Технология производства растительного пергамента

ВВЕДЕНИЕ.

Упаковка из растительных полимеров безвредна для человека, быстро разлагается в природе  и не загрязняет окружающую среду, легко  перерабатывается в виде макулатуры. На российском и международном рынках стабильно сохраняется тенденция  увеличения капиталовлажений в развитие упаковки. Все более приоритетной  становится упаковка, практичная и  безвредная для потребителя. Одним  из таких упаковочных материалов является растительный пергамент.

Растительный пергамент  – материал натурального происхождения, состоящий из   100целлюлозы, такой  же биоразлагаемый, как древесина и другое растительное сырье. В природе он разлагается на безвредные вещества: целлюлозу, глюкозу, углекислый газ, воду. Его безвредность при контакте с пищевыми продуктами признана законодательством всех стран. Пергамент, как вторсырье, используется для получения удобрений, В Германии из него производят компост. При сжигании пергамент не выделяет вредных газов для окружающей среды. Он имеет повышенную теплоту сгорания.

Отличительная особенность  пищевого пергамента по сравнению с  полимерными пленками и специальными бумагами – его биологическая инертность и воздухопроницаемость, которые позволяют продуктам «дашать» и не адсорбировать посторонние запахи. Эти уникальные свойства обеспечили практически повсеместное применение его при упаковке продуктов, нуждающихся в продолжительном предохранении от сырости или высыхания, в защите от потери летучих эфирных веществ, обусловливающих вкус и запах. Поверхность пергамента не имеет никаких волокон, микроволосков и пыли. Он не растворяется в жирах и противодействует проникновению жиров сквозь упаковку, не прилипает к жирным продуктам, имеет непревзойденные барьерные качества по жиронепроницаемости среди всех существующих в настоящее время бумаг. Это незаменимая и безопасная упаковка для предприятий быстрого питания, кафе, школ.

Растительный пергамент  или пергаментная бумага – жиронепроницаемая  и влагостойкая бумага, предназначенная  для упаковывания пищевых продуктов, перевязочных материалов, изделий медицинской  промышленности и другой продукции, требующей влагонепроницаемой и  жиронепроницаемой упаковки, для  хозяйственно-бытовых нужд и используемая в качестве основы для каширования  фольгой, ламинированияи т.д.

1. ВИДЫ И ОСНОВНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА.

Растительный пергамент  – это жиронепроницаемая влагопрочная полупрозрачная бумага, получаемая путем  обработки бумаги-основы концентрированной серной кислотой с последующими ее промывкой и сушкой. Растительный пергамент иногда называют просто пергаментом, хотя он принципиально отличается от истинного пергамента – старинного материала для письма, изготавливавшегося из шкур животных. Растительный пергамент был изобретен в 1846 г. Жаном Пумару и Луи Фигюйе. В промышленном масштабе его начали выпускать в 1858 г. в Париже.

Растительный пергамент  применяется для упаковывания пищевых  продуктов (сливочного масла, пищевых  жиров, молочно-творожной продукции, пищевых концентратов), изделий медицинской  промышленности (перевязочных материалов) и другой продукции, требующей влагонепроницаемой и жиронепроницаемой упаковки, а  также для технических целей.

В соответствии с ГОСТ 1341-97 растительный пергамент должен вырабатываться следующих видов и марок:

Пищевой пергамент:

марка А (масса 1 м² – 60…68 г) – для упаковывания пищевых продуктов, сливочного масла, маргариновой продукции и других пищевых жиров монолитом, автоматического и ручного фасования, запекания, а также для упаковывания пищевых продуктов в замароженном виде;

марка Б (масса 1 м² – 53…59 г) и марка В (масса 1 м² – 47…52 г) – для упаковывания, автоматического и ручного фасования сливочного масла, маргариновой продукции и других пищевых жиров, концентратов, творожно-сырковых, кондитерских изделий, а также других пищевых продуктов, содержащих жиры и влагу, и для упаковывания пищевых продуктов в замороженном виде;

марка О (масса 1 м² – 35…75 г)  - в качестве прокладок при упаковывании пищевых продуктов в крупногабаритную тару, для ручного фасования пищевых продуктов, для хозяйственно-бытовых нужд и других целей.

Медицинский пергамент:

марка М (масса 1 м² -53…59 г) – для упаковывания перевязочных материалов и изделий медицинской промышленности, в том числе подлежащих стерилизации.

