Вода и водоподготовка Источниками водоснабжения пищевых производств в основном являются подземные воды скважин и городские водопроводные сети; иногда используются поверхностные воды рек и озёр. В природной воде всегда содержатся растворимые соли, оказывающие влияние на вкус напитков, но качество воды из разных источников существенно различается. Артезианские воды не подвергаются воздействиям внешней среды и поверхностных стоков, не содержат органических веществ, биологически чисты и обладают постоянным солевым составом. Грунтовые воды образуются, главным образом, из просачивающихся вод атмосферных осадков и вод открытых водоемов. Они имеют менее постоянный и менее устойчивый солевой состав. Минерализация грунтовых вод колеблется в пределах 100… 200 мг/л, а содержание органических примесей доходит до 8 мг/л. Микробиологический состав грунтовых вод не постоянен и напрямую зависит от инфицированности почвы. Открытые водоёмы имеют непостоянный солевой состав: характер примесей меняется в течение года в зависимости от атмосферных осадков и паводковых вод. Среднее содержание солей в составе речных вод находится в пределах от 40 до 700 мг/л, хотя вода отдельных водоемов характеризуется ещё более высокой минерализацией. Содержание органических примесей в водах открытых водоёмов составляет от 2 до 150 мг/л. Микрофлора также напрямую зависит от инфицированности почвы. 1
• • • Степень загрязнения воды и пригодность её для питьевых и технологических целей определяются присутствием в ней различных примесей. Содержание примесей регламентируется международными и российскими нормативными документами в зависимости от вида выпускаемой продукции и контролируется стандартизированными органолептическими и инструментальными методами. В рассматриваемых отраслях – производства алкогольных бальзамов, как ЛВИ, – и безалкогольных бальзамов и сиропов бальзамного типа – как продукции безалкогольной отрасли – к качеству воду предъявляются очень жесткие требования: – привкус и запах воды, используемой в производстве этих напитков (как и напитков в целом), не должны превышать 1 балла при 20 °С по пятибалльной шкале (для питьевой воды – не более 2 баллов); – общее солесодержание (сухой остаток) должно быть ниже, чем у питьевой воды; – не допускаются высокие концентрации металлов; – концентрации хлоридов, нитратов и сульфатов, а также мутность и цветность должны быть на уровне качества питьевой воды, а в отдельных случаях – ещё ниже. 2
• Наличие у воды привкуса и запаха объясняется как естественными причинами – присутствием соединений гуминовых и фульвокислот, гидроокисей металлов, растворённых газов, – так и искусственными причинами: наличием нефтепродуктов и других органических соединений антропогенного характера. • Мутность характеризуется наличием в воде взвешенных частиц коллоидных железа и кремния, ила, глины, песка, трубопроводной ржавчины и других механических примесей, а также колоний микрофлоры. • Цветность (окраска воды) связана с наличием в воде соединений гуминовых и фульвокислот, белковых и углеводородных соединений, образовавшихся в результате микробиологического распада растительных и животных остатков (предельно допустимое значение для питьевой воды – не более 20 град. в среднем за год). 3
• • Кислотность воды (р. Н). В воде, используемой на технологические и технические нужды в производствах алкогольных и безалкогольных напитков, значение р. Н должно находиться в пределах от 3 до 7, 8. Более низкие значения р. Н способствуют коррозии труб, вызывая ухудшение органолептических качеств воды; при высоком солесодержании – основная причина отложения солей накипи. Общая щелочность воды определяется суммарной концентрацией растворенных в воде углекислоты, бикарбонатов, карбонатов и гидроокисей. Молекулы углекислого газа взаимодействуют с молекулами воды, образуют угольную кислоту {СО 2 + Н 2 О = Н 2 СО 3}, которая может диссоциировать с образованием бикарбонат- и карбонат-ионов, причем степень диссоциации является функцией р. Н воды: • при р. Н≤ 4, 0 почти все карбонаты находятся в воде в виде угольной кислоты, • при р. Н=4, 5 – в виде растворенного СО 2 и диссоциированных молекул угольной кислоты (свободная углекислота), • при р. Н=6, 35 примерно половина карбонатов представлена в виде свободной углекислоты, а вторая половина – в виде гидрокарбонатов, • при р. Н≥ 8, 5 свободная углекислота переходит в бикарбонат, увеличивая щелочность воды {(СО 2)растворенный газ + Н 2 СО 3 + 2 ОН– = 2 НСО 3– + Н 2 О}, • при р. Н≥ 10, 33 половина карбонатов представлена в виде бикарбонатов, а вторая половина – в виде карбонатов {НСО 3– + 2 ОН– = СО 32– + Н 2 О}. 4
