Производство кваса и безалкогольных напитков

С использованием диффузионной батареи получают настои из цедры цитрусовых плодов: лимонов, грейпфрутов, апельсинов и из кожуры мандаринов.

Общая схема получения настоев:

1). Снятие цедры или кожуры и их измельчение;

2). Непрерывная экстракция эфирных масел;

3). Отстаивание настоя;

4). Декантация и фильтрование настоя;

5). Розлив.

Цедру снимают вручную или на специальных машинах, измельчают до частиц размером 10-30 мм. Снятую цедру используют в течение 2-х часов.

Перед экстракцией на ложные днища экстракторов укладывают мешковину и загружают цедру. После заполнения экстракторов из мерника подают водно-спиртовый раствор крепостью 76-80 %. После заполнения первых 4-х экстракторов проводят настаивание в течение 12 часов, а затем включают батарею в непрерывную работу: в 1-й непрерывно подают водно-спиртовый раствор, а из 4-го отводят настой. Через 12 часов 1-й экстрактор отключают, а 5-й загружают свежей цедрой. Остаток настоя с низким содержанием эфирных масел из 1-го экстрактора перекачивают в мерник водно-спиртового раствора. Во 2-й экстрактор подают водно-спиртовый раствор в объеме, равном объему для заполнения 5-го экстрактора. При этом 2-й экстрактор становится головным аппаратом батареи, а 5-й - хвостовым. Скорость подачи водно-спиртового раствора должна быть достаточной для заполнения 5-го аппарата за 1-2 часа. После чего сырье экстрагируют 12 часов и 12 часов непрерывно пропускают водно-спиртовый раствор через 2-5 экстракторы, непрерывно отбирая настой из 5-го аппарата. Аналогично циклы настаивания проводят с 6-8 экстракторами. Спирт из отработанной цедры извлекают водой.

Отстаивают настой в сборниках 3-5 часов для оседания частиц цедры, затем настой декантируют и фильтруют на фильтр-прессе. Из осадков извлекают спирт отгонкой. Крепость настоев 74±2 %.

Фасуют настои в деревянные бочки, цистерны, фляги, бочки металлические из титана или алюминия, стеклянные бутыли. Срок хранения 8 месяцев.

Из других видов растительного сырья (трав, кореньев, коры) настои получают 1-2 кратным экстрагированием при соотношении сырье: экстрагент 1:5 - 1:10.

ВНИИПБиВП разработана технология получения настоев с предварительным ферментированием сырья при температуре 40-45 ⁰С ферментными препаратами цитолитического действия, например, Целловиридин Г3х, Цитороземин Пх. Обработанное сырье экстрагируют 20 %-ным водно-спиртовым раствором.

По этой технологии получают концентраты для конкретных напитков из смеси различных видов растительного сырья.

7.3 Производство концентратов, композиций, концентрированных основ, ароматических эмульсий

Производство концентратов, композиций и концентрированных основ организовано на специализированных заводах. Их использование в производстве напитков экономично, так как упрощается технология, сокращаются потери сырья.

Концентраты для безалкогольных напитков, как правило, состоят их 2-х частей: ароматической и экстрактивной. Примерами таких концентратов отечественного производства являются концентраты напитков «Байкал», «Фруктовый», «Поляна», «Яблоко» и другие. Импортные концентраты напитков «Пепси-кола», «Кока-кола», «Фанта», «Фиеста» и др. могут включать 2-3 части.

Концентрат напитка «Байкал» состоит из ароматической части А и экстрактивной части Б.

Ароматическую часть А готовят путем растворения эфирных масел лаврового, лимонного, эвкалиптового и синтетического душистого вещества изоборнилацетат в спирте. Крепость ароматической части А не менее 93 %.

Экстрактивную часть Б готовят смешиванием водно-спиртовых экстрактов травы зверобоя, корня солодки, элеутрококка (или левзеи), колера и лимонной кислоты. Полученную смесь упаривают под вакуумом до содержания сухих веществ 80±2 %. Хранят обе части отдельно, смешивают перед производством напитка.

Концентрированные основы включают, как правило, ароматические и экстрактивные вещества. Содержание спирта в них 18-20 %. Примером отечественных концентрированных основ являются основы для напитков «Виктория», «Дары леса», «Бештау» и др.

Основы для напитков зарубежного производства готовят, в основном с использованием концентрированных цитрусовых соков.

Применяют обычно шестикратно концентрированный сок с содержанием сухих веществ до 65 %, пульпы не более 5 %. При необходимости к нему добавляют красители, кислоту и консерванты. Смесь пастеризуют при температуре 62-65 ⁰С для предотвращения ферментативного расщепления пектина, гомогенизируют под высоким давлением (250-280 бар) для измельчения замутняющих веществ, после охлаждения вносят ароматизирующие вещества, деаэрируют и разливают в транспортную тару.

Композиции также включают, как правило, ароматические и экстрактивные вещества, а также другие компоненты напитков - кислоты, красители, иногда сахар. Из композиций готовят напитки «Лимонад», «Крем-сода» и др.

Ароматические эмульсии производят на основе эфирных масел иногда с добавлением растительных масел. Эти вещества не растворимы в воде, поэтому их гомогенизируют с добавлением эмульгаторов и стабилизаторов для тонкого распределения в водной фазе.

Контрольные вопросы и задания

1. Что является движущей силой процесса экстрагирования? Какие факторы влияют на скорость экстрагирования? Каким образом можно интенсифицировать процесс экстрагирования растительного сырья?

2. Охарактеризуйте способы получения настоев. Какие экстракторы используют для получения настоев из растительного сырья? Приведите режимы настаивания.

3. Дайте характеристику концентратов, концентрированных основ и композиций. Приведите примеры напитков, получаемых с использованием названных видов полуфабрикатов.

8. Производство полуфабрикатов безалкогольного производства

8.1 Получение сахарного сиропа

Белый сахарный сироп представляет собой концентрированный раствор сахара. Его получают холодным или горячим способом.