Дуплекс:

марка Д (масса 1 м² – 38…46 г) – в качестве основы для металлизирования, каширования, ламинирования, силиконизирования, а также для упаковывания пищевых продуктов, требующих влагонепроницаемой и жиронепроницаемой упаковки, для технических и других целей.

Натуральный пергамент:

марка К (масса 1 м ² – 50…60 г) – для выстилания изнутри металлических банок при консервировании крабов.

Растительный пергамент  изготавливается в рулонах и  листах различного формата. Российский растительный пергамент поставляется в рулонах шириной 640, 740, 840 мм и  других размеров на гильзах диаметром 76 мм, а также в бобинах шириной 180…255 мм без печати и с печатью. По желанию заказчика растительный пергамент может быть поставлен  в листах [1].

Максимальное допускаемое  отклонение по ширине рулона составляет ±5 мм. Формат листов устанавливается  по согласованию изготовителя с потребителем. Максимальное допускаемое отклонение по длине и ширине листов - ±3 мм.

Растительный пергамент  может изготавливаться окрашенным, с нанесением печати и без нее.

Отечественными производителями  освоен выпуск растительного пергамента с введением наполнителя для понижения прозрачности (масса 1 м² – от 45 до 64 г) и растительного пергамента с биозащитным покрытием для упаковки скоропортящихся продуктов питания [1].

Ширина полотна растительного  пергамента, вырабатываемого на зарубежных предприятиях, составляет от 2,80 до 4,70 м. Масса 1 м² – 40…65 г.

Показатели качества растительного  пергамента фирмы «KoamTac» (США) приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Показатели качества растительного  пергамента фирмы «KoamTac»

Фирма «Ahlstrom» (Финляндия) вырабатывает на своем предприятии во Франции растительный пергамент различного назначения: для пищевой промышленности (марок Unibake, Grillon, Sulcote и Sulpack – для выпекания, упаковки выпечки, завертывания масла и маргарина, упаковывания рыбы, мяса, в том числе в замороженном виде); для автомобильной промышленности, для электроники (марка Sulfu Release), а также окрашенный и текстурированный растительный пергамент для печати постеров и изготовления художественной упаковки [1].

Фирма «Amol Paper Mills Pvt. Ltd.» (Индия) выпускает следующие виды растительного пергамента: для выпечки, для упаковки масла, трансферный (для печати на текстиле), цветной (для изготовления текстильных патронов), медицинский (для стерилизации), для упаковывания цветов, огнестойкий и т.д. [2].

В мировой практике вырабатывался  также растительный пергамент массой 1 м² 30…31 г толщиной 30 мкм, обладающий высокой прозрачностью – для специальных целей; технический растительный пергамент массой 1м² 110…130 г и пергаментный картон, применяемый для изготовления жесткой влагопрочной тары. Последний получали путем поверхностной пергаментации картона.

В связи с интенсивным  развитием производства различных  заменителей растительного пергамента (подпергамент, пергамина) и синтетических  упаковочных пленок в настоящее  время объем производства растительного  пергамента не имеет тенденции роста [1].

2.ОСОБЕННОСТИ  ТЕХНОЛОГИИ РАСТИТЕЛЬНОГО ПЕРГАМЕНТА.

Растительный пергамент  получается обработкой непроклеенной  бумаги-основы концентрированной серной кислотой с последующей отмывкой ее и сушкой. Продолжительность действия кислоты изменяется в зависимости от свойств и толщины бумаги и составляет от 3 до 12 секунд.

Действие  серной кислоты  на целлюлозные волокна, из которой  состоит бумага-основа, зависит от концентрации кислоты (1,56…1,59), ее температуры  и от продолжительности действия. При погружении целлюлозы на 10…20 секунд в 78%-й раствор серной кислоты  при комнатной температуре волокна  целлюлозы набухают в поперечном направлении, укорачиваются в длину  и становятся прозрачными. Поверхность  бумаги покрывается плотным водонепроницаемым  слоем. Этот слой уже не имеет четко  выраженной волокнистой структуры  и представляет собой целлюлозу, проклеенную продуктами начального гидролиза (целлодекстринами). При этом снижается удельный вес бумаги на 32…40 %, а толщина на 34…37 %.

Пергаментная бумага легко  окрашивается анилиновыми и другими  искусственными красителями посредством  простого погружения ее в водные растворы красящих веществ.

В воде пергаментная бумага набухает с большим трудом, затем  размягчается. Во влажном состоянии  не подвергается гниению и имеет  высокое сопротивление разрыву.

Для получения растительного  пергамента используют специальную  бумагу-основу.

