CN108013128A - 一种基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，主要涉及粮食周边环境的温度t、湿度d、气流v、含氧量o四个物理量参数，从粮食呼吸能量消耗与粮食环境条件角度提出粮食长期高质贮藏方法。本发明从环境参数以呼吸热的体现形式来描述粮食的贮藏状态，能够有效避免以复杂的粮食自身生物化学特性出发的粮食贮藏方法，使得粮食贮藏能够通过人工环境参数控制，大幅地、可靠地延长粮食贮藏时间。
Description
技术领域
本发明涉及粮食(蔬果)贮藏技术领域，特别是涉及一种基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法。
背景技术
粮食在贮藏期间，仍是具有生理活性的有机体，又处于各种环境条件(包括物理的和生物的)的影响之下，这些内外因素都与粮食的安全贮藏有密切关系。
粮食的呼吸粮食的呼吸是在活细胞内进行的一种复杂的生物化学过程。有氧条件下的呼吸使糖类等物质在酶的作用下分解为简单的化合物，最终放出二氧化碳和水，并释放一定的热能；在无氧条件下，糖类物质经酵解而产生酒精和二氧化碳，也释放出少量的热。粮食的呼吸作用越旺盛，干物质损耗和营养成分的分解就越多，放出的热量和水分使粮堆发热，湿度增高，又进一步促使呼吸增强,同时为微生物活动提供适宜的条件，从而引起粮食霉烂、变质。粮食的呼吸强度常在其含水量超过临界值时骤然上升。
目前，我国粮食贮藏的环境控制其理论依据均是从粮食本身的生理学特性出发，研究各种呼吸产物等内容，以此来得到粮食储存环境的控制方法。但是由于粮食种类多，品种之间生理学特性有差异，造成环境控制的影响参数众多，造成实际工程应用难以实现有效控制。
发明内容
本发明的目的是依据能量平衡原理，从粮食贮藏环境的状态参数出发，提出一种基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，以满足粮食高品质长期贮藏要求。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，所述粮食贮藏方法包括如下步骤：
步骤A、通过函数q＝f(t,d,v,o,τ)，描述粮粒贮藏期呼吸发热量与周边环境的关系，式中：
q为粮粒的呼吸发热量，单位为W，
t为粮粒周边得环境温度，单位为℃，
d为粮粒周边的环境绝对含湿量，单位为g/kg干空气，
v为粮粒周边的气流速度，单位为m/s，
o为粮粒周边的环境含氧量，单位为％；
步骤B、对于粮库粮堆，将步骤A中的函数式用场函数描述：
式中：
qx,y,z为粮堆在空间坐标上局部空间内的粮食平均发热量，单位为 W，
tx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均温度，单位为℃，
dx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均绝对含湿量，单位为g/kg，
vx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均风速，单位为 m/s，
ox,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内环境平均含氧量，单位为％，
τ为时间，单位为s；
步骤C、构建贮藏过程粮食呼吸发热定性模型，并根据步骤A、步骤B中的函数式，在所述粮食呼吸发热定性模型中，通过如下函数方程描述粮食贮藏期内呼吸总发热量：
式中，
Q为粮食贮藏期内呼吸总发热量，单位为J，
q为粮食贮藏期内实际呼吸发热量，单位为W，
τ为粮食贮藏时间，单位为s，
q0为粮食保持生命特征的最小发热量；
步骤D、在粮食贮藏时间τ内对步骤C中粮食贮藏期内呼吸总发热量Q取得极限最小值时，获得t,d,v,o的参数区间；
步骤E、根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的环境含氧量，根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的气流速度，并根据获得的温度、相对湿度参数区间调整粮食贮藏环境中的环境温度、环境绝对含湿量。
