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【天富平台客户端】新型充气式太阳能干燥机,可用于干燥水稻内的杂质以防变质!

使用充气太阳能干燥机(ISD)或GrainPro®太阳能泡沫干燥机™对水稻的干燥性能进行了评估,并与布基纳法索的传统太阳干燥进行了比较。干燥时间约8小时。通过热成像观察干燥和混合过程中ISD的温度分布。由于黑色塑料薄膜呈圆形,ISD中出现了阴影投射,使水稻温度降低到10℃左右。ISD内部的温度比环境温度高13℃,而水稻表层的温度比底层高出约5℃。水稻在日光下晒干后的最终含水率与ISD晒干后的最终含水率相差不大。在一定的条件下,用ISD干燥的水稻中的杂质可以大大低于太阳干燥的水稻。水稻的黄曲霉毒素水平低于欧盟法规的最高限额。水稻干燥可有效去除黄曲霉毒素AFG2含量。研究人员建议进一步改进ISD设计,以便在粗糙表面和沙质土壤上进行干燥操作。

相关论文以题为“Drying Performance and Aflatoxin Content of Paddy Rice Applying an Inflatable Solar Dryer in Burkina Faso”发表在《Applied Sciences》上。


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水稻是非洲萨赫勒地区消费最多的主食之一,该地区包括布基纳法索、加纳、贝宁和尼日尔。撒哈拉以南非洲国家每年人均消费大米约80公斤。在水稻采后加工中,干燥是保证产品质量、减少损失的关键环节。水稻的最终含水率不应超过w.b.的14%,贮存期最长为8个月。在布基纳法索,传统的在油布上晒干是最常见的方法,因为它的投资成本低廉,易于操作。然而,传统的方法容易受到灰尘、动物和腐烂的污染,特别是在沙质土壤上。

食品霉菌毒素污染是造成发展中国家严重食品损失和健康问题的关键因素之一。黄曲霉毒素(aflatoxins, AF)作为一种霉菌毒素,由于其对人类健康的负面影响,已成为食品价值链中的主要问题。几种黄曲霉毒素已被证实为人类致癌物,如AFB1、AFB2、AFG1和AFG2等被归类为1组诱变剂。其中AFB1是毒性最强的化合物之一,主要存在于食物收获前后。因此,欧盟规定AFB1的最大限量为5千卡/公斤,而总黄曲霉毒素的最大限量为10千卡/公斤。采用干燥方法可以降低黄曲霉毒素的浓度。

在过去的30年里,由霍恩海姆大学、国际研究所(IRRI)和GrainPro公司不断开发的可充气太阳能干燥机(ISD),也被称为GrainPro®太阳能泡沫干燥机™,这是一种主动式太阳能干燥机。为了改善干燥操作和保存产品质量,该干燥机已在非洲和亚洲测试用于干燥水稻、玉米、木薯、红豆和苋菜叶等多种作物。

本研究的目的是评价布基纳法索西南地区用于干燥水稻的可充气太阳能干燥机(GrainPro SBD 50)的干燥性能和产品质量,如杂质和黄曲霉毒素污染。

干燥实验

试验在布基纳法索巴马进行,新鲜水稻从附近种植区获得,由农民合作社提供。收割后,水稻在干燥前在仓库中保存大约24小时。2017年11月20日、22日和23日分三批进行干燥试验。每批实验在10:00左右开始,16:00左右结束。

本研究采用ISD进行现场试验,如图1所示。ISD的总长度为25米,宽度为2米。ISD有一个灵活的主体,它由两个防水塑料薄膜,即下盖和上盖,由一个重型拉链连接。下部的覆盖物,也被称为晾晒地板,用来铺水稻,由黑色增强聚氯乙烯(PVC)制成,而上部由透明的抗紫外线低密度聚乙烯(LDPE)制成。距离ISD入口1米的区域被用作太阳能空气加热器,后来被称为集热器,因为水稻不散布在黑色塑料薄膜的这一部分。

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图1.顶部:传统太阳干燥和充气太阳干燥机(ISD)。底部:晒混用的耙子(左)和用于在ISD中混合水稻的滚筒棒(右)。

太阳辐射,发电,温度和相对湿度

ISD内部和太阳干燥时的太阳辐射和发电量随环境温度和相对湿度如图2所示。即使在太阳辐射波动的情况下,太阳能电池板也能在19到21伏之间产生稳定的电压。批次1、批次2、批次3的最高太阳辐射值分别为580.6、788.2和673.5 W/m2,分别为13:53、11:42和11:13。在第一批,是一个多云的小雨天。可以看出,太阳能辐射波动对发电稳定性的影响似乎不大。