Холодным способом сироп готовят растворением сахара в воде с последующим фильтрованием через обеспложивающие фильтры или обеззараживанием пастеризацией в потоке. Такой способ рекомендуется для напитков типа «Пепси-кола», «Фанта». Качество сиропа выше при использовании холодного способа, но имеется опасность его микробиологического заражения. Для более качественной фильтрации рекомендуется сахарный сироп после растворения сахара пропускать последовательно через сетчатые фильтр-ловушки из нержавеющей стали с диаметром отверстий 5 мм, затем 2 мм, а затем через один из видов фильтров: рамный фильтр-пресс, намывной кизельгуровый или свечной фильтр. Диаметр пор фильтра на заключительной стадии должен составлять 30 мкм. В отдельных случаях при изготовлении напитков класса «премиум» в качестве заключительной стадии фильтрации используют обеспложивающие мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм. Для обеспечения микробиологической чистоты можно сироп после грубой фильтрации стерилизовать при 120 ⁰С 2 сек.

Если сахарный сироп имеет повышенную цветность, мутность, мелассный запах, значительную обсемененность микрофлорой, проводят его дополнительную обработку кизельгуром или активированным углем. Для этого сахар растворяют в холодной или подогретой до 40…60 ⁰С, при непрерывном перемешивании вместе с первой порцией сахара вносят активированный уголь 0,1-0,5 % от массы сухих веществ задаваемого сахара и кизельгур в таком же количестве. Раствор подкисляют ортофосфорной кислотой до рН 4,1- 4,5, доводят температуру сиропа до 85 ⁰С и выдерживают 15 минут. Горячий сахарный сироп фильтруют через намывной кизельгуровый фильтр, толщина слоя кизельгура перед началом фильтрации должна быть не менее 1,5 мм, затем в процессе фильтрования в сироп дополнительно вносится кизельгур из расчета 0,1-0,25 % от массы сухих веществ сахара. При необходимости сироп фильтруют через картриджный или мешочный фильтр с диаметром пор 0,45-1,0 мкм. Отфильтрованный сироп охлаждают в теплообменнике до температуры 25-35 ⁰С и направляют на хранение.

Сахарный сироп концентрацией 65-67 % достаточно устойчив к развитию инфекции, однако, при хранении сахарного сиропа в закрытых емкостях может образовываться конденсат, который разбавляет верхние слои сиропа и может привести к его инфицированию. Рекомендуется устанавливать в верхней части сборника сиропа УФ-лампы и специальные НЕРА-фильтры, которые предназначены для обеспложивающей фильтрации воздуха.

Горячим способом готовят сахарный сироп для большинства напитков.

Для варки сиропа используют сироповарочные котлы с мешалкой и обогревом. В верхней части котла имеется вытяжная труба.

Рассчитанное количество воды подают в котел и нагревают до температуры 55-60 ⁰С. При перемешивании загружают сахар нагревают до кипения, кипятят сироп 30 минут, снимая пену, для полного уничтожения слизеобразующих бактерий. В горячем состоянии сироп подают на фильтрацию через мешочный сетчатый или тканевый фильтр, можно использовать рамные фильтры. После фильтрования сироп охлаждают рассолом или водой в противоточных трубчатых или пластинчатых теплообменниках до температуры 10-20 ⁰С. Содержание сухих веществ в готовом сиропе 60-65 %. Хранят сахарный сироп в сборниках с мерным стеклом.

Снизить расход сахара и улучшить качество сиропа позволяет использование инвертированного сахарного сиропа. Его получают путем кислотного гидролиза сахарозы при нагревании. Инверсию сахарозы проводят при добавлении органических кислот или за счет кислот, содержащихся в плодово-ягодных соках или в браке напитков.

Инверсия сахарозы идет по формуле:

С₁₂Н₂₂О₁₁+ Н₂О= С₆Н₁₂О₆+ С₆Н₁₂О₆

Сахароза Глюкоза Фруктоза

За счет присоединения воды по месту разрыва молекулы сахарозы увеличивается содержание сухих веществ в сиропе. Теоретически при 100 %-ной инверсии из 100 г сахарозы образуется 105, 26 г инвертированного сахара. Сладость инвертированного сахарного сиропа выше за счет фруктозы - более сладкого сахара, чем сахароза, такой сироп имеет более мягкий вкус, не кристаллизуется при хранении.

Несмотря на преимущества инвертированного сахарного сиропа, в настоящее время на безалкогольных предприятиях его не производят. Одной из причин является более глубокий распад сахара в процессе инверсии до оксиметилфурфурола, который является канцерогеном, допустимая доза его, установленная Институтом питания РАМН, 100 мг/дм³ напитка. Поэтому степень инверсии в сиропе не должна превышать 55 %. В действующих рецептурах на безалкогольные напитки расход сахара дан с учетом 45 %-ной инверсии при приготовлении напитков холодным способом и 30 %-ной - при горячем и полугорячем способе получении купажного сиропа.

Инверсию проводят в сборниках для инвертирования сахарного сиропа с обогревом и теплоизоляцией. Белый сахарный сироп с содержанием сухих веществ 65-70 % охлаждают в теплообменнике до 70 ⁰С, перекачивают в сборник и вносят лимонную кислоту в виде 50 %-ного раствора из расчета 750 г на 100 кг сухих веществ сахара. При приготовлении сиропа для квасного напитка «Русский» вместо лимонной вносят молочную кислоту из расчет 1,68 кг/100 кг сухих веществ сахара. Кислоты и сахар могут частично вноситься с промывными водами, браком напитков; их количество должно быть учтено.

Выдержку при 70 ⁰С проводят в течение 2 часов, за 10 минут до конца рекомендуется вносить активированный уголь в количестве 0,1 % к массе сиропа. Готовый инвертированный сироп фильтруют на мешочных фильтрах или рамных фильтр-прессах, охлаждают до 20 ⁰С и хранят в закрытых мерных сборниках.

Для получения инвертированных сиропов можно использовать ферментативный гидролиз с помощью фермента в-фруктофуранозидазы (инвертазы). Инверсию проводят в сиропе с концентрацией сухих веществ 75 % при температуре 67 ⁰С и дозе фермента 4,5 ед./г сахарозы. Гидролиз длится 27 часов, степень инверсии при этих параметрах достигает 65 %. В результате ферментативного гидролиза оксиметилфурфурол не накапливается.

Процесс инверсии идет в бутылках с напитком в присутствии содержащихся в нем кислот, изменяя вкус продукта. Однако этот процесс идет достаточно медленно, при температуре 20 ⁰С за 9 суток степень инверсии не превышает 6 %.