• При высоких значениях р. Н наряду с карбонатной щелочностью формируется гидроксидная щелочность, при этом карбонат- и гидроксид-ионы вступают в реакции с ионами металлов, определяющих общую жесткость воды: • Са 2+ + СО 32– = Са. СО 3↓ Mg 2+ + СО 32– = Mg. СО 3↓ • Са 2+ + 2 ОН– = Са(ОН)2↓ Mg 2+ + 2 ОН– = Mg(ОН)2↓ • Гидроксидная щелочность показывает способность воды нейтрализовать растворенные в ней кислоты, количественно эта способность определяется буферностью – возможностью сохранять р. Н неизменным при добавлении кислоты (буфер связывает избыточные Н+-ионы, не допуская колебаний р. Н воды). В природных водах естественным буфером является система бикарбонат-карбонат. 5
• • Щелочность воды связана с ее жесткостью, так как обе характеристики определяются содержанием карбоната кальция, вымываемого из природных известняков. Если щелочность воды полностью определяется карбонатами, то временная жесткость равна щелочности, обычно воды с высокой карбонатной жесткостью имеют и высокую щелочность. Мягкие воды, содержащие карбонаты натрия и калия, не являющиеся составной частью жесткости, проявляют низкую щелочность и небольшую буферность, поэтому более восприимчивы к колебаниям р. Н. Влияние щелочности технологической воды на качество ЛВИ неоднозначно и должно рассматриваться совместно с р. Н. При щелочности более 1, 4 мл 0, 1 н НСl на 100 мл водки (р. Н=7, 5 -8) резко возрастает выщелачивание внутренней поверхности стеклопосуды, что приводит к образованию силикатных и карбонатных осадков. С увеличением р. Н скорость выщелачивания возрастает экспоненциально. При приготовлении сортировки величина р. Н также возрастает, и чем выше р. Н технологической воды, тем более значителен его прирост в сортировке. Так, при р. Н воды 6, 5 р. Н сортировки будет составлять 6, 6 -6, 7; при р. Н воды 7, 2 – р. Н сортировки будет 7, 7 -7, 8. 6
• По жесткости воду классифицируют на четыре типа: • • мягкая – с жесткостью менее 4 °Ж (до 1, 5 мольэкв/л); • • средняя – с жесткостью от 4 до 8 °Ж (1, 51 -3, 0 мольэкв/л); • • жесткая – с жесткостью от 8 до 12 °Ж (3, 01 -5, 0 моль -экв/л); • • очень жесткая – с жесткостью более 12 °Ж (свыше 5, 0 моль-экв/л). • 1 мг-экв/л жёсткости соответствует 20, 4 мг/л ионов кальция или 12, 16 мг/л магния. Высокая жесткость воды ухудшает ее органолептические свойства, такая вода неблагоприятна для организма человека. Технологически из-за высокой жесткости образуется накипь; при низкой жесткости повышается коррозионная активность воды. 7
• Жесткостью воды называется совокупность свойств, обусловленных концентрацией в ней щелочноземельных металлов, преимущественно ионов кальция (Са 2+) и магния (Mg 2+). Жесткость воды измеряют в ммоль/дм 3 (мг-экв. /дм 3), эту величину также обозначают как градус жесткости (°Ж). • За рубежом система измерения жесткости воды отличается от российской: • о. Ж = 20, 04 мг Са 2+ или 12, 16 мг Mg 2+ в 1 дм 3 воды (Россия) • о. DH = 10 мг Са. О в 1 дм 3 воды (Германия) • o. F = 10 мг Са. СО в 1 дм 3 воды (Франция) 3 • ppm = 1 мг Са. СО 3 в 1 дм 3 воды (США) • оclark = 10 мг Са. СО в 0, 7 дм 3 воды (Великобритания) 3 • В таблице приведены переводные коэффициенты для перевода жесткости воды из одной национальной системы в другую. 8
Соотношение национальных единиц жесткости воды Обозначение единицы жесткости воды Россия Германия Великобритания Франция США Россия о. Ж 1 2, 8 3, 51 5, 00 50, 04 Германия о. DH 0, 357 1 1, 25 1, 78 17, 84 Великобрита ния Oclark 0, 285 0, 80 1 1, 43 14, 3 Франция o. F 0, 20 0, 56 0, 70 1 10 США ppm 0, 02 0, 056 0, 070 0, 10 1 Страна 9
