7

Введение

Вода представляет собой важнейшее химическое соединение, определяющее возможность существования жизни на Земле вообще и человека в частности. Как ни удивительно, но вода до сих пор остается наиболее малоизученным веществом Природы. Вода - это, на первый взгляд, простое химическое соединение водорода и кислорода. Но на самом деле, вода - основа жизни на Земле.

Доступность и незаменимость воды обусловила ее широкое применение в быту, промышленности и сельском хозяйстве, медицине -- во всех сферах человеческой деятельности. Трудно вспомнить, где вода не применяется.

На сегодняшний день острой является проблема экологической обстановки во всем мире. И в связи с этим все большее внимание и обеспокоенность вызывает качество питьевой воды, ее чистота и использование в пищевых производствах. Поэтому особый интерес вызывает разработка современных и эффективных способов очистки и обеззараживания воды.

Эта проблема является актуальной, так как от качества воды и другого сырья зависит микробиологическая чистота и безопасность продуктов питания, что непосредственно связано со здоровьем людей в современных условиях. Также важным является вопрос структуры и свойств воды, поскольку вода является растворителем, определяет протекание необходимых химических реакций и влияет на ход технологических процессов.

К числу факторов, приводящих к изменению структуры и свойств воды, относятся различные излучения и поля (электрические, магнитные, гравитационные и другие еще не достаточно изученные, в частности, связанные с биоэнергетическим воздействием человека и взаимным влиянием друг на друга разделенных порций жидкости), механические воздействия (перемешивание разной интенсивности, встряхивание, течение в различных режимах и т.д.), а также их всевозможные сочетания.

В производстве хлеба, как главном продукте питания, предпринимались попытки очистки и изменения свойств воды под воздействием различных факторов физической природы таких, как: термообработка, дегазация, ультрамикрокавитация, ионизация воды серебром, оптические воздействия, электромагнитные поля, поле токов СВЧ, электрохимическая обработка, озонирование, мембранная фильтрация, обратный осмос и т.д.

Известно, что вода обладает структурно-информационными свойствами, воспринимает и передает информацию, закладываемую в ее структуру (межмолекулярные образования - ассоциаты, кластеры, клатраты), благодаря взаимодействию с различными физическими воздействиями.

Внешние физические воздействия на водные системы приводят к эффекту активации - временному сообщению воде особых свойств, которые могут сохраняться в течение некоторого времени. Переход воды в нормальное (равновесное) состояние происходит постепенно.

В настоящий момент актуальной является тема обработки воды специальными методами, позволяющими эффективно очищать, обеззараживать воду и изменять ее свойства таким образом, чтобы обработанная вода могла оказывать улучшающее воздействие на свойства полуфабрикатов и качество готовых хлебобулочных изделий, позволяла изменять и корректировать ход технологического процесса.

1. Обзор литературы

1.1 Влияние различных методов обработки на свойства и структуру воды

По словам Зенина, вода состоит из кластерных ячеек, каждая из которых представляет собой как бы миниатюрный биокомпьютер. Основная задача - активировать воду, где суть активации воды в независимости от способа активации заключается в разрушении кластерных структур для насыщения воды мономолекулами. Так что суть активации воды заключается в том, чтобы насытить воду мономолекулами любым известным способом, сделав ее пригодной для непосредственного использования в биохимических реакциях без затраты организмом энергии и времени на получение необходимого количества мономолекул воды для этой цели. А дело в том, что вода - это ассоционная жидкость, в ней молекулы воды объединены в группы - как бы кристаллы, которые называются кластеры, а отдельных молекул практически нет (рис. 1).

Рисунок 1 - Структура жидкой воды в модели мерцающих кластеров Френка-Вина

Вода имеет необычные свойства, а именно вода в химических реакциях и биохимических процессах играет роль транспортного средства или, как говорят специалисты, реакция идет в диссоциированном растворе. Известно много способов насыщения воды мономолекулами, например, это переход из твердого состояния в жидкое - таяние льда, такую воду называют талой, насыщение газом с последующей дегазацией воды -минерализованные воды (газировка), нагрев воды до начала дегазации белый кипяток с последующим быстрым охлаждением, воздействие ультразвуком большой силы и, наконец, воздействие магнитным полем. Во всех этих случаях получаем воду, в которой содержится большое количество молекул в свободном (несвязанном) состоянии за счет изменения ее структуры.

Исследователей все больше привлекают структурно-информационные свойства воды, связанные с понятиями «структурная и спектральная память» воды, «аквакоммуникация», отражающие способность воды воспринимать, передавать и сохранять информацию.

Естественно, что изменение структурно-информационных характеристик воды приводит к изменению ее различных свойств: физико-химических (плотности, вязкости, поверхностного натяжения, электропроводимости, внутренней энергии, растворяющей способности, склонности к переохлаждению, а также формы кристаллов замороженной воды и кристаллов веществ, полученных испарением воды из растворов), спектральных, химической реакционной способности вследствие возникновения различных молекулярных образований в воде. Структурно-информационные характеристики зависят от наличия концентрации и структуры межмолекулярных образований и состояния межмолекулярной сетки из водородных связей, объединяющей их.

Электрохимическая активация воды

Для очистки питьевой воды от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлотации и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из воды ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии.

Очистку питьевой воды электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.

Технология очистки состоит из нескольких стадий, разделенных во времени и пространстве:

- в электрохимическом реакторе - анодное окисление обеспечивает уничтожение микроорганизмов и деструкцию вредных органических соединений, а катодное - восстановление (нейтрализацию) ионов тяжелых металлов;

- каталитический реактор - обеспечивает каталитическое разложение активных веществ, например хлора;

- флотационный реактор - флотационное отделение взвешенных веществ, гидроксидов тяжелых металлов, в том числе железа [1].