При варке сиропа используют отфильтрованные до прозрачности промывные воды, которые получают при ополаскивании оборудования, при растворении пены, остатков сахара из мешков. Чистый брак напитков также вносят при варке сиропа. Отбракованные напитки предварительно пропускают через колонки с активным углем для удаления ароматических веществ, а также через колонки с костяным углем для обесцвечивания и фильтруются.

Можно также обработку брака активным углем проводить в эмалированной емкости или в емкости из нержавеющей стали. Используют активный уголь марки ОУ-А в количестве 1 % к массе сухих веществ в браке напитка. Смесь выдерживают при перемешивании мешалкой или вручную 1 час при комнатной температуре, затем брак отфильтровывают через фильтр-пресс.

8.2 Получение колера

Колер - один из самых распространенных красителей. Его получают путем нагревания сахара до температуры 180-200 ⁰С.

При нагревании сахарозы происходит ее дегидратация (отнятие воды) с образованием ангидридов. Ангидриды могут конденсироваться, в результате этого накапливаются красящие соединения - карамели: карамелан, карамелен, карамелин. Карамелан образуется при отнятии от молекулы сахарозы 2-х молекул воды, карамелен - при потере тремя молекулами сахарозы 8-ми молекул воды, карамелин - при потере двумя молекулами сахарозы 7-ми молекул воды. Карамели различаются окраской, растворимостью в воде. Наиболее ценными веществами колера являются карамелан и карамелен, а карамелин плохо растворим в воде, может выпадать в осадок в готовом напитке. Нагревание колера более 200 ⁰С не рекомендуется, так как происходит более глубокая дегидратация сахарозы с образованием оксиметилфурфурола, левулиновой, муравьиной кислот, нерастворимых гуминовых кислот и других продуктов термолиза.

Колер получают в колероварочных котлах с электрическим обогревом. Их устанавливают в отдельных помещениях с интенсивной вентиляцией.

Котел на 25 % объема загружают сахаром, добавляют 1-2 % воды и постепенно нагревают при перемешивании до температуры 160-165 ⁰С. Эту температуру поддерживают до приобретения сахаром бурой окраски. Затем добавляют тонкой струйкой горячую воду с температурой 75-90 ⁰С в количестве 8 % к массе сахара и повышают температуру до 180-200 ⁰С.

Продолжительность варки составляет 3-4 часа, колер должен образовывать упругую нить при взятии пробы. В готовый колер вносят тонкой струйкой воду с температурой 60-65 ⁰С из расчета получения раствора с содержанием сухих веществ 70-72 %. Полученный раствор перекачивают насосом и хранят в мерных сборниках до 3 месяцев. Выход колера составляет 105 % к массе сахара, потери достигают 28-30 %. Цветность колера составляет 74±8 см³ раствора йода концентрацией 0,1 моль/дм³ на 100 г сухих веществ.

На заводе в условиях неконтролируемого процесса сложно получить колер постоянного состава. Поэтому предпочтительней использовать готовый колер, характеристика которого приведена выше в разделе 5.

8.3 Способы получения купажного сиропа

Купажный сироп получают смешиванием всех компонентов напитка, за исключением воды.

Перед купажированием проводится подготовка компонентов купажа: жидкие полуфабрикаты фильтруют и обрабатывают, сухие - растворяют в воде.

Соки отделяют от осадков декантированием и фильтруют, экстракты разбавляют водой 1:5, отстаивают 2-3 часа и фильтруют. Цитрусовые настои проверяют на наличие терпенов и при необходимости детерпенизируют. Для этого их разбавляют водой 1:5, отстаивают 12 часов и фильтруют. Лимонную кислоту растворяют в воде и вносят в виде 50 %-ного раствора, молочную и ортофосфорную кислоты - в жидком виде. Синтетические красители вносят в виде растворов, которые готовят растворением в горячей воде с температурой 60-80 ⁰С в половинном количестве, затем добавляют оставшийся объем воды и охлаждают. Концентрации растворов красителей от 10 % (тартразин, желтый хинолиновый, синий блестящий) до 1 % (индигокармин). Концентраты напитков также предварительно разбавляют водой с температурой 40-60 ⁰с до содержания сухих веществ 30-50 %.

Все подготовленные полуфабрикаты хранят в мерниках на предкупажной площадке, которая располагается выше уровня купажного аппарата, в котором проводится их смешивание. Купажные аппараты представляют собой сборники с охлаждающими рубашками и мешалкой.

Купажные сиропы готовят холодным, полугорячим или горячим способом в зависимости от состава купажа напитков.

Холодным способом готовят купажные сиропы для напитков на настоях, концентратах, композициях, ароматических эссенциях. По этому способу компоненты вносятся в купажный аппарат в последовательности от менее ароматичных к более ароматичным: сахарный сироп, плодово-ягодные полуфабрикаты, вина, цитрусовые настои, эссенции, эмульсии, кислоты, красители, при необходимости воду. В готовом купажном сиропе проверяют массовую долю сухих веществ, кислотность, органолептические показатели после разбавления 1:5 водой, затем фильтруют до прозрачности, кроме напитков на эмульсиях. Разрешается сироп не фильтровать, если все компоненты перед смешиванием были профильтрованы. Если вода имеет высокую временную жесткость, необходимо дополнительное внесение кислоты для ее нейтрализации.

Количество кислоты, вносимой в купажный сироп, рассчитывают по формуле:

Х=(М - А) + С;

где

Х - количество кислоты, вносимое в купажный сироп, г;

М - количество кислоты, необходимое для получения нормируемой кислотности в готовом напитке, г;

А - количество кислоты, внесенное с соком, экстрактом, вином и т.д., г;

С - количество кислоты, необходимое для нейтрализации щелочности воды, г.

Объем воды, вводимый в напиток определяется как разность между объемом напитка и объемом вносимых ингредиентов. Объем, занимаемый сахаром, определяют по формуле: V_c=m * 0,62, где 0,62 - объем 1 кг расплавленного сахара. Количество кислоты, расходуемого на нейтрализацию щелочности определяется по таблицам, приведенным, например в [11].

