Древесина как сырье, используемое для получения коптильного дыма в пищевой промышленности
Дымогенерация, или получение технологического коптильного дыма, заключается в неполном сжигании древесины (опилок, стружки или специально подготовленного топлива) при малом доступе воздуха и при определенной температуре.
Химический состав древесины, теплопроводность топлива, его форма и влажность определяют характер горения топлива, а, следовательно, химический состав и свойства получаемого технологического дыма.
В состав древесного дыма входит более 200 органических соединений. Такое разнообразие объясняется органической основой древесины, состоящей из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы. Соотношение этих компонентов в различных видах древесины колеблется в значительных пределах, однако, принято считать, что половина древесины приходится на целлюлозу, одна четверть на гемицеллюлозу и одна четверть на лигнин. Состав древесины некоторых пород приведен в таблице 2.
Таблица 2 – Состав древесины различных пород деревьев
| Порода древесины | Смолы и жиры, % | Целлюлоза, % | Лигнин, % | Пентозаны, % |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Сосна | 5,4 | 51,6 | 25,1 | 9,7 |
| Ель | 1,9 | 55,2 | 27,0 | 11,2 |
| Береза | 1,2 | 50,3 | 19,5 | 26,4 |
| Бук | 0,9 | 49,6 | 21,8 | 25,6 |
При полном сгорании топлива происходит окисление составных частей древесины до углекислоты и воды. Для этого необходимо достаточное количество кислорода воздуха и нагревание топлива до определенной температуры. Чем больше кислорода воздуха в зоне горения, тем выше температура и сильнее пламя. При нагреве древесины без доступа воздуха (сухая перегонка) происходит пиролиз, то есть термическое разложение древесины.
|
|
|
Состав продуктов сухой перегонки дерева изучен достаточно полно. При сухой перегонке дерева получают газы, водный дистиллят (или подсмольную воду), смоляной дистиллят и уголь.
В пределах температур от 100 до 200 0С испаряется вода, при температуре от 150 до 280 0С выделяются почти исключительно кислородосодержащие газы - углекислота и окись углерода. При температуре 280 0С происходит экзотермическая реакция, температура древесины быстро повышается, количество кислородсодержащих газов заметно уменьшается, а количество водорода и углеводородов увеличивается. Выход газов при сухой перегонке древесины по данным Н.И. Никитина приведен в таблице 3.
Таблица 3 – Выход газов при сухой перегонке древесины
| Период сухой перегонки | Темпера- тура, 0С | Выделение, % | |||
| СО2 | СО | Н2 | углеводы | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Выделение воды | 150-200 | 68 | 30 | — | 2 |
| Выделение кислородсодержащих газов | 200-280 | 66 | 30 | 1 | 3 |
| Начало выделения углеводородов | 280-380 | 36 | 21 | 6 | 37 |
| Выделение углеводородов | 380-500 | 31 | 12 | 8 | 49 |
| Период диссоциации | 500-700 | 12 | 25 | 42 | 21 |
|
|
|
При температуре от 280 до 380 0С выделяются, в основном, пары различных веществ, которые в дальнейшем конденсируются, и получается водный и смоляной дистилляты.
В водном дистилляте встречаются следующие вещества: кислоты и их производные - муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая, изокапроновая, метиловые эфиры этих кислот; спирты метиловый, аллиловый, пропиловый, изоамиловый и изобутиловый; альдегиды - формальдегид, ацетальдегид, фурфурол, метилфурфурол, сильван; кетоны - углеводороды - ксилол, цимол; фенолы - пирокатехин, пиридин, метилпиридин.
В водном дистилляте находится также некоторое количество смолы, которая становится растворимой при наличии в подсмольной воде уксусной кислоты и ацетона.
Смоляной дистиллят - содержит легкие и тяжелые масла. Легкие масла - смолы с точкой кипения ниже 140 0С - содержат альдегиды (валериановый), фураны (фуран, метилфуран, диметилфуран, параметилфуран).