Способ электрохимической обработки водосодержащих сред заключается в том, что в емкости размещают электроды в виде разнесенных между собой анода и катода, разделяют межэлектродное пространство пористой диафрагмой, подают воду в межэлектродное пространство и пропускают через электроды постоянный ток, затем выводят обработанную водосодержащую среду отдельно из пространства между анодом и диафрагмой и из пространства между катодом и диафрагмой. При пропускании через электроды постоянного тока водосодержащую среду в пространстве между анодом и катодом облучают мощными наносекундными однополярными электромагнитными импульсами.

Цель - повышение эффективности активации для обеспечения большей устойчивости свойств активированной водосодержащей среды [25].

Электрохимически активированные растворы получают путем обработки исходных водных разбавленных растворов минеральных солей или воды в катодной или анодной камерах диафрагменного электрохимического реактора.

Раствор, полученный при катодной обработке, называется католитом, при анодной - анолитом.

Термины "вода" и "растворы" здесь тождественны. В природе не бывает совершенно чистой воды, поэтому даже дистиллят можно считать очень разбавленным раствором.

Воду любого минерального состава и концентрации можно подвергнуть анодной или катодной электрохимической обработке и получить электрохимически модифицированный раствор - анолит или католит соответственно.

Изменение физико-химических свойств и биологической активности воды в результате электрохимической обработки происходит под воздействием электрического тока, который в проводниках первого рода (металлических проводах, электродах) переносится электронами, а в проводниках второго рода (растворах электролитов, в т.ч. воде) - ионами.

Поступление электронов из катода в воду также как и удаление электронов из воды в анод сопровождается целой серией электрохимических реакций на поверхности катода и анода.

В результате этих реакций образуются новые вещества. Изменяется вся система межмолекулярных взаимодействий, в том числе изменяется и структура воды, как растворителя.

Свойства воды, подвергнутой электрохимической обработке определяются составом минеральных солей в исходной воде, а также видом и режимом электрохимического воздействия [2].

В процессе обработки (в начале, середине и конце) контролируют с помощью аппаратуры такие параметры воды, как ее рН, электропроводность и диэлектрическую проницаемость.

Например, характеристики дистиллированной воды до обработки были следующие: рН - 6,2; удельное сопротивление - 2520 ОмЧм и диэлектрическая проницаемость - 58,5. После пропускания через электроды постоянного тока параметры были следующими: рН - 6,8; удельное сопротивление - 1500 ОмЧм и диэлектрическая проницаемость - 53,2. После пропускания через электроды постоянного тока и облучения межэлектродного пространства мощными наносекундными однополярными импульсами параметры изменились следующим образом: рН - 7,0; удельное сопротивление - 800 ОмЧм и диэлектрическая проницаемость - 65,8.

Проверка изменения рН дистиллированной воды в течение 20 суток после обработки показала, что в воде, обработанной постоянным током, рН католита сохраняет свое значение 6-8 суток, а дальше плавно уменьшается до рН исходной воды. После обработки дистиллированной воды постоянным током и электромагнитными импульсами рН католита возрастает на 0,1 за первые 6-8 суток, далее уменьшается на 0,2 в течение 18-20 суток [25].

Таким образом, появление в обрабатываемой предлагаемым способом водосодержащей среде значительного количества вгидратированных электронов приводит к образованию большего количества объемных кластеров, имеющих более устойчивую структуру, чем вытянутые в виде цепочек кластеры, и, следовательно, более устойчивую структуру анолитов и католитов, а значит и более устойчивые во времени свойства активированной воды.

Обычно в результате катодной обработки любая вода, даже дистиллированная, которая содержит растворенные минеральные вещества, приобретает щелочную реакцию (от исходного pH=7,5-12) за счет превращения некоторой части растворенных солей и гидроксиды. Её окислительно-восстановительный потенциал резко понижается (от исходного +300 мВ до -300...-800 мВ в шкале индикаторного платинового электрода относительно хлор-серебряного электрода сравнения, уменьшается поверхностное натяжение, снижается содержание растворенных кислорода, хлора, азота, возрастает концентрация водорода, свободных гидроксильных групп, уменьшается электропроводность, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и свободного объема воды.

В результате образования хорошо растворимых гидроксидов натрия и калия и повышения вследствие этого pH, происходит сдвиг углекислого равновесия с образованием труднорастворимых карбонатов кальция и магния из находящихся обычно в исходной воде растворимых соединений этих металлов (гидрокарбонатов, хлоридов, сульфатов).

Ионы тяжелых металлов и железа практически полностью выпадают в осадок в виде нерастворимых гидроксидов. При взаимодействии гидроксидов натрия и калия с углекислым газом воздуха образуются растворимые карбонаты и гидрокарбонаты.

При анодной электрохимической обработке кислотность воды увеличивается от исходного pH = 7 до pH = 2-6, ок.-восст. пот. возрастает от +300 мВ до +400...+1200 мВ за счет образования устойчивых и нестабильных кислот: серной, соляной, хлорноватистой, хлористой, хлорноватой, хлорной, надсерных кислот, а также пероксида водорода, пероксосульфатов, пероксокарбонатов, перхлоратов натрия и калия, оксидов хлора и различных промежуточных соединений, возникающих в процессе самопроизвольного распада и взаимодействия названных веществ.

Также в результате анодной электрохимической обработки несколько уменьшается поверхностное натяжение, увеличивается электропроводность, увеличивается содержание растворенных хлора, кислорода, уменьшается концентрация водорода, азота, изменяется структура воды [2].

В момент электрохимической обработки вода приобретает бактериостатические характеристики, аналогичные свойствам родниковых вод.

Бактерицидные вещества, образующиеся в анодной камере электрохимического реактора, обладают очень высокими антимикробными свойствами, намного превосходящими по эффективности обычные антисептики (хлорамин и др.). При этом погибают не только возбудители типичных желудочно-кишечных инфекций (возбудители дизентерии, сальмонеллеза, холерный вибрин), но и экзотические патогенные микроорганизмы тропических стран.