Этим способом готовят купажные сиропы для напитков на подсластителях. Их вносят в виде растворов с добавлением кислоты для лучшего растворения. Следует отметить, что сахарозаменители усиливают кислый вкус напитка, поэтому при их использовании необходимо корректировать норму внесения кислот.

Полугорячий способ используется для приготовления купажных сиропов напитков на спиртованных соках, винах. В сироповарочный котел вносят 50 % сока, подогревают до 50-52 ⁰С, при перемешивании задают расчетное количество сахара-песка, доводят до кипения, кипятят 30 минут, удаляя пену. Фильтруют в горячем виде, и после охлаждения вносят остальные компоненты купажа.

Горячий способ осуществляется аналогично полугорячему, но кипятят с сахаром все количество сока.

При использовании горячего и полугорячего способов испаряется избыточное количество спирта, соки частично упариваются, уничтожаются микроорганизмы. Однако органолептические показатели напитков хуже, чем при использовании холодного купажирования.

Готовый купаж после фильтрации хранят в напорном сборнике-мернике купажного сиропа, снабженном охлаждающей рубашкой, при температуре 8-10 ⁰С. Рекомендуется перед розливом выдержать купажный сироп около 12 часов для удаления пузырьков воздуха и лучшего распределения компонентов.

Для каждого купажного сиропа рассчитывается доза на бутылку напитка по формуле:

Д=БВ/А, где

Д - доза купажа на бутылку, см³;

Б - объем напитка в бутылке, см³;

В - содержание сухих веществ в 1 дм³ напитка, г;

А - содержание сухих веществ в 1 дм³ купажного сиропа, г.

Обычно дозу купажного сиропа доводят до 100 см³ или целых чисел, корректируя массовую долю сухих веществ в нем водой.

Для повышения стойкости напитков в купажные сиропы вносят консерванты. В нашей стране разрешены для безалкогольных напитков консерванты: бензоат натрия в дозе 177 г, юглон 0,7 г, плюмбагин 3 г на 100 дал напитка, сорбат калия 0,03 % и смесь сорбата калия 0,01 % с аскорбиновой кислотой 0,05 %.

Бензоат натрия и сорбат калия вносят в виде водных растворов, юглон и плюмбагин - в виде спиртовых растворов или растворов на цитрусовых настоях или эссенциях для напитков на этих видах сырья.

Растворы консервантов задаются в нефильтрованные купажные сиропы, после чего сироп выдерживается перед фильтрованием не менее 2 часов для подавления микроорганизмов.

Более подробно о консервантах в теме, посвященной стойкости напитков.

Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте способы приготовления сахарного сиропа. Приведите параметры его получения.

2. Каковы преимущества инвертированного сахарного сиропа? Приведите реакцию инверсии сахарозы. За счет чего происходит прирост сухих веществ? Какие способы инверсии позволяют получить продукт, не содержащий токсичных веществ?

3. Назовите основные продукты реакции карамелизации, их свойства. Приведите режимы приготовления колера.

4. Как подготавливаются компоненты купажа? Охарактеризуйте способы приготовления купажного сиропа. Дайте их сравнительную оценку.

9. Получение газированной воды и розлив напитков

9.1.Требования к качеству воды для безалкогольных напитков. Современные способы водоподготовки

Вода является одним из основных компонентов напитков, поэтому ее состав существенно влияет на качество готового продукта, прежде всего на органолептические показатели и стойкость. Применение воды с высокой временной жесткостью и щелочностью снижает кислотность напитков, приводит к перерасходу лимонной кислоты, которая должна дополнительно вноситься для нейтрализации ионов щелочности. Ионы кальция, магния, железа могут реагировать с некоторыми компонентами напитков - пектиновыми веществами, полифенолами, с образованием осадков.

Присутствие в воде свободного хлора, других хлорсодержащих веществ, озона, кислорода, тяжелых металлов приводит к изменению вкуса, снижению пищевой ценности напитков. Эти соединения катализируют окислительные процессы, за счет которых разрушается аскорбиновая кислота, природные красители, ароматические вещества. Растворенный в воде кислород снижает степень насыщения диоксидом углерода, способствует развитию микроорганизмов, окисляет компоненты напитка.

Вода для напитков должна отвечать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем водоснабжения. Контроль качества» как питьевая по химическому составу и микробиологическим показателям. Кроме того, существуют дополнительные требования к воде технологического назначения, установленные «Технологической инструкцией по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков» ТИ-10-5031536-73-90, основные из которых приведены в табл. 7.

Таблица 7 - Требования к составу воды технологического назначения

Показатель	Ед. измерения	Значение
Органолептические показатели
Запах при 20 0С и при подогревании до 60 0С, не более	Баллы	0
Вкус и привкус при 20 0С, не более	Баллы	0
Цветность по платиново-кобальтовой или имитирующей шкале, не более	Градус	10
Мутность по стандартной шкале, не более	Мг/дм3	1,0
Химические показатели
Жесткость общая, не более	0Ж *	0,7
Щелочность, не более	мг-экв./дм3	1,0
Минеральные примеси, не более	Мг/дм3
Марганец		0,1
Железо		0,1
Алюминий		0,1
Сульфаты		100-150
Хлориды		100-150
Медь		1,0
Цинк		5,0
Нитраты		10,0
нитриты		Следы
Свинец		0,1
Кремний		2,0
Мышьяк		0,05
Фтор		1,5
рН		3-6

^*Градус жесткости ⁰Ж (по ГОСТ Р 52029-2003 «Вода. Единица жесткости») соответствует концентрации ионов щелочноземельных элемента (кальция или магния), численно равной Ѕ его моля, выраженной в мг/дм³. ⁰Ж=20,04 мг Са²⁺ или 12,15 мг Мg²⁺ в 1 дм³ воды. Градус жесткости численно равен ранее использовавшейся единице мг-экв./дм³.

В питьевой воде нормируются также микробиологические и паразитические показатели: общее микробное число, то есть число образующих колонии бактерий в 1 см³, не должно превышать 50; термотолерантные и общие колиформные бактерии, споры сульфитредуцирующих клостридий в 20 см³ воды должны отсутствовать. В системах водоснабжения из поверхностных источников контролируются также цисты лямблий, которые должны отсутствовать в 50 дм³ воды, и колифаги, которые не должны обнаруживаться в 100 см³. Нормируется также общая б - и в-радиоактивность.