• • • Для определения жесткости воды используют два метода: комплексонометрический метод (описан ниже); метод атомной спектрометрии (требует наличия специального сложного оборудования). Комплексонометрический метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б (ЭДТА) и ионами щелочноземельных элементов. Определение проводят путем титрования пробы раствором трилона Б при р. Н 10 в присутствии индикатора. Для определения жесткости в коническую колбу вносят 100 см 3 (или меньший объем, разбавленной до 100 см 3 дистиллированной водой) отфильтрованной исследуемой воды, добавляют 5 см 3 буферного раствора с р. Н 10, 5— 7 капель раствора индикатора эриохрома черного Т или хромового темно-синего кислотного (можно внести 0, 05— 0, 10 г сухой смеси индикатора с солью) и титруют при интенсивном перемешивании раствором трилона Б концентрации 0, 025 моль/дм 3 (25 ммоль/дм 3) до изменения окраски в эквивалентной точке (с красно-фиолетовой до зеленовато-синей при использовании эриохрома черного Т или до сине-фиолетовой при использовании хромового темно-синего кислотного). Если на титрование израсходовано больше 20 см 3 раствора титранта, значит, в исследуемой пробе суммарное количества вещества эквивалента ионов кальция и магния превышает 0, 5 моль и определение следует повторить, взяв для исследования меньший объем воды, который затем следует разбавить дистиллированной водой до 100 см 3. При расходе титранта менее 1 см 3 следует использовать раствор трилона Б концентрации 5 ммоль/дм 3 или 2, 5 ммоль/дм 3. 10
• • • При проведении исследования учитываются следующие моменты: • Нечеткое изменение окраски в эквивалентной точке означает, что в воде присутствуют медь и цинк. Для устранения их негативного влияния к пробе исследуемой воды следует прибавить 1 – 2 см 3 раствора сульфида натрия и проводить испытание как указано выше. • Постепенное появление серой окраски после добавления к пробе буферного раствора и индикатора указывает на присутствие в воде марганца. Для его маскировки к пробе исследуемой воды до внесения реактивов нужно прибавить 5 капель 1%-ного раствора солянокислого гидроксили-мина и проводить испытание как указано выше. Общую жесткость воды Ж, °Ж, определяют по формуле: где М – коэффициент пересчета, равный 2 Стр (Стр – концентрация трилона, ммоль/дм 3), обычно М = 50; F – множитель разбавления исходной пробы, обычно F = 1; К – коэффициент поправки к концентрации раствора трилона Б; Vтр – объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, см 3; Vпр – объем пробы воды, взятой для анализа, см 3 11
• Для установления коэффициента поправки к концентрации раствора трилона Б в коническую колбу вместимостью 250 см 3 вносят 10 см 3 раствора сульфата магния концентрацией 25 ммоль/дм 3, добавляют 90 см 3 бидистиллированной воды, 5 см 3 буферного раствора, 5 – 7 капель раствора одного из индикаторов и титруют при интенсивном перемешивании раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке как описано выше. • Титрование проводят по контрольной пробе, которой может быть слегка перетитрованная проба. • Коэффициент поправки к концентрации раствора трилона Б (К) рассчитывают по формуле: где V – объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, см 3 12
• Сухой остаток показывает суммарное содержание в воде растворенных минеральных и органических соединений. Увеличение значения этого показателя свидетельствует о повышенной вероятности появления взвеси либо выпадения осадка на дно потребительской упаковки при хранении готовой продукции (для источников воды, используемых для питьевых целей, величина сухого остатка не должна превышать 1000 мг/л). Чем выше сухой остаток в воде, используемой для производства напитков, тех хуже органолептические показатели готовой продукции, как безалкогольной, так и ЛВИ. • Минеральный состав воды определяется концентрацией и соотношением растворенных в ней солей, содержащихся в виде катионов и анионов. Из катионов наибольшее практическое значение имеют: H+, Fe 2+, Fe 3+, Ca 2+, Mg 2+, K+, Na+, Al 3+, Mn 2+, Cu 2+; из анионов: OH– , HCO 3– , Cl– , SO 42– , Si. O 32– , NO 3– и PO 43–. Требования к минеральному составу воды определяются отраслевыми технологическими регламентами, так как присутствие солей отражается на скорости протекания процессов и отдельных технологических стадий, изменяет вкус и снижает стойкость напитков. 13