优选地，在步骤E中，将环境绝对含湿量转换成相对湿度，以环境温度为纵轴，以相对湿度为横轴，同时将温度、相对湿度的参数区间作为边界条件绘制粮食贮藏分区控制图；
当粮食贮藏环境状态参数中的温度、相对湿度处于温度、相对湿度的参数区间之外时，根据绘制粮食贮藏分区控制图将温度、相对湿度的参数调整到温度、相对湿度的参数区间之内。
优选地，在所述粮食贮藏分区控制图中，温度、相对湿度的参数区间作为边界条件将粮食贮藏分区控制图分成9个环境控制区域，所述温度、相对湿度的参数区间内部为恒温恒湿区，其余8个环境控制区域分别为降温除湿区、降温恒湿区、降温加湿区、恒温除湿区、恒温加湿区、升温除湿区、升温恒湿区、升温加湿区。
优选地，所述粮食呼吸发热定性模型自粮食入库到出库依次经过粮食入库快眠阶段、粮食稳定贮藏保持阶段、粮食出库恢复阶段。
优选地，根据o的参数区间调整粮食贮藏环境中的环境含氧量时，通过在通风系统中设置脱氧设备进出参数控制。
优选地，根据获得的温度、相对湿度参数区间调整粮食贮藏环境中的环境温度、环境绝对含湿量时，通过在通风系统中设置制冷、制热、加湿设备进行参数控制。
优选地，根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的气流速度时，通过控制粮库的循环风量来调整粮食贮藏环境中的气流速度。
优选地，温度的参数区间为6℃～14℃；相对湿度的参数区间为 40％～55％。
优选地，环境含氧量的体积百分含量的参数区间为2～12％；气流速度的参数区间为0～0.1m/s。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，根据粮库粮堆粮情及其环境、粮库当地海拔高度、自然能源情况、工艺处理系统参数监测，依据本发明的粮食贮藏方法，寻找该粮库粮堆粮食入库快眠阶段、粮食稳定贮藏保持阶段、出库恢复阶段的最合理环境参数，即粮食入库时“快眠”、近“冬眠”保持与出库时“缓醒”环境条件，根据环境工艺处理系统能耗情况及贮藏期要求，并能够根据参最佳的环境参数，适时精准提出环境工艺处理系统操控策略，实现低能耗高品质较长期贮藏粮食要求与目的。
本发明的基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法主要涉及粮食周边环境的温度t、湿度d、气流v、含氧量o四个物理量参数，从粮食呼吸能量消耗与粮食环境条件角度提出粮食长期高质贮藏方法。本发明从环境参数以呼吸热的体现形式来描述粮食的贮藏状态，能够有效避免以复杂的粮食自身生物化学特性出发的粮食贮藏方法，使得粮食贮藏能够通过人工环境参数控制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为粮食呼吸发热定性模型示意图；
图2为粮食贮藏分区控制示意图；
图3为粮食贮藏基本控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，如图1～图3所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。粮食(蔬果)作为生命体，经过亿万年的物竞天择，其自身已选择好了一种长期高品质保存所需的特殊环境条件，该环境条件主要特征表现为粮食呼吸热趋近零，类似于部分爬行动物的“冬眠状态”环境，用现代技术语言描述粮食的“冬眠状态”环境，主要涉及粮食周边环境的温度 t、湿度d、气流v、含氧量o四个物理量参数。
本发明的粮食贮藏方法基于粮食贮藏环境状态温度t、湿度d、气流v、含氧量o四个参数控制粮食呼吸热，具体地，所述粮食贮藏方法包括如下步骤：
步骤A、通过函数q＝f(t,d,v,o,τ)，描述粮粒贮藏期呼吸发热量与周边环境的关系，式中：
q为粮粒的呼吸发热量，单位为W，
t为粮粒周边得环境温度，单位为℃，
d为粮粒周边的环境绝对含湿量，单位为g/kg干空气，