При существенных отклонениях в составе воды от рекомендуемых показателей необходимо проводить водоподготовку.

В зависимости от качества исходной воды ее подготовка может включать ряд операций:

- обезжелезивание;

- осветление;

- фильтрование;

- обеззараживание;

- умягчение.

Обезжелезивание проводится путем фильтрования воды через песочные фильтры с модифицированным или немодифицированным кварцевым песком, вода подается сверху и отводится из нижней части аппарата через коллекторную систему. При этом Fe²⁺ окисляется с помощью каталитической пленки из двух- и трехвалентного железа, образовавшейся в процессе обработки на поверхности кварцевого песка, в Fe³⁺ и отфильтровывается в виде осадков нерастворимых солей. При необходимости проводят модифицирование песка, добавляя растворы сернокислого железа и перманганата калия или марганцовокислого железа для ускорения образования каталитической пленки. Такую обработку проводят и при необходимости удаления из воды марганца. Положительно влияет предварительная аэрация воды.

Осветлению подвергается вода, содержащая муть, не отделяемую при фильтровании через песочные фильтры. Мутность создается коллоидными примесями, в частности кремниевой кислотой, гуминовыми веществами. Осветляют отстаиванием или коагуляцией. Для коагуляции в воду вносят коагулянты: сульфаты алюминия, железа, железный купорос, которые в щелочной среде образуют нерастворимые гидроксиды железа или алюминия, выпадающие в осадок в воде хлопьев с развитой сорбционной поверхностью вместе с взвесями воды. Средний расход коагулянтов: сульфата алюминия - 200-220 г/м³, железного купороса - 180 г/м³, гидроксида натрия - 50 г/м³, кальцинированной соды - 70 г/м³.

В настоящее время ОАО «Сорбент» выпускается высокоэффективный коагулянт гидроксохлорид алюминия марки Б, расход которого меньше расхода традиционного сульфата алюминия в 5-10 раз. Он позволяет проводить эффективную коагуляцию при низких температурах, снижает цветность воды в 10-15 раз, обеспечивает низкое содержание остаточного алюминия в воде, обладает бактерицидными свойствами.

Фильтруют воду для удаления грубодисперсных примесей через песочные фильтры, например марки Ш3-ВФА, ПЧВМ-2,5-001 и др.

Обеззараживание воды достигается фильтрованием через обеспложивающие фильтры, хлорированием, озонированием, ультрафиолетовым облучением, обработкой ультразвуком.

Для обеспложивания воду пропускают через фильтр-картон или керамические свечи с порами диаметром 1,5 мкм.

Чаще используют хлорирование 1-2 %-ными растворами хлорной извести или гипохлорита кальция. Этот способ предпочтителен, поскольку уменьшается опасность повторного заражения воды микроорганизмами за счет длительного действия препаратов хлора в воде. Однако хлорсодержащие вещества, как упоминалось выше, отрицательно влияют на качество напитков, а также снижают эффективность ионообменных смол, используемых для умягчения воды. После обработки избыток свободного хлора удаляют фильтрованием через активный уголь или аэрацией. При дехлорировании на колонках с активным углем хлорсодержащие вещества сорбируются на угле, и, окисляя уголь до СО₂, восстанавливаются до хлоридов. Рекомендуется для этой цели использовать активный уголь марок АГ-2, АГ-3, СКД-515, КАС. Регенерация угля проводится промывкой 2 %-ными растворами щелочи или гипохлорита кальция температурой 60-65 ⁰С, а также острым паром. Содержание активного хлора в воде после дехлорирования должно быть равно 0.

Хлорная известь может реагировать с содержащимися в воде фенолами с образованием хлорфенолов, которые придают воде стойкий «аптечный» запах и привкус.

Более эффективный способ обработки воды облучением ультрафиолетовыми лучами, или озонированием.

УФ-обработка наиболее экономичный способ, не оказывающий влияния на качество воды. Обработка проводится в тонком слое, однако эффективность этого способа зависит от качества воды, присутствия в ней замутняющих веществ и пигментов. Поэтому необходимо тщательно подготавливать воду, удалять гуминовые вещества, частицы ржавчины и пр. В бактерицидных лампах используется излучение с длиной волны от 200 до 300 нм. Доза УФ- облучения (количество энергии ультрафиолета на 1 см³ воды) должна составлять не менее 16 мДж/см³. Периодически, примерно 1 раз в квартал должна проводиться очистка внутренней поверхности рабочей камеры путем промывки слабыми растворами щавелевой или лимонной кислоты для удаления отложений.

Озонирование относительно дорогостоящий способ обработки, в воде могут образовываться вредные продукты окисления, повышается содержание кислорода, что отрицательно влияет на вкус напитков, вызывает коррозию металлов оборудования и трубопроводов, поэтому необходимо контролировать остаточное содержание озона в воде, которое не должно превышать 0,3 мг/дм³.

Достоинствами этого способа является улучшение вкуса и запаха воды за счет окисления примесей воды (например, нитратов), удаление аммиака, фенола, железа, гуминовых веществ. При озонировании необходимо дополнительное хлорирование, так как озон действует непродолжительно.

Наиболее перспективна обеспложивающая фильтрация через керамические фильтры или мембраны.

Умягчение воды проводят для снижения жесткости, при этом частично удаляются ряд других ионов (железо, марганец и др.). Удаление карбонатной жесткости возможно с помощью декарбонизации: нагреванием; с использованием гашеной извести; методом ионообмена, электродиализом и обратным способом.

Ионообменный способ умягчения воды - основан на применении ионитов (катионитов и анионитов). Этот способ до настоящего времени наиболее применим на пивобезалкогольных предприятиях. Катиониты используют для удаления катионов из воды, а аниониты - для удаления анионов. При умягчении воды с помощью катионитов (например, ионообменных смол КУ-1, КУ-2, КУ2-8, КУ-2-8чс) в воде накапливаются сульфаты, хлориды, которые повышают сухой остаток, гидрокарбонаты натрия - повышают также щелочность воды. При жесткости воды до 7 ⁰ и щелочности 6 см³ раствора НС1 концентрацией 0,1 моль/дм³ на 100 см³ воды наиболее подходит Na-катионитовый способ умягчения. Главный показатель качества катионитов - обменная емкость, которая выражается числом г-экв. катионов, поглощенных 1 м³ набухшего катионита. Различают полную и рабочую обменную емкость. Полная емкость - максимально возможное насыщение катионита солями жесткости, рабочая - практическое насыщение, после которого резко падает степень умягчения воды. Рабочая емкость составляет 75-85 % полной емкости. Установка для Na-катионирования (рисунок 15) состоит из катионитового фильтра (3), солерастворителя (4) и сборников исходной (1) и умягченной (2) воды.