2.1 Бумага-основа  для растительного пергамента.

Ранее для производства растительного  пергамента применялась как сульфатная, так и сульфитная беленая целлюлоза. Растительный пергамент из сульфитной целлюлозы имеет более высокую белизну, однако его механические показатели, а также жиронепроницаемость ниже, чем у растительного пергамента из сульфатной целлюлозы.  Поэтому в настоящее время растительный пергамент производят преимущественно из сульфатной целлюлозы.

На одном из предприятий  бумага-основа для растительного  пергамента вырабатывается из смеси  беленых сульфатных целлюлоз, полученных их хвойных и лиственных пород  древесины [2]. Соотношение хвойной  и лиственной целлюлозы в композиции составляет 3:2. Основа вырабатывается неклееной, без наполнителя, с повышенной впитываемостью воды и нормируемой  механической прочностью. Показатели качества бумаги-основы приведены в  табл. 2.

Таблица 2.

Показатели качества бумаги-основы для растительного пергамента

Основа вырабатывается в рулонах; ширина рулона равна рабочей ширине пергаментной машине. Из приведенных в табл.2 данных можно сделать вывод, что особенностью бумаги-основы, предназначаемой для изготовления пергамента растительного, является высокая впитываемость жидкости при значительной механической прочности.

Пропитка бумаги серной кислотой – главный (основной) технологический  процесс превращения неклееной  бумаги-основы в растительный пергамент, который при этом приобретает  указанные выше технические свойства. Чем быстрее и глубже впитывает  бумага-основа серную кислоту, тем выше качество пергаментации бумаги. Хорошая  пергаментация улучшает качественные показатели растительного пергамента: жиро- и водонепроницаемость, воздухопроницаемость, светопроницаемость, механическую прочность.

Хорошая впитываемость бумагой-основой  кислоты способствует работе пергаментной машины на более высокой скорости, т.е. повышается производительность труда. Чрезмерно высокая впитываемость бумаги-основы обусловит обратный, отрицательный результат – повысится обрывность бумажного полотна.

Просвет бумаги должен быть ровным, чтобы обеспечить получение  растительного пергамента с равномерной  прозрачностью. Наличие скоплений  волокон обусловливает неравномерную по толщине полотна пергаментацию волокон, ухудшает показатели жиро- и водонепроницаемости, прозрачности и влагопрочности растительного пергамента.

На поверхности бумаги не допускается наличие крупинок песка, угля, шлака, так как в процессе пергаментации они выпадают, образуя  в полотне отверстия. Наличие  видимых невооруженным глазом отверстий, рассеянных по полотну бумаги, увеличивает  воздухопроницаемость, ухудшает жиро- и водонепроницаемость растительного  пергамента. Крупные отверстия, дыры, выдирки, концы в полотне обусловливают обрывность полотна при прохождении на пергаментной машине, что снижает производительность труда бригады и машины, увеличивает расход волокна и химических веществ на выработку растительного пергамента.

При наличии на поверхности  бумаги капелек масла места эти  не пергаментируются, полотно растительного  пергамента покрывается белыми, беспорядочно распределенными пятнами, крапинами, снижаются прозрачность, светопроницаемость и равномерность просвета растительного  пергамента.

Бумага-основа должна быть равномерной  по сухости; при неравномерной сухости  растительный пергамент не имеет  равномерного просвета, поверхность  его коробится (морщинится).

Волнистость бумаги-основы при ее пергаментировании обусловливает образование морщин, складок и обрывов полотна на пергаментной машине.

2.2 Используемые  химикаты.

Для выработки растительного  пергамента применяются следующие  химикаты:

кислота серная техническая  по ГОСТ 2184-77;

сода кальцинированная по ГОСТ 5100-85;

глицерин дистиллированный по ГОСТ 6824-76 с плотностью при температуре 20 ⁰С не менее 1,2604 г/см³;

пероксид водорода по ГОСТ 177-77 с массовой долей пероксида 30…40%.

Чистая 100 %-ная серная кислота, называемая моногидратом, представляет собой маслянистую жидкость, застывающую  в кристаллическую массу при  температуре +10 ⁰С. В производстве растительного пергамента используют техническую серную кислоту, контактную улучшенную, имеющую следующие показатели качества:

массовая доля моногрида (Н₂SO₄) – 92,5…94,0 %;

массовая доля железа (Fe) – не более 0,006 %;

массовая доля остатка  после прокаливания – не более 0,02 %;

массовая доля оксидов  азота (N₂O₃) – не более 0,00005 %;

массовая доля мышьяка (Аs) – не более 0,00008 %;

массовая доля хлористых  соединений (Сl) – не более 0,0001 %;

массовая доля свинца (Рb) – не более 0,001%.

