Основы получения коптильного дыма

При дымовом копчении дым является источником теплоты и основных компонентов, ответственных за эффект копчения.
Состав и свойства дыма зависят от породы и вида древесины, ее химического состава и физических свойств, условий горения и транспортировки к продукту.
Для генерации качественного технологического дыма применяют преимущественно лиственные породы древесины: дуб, бук, ольху, березу (без коры), тополь и др. Наилучшими ароматическими свойствами обладает дым, получаемый при сжигании плодово-ягодных пород древесины. Для улучшения аромата добавляют (до 10 ветви, ствол и даже ягоды можжевельника, жгучую крапиву, вереск, листья шалфея и лавра, шелуху лука и т. д.
Хвойные породы древесины (ель, пихту, сосну и др.) необходимо предварительно выдерживать для выветривания смоляной фракции, иначе продукт приобретает посторонний запах, горький привкус и темный цвет, а также отличается повышенным количеством ПАУ (полициклические ароматические углеводороды).
Топливо применяют в виде дров, стружек, опилок. Чем выше степень измельчения топлива, тем меньше требуется воздуха и кислорода в зоне горения, тем больше образуется ароматических коптильных компонентов, качественнее дым. На практике применяют в основном опилки россыпью или в виде гранул.
Влажность древесины должна быть не более 25 % в дровах и около 40—50 % в опилках, для чего целесообразно их специально увлажнять. При повышенной влажности в коптильной среде образуется много пара, а также низкомолекулярных кислот (муравьиной, пропионовой), что нежелательно.
Элементный химический состав древесины различных пород примерно одинаков: углерода содержится 48,5—50,3 %, водорода — 6,1—6,9 %, кислорода — 42,4—45,2 %.
Молекулярный химический состав древесины зависит от ее породы и в основном представлен целлюлозой (клетчаткой), гемицеллюлозой и лигнином. Из этих веществ состоят стенки клеток древесины, из них образуется основное количество органических коптильных веществ.

Горение древесины для получения технологического дыма должно идти при определенной температуре (оптимум 300—400 °C) и с ограниченным доступом кислорода в зоне, т. е. в условиях пиролиза. В противном случае окисление составных частей древесины будет идти до конечных продуктов — СО2 и Н2О и без образования ароматических органических веществ.
При пиролитическом разложении древесины различают следующие стадии: интенсивное испарение влаги при 100—170 °C; термическое разложение гемицеллюлозы при 200—260 °C; термическое разложение целлюлозы при 260—310 °C; термическое разложение лигнина при 310—500 °C.
До температур около 280 °C процесс протекает с поглощением теплоты и образованием так называемого эндотермического дыма. При температуре 280—300 °C древесина воспламеняется, выделяется теплота, образуется экзотермический дым.
Появляющиеся в начальный период пиролитического разложения древесины вещества нежелательны для коптильного дыма. Это продукты первичных реакций пиролиза древесины — прежде всего неароматические газы и жидкости, древесный уголь и смола. Для получения качественного дыма очень важны вещества, образующиеся при вторичных реакциях пиролиза и представляющие собой продукты взаимодействия первых друг с другом и с кислородом воздуха. В результате образуется сложная химическая смесь, состоящая приблизительно из 10 тыс. твердых, жидких и газообразных органических компонентов, около 1000 из которых участвуют в формировании свойств копченого продукта.
В реальных условиях дымогенерации первичные и вторичные реакции протекают одновременно, так как процессы пиролиза пространственно не разделены. Количество теплоты, высвобождающееся в результате окислительных процессов, очень большое, поэтому температура в некоторых зонах может составить 700—1000 °C. В этих условиях древесный уголь сгорает до СО, СО2 и Н2О, жидкие продукты окисляются до неароматических соединений, а возникающие ароматические соединения интенсивно полимеризуются с образованием ПАУ (полициклические ароматические углеводороды).
Оптимальная температура в зоне тления древесины не должна превышать 300—400 °C.
Коптильный дым представляет собой аэрозоль — смесь дисперсной фазы (твердые и жидкие частички размером 0,5—7,5 мкм) и дисперсионной среды (различные газы: кислород, водород, азот, оксид и диоксид углерода, пары воды и т. д.). Массовая доля газообразной фазы — около 10 %. Обе фазы образуют неустойчивую систему, в которой органические компоненты распределены в зависимости от температуры, влажности, степени разбавления воздухом, вида древесины и других факторов.

Коптильный дым как многокомпонентная система поддерживается за счет теплового броуновского движения молекул и заряженных частиц (до 70 % жидких и 100 % твердых). В камеру с продуктом дым поступает под влиянием тяги и конвекционных потоков. В свою очередь, под влиянием гравитационных сил (тяжести), радиометрических (термофорез) и внешних, например, при наложении внешнего электростатического поля и т. д., компоненты дыма осаждаются на поверхность продуктов. Интенсивность осаждения компонентов прямо пропорциональна концентрации дыма, скорости его движения, степени дисперсности, углу расположения, температуре и влажности продукта. На сухую поверхность осаждается в основном капельно-жидкая фаза дыма, на влажную — газообразная вследствие конденсации паров.

При осаждении коптильных компонентов на поверхность продукта из-за химического взаимодействия с веществами продукта наблюдаются процессы их адгезии, когезии, конденсации, сорбции (адсорбции и абсорбции), а также хемосорбции. Коптильные компоненты проникают внутрь продукта благодаря градиенту концентраций, как движущей силы процесса. Диффузия веществ интенсифицируется термофорезом за счет разницы температур продукта и коптильной среды.
По плотности дым может быть редким (0,5—1 г/м 3) и густым (3—6 г/м 3). Оптимальной концентрацией дыма считают 1,2— 1,5 г/м 3.
Плотность дыма зависит от типа дымогенератора, вида древесины, условий горения (температуры, влажности и т. д.).
Дисперсный состав дыма (соотношение дисперсионных фаз и среды, преобладающий размер частиц) также обусловливается параметрами дымогенерации. Основную массу в дыме составляют частицы размером 0,1—0,7 мкм (85—87 . По мере движения по дымоходам доля мелких частиц возрастает в 4—5 раз, средних — падает примерно в 2 раза, а крупных — практически не изменяется. Наиболее мелкодисперсный дым получают из хвойных пород древесины (доля частиц размером 0,1—0,35 мкм около 60 , что объясняется меньшей прочностью самой древесины.

Дым из дымогенератора очень концентрированный и горячий.
Для получения дыма с заданными технологическими свойствами его смешивают с воздухом для охлаждения и разбавления. С этой целью каждый дымогенератор укомплектован камерой смешения, куда подается холодный воздух. Охлаждение должно быть быстрым, чтобы сохранились технологические свойства дыма.
Дымогенератор должен располагаться рядом с коптильной установкой, так как при транспортировании дыма капельно-жидкая фаза осаждается на стенках дымоходов, особенно у разветвлений и поворотов. Смолистые вещества, накапливающиеся в коптильных установках, дымоходах и дымогенераторах, необходимо удалять во избежание самовозгорания.
Продолжительность транспортирования дыма должна быть не более 20 с при ламинарной его подаче и не более 10 с при турбулентном движении дыма.