В соответствии с ГОСТ 2874-82 минерализация питьевой воды не должна превышать 1,0 г/л. Во многих городах России минерализация питьевой воды 0,2 - 0,5 г/л, после очистки ее методом обратного осмоса или ультрафильтрации потребитель получит воду с концентрацией солей 0,01 - 0,05 г/л.

При работе с водой минерализацией 0,1 - 0,5 г/л через электрохимический реактор проходит ток силой 0,3 - 0,4 А.

В этом случае общая минерализация обработанной воды почти не меняется, ионы тяжелых металлов переходят в форму нетоксичных и труднорастворимых гидроксидов и гидроксидоксидов, микробы, находящиеся в воде, разрушаются, органические вещества, а также неорганические токсические соединения (в том числе нитраты и нитриты) подвергаются анодной окислительной деструкции. Сильные неорганические окислители (в том числе хлор) и сверхактивные радикальные частицы инактивируются в реакционно-вихревой и каталитической камерах.

Высокий ОВП и ряд других физико-химических условий в анодной камере электрохимического реактора исключают образование токсических хлорорганических веществ и обеспечивают полную окислительную деструкцию диоксинов, если они содержатся в водопроводной воде. Физиологически полезные микро- и ультрамикроэлементы (кальций, калий, магний, литий, фтор и другие) не образуют под влиянием электрохимической обработки нерастворимых соединений и остаются в составе питьевой воды. При содержании в исходной воде ионов серебра 68 мкг/л в очищенной воде содержание ионов серебра составило 56 мкг/л, то есть потерь серебра не было. В то же время токсичные ионы металлов (меди, железа, олова, алюминия, ртути, цинка, хрома удалялись на 85-99,9%).

Присутствующие в воде радионуклиды также превращаются в формы нерастворимых соединений, которые частично оседают на катоде и удаляются при промывании установки. Если эти соединения попадают с водой в желудочно-кишечный тракт, то они не всасываются в кровь и удаляются из кишечника естественным путем [26].

Изменение структуры воды под действием ультразвука

Многие исследователи [3] отмечали изменение свойств воды после воздействия различных факторов: магнитных волн, ультразвукового излучения, рентгеновского облучения, нагревания, замораживания и т.д. Известен, тот факт, что при совершенно различных воздействиях на воду (как физических, так и химических), она способна изменять свои свойства и структуру, что позволяет называть ее активированной, т.е. имеющей избыточный запас внутренней энергии в течение длительного времени [3].

Электронная конфигурация молекул воды изучалась многими авторами [4]. Установлено, что за счет неподеленных электронных пар в молекуле воды могут возникнуть водородные связи, причем часть из них, обуславливающие структуру льда, сохраняются и в жидкой воде. Неполная реализация водородных связей в воде послужила основой для создания различных моделей жидкой воды, объясняющих ее свойства.

Одной из них является двухструктурная модель или модель двух состояний, предложенная Л. Холлом [5].

Холл, изучая повышенное поглощение ультразвука водой, пришел к выводу, что в результате этого процесса возникает две структуры или два молекулярных состояния воды. Для первого состояния характерно наличие большого объема и малой энергии, что соответствует тетраэдрической структуре льда.

Второе состояние характеризуется более плотной упаковкой с меньшим объемом, но большей энергией. Локальное сжатие жидкости под действием ультразвука, по мнению [5], приводит к повышению доли второго состояния.

Кроме того, Холл отмечал некоторое запаздывание молекулярной перестройки структуры воды при ультразвуковом воздействии. Холл также считает [5], что под действием ультразвука переход от первой ко второй структуре сопровождается полным разрывом водородных связей, после чего взаимодействие между молекулами осуществляется только за счет сил Ван-дер-Ваальса. Этот факт подтверждается рядом авторов [6], считающих, что любое воздействие на воду (температурный, физический или физико-химический факторы) приводит к увеличению доли разорванных водородных связей от 9 до 71%. Возвращение системы в состояние равновесия сопровождается восстановлением части водородных связей в структуре, что мы отмечаем через сутки после озвучивания воды.

В современных представлениях о воде и о физико-химических экспериментальных данных, не дающих достоверной картины механизма проявления ее свойств при некоторых явлениях. К такому явлению, в котором вода проявляет свойства ассоциированной жидкости, относится кавитация, наблюдаемая, в частности, при поглощении ультразвука водой. В процессах с ее участием много противоречивых сведений.

В физическом понимании кавитация - это разрыв сплошности жидкости с образованием в нем пустоты, в которую выделяются пузырьки растворенных в жидкости газов [7]. Согласно [8] зародышами кавитации в воде могут быть, так называемые бабстонные кластеры, стабильно присутствующие даже в дистиллированной воде. Под бабстонным кластером в [3] и [8] рассматривают частицу, состоящую из газового пузырька и его ионной оболочки, самостоятельно существующую в воде. Звуковое облучение такого кластера стимулирует его рост до 50 нм, или, приводит к образованию в воде микрополости.

Мнение многих авторов, изучающих явление кавитации под действием ультразвука, сходятся в том, что характер кавитационных пузырьков (размер, пространственные разнесения) напрямую связаны с параметрами ассоциатов воды, присутствующих в исследуемых системах. При нарушении условий стабильности водных ассоциатов в жидкокристаллическом состоянии происходит целый комплекс равновесных и неравновесных процессов, при которых физико-химические характеристики системы претерпевают значительные изменения [3]. По видимому, это приводит к наблюдаемым изменениям ИК спектра воды, подвергнутой ультразвуковому облучению, за счет увеличения или уменьшения размеров водных ассоциатов, присутствующих в системе.