Тяжелые смоляные масла - жидкости тяжелее воды, имеют точку кипения выше 200 0С и содержат фенолы и их производные (фенол, альфа мета - и паракрезолы, ксиленол, пирокатехин, гваякол, эфиры пирогаллола); кислоты (лигноцериновая).
|
|
|
В процессе получения технологического дыма нельзя допускать как полное сгорание древесины, так и ее сухую перегонку. Оптимальным является сжигание топлива при неполном доступе воздуха, так как в этих условиях летучие органические вещества окисляются частично и дым содержит компоненты, необходимые для копчения животного сырья.
Глубина окисления продуктов пиролиза древесины зависит от количества подаваемого воздуха, способа укладки и вида топлива (стружка, опилки или дрова), а, следовательно, от температуры горения и скорости отвода летучих веществ из зоны горения.
Древесина, используемая как топливо для получения технологического дыма, дает высокий выход летучих веществ, который колеблется в зависимости от вида и химического состава древесины от 80 до 87 % от ее органической массы.
Целлюлоза, или клетчатка (полисахарид (С6Н10О5)n) с молекулярной массой около 1500000 при нагревании до 280 0С буреет. При дальнейшем нагревании происходит гидролиз целлюлозы и образование простых сахаров. При нагревании глюкозы образуется оксиметилфурфурол.
Он распадается на муравьиную кислоту (СНООН), левуленовую кислоту (СН3СО-СН2СН2СООН) и гуминовые вещества, которые способствуют окрашиванию рыбы при копчении.
|
|
|
Лигнин входит в состав клеточных стенок древесины, имеет характерную метаксильную группу -ОСН3, из которой при пиролизе древесины образуется метиловый спирт.
Лигнин начинает распадаться при температуре 350 0С. Образуются смолы типа метиловых эфиров пирогаллола и его гомологов и эфиров двухатомных фенолов. В этой смоле обнаружены гваякол, винилгваякол, крезол, ортокрезол, пирокатехин, фенол, эвгенол и другие.
Наиболее характерными продуктами пиролиза гемицеллюлозы является фуран и его производные. Гемицеллюлоза состоит из пентозанов (С5Н8О4)n и гексазанов (С6Н10О5)n. Эти полисахариды при гидролизе образуют сахара - пентозы и гексозы. Трехчасовое нагревание при температуре 275 оС разрушает пентозаны на 50 %, целлюлозу на 25 % и лигнин на 12 %. При пиролизе лигнина смолы образуется в два раза больше, чем при пиролизе целлюлозы. В лигниновой смоле обнаружены метиловые эфиры пирогаллола и его гомологи, эвгенол, пирокатехин, фенол, ортокрезол, гваякол, крезол. Поэтому основным источником веществ, обуславливающих аромат копчености, считается лигнин.
Для получения технологического коптильного дыма предпочтительными считаются лиственные породы древесины. Это объясняется тем, что гемицеллюлоза лиственных пород состоит из пентозанов, а хвойных пород - из гексазанов. Поэтому при пиролизе лиственных пород образуется больше летучих кислот и особенно уксусной кислоты. Из лигнина лиственных пород выделяется гваякол, а из лигнина хвойных пород, кроме гваякола, выделяются также диметиловые эфиры пирогаллола. Данные о химическом составе коптильного дыма, полученного из опилок хвойной и лиственной пород (сосны и дуба) при сжигании в идентичных условиях приведены в таблице 4.
Таблица 4 – Химический состав коптильного дыма
| Компоненты | Содержание компонентов, г/м3 | |
| в дыме из сосны | в дыме из дуба | |
| 1 | 2 | 3 |
| Нейтральные вещества | 0,1590 | 0,452 |
| Жирные кислоты | 0,0135 | 0,045 |
| Основные вещества | 0,0120 | 0,030 |
| Фенолы | 0,0980 | 0,073 |
| 3,4-бензпирен | 5,9х10-8 | 3,9х10-8 |
Рядом исследователей отмечено, что для получения в камере большего количества дыма, пригодного для копчения, применяют в качестве топлива опилки. При сжигании опилок затрудняется подвод воздуха к фронту горения. Сам процесс сгорания происходит медленно.