Катионитовый фильтр представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд со сферической крышкой и сферическим днищем. На днище имеется дренажное устройство, уложенное на бетонную подушку, в виде горизонтальной трубы, с находящимися на ней штуцерами, на которые навинчены щелевые колпачки. Предназначено оно для равномерного сбора проходящей умягченной воды, воды, подводимой под слой катионита при его взрыхлении, а также для отвода раствора поваренной соли при регенерации. Сверху дренажного устройства насыпают 3 слоя кварцевого песка с разной величиной зерен (нижний слой 5-10 мм, средний - 2,5-5 мм, верхний - 1-2,5 мм) высотой 400 мм для предотвращения уноса катионита в дренажную систему. На кварцевый песок насыпают слой катионита высотой 1,5-2 м. Фильтр заполняют не полностью, только на 70 %.

В верхней части фильтра имеется распределительное устройство для подачи в фильтр неумягченной воды и регенерационного раствора соли, отвода промывных вод.

Размещено на http://www.allbest.ru/

45

Размещено на http://www.allbest.ru/

Солерастворитель необходим для приготовления регенерационного раствора поваренной соли. В нижней части его имеется также дренажное устройство в виде коробки со щелями. Сверху дренажа засыпаются 3 слоя кварцевого песка с разной величиной зерен (нижний слой 5-7 мм, средний - 2-3 мм, верхний - 1,5-2 мм) высотой 300 - 400 мм. Соль насыпают сверху кварцевого песка, выравнивают и подают воду температурой 50-60 ⁰С. Соль растворяется, раствор ее концентрацией 10 % фильтруется через слой кварцевого песка и выводится через дренажное устройство.

Установка работает следующим образом. Вода поступает из напорного бака (1), фильтруется сверху вниз со скоростью 3-20 м³/ч. В процессе прохождения воды через слой катионита происходят обменные реакции, в частности, обмен катионов натрия ионообменной смолы на катионы кальция и магния, содержащиеся в воде Умягченная вода отводится из дренажной системы в емкость умягченной воды (2).

По достижению степени насыщения катионита ионами кальция и магния, которая соответствует рабочей емкости катионита, проводят его регенерацию. Регенерация проводится 10 %-ным раствором поваренной соли, который подается из солерастворителя в фильтр со скоростью 3-4 м³/ч. После регенерации проводят отмывку катионита. Для этого пропускают умягченную воду со скоростью 4-5 м³/ч до тех пор, пока вода не будет прозрачной, а ее жесткость не будет превышать 0,05-0,07 ⁰Ж.

При высокой жесткости исходной воды, в умягченной воде может значительно увеличиваться щелочность и сухой остаток. Поэтому для безалкогольного производства наряду с Na -катионированием проводят Н-катионирование, при котором ионы кальция и магния воды заменяются на Н⁺, или последовательное или параллельное Na- и Н-катионирование. Н-катионит регенерируют 1-1,5 %-ным растворами серной или 5-6 %-ными растворами соляной кислоты.

Электродиализный способ - обессоливание воды за счет разделения положительных и отрицательных ионов с помощью ионитовых мембран. Схема обработки воды с использованием электродиализа приведена на рисунке 16.

Размещено на http://www.allbest.ru/

45

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вода очищается на фильтре предварительной очистки (1). При помощи манометра (2) регулируется подача воды через ротаметры (3) в электродиализный аппарат (4). Аппарат имеет 2 электрода, между ними размещены электродные камеры для промывки электродов, камеры опреснения и концентрирования. Химический состав очищенной воды зависит от напряжения между электродами и давления исходной воды. Очищенная вода (дилюат) и техническая (концентрат) через вентили (5) собирается в соответствующих сборниках (6 и 7).

Схема процесса электродиализа приведена на рисунке 17.

Электродиализный аппарат разделен последовательно чередующимися анионитовыми и катионитовыми мембранами (3). При прохождении через систему постоянного тока соли воды диссоциируют на катионы и анионы. Катионы, двигаясь к катоду (1), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми. Анионы, двигаясь в направлении анода (2), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате образуются чередующиеся камеры: дилюат и концентрат.

Размещено на http://www.allbest.ru/

45

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вода от промывки электродов из электродных камер может использоваться повторно для очистки или для технических целей.

Применение способа позволяет снизить щелочность воды в 2-3 раза, жесткость в 2,5-3 раза, рН - на 0,5-1,5 единицы. В качестве недостатка можно отметить высокий расход электроэнергии и низкую механическую прочность мембран.

Для повышения прочности мембран измельченный ионит смешивают с пленкообразующим инертным материалом (полиэтиленом, полистиролом, полипропиленом, поливинилхлоридом). Внутрь мембраны вводят армирующий сетчатый материал (капрон, лавсан), который обладает эластичностью и растягивается при набухании мембраны. Такие мембраны имеют меньшую селективность, но более высокую механическую прочность. При использовании способа необходима предварительная очистка воды, т.к. из-за осаждения слаборастворимых солей [СаСО₃, СаSО₄, Са(ОН)₂, Мg(ОН)₂ и др.] и засорения мембран коллоидными частицами снижается эффективность работы установок.

Обратноосмотический способ - наиболее перспективный, он позволяет удалять из воды растворенные вещества на 85-95 %, а также микроорганизмы, высокомолекулярные соединения.

При использовании этого способа происходит фильтрование воды через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя (воды), но задерживают молекулы или ионы растворенных веществ.

Мембраны изготавливают из полимеров: пористого стекла, ацетатлцеллюлозы, полиамида, полиакрилонитрила, металлокерамики и др. Наиболее ранние по применению мембраны из ацетата целлюлозы имеют высокую селективность, хорошо разделяют растворы, но работают при температуре до 50 ⁰С, рН от 3 до 8, имеют низкую механическую прочность, эксплуатируются и хранятся только во влажном состоянии, при высыхании необратимо теряют свои свойства. Полимерные мембраны поздних поколений более термо- и химически стойки, работают в широком диапазоне температур и рН.