• • • Железо при содержании в воде на уровне 0, 5 -2 мг/л значительно ухудшает её органолептические качества, придавая неприятный вяжущий вкус и делая непригодной для питьевого и технологического использования. При концентрации свыше 1 мг/л железо участвует в образовании белково-танинового помутнения из компонентов соков, морсов, экстрактов и настоев растительного сырья, входящих в купаж бальзамов. Поэтому в зависимости от направления использования, а также в зависимости от исходного содержания железа в воде, предельно допустимый уровень его содержания в воде после водоподготовки составляет 0, 1 -0, 2 мг/л. В воде, используемой в качестве источников питьевого водоснабжения, предельные уровни содержания железа для подземных источников составляют 0, 3 -20 мг/л (для 1 -3 классов), для поверхностных источников – 1 -5 мг/л. Все многообразие солей железа, встречающихся в воде, можно условно разделить на два типа: • органические и минеральные комплексные соединения, соединения с производными фульво- и гуминовых кислот, коллоидные и тонкодисперсные взвеси Fe 3+; • растворённые карбонаты, сульфаты и сульфиды Fe 2+. Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям, характеризуясь увеличением в летний и зимний периоды и снижением – в осенний и весенний (в связи с увеличением объёма воды). 14
• Кальций является основной составляющей жесткости. В речных водах содержание кальция редко превышает 1 г/л, и обычно его концентрации значительно ниже. В поверхностных водах содержание кальция подвержено заметным сезонным колебаниям: весной повышается, что связано с легкостью выщелачивания растворимых солей кальция из поверхностных слоев почвы и горных пород. Характерной особенностью этого элемента является способность образовывать устойчивые растворы карбонатов и комплексных соединений с органическими веществами, в маломинерализованных окрашенных поверхностных и грунтовых водах до 90 -100 % ионов кальция может быть связано гумусовыми веществами. • При изготовлении ЛВИ и безалкогольных напитков соли кальция и магния реагируют с пектиновыми и фенольными веществами растительного сырья, образуя нерастворимые соединения. В ЛВИ с высоким содержанием спирта (40 -45 % об. и более) соли кальция и магния образуют осадок. Эти процессы протекают медленно, и последствия их проявляются только при хранении готовой продукции. • В присутствии хлоридов, карбонатов, сульфатов, силикатов и ряда других анионов кальций образует прочные накипи. 15
• Окисляемость является следствием присутствия органических загрязнений, вызывает вспенивание воды и напитков; величина окисляемости 5 -8 мг/л указывает на возможность загрязнения источника водоснабжения сточными водами. Растворенный кислород усиливает коррозию аппаратов и трубопроводов, являясь тем самым причиной появления в воде окисленных форм металлов. • Окислительно-восстановительный потенциал воды (ОВП). ОВП обычной питьевой воды, измеренный на платиновом электроде относительно хлорсеребряного электрода сравнения, находится в пределах от +150 до +360 м. В; для внутренней среды человека ОВП составляет от +100 до -200 м. В. Доказано, что антиоксидантные свойства воды с отрицательным значением ОВП значительно сильнее обычных антиоксидантов. Это обусловлено тем, что молекулярная масса воды существенно меньше, чем у других антиоксидантов, поэтому общее количество молей восстановителя в объеме воды намного больше, чем содержание действующих компонентов в аналогичном объеме большинства антиоксидантов. 16
• Кроме показателей химического состава воды, контролируется ряд показателей микробиологической безопасности. Микробиологическая чистота – это одна из важнейших технологических характеристик воды. Согласно Сан. Пин 2. 1. 4. 1074 -01, общее микробное число, то есть количество микроорганизмов в 1 мл воды не должно превышать 50, бактерии группы кишечной палочки в 100 мл воды должны отсутствовать. Для производства безалкогольных и слабоалкогольных напитков общее микробное число в воде, подвергшейся водоподготовке, не должно превышать 25 в 1 мл неразбавленной воды. • Термин «микрофлора» включает в себя водоросли, плесневые грибы, простейшие организмы, дрожжи, анаэробные бактерии и передающиеся через водную среду вирусы и эндотоксины. Рост колоний микроорганизмов в водной среде создает как минимум три проблемы: ухудшает её качество, представляет угрозу для здоровья потребителей и ухудшает работу мембранных фильтр -элементов (последние особенно подвержены биозагрязнениям из-за очень развитой поверхности). 17