Магнитная обработка

Одним из наиболее эффективных способов безреагентной водоподготовки является магнитная обработка воды.

В наши дни важнейшее значение в процессе водоснабжения имеет водоподготовка. Магнитная обработка жидкостей с целью изменения их энтропии, в частности, активация воды, благодаря универсальности ее применения, справедливо считается технологией XXI века.

Одним из способов улучшения качества воды является ее омагничивание. В природе это происходит естественным путем при прохождении воды через земные породы. Доказано, что омагниченная вода обладает повышенной проницаемостью сквозь клеточные мембраны, бактерицидностью. Для приготовления омагниченной воды ее пропускают через кольцевой магнит или любое магнетизирующее устройство. Максимальная напряженность поля в системе не должна превышать 1000 Э. Омагниченная вода и другие жидкости обретают однородную структуру, повышенную текучесть и растворяющую способность.

Исследования показали, что наиболее заметные изменения свойств воды после магнитной обработки наблюдаются в присутствии примесей. Особенно ощутимые изменения отмечаются у границы раздела фаз - твердой и жидкой [27].

Магнитная обработка водных систем приводит их к следующим физико-химическим изменениям:

1) ускорению процесса коагуляции;

2) изменению процесса кристаллизации солей (они кристаллизуются не на стенках аппаратуры, а в объеме системы);

3) изменению смачивания твердых поверхностей;

4) ускорению и усилению адсорбционных процессов;

5) ускорению процесса растворения неорганических солей;

6) изменению концентраций растворенных газов.

Во всех случаях для получения ощутимого эффекта рекомендуется применять определенную напряженность магнитного поля и скорость течения воды или суспензии. Меньшие эффекты наблюдаются при омагничивании воды в статических условиях.

При коагуляции образуются плотные осадки, трудно удаляемые со дна цилиндров. Объяснение этому явлению следует искать в изменении свойств воды и самой взвеси. По-видимому, в этих условиях молекулы воды менее прочно связаны со взвесью, что облегчает сближение частиц на такое расстояние, на котором уже проявляются силы Ван-дер-Ваальса, приводящие к объединению частиц.

Образование кристаллических структур в объеме системы положено в основу изобретения Т. Вермайерна, применившего магнитную обработку для уменьшения образования накипи на стенках паровых котлов. Здесь также необходим строгий подбор режима обработки (напряженности поля и скорости потока) в зависимости от вида и концентрации в воде примесей. В литературе имеется много данных, что магнитная обработка изменяет кристаллическую структуру вещества, например, после нее из воды осаждаются кристаллы не кальцита, а арагонита.

Магнитная обработка воды усиливает процесс адсорбции поверхностно-активных веществ как на твердых поверхностях, так и на границе жидкость -- воздух. Скорость растворения неорганических солей увеличивается в десятки раз (для МgSO₄ в 120 раз!) при условии обязательного резкого изменения направления поля.

В воде после магнитной обработки увеличивается концентрация растворенного кислорода. Это говорит об эластичности межмолекулярных связей в структуре ассоциатов, появляющихся под действием магнитного поля за счет деформации водородных связей.

Ученые отмечают большое влияние на структуру воды примесей, находящихся в молекулярной форме в виде неэлектролитов и газов. Процесс растворения таких веществ происходит в два этапа: создания в воде полостей соответствующих размеров и внедрения в эти полости молекул растворяющегося вещества. Они входят в пустоты каркаса ассоциатов жидкой воды и в зависимости от своих размеров стабилизируют или разрушают структуру.

В литературе имеются данные, указывающие на бактерицидное действие магнитной обработки воды. Получены положительные результаты использования омагниченной воды в лечебных целях.

При объяснении обилия различных факторов, вызванных магнитной обработкой водных систем, учеными высказано много гипотез, которые сводятся к трем:

1) «коллоидные» гипотезы, в основе которых лежит действие магнитных полей на коллоидные частицы, обладающие большой магнитной восприимчивостью (пара- или ферромагнитных);

2) «ионные» гипотезы, в основе которых лежит действие магнитных полей на перемещающиеся в воде ионы. Многие исследователи подчеркивают роль влияния магнитных полей на гидратацию ионов. Магнитная обработка вызывает снижение гидратации ионов, что доказано сорбционной емкостью ионитов, которая увеличивается на 20--40% по сравнению с неомагниченной водой;

3) «водяные» гипотезы, обосновывающие действие магнитных полей на собственно воду. В этом процессе происходит изменение величины угла между линиями, соединяющими атомы водорода с атомами кислорода, орто- и пара-положения водорода и др.

Процессы, протекающие при магнитной обработке воды, чрезвычайно разнообразны и сложны, поэтому нет еще у исследователей единого мнения о механизме этих явлений [9].

Наиболее удобным является способ воздействия на воду магнитными полями совместно с излучением квантовых генераторов.

Суть метода заключается в том, что при движении воды в зоне больших градиентов магнитного поля происходит разрушение межмолекулярных связей в кластерных структурах, в результате чего образуются свободные молекулы воды. Результаты увеличиваются на несколько порядков при применении излучения квантового генератора проходящего через магнитный поток.

Обратный процесс воссоединения молекул в ассоциаты (кластеры) происходит сравнительно медленно. Вода, прошедшая через градиенты магнитных полей с лазерным излучением может храниться десятки лет в состоянии покоя не меняя своей структуры.

Механизм разрушения межмолекулярных связей, обусловлен кратковременным превращением молекул воды при их движении в зоне больших градиентов магнитных полей из состояния паравода в ортоводу, т.е. изменения направления спинов атомов водорода в молекуле воды, что приводит к разрыву связей в структуре кластеров.

Отсюда следуют сделать вывод - в каком бы состоянии вода не находилась, в состоянии покоя или движении, она изменит свою атомно-молекулярную структуру как это делает Природа в пространстве и короткий промежуток времени [28].