Рабочими элементами мембранных установок являются мембранные элементы. Для обратного осмоса, как правило, применяют мембранные элементы рулонного типа. Эти аппараты выполнены в виде труб диаметром от 70 до 200 мм, длиной от 1 до 9 м, в которые последовательно вставляются несколько рулонных фильтрующих элементов (РФЭ) (рисунок 18).



Рисунок 18 - Схема рулонной укладки мембраны

Каждый элемент представляет собой прикрепленный к фильтротводящей трубке 1 и накрученный на нее пакет, состоящий из 2-х мембран 2, между ними расположен дренажный слой 3 и сетка-сепаратор 4. Мембраны по кромкам соединяются путем склеивания. При работе исходный раствор движется по мембранным каналам РФЭ продольно, а фильтрат (пермеат) проходит по спирально расположенному дренажному слою, поступает в фильтротводящую трубку и выводится из аппарата. Концентрат, обогащенный солями обрабатываемой воды, поступает в следующий РФЭ либо также выводится из аппарата.

Долю пермеата в зависимости от качества обрабатываемой воды и производительности установки варьируют от 60 до 80 % от исходной воды.

Отечественной промышленностью выпускаются мембранные установки производительностью 0,6-41,7 м³/ч. Наиболее распространены установки МРР-5-21К-01; МРР-20-21К-01; МРР-120-21К-01.

Из зарубежных фирм, производящих мембранные установки, на нашем рынке представлены DDS (Дания), Cuno, Amicon, Millipor (США), Sartorius (Германия).

Метод требует тщательной подготовки воды, т.к. из-за засорения мембран снижается их производительность. Схема установки обратного осмоса приведена на рисунке 19.

Для этого в установке предусмотрен фильтр предварительной очистки (2).

Рисунок 19 - Схема обратноосмотической установки для подготовки воды

Деминерализация воды происходит в мембранном аппарате (3).

В процессе эксплуатации на мембранах осаждаются соли жесткости, нерастворимые осадки, так как они концентрируются у поверхности мембран, где концентрация их может достигнуть предела растворимости. Для предотвращения этого в воду дозируют ингибиторы (например, кислоту и полифосфаты) или предварительно умягчают и подкисляют. Для удаления осадков или биологических загрязнений, образующихся на поверхности мембран, периодически проводят промывку обратным током воды или слабого раствора лимонной, соляной кислот, щелочи в зависимости от характера загрязнений. Рекомендован раствор такого состава: кислота серная башенная 0,7 г/дм³, лимонная техническая кислота 0,3 г/дм³, триполифосфат 0,7 г/дм³, синтанол 0,5 г/дм³. Промывка осуществляется 2-3 часа. Необходимость промывки определяется по превышению перепада давления на блоке обратноосмотического обессоливания на 10 %, по снижению производительности или селективности мембран на 10 %.

При остановке более чем на 48 часов проводят консервацию установки для предотвращения развития микроорганизмов, так как возможна микробная деградация ацетатцеллюлозных мембран или загрязнение пор в полимерных мембранах. Для этого в гидравлическую систему подают 0,5 %-ные растворы формалина или сульфата меди. При длительных остановках, более 7 суток, через этот срок растворы меняют.

Способ дешевле, чем электродиализ. При частичном обессоливании воды способ экономичнее, чем ионообмен. К основным недостаткам способа можно отнести образование осадков на поверхности мембран и их невысокий срок службы, образующийся при умягчении концентрат, утилизируется только на технические цели либо сбрасывается в канализацию. Способ требует относительно высоких капитальных затрат, однако, по сравнению с ионообменным способом значительно снижаются эксплуатационные затраты.

9.2 Теоретические основы сатурации. Факторы, влияющие на степень насыщения воды диоксидом углерода

Процесс насыщения воды диоксидом углерода называется сатурацией. Углекислый газ в воде способен растворяться посредством абсорбции.

Согласно пленочной теории абсорбции на поверхности раздела жидкой и газообразной фаз имеются пограничные слои из двух прилегающих друг к другу пленок: одна - из молекул углекислого газа, другая - из молекул воды. Эти пленки оказывают основное сопротивление прохождению газа из одной фазы в другую. В основном объеме каждой фазы концентрация газа вследствие конвекции постоянна, а в пленках, где отсутствуют конвективные токи, газ движется посредством диффузии за счет разности концентраций.

Растворимость газов в жидкости характеризуется коэффициентом абсорбции б=v/V, где v - объем газа, V - объем жидкости.

Он показывает, какой объем газа растворяется в единице объема растворителя при парциальном давлении газа 760 мм. рт. ст. и температуре 0 ⁰С. Для углекислого газа б=1,71 м³/м³. Диоксид углерода частично взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты, которая диссоциирует на ионы карбоната и бикарбоната:

Н₂О+ СО₂=Н₂СО₃=Н⁺+НСО₃^- = 2Н⁺ + СО₃^-

Угольная кислота - нестойкое соединение, поэтому равновесие этой системы смещено влево.

На растворимость газов в жидкости влияют:

- природа газа и жидкости;

- температура раствора;

- парциальное давление газа над жидкостью;

- содержание в растворе электролитов;

- содержание коллоидов;

- площадь поверхности контакта фаз.

Рассмотрим влияние некоторых факторов.

Согласно закону Генри, при постоянной температуре концентрация идеального газа в жидкости будет прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа над жидкостью: С= К^.Р. Для углекислого газа этот закон справедлив при давлении 0,39 - 0,49 МПа. При более высоком давлении растворимость углекислого газа несколько ниже и подчиняется формуле Зельвинского Я.Д.: С=(а-В_р) ^. р, где а, В_р - константы, значения которых зависят от температуры. Таким образом, с повышением давления растворимость газа увеличивается, однако, если в газовой фазе кроме диоксида углерода будет присутствовать, например, воздух, то концентрация растворенного углекислого газа будет ниже, так как, согласно закону Дальтона, при растворении смеси газов каждая составная часть смеси растворяется пропорционально своему парциальному давлению. На растворимость углекислого газа отрицательно влияет также воздух, растворенный в воде, поэтому перед сатурацией предусматривается деаэрация воды.

