低温储粮关键技术研究现状及发展前景

2021-04-17张兵刘博周涛甘平洋陈渠玲李娜

食品工业 2021年1期

张兵，刘博*，周涛，甘平洋，陈渠玲，李娜

1. 中南粮油食品科学研究院有限公司（长沙 410008）；2. 湖南粮食集团有限责任公司（长沙 410008）；3. 湖南农业大学食品科学技术学院（长沙 410128）

中国是世界上人口最多的国家，粮食总产量大，但人均粮食占有量少，原粮日需量大，粮食安全问题严峻[1]。粮食在储藏期间易受非生物因子（O2、温度、水分等）和生物因子（虫、霉、鼠）的影响，如何安全有效地储藏小麦、稻谷和玉米等原粮，延长其储藏期，并在储藏期间保持其良好品质是储粮工作人员的重点研究方向[2]。温度是决定储粮稳定性的重要因素，在各种科学保粮活动中，低温储粮无疑是首要手段，且低温储粮作为一种绿色储粮技术一直备受国内外储粮界重视[3]。低温储粮技术不仅能限制有害生物因子的生命活动，避免粮食劣变、陈化，还可有效保障粮食的加工和食用品质。此外，低温储粮可有效减少甚至避免化学药剂的使用，既解决粮食表面药物残留的问题，又降低环境污染，是粮食行业最具发展前景的绿色储粮技术之一[4]。

1 低温储粮关键技术

1.1 隔热保冷技术

粮仓的隔热性能直接关系到粮食储存的难易程度，通过加强粮仓围护结构的隔热性能，能够达到节约能耗、维持粮仓温度的效果。据相关资料显示，仓房维护结构能够减少机械制冷中30%～35%的冷量被消耗[5]。常用的隔热保冷技术主要包括粮面压盖和仓房改造。冷本好等[6]通过对高大平房仓散装玉米采取稻壳包压盖、保温棉毯压盖和无压盖3种方式对比得出，使用稻壳包压盖经济合理，对延缓粮温升高、保持粮食品质相对稳定能起到更好作用。丁光志等[7]采用聚苯乙烯（EPS）泡沫板进行粮面压盖试验表明，试验仓的粮温要比对照仓的粮温上升幅度低3～4 ℃。孙振北[8]研究证明高大平房仓中采用仓顶菱镁板隔热和仓内吊顶的隔热技术，能够有效缓解仓顶热量向仓内的传递及抑制害虫的生长繁殖。

粮面压盖技术效果明显，但存在一定弊端，每次通风时需掀开压盖材料，增加储粮成本和人员劳动强度；压盖材料与粮面接触处易滋生虫霉，且一旦发热霉变不易被发现，未来储粮中可寻求新型压盖材料和改进通风方法来降低储粮成本。

1.2 机械通风技术

机械通风技术是指通过风机产生的压力，将外界低温干燥的空气与粮堆内热空气进行交换，从而达到降温、降水的目的。储粮机械通风是最常用的控温储粮技术，不仅控温效果好，而且费用低廉、操作简单、容易掌握[4]，其主要用途有：创造低温储粮环境、均衡粮堆温度、高水分粮降水、低水分粮调质、排除储粮异味、环流熏蒸杀虫和排积热通风。王平等[9]分阶段进行膜下横向通风降温试验，粮温由29 ℃降至12.5 ℃，降温效果明显。实际储粮过程中应根据需求进行通风才能达到最好的效果，避免做无用功而增加储粮成本[10]。

机械通风技术如果应用不当会造成粮食水分损失、通风效果适得其反、储粮成本增加等后果。机械通风时应合理选择通风时机、确定目标粮温、选用节能保水双向风机、逆温度梯度通风、及时判断通风状态、控制粮堆通风量小于临界单位通风量、控制气流温差等[11]。

1.3 谷物冷却技术

谷物冷却机低温储粮是通过向粮堆通入一定温度、湿度的空气，使粮堆温度降至低温（或准低温）状态，从而有效控制粮堆水分，实现安全储粮的一种技术措施[12]。冯燕等[13]对现有谷物冷却技术进行改造，在粮堆上方布置22个送风口，仓房东侧布置4个回风口，采用底送侧回的方式使仓内空气更加充分地进行湿热交换，保证储粮安全同时，又达到节能降耗的目的。