Изменение свойств водных систем путем магнитной обработки. В основе многочисленных приемов практического использования магнитной обработки водных систем лежат, естественно, определенные изменения их физических свойств.

Изменения свойств гомогенной жидкой фазы водных систем часто весьма невелики, однако усиление и стабилизация малых начальных изменений свойств могут происходить с помощью промежуточных механизмов, во много раз увеличивающих эти изменения.

Например, малейшее стимулирование образования кристаллов может вызвать лавинную и необратимую кристаллизацию в объеме, а небольшое уменьшение степени гидратации поверхности твердых частиц в определенных условиях может привести к их массовой коагуляции, существенному улучшению фильтрации и т.п.

Необходимо учитывать, что активированная вода при помощи магнито-лазерного воздействия, имеет ряд временных поясов. Самое активное её время от четырех до девяти суток, в дальнейшем вода оказывает отягчающее воздействие. В этом случае активированную воду необходимо использовать в пропорции 1 часть активированной к 3; 1 к 5 и 1 к 7 частям с обыкновенной водой.

Под воздействием магнитного поля у воды меняются следующие свойства: увеличивается поглощение в ультрафиолетовой области спектра [10], изменение поворота плоскости поляризации монохроматического светового излучения (магнитооптический эффект Фарадея) в пределах 8-20% [11], изменение магнитной восприимчивости [12].

Изменение носит полиэкстремальный характер от напряженности магнитного поля и скорости ее относительного перемещения. Установлено изменение диэлектрической проницаемости с измерением фазометрическим и диэлектрическим методами. Магнитная обработка воды уменьшает диэлектрическую постоянную воды [13].

Обратный осмос

Получаемая обратным осмосом вода имеет уникальную степень очистки. По своим свойствам она близка к талой воде древних ледников, которая признается наиболее экологически чистой и полезной для человека. По сути, обратноосмотическая мембрана - это сердце и душа системы обратного осмоса. Разработка системы начинается с подбора мембраны, а другие компоненты выбираются исходя из свойств мембраны.

Существует три типа обратноосмотических мембран, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

- Смесь триацетата целлюлозы с ацетатом целлюлозы (CTA); - Тонкослойная полупроницаемая мембрана(TLC); - Модифицированный полисульфон (SPSF).

Очистка на молекулярном уровне, что и осуществляется в фильтрах с использованием тонкопленочной мембраны, может освободить воду от всевозможных примесей. Через поры мембраны, имеющие размер 0,0001 микрон, могут пройти только молекулы воды и кислорода.

По принципу работы мембранные системы являются обратноосмотическими. Явление осмоса (выравнивание концентраций растворов, разделенных полупроницаемой мембраной) лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. В конце 50-х - начале 60-х годов с началом широкого производства синтетических полимерных материалов появились первые научные работы, которые легли с основу промышленного применения обратного осмоса.

Первые промышленные обратноосмотические системы появились только в начале 70-х годов, поэтому это сравнительно молодая технология по сравнению с тем же ионным обменом или адсорбцией на активированных углях. Тем не менее, в западных странах обратный осмос стал одним из самых экономичных, универсальных и надежных методов очистки воды, который позволяет снизить концентрацию находящихся в воде компонентов на 96-99% и практически на 100% избавиться от микроорганизмов и вирусов.

Фильтр, работающий по принципу обратного осмоса, устроен достаточно просто: основной элемент, позволяющий получать воду высокой степени очистки - это тонкопленочная мембрана. Если объяснять совсем упрощенно, то она представляет собой некое подобие сетки, размер ячеек которой сравним с размером молекулы воды. Разумеется, сквозь такую «сетку» могут пройти либо сами молекулы воды, либо вещества, размер молекул которых еще меньше - растворенный в воде кислород, водород и т.п. В результате чего из воды удаляются практически все растворенные компоненты, а также соли тяжелых металлов, органические примеси и бактерии. Ну а все остальные конструктивные элементы обратноосмотической системы призваны только обеспечивать благоприятные условия для работы такой мембраны.

Фильтрующая способность системы обратного осмоса является поистине уникальной. Ни один из фильтров, работающих по другому принципу - механической очистки, адсорбции или ионного обмена - не может обеспечить подобной степени очистки [29].

В результате механической очистки воды общая жесткость снижается практически в 2,5 раза, в то время как при использовании высокой очистки обратным осмосом - в 98 раз и составляет 0,05 ммоль/дм³. При чем, если в первом случае в большей мере удаляются ионы металлов, например, кальция магния, железа и т.д., и в значительно меньшей анионы - сульфаты, хлориды, а нитраты остаются на том же уровне. То во втором случае идет существенное снижение практически всех групп ионов.

Следует отметить близкое по направлению и количественной характеристике изменение концентрации водородных ионов - снижение рН с 7,2 соответственно до 6,15 и 6,20. в обоих случаях улучшается цветность, удаляются посторонний (хлорный) привкус и запах.

Очистка воды, заключающаяся в ее пропускании через полупроницаемую мембрану и источник ИК-облучения характеризуется временными изменениями физических и химических свойств воды, вызванными механическим воздействием и ИК-излучением при ее обработке.

По мнению авторов (И.Д. Зайцев, Э.И. Креч) вода высокой очистки более чем на 99% состоит из молекул Н₂О, и лишь менее 1% из изотопных молекул. Полярность мономолекул уникально большая (дипольный момент равен 1,86 D). Это вызывает при столкновении стяжение мономолекул друг с другом в ассоциаты [Н₂О]_х (где х - неопределенное число, как правило, равное 3-5). Однако величина энергии стяжения за счет водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса настолько мала (8-20 кДж/моль), что даже слабое магнитное поле Земли или другие внешние воздействия (взбалтывание, озвучивание, действие электрического поля и др.) должны легко вызывать распад ассоциатов на мономолекулы и мелкие ассоциаты. Однако последние, будучи полярными, снова при столкновении ассоциируются; при этом устанавливается неустойчивое равновесие типа:

[Н₂О]_х + Е - а[Н₂О]₁ + х-в[Н₂О]₂ + х-с[Н₂О]₃ + …

Малоактивные Энергия Самые полярные и Мелкие ассоциаты, асоциаты внешнего активные мономолекулы менее полярные и менее воздействия активные.