Процесс растворения газа в жидкости экзотермический, то есть протекает с выделением тепла. Коэффициент абсорбции с увеличением температуры заметно снижается. Так, при температуре 0 ⁰С б=1,71 м³/м³, а при 20 ⁰С - б=0,88 м³/м³.

Влияние электролитов (солей) на растворимость газов в жидкой среде установил И.М. Сеченов при изучении растворимости газов в крови. Им выведено уравнение, связывающее растворимость газов и концентрацию электролитов:

ln(N₀/ N)= К ^. С, где

N₀ и N - соответственно растворимость газа в чистой воде и солевом растворе;

С - концентрация соли в растворе, моль/дм³;

К - константа.

Приведенная зависимость показывает, что растворимость газов в растворе солей уменьшается пропорционально их концентрации.

Некоторые соли, диссоциирующие в воде, химически связывают углекислый газ, что приводит к его необратимым потерям.

Присутствие коллоидов влияет положительно, так как коллоиды удерживают СО₂ в жидкости.

Абсорбция СО₂ водой - массообменный процесс. Движущей силой ее является разность концентраций или парциальных давлений газов в газовой и жидкой среде. Количество газа, абсорбируемого жидкой фазой, определяется уравнением:

G=б ^. F ^. ?P ^. ф,

где б - коэффициент абсорбции, м³/м³

F - поверхность контакта фаз, м²

?P - разность парциальных давлений в газовой и жидкой фазах, МПа

ф - продолжительность процесса

Интенсивный массообмен может быть достигнут при низкой температуре, достаточно высоком давлении углекислого газа, и большой поверхности контакта. Оптимальными условиями сатурации являются: давление СО₂ - 0,49-1,18 МПа, температура воды 1-2 ⁰С. Поверхность контакта можно увеличить следующими способами:

- энергичным размешиванием воды в атмосфере СО₂;

- тонким распылением воды;

- стеканием воды по насадке с большой поверхностью в виде пленки в атмосфере СО₂;

Сатурацию обычно ведут до содержания СО₂ в воде 0,5-0,6 %. Следует избегать перенасыщения воды диоксидом углерода, так как газ непрочно связан в воде и быстро десорбируется при снятии давления.

9.3 Требования к диоксиду углерода. Условия транспортирования и хранения. Подача диоксида углерода в производство

В производстве безалкогольных напитков используется сжиженный диоксид углерода. Диоксид углерода находится в жидком состоянии при давлении около 7 МПа и температуре около 20 ⁰С, его хранят в стальных баллонах; или под давлением 0,8-1,2 МПа и температуре минус 35 - минус 43 ⁰С, при этих параметрах его хранят в изотермических цистернах. Диоксид углерода должен соответствовать ГОСТ 8050-76, содержание СО₂ нормируется не менее 98,8 %, воды не более 0,1 %.

Баллоны с СО₂ хранятся на газобаллонной станции, которую размещают в отдельном помещении с наружным выходом, расположенном вблизи сатураторов.

Хранить баллоны рекомендуется в лежачем положении при температуре не выше 30 ⁰С. Для крупных предприятий требуется много баллонов, работа с ними трудоемка и немеханизирована. Масса тары составляет около 70 %, а масса СО₂ - 30 %. Во избежание загрязнения баллоны нельзя освобождать полностью, что приводит к потерям СО₂.

В производство углекислый газ подают через редукторы для снижения давления до 0,5 - 0,8 МПа. Процесс перехода СО₂ из жидкого в газообразное состояние сопровождается поглощением тепла, в связи с этим в местах истечения газа из баллона в редуктор углекислота и содержащаяся в ней вода превращается в снег и забивают входное отверстие. Для устранения этого баллон, вентиль, редуктор и участок трубопровода обогревают теплой водой, что приводит к большому расходу воды и повышает влажность помещения. Можно использовать для этой цели электрические подогреватели регулятора давления и углекислотного вентиля, которые изготавливаются из нихромовой проволоки, навитой по изолирующей основе. Электрообогреватель питается от сети 12 В.

Взамен трудоемкого баллонного способа хранения углекислоты используется безбаллонный способ транспортирования и хранения СО₂.

Установка для бестарного транспортирования и хранения (рисунок 20) состоит из станции наполнения, которая устанавливается на углекислотном заводе, транспортной изотермической цистерны и станции газификации. На станции наполнения углекислота под давлением 6-7 МПа дросселируется через вентиль до давления 0,8-1,2 МПа и подается в сосуды-накопители, откуда поступает в изотермические цистерны.

Рисунок 20 - Аппаратурно-технологическая схема безбаллонного способа использования сжиженного диоксида углерода

1 - транспортная изотермоцистерна; 2,3 - резинотканевые рукава; 4 - стационарный изотермический резервуар; 5 - автоматическая станция газификации; 6 - регулирующий узел; 7 - насос

Изотермические цистерны имеют вместимость от 2,6 до 37 т, они используются для транспортирования и хранения СО₂ на заводе-потребителе. Цистерны представляют собой теплоизолированные сосуды, установленные в кожухе, пространство между кожухом и цистерной заполнено изоляционным материалом. Температура жидкого СО₂ в цистерне поддерживается в диапазоне минус 43,5 - минус 11,3 ⁰С при давлении 0,8-2,5 МПа. Продолжительность хранения СО₂ в цистерне при температуре 35 ⁰С без стравливания через предохранительный клапан 15 суток.

Из транспортной изотермоцистерны жидкий диоксид углерода перекачивается в стационарные резервуары, вмещающие от 2,6 до 46,75 т.

Станция газификации предназначена для отбора жидкого диоксида углерода, превращения его в газообразное состояние и поддержания постоянного давления. Перед подачей в производство СО₂ подогревается в теплообменниках паром с давлением около 0,2 МПа или горячей водой с температурой 50-60 ⁰С.

9.4 Способы и оборудование для сатурации. Потери диоксида углерода

Насыщение воды диоксидом углерода происходит в сатураторах различного типа.

Для сатурации воды используют один или несколько из следующих способов:

- размешивание воды с барботируемым в ней диоксидом углерода;

- распыление воды в атмосфере углекислого газа;