谷物冷却技术不受区域气候的限制，可根据实际情况调节所输送空气的温湿度，确保粮堆处于低温（或准低温）状态，但其存在能耗大、温度易回升的缺点，需要间歇性的进行复冷作业[14]。

1.4 空调制冷技术

空调控温具有安装便捷、操作简单、温控精准等优点，此前常用于成品粮油的保管，随着科技与经济不断进步，空调控温逐渐走入粮食储藏行业，越来越多的粮库实施空调控温技术。张慧敏等[15]对福建省1998年以后建成的100余座仓廒进行空调控温实验，结果发现空调控温持久，适用于高大平房仓。程永仙等[16]夏季采取仓内空调、局部揭膜和壁角埋入毕托管的“立体式”控温方式，将仓温控制在23 ℃以下，平均粮温控制在准低温储藏范围内，明显减缓稻谷脂肪酸值的上升速率，延长安全储存期。

空调功率大且需长时间运行，如何设置好温控阈值和空调开启时间，对于节约储粮成本方面意义重大。另外，粮仓空调易受粉尘和熏蒸药剂腐蚀，需要注意保养并预防火灾发生。此外，空调控温在实施过程中应注意风向往远上方吹，预防冷空气长时间与粮堆表面直接接触引起的结露现象的发生和粮堆表面的水分损失[17]。

1.5 内环流技术

内环流低温储粮技术主要是利用粮堆冬季储存的冷心，通过内循环的方式平衡粮堆内的其他高温部分，使整个粮堆处于低温或准低温环境[18]。根据不同地域和实际储粮需求，可将内环流低温储粮技术分为整仓环流、膜下环流和局部环流。陈明伟等[19]研究发现，整仓内环流可以明显降低仓温、仓湿，有效抑制书虱等储粮害虫，减少熏蒸用药，延缓粮食品质劣变。王兴周等[20]探索应用平房仓整仓内环流保管玉米时发现，内环流控温能使仓湿控制在40%以下，一定程度上抑制书虱生长。膜下环流主要是通过表面覆盖薄膜并增加风管的方式，避免内环流过程中仓内空间积热与粮堆的接触，降低冷心损失，使内环流降温效果持续更久[21]。除此之外，膜下内环流技术降温均匀性好，且能够有效降低粮食表面的水分损失[22]。许发兵[23]采用粮面压盖结合膜下内环流的方式进行夏季储粮时发现：膜下内环流可使粮堆表层温度降低至12.3 ℃，平均粮温较对照仓低3.5 ℃。局部内环流操作简捷、降温效果明显且受外界影响小[24]。

内环流技术储粮成本低，但对于仓房隔热保冷性能要求较高，且受地域气候影响较大，适用于北方冷源充足的地区，南方地区夏季长，冷源缺乏，若采用此技术则需要制冷设备辅助进行。

2 低温储粮优化组合技术

近年来，研究人员开始尝试多种低温储粮技术综合应用，探索既能低温储粮又符合节能绿色的储粮新技术。因为单一储粮技术在实仓应用中受地域气候和环境等因素影响，难免会存在不足，如谷物冷却制冷技术存在耗电高、粮温易反弹的问题[14]；空调制冷技术受粉尘和熏蒸影响较大，寿命短、安全隐患高[25]；内环流技术对蓄冷要求较高，可能存在冷源不充足导致整仓粮温异常升高，造成发热结露现象的发生[26]。因此，将不同制冷技术结合应用来达到更好的储粮效果将会成为低温储粮的研究方向。

2.1 空调结合内环流技术

内环流技术较为适合北方夏季短、冬季长且冷源充足的地区，对于南方地区，采取内环流结合空调的方式来弥补其夏季长、冷源不够用的缺点，从而达到低温储粮的目的。贺光辉等[27]采用内环流结合空调的方式使粮食安全度夏，且在维持粮食品质、节能降耗方面要优于单一空调控温的仓房。王进卫等[28]研究发现，内环流结合空调控温技术不受高温多雨天气影响，能有效抑制害虫生长且能耗低。此技术解决冷源不足和气候影响的问题，但空调和内环流的开启时间和温度阈值尚未确定，冷气环流均匀性及环流路径也有待研究。