Приведенное равновесие существует до тех пор, пока внешнее воздействие не сдвинет его вправо, и так до бесконечности.

Если же воздействие прекращается, равновесие сдвигается влево, и концентрация мономолекул резко падает (до 1-10 % в обычной воде). Вода возвращается в исходное состояние. Происходит так называемое старение активированный воды: после прекращения воздействия независимо от его характера через определенный промежуток времени обретенные водой свойства исчезают и она возвращается в первоначальное состояние.

Следует обратиться к свойствам мономолекул, приводящим к усилению временной физико-химической и биохимической активности воды:

- повышает растворимость веществ; в результате увеличивается скорость химических реакций;

- увеличивает диссоциацию электролитов, т.е. переводит молекулы в ионное более активное состояние;

- дольше задерживается в клетке;

- повышает электропроводность пропорционально концентрации мономолекул благодаря протеканию реакции Н₂О + Н₂О - Н₃О⁺ + ОН^-;

- характеризуется увеличенной химической активностью ионов Н₃О⁺ и ОН^- в водном растворе.

Была поставлена серия экспериментов, в которой определяли рН и окислительно-восстановительный потенциал воды высокой степени очистки во времени в зависимости от температуры.

Исследования показали, что увеличение температуры (по условиям эксперимента до 45°С) очищенной, временно активированной воды приводит к более быстрому восстановлению рН до традиционной величины. Начинает снижаться окислительно-восстановительный потенциал. Практически через 6,0-6,5 часов активированная вода начинает терять свои свойства при температуре 30-45°С. Процесс идет заметно медленнее при отсутствии нагрева. Температура 22°С способствует сохранению на более высоком уровне окислительно-восстановительного потенциала.

Необходимо отметить, что охлаждение воды высокой степени очистки после его нагрева ведет к лишь частичному восстановлению первоначальных свойств временно активированной воды. Таким образом, решающим внешним воздействием, приводящим к образованию активных молекул и мелких ассоциатов воды, является механическое воздействие, возникающее в процессе обратного осмоса.

Временно активированную воду, полученную продавливанием под высоким давлением через полупроницаемую мембрану, необходимо использовать в течение минимально возможного срока после ее очистки, на практике - 4-6 часов [20].

Получить активированную воду можно разными способами: магнитным полем, УФО (ультрафиолетовым облучением), лазером, акустическими полями, при электролизе с диафрагмой и без, вакуумированием.

Суть активации воды, в независимости от способа активации, заключается в разрушении кластерных структур для насыщения воды мономолекулами. Меняется структура активированной воды. Такая вода эффективно используется в биохимических реакциях без затраты организмом энергии на эту процедуру. Вода с измельченными кластерами обладает более высокими реактивными и растворяющими свойствами, лучше проникает через биологические мембраны, быстрее выводится из организма экскреторными органами. Кластер активированной воды содержит 5-6 молекул (обычная вода 13-16 молекул). Такая вода считается более активной по биофизическим и биологическим показателям.

Вода, активированная любым способом, обладает высокой текучестью и растворяющей способностью.

Активированная вода - такая вода, у которой структурная сетка водородных связей разрыхляется, молекулы воды обретают дополнительные степени свободы, что облегчает усвоение такой активированной воды клетками живых организмов [30].

1.2 Роль воды в технологии хлебобулочных изделий

Вода в хлебопекарном производстве используется как растворитель соли, сахара и других видов сырья: для приготовления теста 40... 70 л на каждые 100 кг муки, для приготовления жидких дрожжей, заварок, заквасок; идет на хозяйственные нужды -- мойку сырья, оборудования, помещений, для теплотехнических целей -- производства пара, необходимого для увлажнения воздушной среды в расстойных шкафах и печах [16].

Для технологических и хозяйственных нужд хлебозаводы используют обычно воду из городского питьевого водопровода. Для бесперебойного снабжения водой и создания постоянного напора во внутренней водопроводной сети устанавливают специальные баки с холодной и горячей водой. Запас холодной воды должен быть таким, чтобы обеспечить бесперебойную работу предприятия в течение 8 ч, запас горячей воды рассчитывают на 5...6 ч. Температура горячей воды в этом баке должна быть 70 °С.

Вода, применяемая при производстве хлеба, должна удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к питьевой воде (ГОСТ 2874-82). Вода питьевая, применяемая для приготовления теста, должна отвечать требованиям СанПиН 2.3.2.1078-2001 (при централизованном водоснабжении).

В соответствии с Законом Российской Федерации «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» за качеством питьевой воды осуществляется производственный контроль, государственный и ведомственный санитарно-эпидемиологический надзор.

Производственный контроль качества питьевой воды обеспечивается организацией, осуществляющей эксплуатацию системы водоснабжения.

Государственный санитарно-эпидемиологический надзор осуществляют центры Госсанэпиднадзора России на соответствующих территориях. Ведомственный санитарно-эпидемиологический надзор осуществляют санитарно-эпидемиологические учреждения, организации и подразделения федеральных органов исполнительной власти, уполномоченные на осуществление данной функции [16].

Качество воды, используемой для технологических и бытовых целей, должно удовлетворять требованиям питьевой воды в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»[16].

Согласно этим требованиям вода должна быть прозрачной, бесцветной, не иметь постороннего запаха и вкуса, должна быть безопасна в эпидемиологическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические показатели. На каждый вид безопасности и чистоты утверждены нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК).