• Если обеззараживание воды не произведено на должном уровне, происходит инфицирование полуфабрикатов напитков. Это проявляется в изменении качества, как полуфабрикатов, так и готовой продукции: под влиянием бактерий-аммонификаторов p. Pseudomonas, p. Xantomonas, p. Bacillus появляется запах гнили и затхлости, при развитии бактерий р. Micrococcus и р. Zymomonas появляется неприятный запах гниющих фруктов. Присутствие микроорганизмов р. Saccharomyces, Shizosaccharomyces, Candida, Pichia, Debaryomyces и Hansenula не только меняет аромат, но и придаёт напиткам горький, «царапающий» вкус, сопровождаясь забраживанием и помутнением. Молочнокислые бактерии вызывают помутнение и прокисание, особенно опасны гомоферментативные бактерии р. Pediacoccus, придающие горечь, вызывающие значительное помутнение и способствующие образованию мелкозернистого осадка, а иногда и ослизнение некоторых напитков. Уксуснокислые бактерии р. Acetobacter образуют пленку на поверхности, окисляют спирт в уксусную кислоту, некоторые виды образуют слизь. При развитии бактерий р. Leuconostoc готовые напитки и сокосодержащая продукция приобретают тягучесть, а при активном росте могут образовываться плотные слизистые комки. При появлении и развитии флавобактерий в напитках появляется «шелковистая» муть и легкий запах сероводорода. Другие виды микроорганизмов часто оказываются виновниками плесневелого, винного и дрожжевого ароматов и привкусов. 18
• • • Общее число бактерий является общим показателем развития в воде микрофлоры и микрофауны; для воды питьевого качества допускается наличие не более 100 бактерий в 100 мл воды. Кишечная палочка – показатель загрязнения воды выделениями человека и животных; в воде питьевого качества допускается не более 3 кишечных палочек в 1 л воды. Общую оценку бактериологических и паразитологических показателей качества воды (бактериологической загрязненности) дает определение общего микробного числа (ОМЧ) – общего числа колонии образующих единиц бактерий (КОЕ) на 1 мл воды. Для вычисления общего микробного числа применяется метод фильтрации, заключающийся в пропускании определенного количества воды через мембрану с размером порядка 0, 45 мкм. Бактерии, находящиеся в воде, остаются на поверхности мембраны, после чего мембрану с бактериями помещают на время в специальную питательную среду при температуре 30 -37 °С. За установленный период времени (инкубационный период) бактерии размножаются и формируют колонии, которые легко поддаются подсчёту. Такой метод предполагает только определение общего числа колонии образующих бактерий разных типов, по его результатам нельзя однозначно судить о присутствии в воде патогенных микробов, однако высокое микробное число является свидетельством общей бактериологической загрязненности воды и высокой вероятности наличия патогенных организмов. 19
20
• Природные воды, проходя через слои почвы, достаточно хорошо фильтруются, при этом в подземных водоносных слоях происходят химические реакции, в результате которых часть компонентов переходит в растворенную форму. Некоторые подземные источники воды, расположенные под слоями песка или в скальных породах, могут содержать более 50 мг/л Si. O 2. Известняки являются причиной высокой жесткости и щелочности артезианских вод. Особенно это характерно для вод с высоким содержанием СО 2 и низким р. Н. • Натрий, калий, хлориды и сульфаты преобладают в системе компонентов, растворенных в артезианских водах. Железо и марганец в подземных водах обычно находятся в двухвалентной форме, но как только вода вступает в контакт с воздухом, двухвалентные катионы окисляются до трехвалентной формы. В грунтовых водах присутствуют также растворенные газы, такие как СО 2 и H 2 S. 21