2.2 太阳能光伏发电结合空调制冷技术

太阳能光伏发电是一种绿色无污染技术，符合绿色储粮的理念，结合空调使用，不仅可以有效利用仓顶面积，降低仓顶传热对仓温的影响，还可以获得额外的经济效益。刘东方[29]研究光伏发电结合空调时得出，尽管光伏发电系统建设初期投资高，但从储粮损失和节能降耗等方面来算，每年带来的额外经济效益2 011.5万元。2017年，张红建等[30]结合海南高温高湿且日光充足的地理特点设计一个仓顶面积270 m2光伏发电系统，该系统总输出功率29 160 W，能够24 h为2台功率为5 500 W左右的空调供电。光伏发电系统前期建设投入大、年折旧费用高，如何延长系统使用年限、提高光电转换效率是未来此技术的前进方向。

2.3 储粮“四合一”升级新技术

储粮“四合一”升级新技术基于横向通风系统，采取横向通风蓄冷，谷物冷却制冷、多介质环流防虫和多参数粮情检测的方式，使粮食常年处于较低温无虫状态，能有效保障粮食品质。储粮“四合一”新技术不仅能够使进出粮效率得到有效提升，还能使粮食处于安全储存状态，为粮库走向智能化低温绿色储粮奠定基础[31]。穆俊伟等[32]进行“四合一”新技术实仓应用发现，该技术能有效降低粮温，且抑虫、杀虫效果明显，能有效延缓粮食品质变化。但该技术需要对仓房供电系统、环流熏蒸系统、通风系统等进行改造，工程量大，且不适用于隔热保温性能差的仓房。

3 新技术、新冷源开发

3.1 重力热管技术

重力热管具有单向传热、传热效率高、等温性好及温度范围广等特点，在中国航天、电子等领域应用，并逐渐推广于低温储粮方向，但在粮堆中的实际效果有待进一步研究[33]。张岩等[34]试验发现，热管技术应用过程中可实现无能耗，60 d内蓄冷量为6.36 MJ，单位降温速度0.2 ℃/d。程小丽等[35]研究单根反重力热管对粮堆温度的影响时发现，单根热管可对1.6 m的粮堆温度产生影响，上层粮温可降低10 ℃。

3.2 相变储能技术

相变储能技术是基于相变材料在相变过程中吸热和释热的原理发展的一项技术，因相变材料经济实用且在隔热保温和能量转化效率方面比较优秀，故适用于低温绿色储粮[36]。王赫等[37]设计相变材料和空调组合的温控系统，在夏季储粮试验中发现，试验仓能够达到准低温储粮要求，且储粮能耗较空调仓低25%。

3.3 液化天然气（LNG）

液化天然气（LNG）的温度在-162 ℃，其气化时会产生大量的冷能，而生产应用中的冷能不能完全被利用，就会造成大量资源浪费。LNG接收站一般建设在港口等交通便利地区，与部分大型粮库比邻，可将LNG低温液体气化后产生的冷能，经保温管道引进粮库，替代空调、谷物冷却机等大型耗电机械制冷设备，达到低温绿色储粮目的[38]。熊永强等[39]提出2种利用LNG冷能储存粮食的方案：一是直接利用冷能；二是利用LNG冷能空分装置副产的低温干燥氮气。中央储备粮莆田直属库，发挥其与LNG接收站相近的优势，利用LNG的冷能实现低温储粮的目的[38]。利用液化天然气冷能进行储粮，不仅促进能源的高效利用，还能带来较好经济效益。但其适用区域有限且冷量传输耗能等问题尚需进一步完善优化。

3.4 低温地下水

低温地下水是一种自然冷源，储量丰富，是近年来低温储粮的研究热点之一[40]。周福生等[41]以地下水作冷源，借助潜水泵和水温调节器将一定温湿度气体引进粮仓，循环降温后仓温下降9～10 ℃、粮温降低7～10 ℃，且有效抑制害虫生长，达到低温储粮目的。此技术不适宜水资源稀缺地区，且尚存在回灌技术难等问题。