Безопасность воды в эпидемиологическом отношении определяется соответствующими нормативами по микробиологическим и паразитологическим показателям. В воде регламентируются следующие ПДК:

- общая минерализация - 1000 мг/л, не более;

- жесткость общая - 7 мг-экв/л, не более;

- фенольный индекс - 0,25 мг/л, не более;

- железо - 0,3 мг/ л, не более;

- хлориды - 350 мг/л, не более;

- цветность - 20 градусов, не более и т. д.

Согласно требованиям микробиологической чистоты воды общее число микроорганизмов в 1 мл воды не должно превышать 100, а число бактерий группы кишечных палочек в 1 л воды - не более 3[15]. Число образующих колонии бактерий в 1 мл (при определении общего микробного числа) не должно превышать 50[16].

Существенное значение для ряда технологических операций при производстве пищевых продуктов имеет жесткость воды.

Жесткость воды характеризуется содержанием в ней растворимых солей кальция и магния. Единицей жесткости является моль на кубический метр (моль/м³). Величине жесткости воды 1 моль/м³ соответствует массовая концентрация эквивалентов ионов кальция 20,04 г/м³ и ионов магния 12,153 г/м³. Числовое значение жесткости, выраженное в моль/м³, равно числовому значению жесткости, выраженному в мг-экв/л.

Различают следующие виды жесткости воды: общая, карбонатная, некарбонатная, устранимая и неустранимая.

Общая жесткость воды выражается суммой молярных концентраций эквивалентов ионов кальция (1/2Са²+) и магния (1/2Мg²+) в воде.

Величина общей жесткости питьевой воды не должна превышать 7 моль/м³.

Карбонатная жесткость воды определяется суммой молярных концентраций эквивалентов карбонатных СО₃ и гидрокарбонатных НСО₃ ионов в воде.

Некарбонатная жесткость воды представляет собой разность между общей и карбонатной жесткостью и связана с наличием в воде сульфатов и хлоридов.

Устранимая жесткость воды обусловлена наличием в ней карбонатных и гидрокарбонатных ионов солей кальция и магния, которые при длительном кипячении образуют осадок. Данный вид жесткости воды определяется экспериментальным путем.

Неустранимая жесткость воды представляет собой разность между общей и устранимой жесткостью, ее величина зависит от содержания солей, не выделяющихся после кипячения[16].

Жесткость воды для хлебопекарного производства не является недостатком, так как умеренно жесткая вода благоприятно влияет на реологические свойства теста, улучшая его консистенцию. Чрезмерно жесткая вода замедляет процесс спиртового брожения, при использовании мягкой воды тесто приобретает свойства невыброженного полуфабриката. В то же время мягкая вода оказывает расслабляющее действие на свойства теста и соответственно клейковины, а также снижает интенсивность брожения [15].

Жесткая вода улучшает реологические свойства клейковины и теста из слабой муки. В случае применения хлорированной воды важно знать содержание в воде остаточного хлора, обладающего окислительным действием и поэтому также укрепляющего слабую клейковину [14].

Окисляемость воды характеризует загрязненность ее органическими веществами. Окисляемость выражают в миллиграммах кислорода, израсходованного на окисление примесей, содержащихся в 1 дм³ воды. Окисляемость питьевой воды не должна превышать 3 мг О₂/дм³.

Суммарным показателем качества питьевой воды является содержание сухого остатка нелетучих неорганических и органических веществ, не превышающее 1 000 мг/дм³[16].

При подготовке питьевой воды, удовлетворяющей соответствующим гигиеническим требованиям, проводят ее очистку, которая включает: осветление фильтрованием, удаление коллоидных примесей коагуляцией, умягчение воды, обеззараживание путем хлорирования или озонирования.

Существуют различные способы умягчения воды. Для этого в воду добавляют реагенты (известь и карбонат натрия), которые переводят соли жесткости в нерастворимые соединения, а образовавшийся осадок затем отделяют фильтрованием.

Умягчение воды с помощью ионообмена состоит в том, что воду пропускают через ионообменные фильтры. В катионитовом фильтре происходит замещение ионов кальция и магния на ионы водорода или натрия. Анионитовые фильтры применяют для очистки воды от кислотных радикалов. Ионообменные фильтры применяют для обработки воды с невысокой жесткостью, что дает возможность получить очень мягкую воду.

Отбор проб для анализа воды питьевой и определение ее вкуса, запаха, цветности и мутности осуществляются согласно ГОСТ 24481-80 и ГОСТ 3351-74[16].

Роль и свойства воды в объектах хлебопекарного производства

Мука представляет собой многокомпонентную систему, теплофизические свойства которой во многом определяются влажностью. Базисной влажностью муки является 14,5%, что соответствует равновесной влажности при хранении муки в складах при температуре 18°С и относительной влажности воздуха 70%.

Вода играет важную роль на всех стадиях технологического процесса, определяя свойства полуфабрикатов, степень интенсивности комплекса процессов их созревания. Образование из муки и воды теста является процессом пластификации сухих, твердых гидрофильных химических соединений зерна, в котором вода выступает веществом, «расклинивающим», ослабляющим и разрушающим внутренние связи между молекулами и агрегатами с последующей заменой их водородными связями.

Влагу коллоидных капиллярно-пористых тел, к которым относится мука, тесто и хлеб в зависимости от величины энергии связи можно разделить на четыре вида: химически связанная, адсорбционно-связанная, капиллярно-связанная и осмотически удерживаемая.

Химически связанная вода обладает высокой энергией связи со структурными компонентами. Она представлена в виде гидроксильных групп, образующихся в результате химической реакции - гидратации.