v为粮粒周边的气流速度，单位为m/s，
o为粮粒周边的环境含氧量，单位为％；
步骤B、对于粮库粮堆，将步骤A中的函数式用场函数描述：
式中：
qx,y,z为粮堆在空间坐标上局部空间内的粮食平均发热量，单位为 W，
tx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均温度，单位为℃，
dx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均绝对含湿量，单位为g/kg，
vx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均风速，单位为 m/s，
ox,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内环境平均含氧量，单位为％，
τ为时间，单位为s；
步骤C、构建贮藏过程粮食呼吸发热定性模型，并根据步骤A、步骤B中的函数式，在所述粮食呼吸发热定性模型中，通过如下函数方程描述粮食贮藏期内呼吸总发热量：
式中，
Q为粮食贮藏期内呼吸总发热量，单位为J，
q为粮食贮藏期内实际呼吸发热量，单位为W，
τ为粮食贮藏时间，单位为s，
q0为粮食贮藏期内呼吸总发热量；
步骤D、在粮食贮藏时间τ内对步骤C中粮食贮藏期内呼吸总发热量Q取得极限最小值时，获得t,d,v,o的参数区间；
步骤E、根据o的参数区间调整粮食贮藏环境中的环境含氧量，根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的气流速度，并根据获得的t,d 参数区间调整粮食贮藏环境中的环境温度、环境绝对含湿量。
根据现代粮食贮藏理论与技术研究成果，粮食入储时，其质量数量与贮藏维护结构情况是影响粮食贮藏的关键因素，但上述两因素最终可归纳到粮食呼吸发热量与其周边环境参数关系内，因此，对于粮粒贮藏期呼吸发热量与其周边环境关系可采用步骤A中的方程进行描述。
对于粮库粮堆，将步骤A中的函数式用场函数描述即可获得粮食平均发热量的参数，通过计算粮食数量，进而能够获得整个粮库粮堆的在一段时间内的总呼吸热。
通过总结现代粮食贮藏科技研究成果与贮藏实践经验，优选地，所述粮食呼吸发热定性模型自粮食入库到出库依次经过粮食入库快眠阶段、粮食稳定贮藏保持阶段、粮食出库恢复阶段。所以，高品质粮食长期贮藏期需分为入库后的粮食入库快眠阶段(快速“入眠”阶段)，在该阶段内快速降低温度、湿度和含氧量，使得粮食的呼吸热快速降低；降低后一般需要长期保持贮藏粮食，进入粮食稳定贮藏保持阶段该阶段接近粮食的“冬眠状态”，环境参数需要保持在一个恒温、恒湿、低氧的环境；为了使得粮食出库后依然能够获得较好的品质，需要缓慢恢复粮食的呼吸热，即进入粮食出库恢复阶段，使粮食出库前“缓醒”，恢复到入库相近的状态。
粮食呼吸发热定性模型如图1所示，其中，q为粮食呼吸发热量， q0为粮食保持生命特征的最小发热量也即粮食“冬眠”发热量，qin为粮食入库时发热量，qout为粮食出库时发热量，Δq1为保持“冬眠状态”实验发热量与“冬眠”发热量差值，Δδ2为入库时发热量与出库时发热量差值，τ为时间，τ1为进入“冬眠”时间，τ2为出库前启动“缓醒”时间，τ3为出库前时间，(I)为粮食入库快眠阶段，(II) 为粮食稳定贮藏保持阶段，(III)为粮食出库恢复阶段，Δτ1为(I) 区所需时间，Δτ2为(II)区保持时间，Δτ3为(III)区所需时间。
由此，粮食高品质无限期贮藏是人类人工环境控制技术无法达到的，但是依赖于人工环境控制能够使得粮食贮藏时间大幅延长；同时，更为关键的是，只有人工环境控制才能满足粮食高品质较长期贮藏入藏时“快眠”、近“冬眠状态”保持与出藏时“缓醒”三个关键过程的环境要求。
所以，为了使得粮食贮藏时间更长，需要使得粮食贮藏期内呼吸总发热量最小化，通过如下函数方程描述粮食贮藏期内呼吸总发热量：