Серная кислота смешивается  с водой в любых соотношениях с выделением значительного количества тепла. Разогревание смеси сопровождается разбрызгиванием, поэтому при смешивании серной кислоты с водой соблюдают  большую осторожность, приливая серную кислоту в воду (но не наоборот!) малыми порциями при тщательном помешивании  смеси.

При химических реакциях серная кислота интенсивно поглощает водяные  пары из воздуха и воду. При действии на органические вещества она обугливает их, отнимая воду. Этим объясняется ее разрушающее действие на растительные и животные ткани. Разбавленная серная кислота энергично реагирует с металлами.

С повышением температуры  объем кислоты увеличивается, а  плотность уменьшается. В зависимости  от температуры вводятся поправочные  коэффициенты (табл.2.1).

Таблица 2.1

Значения поправочных  коэффициентов для определения  концентрации растворов серной кислоты

Регенерация отработанной серной кислоты осуществляется путем ее упаривания в вакуум-выпарных аппаратах.

Отработанная серная кислота  концентрацией около 45 % (плотность  около 1,35 г/см³) подвергается осветлению пероксидом водорода в сборной емкости, откуда через расходомер и преднагреватель насосом подается в циркуляционную линию серной кислоты вакуум-выпарного аппарата периодического действия.

В преднагревателе кислота  подогревается до температуры 50…60 ⁰С конденсатом, поступающим из нагревателя через сборник конденсата, оснащенный автоматическим регулятором уровня, связанным с конденсатным насосом. Из преднагревателя конденсат поступает в сборную емкость. При наличии протечки кислоты в нагревателе или преднагревателе конденсат автоматически направляется в емкость нейтрализации сточных вод. Наличие кислоты в конденсате контролируется датчиком проводимости раствора.

Поступившая в циркуляционную линию отработанная кислота попадает в нагреватель (трубчатый теплообменник), где нагревается до температуры 85…90 ⁰С насыщенным паром с температурой 140..145 ⁰С. При разряжении в системе 4,5 кПа происходит интенсивное испарение воды и укрепление кислоты. Разрежение создается водокольцевым вакуум-насосом и поддерживается в системе автоматически, с помощью контура регулирования вакуума в конденсаторе.

Из вакуум-выпарного аппарата упаренная кислота с концентрацией 66…68 % поступает в эмалированную  емкость, в которой постоянно  поддерживается определенный уровень  кислоты (гидрозатвор). Из нее через  промежуточный бачок кислота  при помощи насоса перекачивается в  емкость рабочего раствора кислоты.

Парогазовая смесь из вакуум-выпарного  аппарата удаляется вакуумным насосом  через конденсатор, где пар конденсируется технологической водой. Конденсат  направляется в сборник, оснащенный регулятором уровня. Неконденсирующиеся газы удаляются из конденсатора вакуумным насосом в атмосферу.

2.3 Процесс пергаментации.

Пергаментация бумаги-основы состоит в кратковременном воздействии  на нее серной кислоты с плотностью 1,56…1,59. При этом протекают одновременно два основных процесса: физико-химический – набухание волокон и химический – их гидролиз [1].

При действии кислоты на бумагу-основу в пергаментирующей ванне  кислота пропитывает целлюлозные  волокна, заполняет вначале пустоты  между отдельными волокнами, затем – микропространства между фибриллами волокон и макромолекулами; разобщает их – происходит набухание. Макромолекулы раздвигаются, удаляются друг от друга, межмолекулярные и внутримолекулярные связи ослабевают, а затем разрываются.

При набухании волокон  физико-химическое состояние их изменяется: увеличивается внутренняя поверхность, уменьшается истинная плотность  целлюлозы, возрастает гигроскопичность. С технологической точки зрения это положительный процесс, позволяющий  придавать бумаге ряд технических свойств, которыми должен обладать растительный пергамент. Набухшие волокна целлюлозы из-за ослабления и разрыва водородной связи в составляющих их макромолекулах уплотняются при мокром прессовании, дают сильную усадку при сушке. В результате возрастают плотность, механическая прочность и масса 1 м² пергаментированной бумаги. При массе 1 м² бумаги-основы 58..67 г масса 1 м² растительного пергамента достигает 66…74 г. Следовательно, масса 1 м² растительного пергамента увеличивается относительно массы 1 м² исходной бумаги-основы на 10…13 %.