Адсорбционное связывание влаги обусловлено полярным взаимодействием молекул воды с макрочастицами белков и крахмала теста. Полярность воды проявляется несимметричным расположением в ее молекуле кислорода и двух атомов водорода, каждый из которых сохраняет положительный заряд. Атом кислорода, удерживая два слабых отрицательных заряда, притягивает атомы водорода соседних молекул воды. Возникающие водородные связи образуют соединения воды с другими заряженными частицами теста, например, с атомами азота или кислорода молекул белка или крахмала, в результате чего коллоидные частицы покрываются полимолекулярным силовым полем по лиофильным группам у поверхности раздела частиц-мицелл с окружающей средой. Эта жидкость входит в общее количество влаги набухания и называется связанной влагой.

Поверхностные слои коллоидных частиц, обладая свободной потенциальной энергией, при контакте с водой адсорбируют ее, выделяя при этом тепло, образовавшееся в результате перехода потенциальной энергии в тепловую. Такой процесс поглощения влаги называется гидратацией, а выделяющаяся энергия - теплотой гидратации.

Поверхность коллоидных тел адсорбирует влагу в виде жидкости и пара. Водяной пар при адсорбционном поглощении сжимается и превращается в жидкость, причем процесс адсорбционного поглощения происходит не только во внешних, но и на внутренних поверхностях. Количество влаги, поглощаемой таким образом, находится в обратной зависимости от исходной влажности коллоидного материала. Следовательно, гидратация - это процесс присоединения адсорбционной влаги. Влага в адсорбционном слое находится в уплотненном состоянии, она не является растворителем, имеет плотность больше единицы, ее диэлектрическая постоянная меньше, чем у свободной влаги. Достигнув предела гидратационного поглощения влаги, коллоидные тела продолжают процесс присоединения влаги, но уже под влиянием не полярных сил, а осмотического давления.

Осмотическое поглощение влаги вызывается наличием внутри коллоидной частицы водорастворимых веществ. Разность концентраций на границе дисперсных фаз создает разность осмотического давления, под воздействием которого влага проникает внутрь коллоидной частицы. Поглощение влаги таким путем называется сорбцией или набуханием. Сорбционная влага состоит из влаги осмотической и иммобилизованной, то есть захваченной структурой, образующей вместе с адсорбционной влагой сольватную оболочку вокруг частицы.

Поглощение влаги набухания происходит без выделения тепла и концентрации, но вызывает увеличение объема и изменяет давление набухания. Помимо адсорбционно и осмотически поглощенной влаги в коллоидных капиллярно-пористых материалах может находиться капиллярная влага, удерживаемая силами макро- и микрокапилляров. Вода, удерживаемая этими силами, обладает незначительной энергией связи с материалом, обусловливаемой силами поверхностного натяжения. Этот вид воды называется свободной влагой. В гидролитических процессах, протекающих в тесте и хлебе, участвует вода, способная вступать в химические реакции, то есть свободная.

В пшеничном тесте нормальной консистенции содержится около 0,19 г связанной воды на 1 г с. в., что соответствует 35% массы воды, находящейся в тесте. Свободная вода появляется при влажности водно-мучной смеси 24%, увеличение влажности до 59,5% не приводит к увеличению содержания связанной в нем воды. В тесте из пшеничной муки около 65% воды находится в свободном состоянии и участвует в биохимических реакциях [15].

Вода как компонент теста

Вода является одним из основных ингредиентов теста. Соотношение воды и муки оказывает существенное влияние на основные свойства теста (вязкость, пластичность, растяжимость, упругость и т. д.) и, в конечном итоге, на качество хлеба [15].

Влажность хлебобулочных изделий определяет количество воды в тесте. Наименьшую влажность имеет тесто для бараночных изделий (28-36%), наибольшую - для формового хлеба из пшеничной обойной муки (48,0%). Количество воды, расходуемой на замес теста, обычно составляет величину большую, чем влажность хлеба, на 0,5-1,0% [15].

Водопоглотительная способность муки (ВПС) является важнейшим показателем, от которого зависят свойства теста, ход технологического процесса, качество хлеба, выход готовой продукции, технико-экономические показатели производства. Водопоглотительную способность муки определяют с использованием фаринографа, валориграфа и других приборов.

Водопоглотительную способность муки определяют отношением количества воды, поглощаемой мукой с учетом ее расчетной влажности при условии получения теста требуемой консистенции (500 единиц фаринографа).

ВПС муки зависит от количества поглощаемой воды отдельными компонентами (таблица 1).

Таблица 1 - Распределение поглощаемой воды между компонентами теста из пшеничной муки

Наименование компонента	Количество в 100 г муки, г	Количество поглощаемой муки	Степень распределения, %
		г/г	г/100 г муки
Крахмал:	68
нативный	58,8	0,44	25,9	26,7
поврежденный	9,2	2,00	18,4	20,0
Клейковина	14	2,15	30,1	31,1
Пентозаны	1,5	15,0	22,5	23,2

Приведенные данные показывают повышенную водопоглотительную способность поврежденного крахмала муки по сравнению с неповрежденными зернами.

Высокой водопоглотительной способностью обладают пентозаны.

Исследования большого количества проб пшеничной муки с различным содержанием белка показали различную способность муки поглощать воду в процессе замеса - величины водопоглотительной способности были в пределах от 47 до 59%. Установлена функциональная зависимость между содержанием белка, количеством поврежденных зерен крахмала и водопоглотительной способностью муки (Н. П. Козьмина) [15].

Количество воды в пшеничном тесте зависит от ряда факторов.

Вид изделий в значительной мере определяет количество воды в тесте. Для каждого вида хлебных изделий стандартом установлена предельно допустимая влажность мякиша или целого изделия. Норма предельно допустимой влажности данного изделия определяет и максимальную влажность теста, а в связи с этим (с учетом рецептуры теста и влажности муки) и количество воды, добавляемое на 100 кг муки.