Опилки тлеют, происходит неполное сгорание топлива, при котором образуется большое количество дыма. При этом одновременно не в полной мере происходит сухая перегонка древесины. Зола, образующаяся при тлении опилок, дополнительно затрудняет доступ воздуха к топливу, что еще более замедляет процесс сгорания и увеличивает длительность кура.
Одной из основных характеристик топлива, как источника тепла является его теплотворная способность, которая зависит от химического состава древесины. Средний элементарный химический состав сухой древесины приведен в таблице 5.
Таблица 5 – Средний химический состав сухой древесины
| Породы дерева | Содержание, % | ||||
| углерода | водорода | кислорода | азота | золы | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Лиственные | 49,7-51,1 | 5,2-6,2 | 42,3 | 0,6 | 0,3-1,6 |
| Хвойные | 49,7-52,1 | 6-6,3 | 42,3 | 0,6 | 0,4-2 |
Углерод является самой существенной частью древесного сырья. При сгорании одного килограмма углерода до углекислоты выделяется 34020 кДж тепла. При неполном сгорании углерода, когда конечным продуктом является окись углерода, тепла выделяется всего 10223,6 кДж. Водород в соединении с углеродом выделяет 143598 кДж тепла. Кислород, соединяясь с водородом топлива, образует воду и тем самым уменьшает теплотворную способность древесного топлива. Азот не участвует в горении. Зола является балластом топлива. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что, регулируя влагосодержание древесного топлива, мы можем регулировать его теплотворную способность.
При 88 %-ной влажности, древесина перестает быть топливом, так как тепло, образующееся при его горении, расходуется исключительно на испарение содержащейся в нем влаги.
Опилки, стружки и дрова считаются по стандарту сухими, если содержание влаги в них больше 25 %, полусухими с влажностью до 35 % и сырыми с влажностью выше 35 %. Свежесрубленная древесина в зависимости от возраста, породы дерева и времени года содержит от 40 до 60 % воды.
Древесина состоит из клеток с плотными стенками и внутренними полостями. Стенки древесных клеток обладают способностью притягивать и удерживать воду. Таким образом, древесину можно рассматривать как капиллярно-пористое коллоидное тело со сложной структурой.
В соответствии с принятой в настоящее время схемой классификации форм связи влаги с материалом, предложенной академиком П. А. Ребиндером, следует различать химическую, физико-химическую и физико-механическую связь влаги с древесиной.
Химически связанная с древесиной влага определяет собой структуру основного древесного вещества, и удаление ее приводит к деструкции древесины как материала.
Физико-химическую связь имеет влага, пропитывающая стенки клеток древесины. Эту влагу принято называть связанной или гигроскопической.
Влагу, заполняющую внутренние полости клеток и межклеточные пространства называют свободной (физико-механическая связь).
Физико-химически связанная вода определяет набухание древесины и по сравнению с обычной имеет иные физические свойства. Она не является растворителем, имеет другую плотность и модуль сдвига, замерзает при более низкой температуре и на ее испарение требуется больше тепла.
Свободная влага легко удаляется из древесины механически (прессованием, центрифугированием).
Форма топлива, используемого для получения коптильного дыма, оказывает влияние на такие моменты, как относительная поверхность топлива и связанная с ней величина скорости подсушки, перегонки и горения топлива, проницаемость слоя топлива для воздуха, которая оказывает большое влияние на скорость процесса горения. Наиболее характерным топливом для получения дыма в коптильном производстве являются древесные опилки, стружка. В отдельных типах дымогенераторов, например, в генераторе колхоза им. Кирова, используется специальная мелкодробленая древесина. Опилки имеют большую относительную поверхность, но проницаемость слоя опилок для воздуха невелика, что является положительным фактором, обеспечивающим не горение, а тление опилок. В получении коптильного дыма использование опилок предпочтительнее еще и по той причине, что при сжигании дров образующийся дым содержит значительно больше ароматических полиядерных углеводородов, содержание которых в дыме недопустимо.
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 654; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!