• Современные индустриальные системы подготовки технологической воды для производства высококачественных напитков должны отвечать следующим требованиям: • система водоподготовки должна полностью обеспечивать все технологические нужды производства, а ее материалы, узлы и агрегаты должны соответствовать индустриальному дизайну и быть сертифицированы для применения в производстве напитков; • применяемые технологические процессы должны обеспечивать получение технологической воды «естественного» качества, т. е. такой, какой она сформировалась в природе, без применения химических реагентов, магнитных, СВЧ и других полей; 22
• блоки водоподготовки должны быть спроектированы как системы с автоматическим управлением в едином алгоритме. Авторегулирование системы должно осуществляться по трем уровням: по временной циклограмме для стабильного графика эксплуатации, по заданному объему очищенной воды для изменяющегося графика эксплуатации, должно быть предусмотрено ручное управление для случаев, когда необходимо вмешательство оператора; • в процессе эксплуатации должен быть обеспечен непрерывный контроль следующих параметров: солесодержания; расхода и температуры исходной, очищенной и сбрасываемой в канализацию воды; р. Н очищенной воды и регенерационных растворов; перепада давления и времени эксплуатации на каждом блоке системы; • мембранный блок должен обеспечивать возможность регулирования состава очищенной воды; 23
• паспортная величина производительности системы водоподготовки должна обеспечиваться не только в начале, но и в конце гарантийного срока; • расходные материалы и ингредиенты, необходимые для проведения регламентных работ, должны быть адаптированы под конкретные условия эксплуатации системы водоподготовки, а их рецептуры расшифрованы как по химическому составу, так и по соотношению концентраций; • техническая документация и эксплуатационный регламент должны содержать объем данных, достаточный для проведения монтажных и пусконаладочных работ, оптимальные эксплуатационные и сервисные нормативы на гарантийный срок и график постгарантийных мероприятий для обеспечения максимальной ресурсности системы водоподготовки. 24
• Схема подготовки воды из скважин включает этапы обработки воды, изображенные на рисунке. При очень сильной деминерализации воды в процессе очистки (более 90%-ое удаление солей, в т. ч. необходимых, например, для пивоваренного производства) проводится подмес неумягчённой воды для создания необходимого уровня содержания солей в воде. 25
• В случае использования в качестве источника водоснабжения поверхностных вод схема дополнительно включает предварительное удаление растворённых органических веществ (связывая их коагулянтом и отфильтровывая, перед первой стадией). Подготовка воды из водопроводной сети включает те же основные этапы, за исключением того, что вместо обеззараживания на 1 -м этапе производится удаление механических примесей 26
• • Всё современное технологическое оборудование водоподготовки делят два класса: насыпные адсорбционные и мембранные фильтры. В первых используется набор колонок с активированным углем, катионообменными смолами для умягчения воды, каталитическими насыпками для удаления железа и т. п. Их преимущество заключается в относительной простоте конструкции и низкой стоимости. Наиболее часто в системах водоподготовке используются: • фильтры тонкой очистки от механических включений с порогом задержания от 0, 2 до 100 мкм. Тонкие фильтры включают набор картриджных фильтров с разными порогами задержания или содержат фильтр массу полидисперсного кварцевого песка; • фильтры для умягчения воды с катионообменной смолой и регенерацией смолы поваренной солью; • фильтры для удаления железа и марганца, где фильтр-массой является каталитический материал-адсорбент; • фильтры-дехлораторы, задерживающие одновременно и органические примеси; здесь фильтр-масса – активированный уголь; • мембранные обратноосмотические установки с широким разбросом по производительности и по типу используемых в установке мембранных элементов. 27
Скачать презентацию Вода и водоподготовка Источниками водоснабжения пищевых производств в
Вода и водоподготовка.ppt