., Yu, X., & Wang, S. (2022). Food preservation by cold plasma from dielectric barrier discharges in agri-food industries. Frontiers in Nutrition, 9, 1015980.https://doi.org/10.3389/fnut.2022.1015980

20. Li, L., Jiang, J., Li, J., Shen, M., He, X., Shao, H., & Dong, Y. (2014). Effects of cold plasma treatment on seed germination and seedling growth of soybean. Scientific Reports, 4(1), 1–7. https://doi.org/10.1038/srep05859

21. Los, A., Ziuzina, D., Boehm, D., Cullen, P. J., & Bourke, P. (2019). Investigation of mechanisms involved in germination enhancement of wheat (Triticum aestivum) by cold plasma: Effects on seed surface chemistry and characteristics. Plasma Processes and Polymers, 16(4), 1–12. https://doi.org/10.1002/ppap.201800148

22. Malekjani, N., & Jafari, S. M. (2018). Simulation of food drying processes by Computational Fluid Dynamics (CFD); Recent advances and approaches. Trends in Food Science & Technology, 78, 206-223. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2018.06.006

23. Ohta, T. (2016). Chapter 8 - Plasma in agriculture. In N. N. Misra, O. Schlüter, & P. J. Cullen (Eds.), Cold plasma in food and agriculture (pp. 205–221). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801365-6.00008-1

24. Paul, A., & Martynenko, A. (2021). Electrohydrodynamic drying: Effects on food quality. Drying Technology, 39(11), 1745-1761.https://doi.org/10.1080/07373937.2021.1906694

25. Paziuk, V., Vyshnevskiy, V., Tokarchuk, O., & Kupchuk, I. (2021). Substantiation of the energy efficient schedules of drying grain seeds. Bulletin of the Transilvania University of Brasov. Series II: Forestry. Wood Industry. Agricultural Food Engineering, 14(63), 137-146. https://doi.org/10.31926/but.fwiafe.2021.14.63.2.13

26. Randeniya, L. K., & de Groot, G. J. J. B. (2015). Non-thermal plasma treatment of agricultural seeds for stimulation of germination, removal of surface contamination and other benefits: A review. Plasma Processes and Polymers, 12(7), 608–623. https://doi.org/10.1002/ppap.201500042

27. Scholtz, V., Šerá, B., Khun, J., Šerý, M., & Julák, J. (2019). Effects of nonthermal plasma on wheat grains and products. Journal of Food Quality, 7917825. https://doi.org/10.1155/2019/7917825

28. Šerá, B., Scholtz, V., Jirešová, J., Khun, J., Julák, J., & Šerý, M. (2021). Effects of non-thermal plasma treatment on seed germination and early growth of leguminous plants - A review. Plants, 10(8), 1616.https://doi.org/10.3390/plants10081616

29. Sharma, M., Kumar, A., & Guleria, C.(2023) Plasma agriculture: Pioneering sustainability through a revolutionary agricultural approach. Indian Farming, 73(10), 17-20. https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.02273

30. Šimek, M., & Homola, T. (2021). Plasma-assisted agriculture: history, presence, and prospects - Aa review. The European Physical Journal D, 75, 1-31. https://doi.org/10.1140/epjd/s10053-021-00206-4

31. Singh, A., Orsat, V., & Raghavan, V. (2012). A comprehensive review on electrohydrodynamic drying and high-voltage electric field in the context of food and bioprocessing. Drying Technology, 30(16), 1812-1820. https://doi.org/10.1080/07373937.2012.708912

32. Stolárik, T., Henselová, M., Martinka, M., Novák, O., Zahoranová, A., & Černák, M. (2015). Effect of low-temperature plasma on the structure of seeds, growth and metabolism of endogenous phytohormones in pea (Pisum sativum L.). Plasma Chemistry and Plasma Processing, 35(4), 659–676. https://doi.org/10.1007/s11090-015-9627-8