水稻種子機械化干燥技術及裝備研究現狀與發展探討

廖 騫，劉大為，王修善

(1.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省智能農機裝備重點實驗室，湖南 長沙 410128)

水稻是我國主要的糧食作物。 水稻種子質量對于水稻的產量有著極為重要的意義。目前，我國對糧食干燥的研究比較多，而對于水稻種子干燥技術的研究相對較少。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繁殖，因此，種子干燥應注重保持其活性質量，而糧食主要用來食用，谷物干燥應注重保證口感和營養。水稻種子收獲時間比正常的水稻谷物收獲時間早。水稻種子在收獲時的含水率都比較高，必須及時將水稻種子的含水率降低到13%左右。如果不及時干燥，水稻種子將會因發熱變質而失去育種價值，造成不必要的損失。據統計，2019年我國水稻種子的機械干燥率約為30%[1]。我國水稻種子的機械干燥技術還有很大的發展研究空間。

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。干燥溫度過高，容易破壞種子內部結構，使種子失去育種價值。國內外許多學者對水稻種子的最佳干燥溫度進行了研究。王攀[2]研究表明，種子活力指數最高時的干燥溫度為 45 ℃，隨著干燥溫度的升高，種子的發芽率會明顯降低，種子的導電率會增加，種子的內部結構會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等人報道水稻種子在干燥溫度超過40 ℃以后發芽率會一直下降[4]。張銀[5]研究表明，在干燥過程中應實時監測種子的溫度，在谷物溫度超過 34 ℃后，種子的發芽率明顯下降；當干燥溫度為 40 ℃時，種子溫度約為 34 ℃，因此，水稻種子干燥時干燥溫度應不超過 40 ℃，這樣才能有效保障水稻種子的發芽率。

除了對干燥溫度進行研究以外，還有很多專家對水稻種子干燥其他方面的技術參數進行了研究。HERTER和BURRIS[6]研究發現，影響種子干燥質量最主要的因素是干燥溫度和干燥速度。MCDONALD和COPELAND[7]干燥玉米種子時發現，水分較高的種子在干燥時更加容易受到熱損失。他們建議進行分段干燥，先在低溫下干燥高水分的種子，當種子含水率為20%左右時提高干燥溫度到46 ℃，然后進行后續干燥。諸凱等[8]研究表明，在干燥種子的過程中，對種子施加一定頻率的振動能夠加快種子內部水分的流失，進一步得到優質的干燥效果。

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

2 水稻種子干燥技術

目前水稻種子的干燥技術可以分為自然晾曬干燥和機械干燥兩大類[12]。自然晾曬干燥主要是利用太陽光直接照射水稻種子表面來進行干燥,達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、場地等多方面因素的影響，所以無法滿足大規模的制種要求。在水稻種子機械干燥技術中，運用最廣泛、最成熟的是熱風干燥技術。除此之外，還有干燥劑干燥、微波干燥等技術。

2.1 熱風干燥

熱風干燥是目前應用最廣泛、技術最成熟的一種干燥技術。根據熱風與被干燥物的相對運動，熱風干燥可以分為順流、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，實現干燥。熱風干燥是我國種子干燥的主要方法[13]。熱風干燥處理量大，便于實行大規模制種，成本低，設備完善，但干燥過程中失水較快，容易破壞種子內部結構，且熱風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用來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發現超干燥處理和儲藏也適合處理和保存大量種子，并且證實了煙草種子在超干燥的條件下壽命可達25年。

2.3 微波干燥

目前，許多產品都成功應用微波干燥技術并取得了一定經濟效益[15]。微波干燥具有干燥時間短、設備節能高效、占地面積少等優點。廖慶喜等[17]進行發芽實驗表明，微波干燥能夠激發種子的活力，增加種子的發芽勢。隨著研究的進一步發展，研究學者發現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論在干燥時間、干燥質量等方面都更具優勢[18-20]。

3 水稻種子干燥裝備

現階段我國在水稻種子干燥裝備方面相比國外差距明顯，干燥裝備的質量、數量、智能自動化水平不如國外，且存在干燥工藝研究不足，干燥裝備的國家標準制定不全面等問題。目前我國還沒有專門用于干燥水稻種子的干燥機，使用的都是用于糧食干燥的低溫干燥機。國外先進的水稻種子烘干裝備對我國水稻種子烘干機的研究發展有著重要意義，目前，國內外市場主要種子烘干機根據其原理可以分為4大類。

3.1 橫流式干燥機

傳統的橫流式谷物干燥機是一種讓谷物豎直運動，使熱風橫向通過谷物層，實現谷物干燥的機械，如圖1所示。該類型烘干機一般設有兩個風室，上層為熱風室，下層為冷風室，谷物由輸送機運送到入料口，然后靠重力落下經干燥層、冷卻層，最后排出谷物在干燥機內干燥的時間和速度取決于排糧輪的轉速。橫流式干燥機的優點是結構簡單，成本低，容易被農民接納。它的主要缺點是進風側的種子與出風側的種子干燥不均勻，熱能利用率較低[22-24]。目前我國橫流式干燥機主要有循環橫流塔式烘干機和靜態臥式干燥機。