Как указывалось выше, в  процессе пергаментации бумаги-основы одновременно с физико-химическим процессом набухания целлюлозных волокон протекает химическая реакция гидролиза. Целлюлоза по способности гидролизоваться относится к группе трудногидролизуемых углеводов. Конечным продуктом гидролиза целлюлозы является глюкоза. Реакция гидролиза целлюлозы выражается уравнением

(С₆Н₁₀О₅)_n + nH₂O → С₆Н₁₂О₆

                                 Целлюлоза                   Глюкоза

Гидролиз целлюлозы до глюкозы протекает не сразу. В  процессе реакции гидролиза образуется ряд промежуточных продуктов. Кислотный  гидролиз целлюлозы протекает по схеме: целлюлоза → гидроцеллюлоза → декстрины целлюлозы (целлодекстрины) → целлобиоза → глюкоза. Гидроцеллюлоза, образующаяся в начальной стадии гидролиза, представляет собой смесь  целлюлозы и продуктов ее распада.

При химическом взаимодействии кислоты с целлюлозой при реакции  гидролиза происходит набухание, а  затем распад (деполимеризация) макромолекул целлюлозы; рвутся глюкозидные связи, соединяющие глюкозные остатки,  появляются целлодекстрины, представляющие собой обрывки макромолекул целлюлозы различной длины. В процессе гидролиза длина молекул целлодекстринов уменьшается, при достаточном количестве воды целлодекстрины распадаются до гекса-, тетра-, три-, и дисахаров и в конечном итоге до глюкозы. Эти низкомолекулярные продукты гидролитического распада целлюлозы растворяются в кислоте.

Скорость гидролиза возрастает с увеличением температуры и  концентрации кислоты. На практике при  повышении температуры кислоты  в пергаментирующей ванне выше 20 ⁰С полотно бумаги теряет целостность, как бы растворяется в кислоте ванны; его трудно, а иногда и невозможно заправить между углами отжимного пресса. Это свидетельствует о потере волокнами структурной целостности, т.е. волокна разрушены процессом гидролиза.

Обрывки полотна бумаги-основы не всегда удается извлечь из пергаментирующей ванны. Волокна целлюлозы в кислоте  ванны со временем распадаются до продуктов конечной стадии гидролиза  – сахаров. Они растворяются в  кислоте, частично окисляются, а некоторые  в виде «обрывков» волокон оседают  на дне пергаментирующей ванны. Некоторое количество этих веществ уносится полотном в кислотоулавливающие ванны, далее, с отработанной кислотой – в отдел регенерации кислоты. Процесс гидролиза волокон при пергаментации крайне нежелателен.

Теоретически в процессе пергаментации бумаги желательно достигнуть разрыва водородных связей у максимального  количества макромолекул и минимального укорачивания длины макромолекул целлюлозы, составляющей волокнистую композицию бумаги, т.е. процесс пергаментации  бумаги ограничить в рамках процесса набухания волокон. Практически  это в значительной мере достигается  выбором параметров режима пергаментации  бумаги.

В результате процесса пергаментации  волокнистая структура листа  фактически исчезает, уступая место  более или менее однородной студнеобразной массе, состоящей из набухших, потерявших свою форму волокон и распределенного между ними амилоида из продуктов деструкции целлюлоза [2].

При пергаментации бумаги серная кислота с целлюлозой и  продуктами ее гидролитического распада  химических соединений не образует. Кислота, содержащаяся в полотне пергаментированной бумаги, впоследствии полностью удаляется  прессованием, прополаскиванием, водной промывкой и нейтрализацией полотна.

На степень пергаментации  бумаги и качество растительного  пергамента влияют следующие факторы:

композиция – волокнистый  состав бумаги;

качество бумаги-основы;

концентрация кислоты;

температура кислоты в  пропитывающей и пергаментирующей ваннах;

время пребывания бумаги в  кислоте (продолжительность пергаментации).

Влияние первых двух факторов уже рассматривалось выше.

Концентрация и температура  серной кислоты, заполняющей пропиточную  и пергаментирующую ванны, продолжительность пребывания бумаги в них обусловливаются видом вырабатываемого растительного пергамента.

Все операции по превращению  бумаги-основы в растительный пергамент  выполняются на пергаментной (пергаментирующей) машине: пергаментация бумаги-основы серной кислотой → промывка вначале растворами кислоты, затем водой → нейтрализация → промывка водой от щелочи → пластификация → сушка → каландрирование → наматывание в рулоны.