通过在粮食贮藏时间τ内对上述粮食贮藏期内呼吸总发热量Q 取得极限最小值时，即可获得t,d,v,o的参数区间，获得较小的呼吸总发热量时的t,d,v,o参数范围。以此能够根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的环境含氧量，根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的气流速度，并根据获得的温度、相对湿度参数区间调整粮食贮藏环境中的环境温度、环境绝对含湿量，使得粮食长期保持在呼吸热较小的状态，从而延长粮食贮藏时间。
具体地，在步骤E中，将环境绝对含湿量转换成相对湿度，以环境温度为纵轴，以相对湿度为横轴，同时将温度、相对湿度的参数区间作为边界条件绘制粮食贮藏分区控制图；当粮食贮藏环境状态参数中的温度、相对湿度处于温度、相对湿度的参数区间之外时，根据绘制粮食贮藏分区控制图将温度、相对湿度的参数调整到温度、相对湿度的参数区间之内。优选地，温度的参数区间为6℃～14℃；相对湿度的参数区间为40％～55％，环境含氧量的体积百分含量的参数区间为2～12％；气流速度的参数区间为0～0.1m/s，上述温度、相对湿度、含氧量、气流速度的区间能够获得较长的粮食贮藏时间。
优选地，如图2所示，在所述粮食贮藏分区控制图中，温度、相对湿度的参数区间作为边界条件将粮食贮藏分区控制图分成9个环境控制区域，所述温度、相对湿度的参数区间内部为恒温恒湿区-⑨区，其余8个环境控制区域分别为降温除湿区-①区、降温恒湿区-②区、降温加湿区-③区、恒温除湿区-④区、恒温加湿区-⑤区、升温除湿区- ⑥区、升温恒湿区-⑦区、升温加湿区-⑧区。
优选地，根据o的参数区间调整粮食贮藏环境中的环境含氧量时，通过在通风系统中设置脱氧设备进出参数控制，脱氧设备可以为物理或化学脱氧设备，其设置在粮库的循环风道中即可。优选地，根据获得的温度、相对湿度参数区间调整粮食贮藏环境中的环境温度、环境绝对含湿量时，通过在通风系统中设置制冷、制热、加湿设备进行参数控制。本发明的制冷、制热、加湿设备可采用多种形式，包括但不限于热泵、高效传热设备、热管、高压喷雾、湿膜、物理吸附等方式，以最大程度地利用自然能源为佳。优选地，根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的气流速度时，通过控制粮库的循环风量来调整粮食贮藏环境中的气流速度。
本发明的基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，根据粮库粮堆粮情及其环境、粮库当地海拔高度、自然能源情况、工艺处理系统参数监测，依据本发明的粮食贮藏方法，寻找该粮库粮堆粮食入库快眠阶段、粮食稳定贮藏保持阶段、出库恢复阶段的最合理环境参数，即粮食入库时“快眠”、近“冬眠”保持与出库时“缓醒”环境条件，根据环境工艺处理系统能耗情况及贮藏期要求，并能够根据参最佳的环境参数，适时精准提出环境工艺处理系统操控策略，实现低能耗高品质较长期贮藏粮食要求与目的。
如图3所示，基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，本发明还给出了粮食贮藏基本控制逻辑示意图，其中，优先A级为杀虫及其后续的机械通风；优先B级为粮食入库后粮食入库快眠阶段或出库时粮食出库恢复阶段。
本发明的基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法主要涉及粮食周边环境的温度t、湿度d、气流v、含氧量o四个物理量参数，从粮食呼吸能量消耗与粮食环境条件角度提出粮食长期高质贮藏方法。本发明从环境参数以呼吸热的体现形式来描述粮食的贮藏状态，能够有效避免以复杂的粮食自身生物化学特性出发的粮食贮藏方法，使得粮食贮藏能够通过人工环境参数控制，大幅地、可靠地延长粮食贮藏时间。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种基于粮食贮藏环境状态参数的粮食贮藏方法，其特征在于：所述粮食贮藏方法包括如下步骤：
步骤A、通过函数q＝f(t,d,v,o,τ)，描述粮粒贮藏期呼吸发热量与周边环境的关系，式中：
q为粮粒的呼吸发热量，单位为W，