3.2 順流式干燥機

順流式谷物干燥機的谷物運動方向與熱風的流向相同，目前大多數順流式干燥機都設有多級的干燥層，各級干燥層之間都設有緩蘇層。圖2為二級順流式干燥機的工作示意圖，谷物首先經過輸送運送到干燥機的頂端，通過篩網落下，經過一級干燥，二級干燥，冷卻層冷卻，最后通過卸糧螺旋排出。順流干燥解決了谷物干燥不均勻的問題，干燥質量好，熱利用率相比橫流式提高了30%左右。但是其機構比較復雜，制造成本相比其他干燥機械高，采用多級干燥，一級入風口位置較高，所以需要大功率的風機[22-24]。

圖2 二級順流式干燥機

3.3 逆流式干燥機

逆流式干燥機是種子與熱風相對運動的一種干燥機械，如圖3所示。逆流式干燥機的熱利用率比較高，從排風口排出的空氣中的水分已經接近飽和狀態[22-24]。李長友[25]等根據南方地區的高平均溫度(24～38 ℃)、高濕度的環境，設計了一款5HN-15連續式逆流干燥機，其結構如圖4所示。

圖3 傳統逆流式干燥機

圖4 5HN-15連續式逆流干燥機

3.4 混流式干燥機

混流式干燥機是指種子受到多種流向的熱風混和干燥的一種干燥裝備，也是目前國外發展最完善、應用最廣泛的干燥裝備，傳統混流式干燥機的結構如圖5所示。混流式干燥機內部有許多排氣角盒與進氣角盒，以實現種子與熱風的混合干燥。混流式干燥機的通用性強，可適用于多種谷物和種子的干燥，干燥效果好[26]，隨著技術的發展其功能逐步增強。目前我國用于水稻種子干燥的混流式干燥機主要有混流靜態房式烘干機和混流循環塔式烘干機。

圖5 傳統混流式干燥機

除了上述4種主要的種子烘干機以外，國內外許多研究人員還研制了其他種子干燥機。GILL R S,SINGH S, SINGH P P研制了一臺專為種子薄層干燥的干燥劑種子干燥機[27]，一次性可以干燥 2 kg種子。該干燥機由空調控制單元和種子干燥室兩部分組成，該干燥機的原理是利用干燥劑進行空氣除濕，然后再在低溫條件下用除濕空氣進行干燥，這樣能使種子在不降低發芽率的同時保持種子的低含水量。SOONTARAPA和ARNUSAN設計了一款殼聚糖膜干燥器[28]。該類型的干燥器通過蒸汽滲透過程除去潮濕空氣中的水蒸氣，在實驗過程中殼聚糖膜干燥器能夠完美的代替傳統的熱風干燥器，在1～2 h將水稻的含水量從23%降低到16%和13.5%左右，而傳統自然晾曬只能夠將含水量從23%降低到17.5%和14.5%左右，在40 ℃的熱風干燥機中也只能夠將含水量從21.5%降低到17.4%和15%左右。GULANDAZ等人研制一款太陽能水稻種子干燥機[29]，該干燥機是一款容量為 500 kg的混合太陽能種子干燥機，能在太陽光照和非太陽光照期間利用儲存或備用能量進行干燥，該類型的干燥機適用于太陽輻射充足的地方。除了采用太陽能以外，目前西方國家都開始積極轉型，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能、無污染零排放、干燥質量好等優點，在近年逐步得到發展[30-32]。

4 發展趨勢及討論

(1)現階段國內外主流水稻種子烘干機都是采用熱風干燥，但是也存在其他干燥方法，例如用除濕空氣對水稻種子進行干燥，先用各種辦法將空氣除濕，然后用含水量很低的空氣對水稻種子進行干燥，這樣能夠避免種子處于高溫環境，很好地保護種子，在低溫的環境中也能將水稻種子含水量降低。這種干燥方法以后將會是水稻種子干燥的發展趨勢。

(2)現有國內外的干燥機大多都是以煤炭為主要熱源，對環境的污染比較嚴重，隨著世界各國對環境的重視，環保型的科技將成為主流。目前西方發達國家主要以天然氣和空氣源熱泵為主要熱源，除了這兩種應用比較成熟的清潔能源外，還有正在研制中的太陽能、微波能等都將成為行業發展的主流，環保性干燥機將得到飛速發展。

(3)目前干燥機基本都是中大型干燥機，并且還需蓋烘干房，配套380 V的工業電源，這提高了許多丘陵地區，中小散農戶的使用難度。因此要大力發展小型家用烘干機，在設計研制小型烘干機時，應該以移動方方便、干燥范圍廣、一機多用、功率低等為優點，進行研發。隨著科技的發展，小型干燥機將成為干燥機行業的一種發展趨勢。

(4)目前隨著5G技術的發展，智能化、無人化是全世界各大科技領域的發展趨勢，水稻種子烘干機的研發也要緊跟時代的腳步。烘干機需要更加準確的智能測控系統，能夠實時準確地對烘干過程中的種子含水量、種子溫度、熱風溫度等關鍵因素進行檢測，然后反饋給熱風機、出風口等機構的控制系統進行控制，從而實現烘干過程的自動化和智能化。