ISD的温度一般高于晒干的温度。在第1、2、3批,ISD记录的最高温度分别为13:55、14:11和10:52,分别为46.9、60.0和51.5℃。菲律宾用ISD干燥水稻也得到了类似的结果。因此,ISD的温度比环境温度高约10 ~ 13℃。

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图2.在三个干燥批次中,充气太阳能干燥机(ISD)的太阳辐射和光伏电压(上)、温度和相对湿度与常规太阳干燥和环境条件(下)的比较。

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太阳能电池板的表面也很容易布满灰尘。因此,电池板应该定期清洗,以防止更大的能源损失从电池板产生。此外,由于故障的绝缘和布线,太阳能充电控制器的短路风险很高。应避免电缆与电线之间的任何松动连接。充电控制器插头处的导线绝缘应加以改善。

阴影对水稻表面温度的影响如图3所示。高盖和圆形的黑色塑料薄膜挡住了阳光,在ISD干燥区域的左右两侧形成了阴凉区域。阴凉处水稻的温度比暴露在阳光下的水稻低约10℃。这可能是干燥机干燥性能低的原因之一。各出口风速为5.05±0.25 m/s。可以估算出ISD内的风速在0.3 ~ 0.5 m/s之间。由于风扇与太阳能电池相连,因此提供的电流几乎是恒定的,因此在所有批次中没有观察到空气速度的实质性差异。与Salvatierra-Rojas等人的研究相反,在本研究中,水稻在ISD中没有发生下层水的凝结。

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图3.充气太阳能干燥机(ISD)内部的热图像(上)和真实图像(下)。

每批特定时间内,ISD入口距离不同距离处的ISD温度和相对湿度如图4所示,其中ISD入口表示为0 m。在所有批次中都检测到收集器的温度迅速升高到ISD长度的一半。以第2批次为例,在距离12.4 m时,集热器处的温度从40.8℃升高到中间的55.3℃。随后,出口附近的温度(约1-2℃)略低于ISD中部的温度。另一方面,沿ISD方向的相对湿度相对恒定。

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图4.每批充气太阳能干燥机(ISD)沿ISD入口距离不同的温度和相对湿度,其中环境条件为0 m。每个图表中的灰色区域代表收集器区域。

图5为水稻在与滚筒棒搅拌过程中的温度变化。可以看出,水稻上层温度高于下层温度。水稻的体积高度阻碍了从顶部到底层的传热,因此水稻顶部的温度比底层高出约5℃。

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图5.水稻在充气太阳能干燥机(ISD)中使用滚筒棒搅拌过程中的温度变化。

在布吉纳法索的田间应用中,碾压棒似乎带来了一些挑战(见图6)。可以观察到,土壤的质地影响了碾压棒的效率。研究地点的沙质土壤使得它很难顺利地在地面上移动。还指出,重型拉链经常卡住,因此无法关闭或打开。这可能是由于沙粒滑进链条,卡住了拉链的滑块造成的。作为一种快速解决方案,拉链可以用刷子定期清洗。

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图6.在砂土和粗糙表面上使用滚轮棒的操作问题;不均匀沙质土壤不稳定(图左),操作人员难以在充气太阳能干燥机(ISD)左右保持直线(图右)。

结论

研究人员对布吉纳法索旱作水稻的性能进行了分析,并与常规晒干进行了比较。在本研究中,他们提出了若干改善ISD的策略。ISD的温度高于环境干燥和常规晒干。在特定的天气条件下,ISD的干燥性能并不比太阳干燥快很多。水稻在搅拌过程中出现了明显的温度变化。在ISD中,温度迅速从集热器上升到ISD中间。然而,高而圆的黑色塑料薄膜在ISD中铸造的阴影导致了较慢的干燥时间和需要更强烈的混合。在砂质土壤和沙尘环境的某些条件下,ISD可以降低水稻中的杂质含量。日光干燥可显著降低鲜稻黄曲霉毒素水平(p≤0.05),黄曲霉毒素水平基本符合欧盟规定。

减小ISD的黑色塑料膜的比例是减少荫蔽面积的必要措施。应根据天气情况,进一步研究水稻填入ISD的适宜容量。还应对ISD在玉米、芝麻等大宗物料干燥中的性能进行评价。应当对ISD设计的进一步调整进行调查,以确保在撒哈拉以南非洲成功地传播。

论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3533/htm

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