t为粮粒周边得环境温度，单位为℃，
d为粮粒周边的环境绝对含湿量，单位为g/kg干空气，
v为粮粒周边的气流速度，单位为m/s，
o为粮粒周边的环境含氧量，单位为％；
步骤B、对于粮库粮堆，将步骤A中的函数式用场函数描述：式中：
qx,y,z为粮堆在空间坐标上局部空间内的粮食平均发热量，单位为W，
tx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均温度，单位为℃，
dx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均绝对含湿量，单位为g/kg，
vx,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内的环境平均风速，单位为m/s，
ox,y,z为粮堆在空间坐标上该局部空间内环境平均含氧量，单位为％，
τ为时间，单位为s；
步骤C、构建贮藏过程粮食呼吸发热定性模型，并根据步骤A、步骤B中的函数式，在所述粮食呼吸发热定性模型中，通过如下函数方程描述粮食贮藏期内呼吸总发热量：
式中，
Q为粮食贮藏期内呼吸总发热量，单位为J，
q为粮食贮藏期内实际呼吸发热量，单位为W，
τ为粮食贮藏时间，单位为s，
q0为粮食保持生命特征的最小发热量；
步骤D、在粮食贮藏时间τ内对步骤C中粮食贮藏期内呼吸总发热量Q取得极限最小值时，获得t,d,v,o的参数区间；
步骤E、根据o的参数区间调整粮食贮藏环境中的环境含氧量，根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的气流速度，并根据获得的t,d参数区间调整粮食贮藏环境中的环境温度、环境绝对含湿量。
2.根据权利要求1所述的粮食贮藏方法，其特征在于：在步骤E中，将环境绝对含湿量转换成相对湿度，以环境温度为纵轴，以相对湿度为横轴，同时将t,d的参数区间作为边界条件绘制粮食贮藏分区控制图；
当粮食贮藏环境状态参数中的温度、相对湿度处于温度、相对湿度的参数区间之外时，根据绘制粮食贮藏分区控制图将温度、相对湿度的参数调整到温度、相对湿度的参数区间之内。
3.根据权利要求2所述的粮食贮藏方法，其特征在于：在所述粮食贮藏分区控制图中，温度、相对湿度的参数区间作为边界条件将粮食贮藏分区控制图分成9个环境控制区域，所述温度、相对湿度的参数区间内部为恒温恒湿区，其余8个环境控制区域分别为降温除湿区、降温恒湿区、降温加湿区、恒温除湿区、恒温加湿区、升温除湿区、升温恒湿区、升温加湿区。
4.根据权利要求1所述的粮食贮藏方法，其特征在于：所述粮食呼吸发热定性模型自粮食入库到出库依次经过粮食入库快眠阶段、粮食稳定贮藏保持阶段、粮食出库恢复阶段。
5.根据权利要求1所述的粮食贮藏方法，其特征在于：根据o的参数区间调整粮食贮藏环境中的环境含氧量时，通过在通风系统中设置脱氧设备进出参数控制。
6.根据权利要求1所述的粮食贮藏方法，其特征在于：根据获得的温度、相对湿度参数区间调整粮食贮藏环境中的环境温度、环境绝对含湿量时，通过在通风系统中设置制冷、制热、加湿设备进行参数控制。
7.根据权利要求1所述的粮食贮藏方法，其特征在于：根据v的参数区间调整粮食贮藏环境中的气流速度时，通过控制粮库的循环风量来调整粮食贮藏环境中的气流速度。
8.根据权利要求2或3所述的粮食贮藏方法，其特征在于：温度的参数区间为6℃～14℃；相对湿度的参数区间为40％～55％。
9.根据权利要求8所述的粮食贮藏方法，其特征在于：环境含氧量的体积百分含量的参数区间为2～12％；气流速度的参数区间为0～0.1m/s。
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| WO2020206841A1 (zh) * | 2019-04-12 | 2020-10-15 | 上海复命新材料科技有限公司 | 一种果蔬保鲜工艺设计方法及其应用 |
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