Коррекция солевого состава воды для пищевых производств

Журнал «Пищевая промышленность», №4 2006 г.

И.В.Пригун, к.т.н. М.С.Краснов
ООО "Экодар"

Для подавляющего большинства пищевых производств требуется специально подготовленная вода, которая используется в технологическом цикле. Общие вопросы выбора оборудования для пищевых производств, общие требования к очищенной воде и первый этап очистки, заключающийся в удалении из неё механических примесей, окрашенных веществ и отдельных составляющих, в частности железа рассмотрены в предыдущих номерах журнала 2006 г.

Требования к воде для использования её в технологическом процессе регламентируются производителями оборудования или совпадают с требованиями, предъявляемыми к питьевой воде (СанПиН 2.1.4.1074-01. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения). Эти требования может обеспечить система водоподготовки, предполагающая снижение мутности и цветности воды. Однако чаще требуется дальнейшая обработка воды, которая предполагает один или несколько видов коррекции солевого состава:

  • снижение общего солесодержания
  • умягчение воды (снижение содержания ионов кальция и магния)
  • удаление отдельных ионов, элементов (нитратов, бора, тяжелых элементов, фторидов, силикатов, радона)
  • дозирование в воду веществ, ионов (йодидов, фторидов, калия, серебра, кальция, кислот и щелочей для коррекции водородного показателя рН).

Снижение общего солесодержания воды возможно с использованием технологии нанофильтрации и обратного осмоса. Эти процессы будут рассмотрены в следующем номере.

Для многих пищевых производств достаточно не полностью уменьшать солесодержание воды, а снижать её жесткость, то есть проводить технологическую операцию умягчения. Жесткая вода ухудшает вкус, качество продуктов, у жидких пищевых продуктов вызывает выпадение солей при хранении. Это наиболее характерно для бутылированной питьевой воды, пива, соков, водки. При мытье бутылок такая вода оставляет несмываемые пятна [ 1 ]. Жесткую воду невозможно использовать в производстве хлеба, где происходит орошение продукта из форсунок. Поэтому жесткость воды, используемой при производстве различных продуктов, регламентирована и составляет 0,1 – 0,2 мг-экв/л.

В пищевой промышленности не используется реагентное умягчение воды. Наиболее распространен метод натрий-катионирования. Н – Na катионирование или Н – катионирование с голодной регенерацией используются при производстве пива и ликеро-водочных изделий.
По мере фильтрования через слой катионита ионы натрия, связанные с активными группами катионита замещаются ионами кальция и магния из обрабатываемой воды.

2[Кат]Na + Ca(HCO3)2 « [Кат]2Ca + 2NaHCO3
2[Кат]Na + Mg(HCO3)2 « [Кат]2Mg + 2NaHCO3
2[Кат]Na + CaCl2 « [Кат]2Ca + 2NaCl
2[Кат]Na + CaSO4 « [Кат]2Ca + Na2SO4

В результате этой операции общая жесткость воды снижается до 0,1–0,2 мг-экв/л. Из воды также происходит удаление ионов тяжелых металлов, железа, марганца. Общая щелочность воды при натрий-катионировании практически не изменяется, сухой остаток несколько возрастает (на 2–5%).

После исчерпания рабочей обменной емкости проводится регенерация (восстановление обменной емкости) Na-формы катионообменной смолы за счет промывки раствором поваренной соли в автоматическом режиме:

[Кат]2Ca + 2NaCl « 2[Кат]Na + CaCl

Во всех операциях процесса регенерации одного фильтра используется умягченная вода, вырабатываемая фильтрами, находящимися в рабочем режиме. Современные высокоскоростные установки умягчения работают в непрерывном режиме, т.е. в то время как один из фильтров находится в рабочем режиме, второй проходит регенерацию или находится в режиме ожидания. Возможен вариант, когда при проведении регенерации одного из фильтров второй работает в форсированном режиме, обеспечивая бесперебойность подачи обработанной воды.

Все операции процесса регенерации выполняются автоматически за счет давления исходной воды без использования промежуточных емкостей и насосов. Концентрированный раствор соли в баке-солерастворителе образуется в результате ее контакта с соответствующим объемом воды. Соли хранят в мокром виде. Периодическая загрузка соли в бак мокрого хранения осуществляется обслуживающим персоналом. При использовании в качестве регенерационного растворов кислот либо щелочей очередная порция раствора готовится обслуживающим персоналом до начала процесса регенерации. Сброс сточных вод, образующихся в процессе регенерации, производится в хозяйственно-бытовую или производственную канализацию.

Электронный контроллер позволяет легко настраивать все параметры работы установки – объем воды, который может обработать установка до исчерпания рабочей обменной емкости, текущее время, продолжительность всех стадий регенерации.
В качестве ионообменника при комплексном удалении железа, марганца и для снижения жесткости воды может быть использован искусственный алюмосиликат – ионообменник Cristal-Right. Этот достаточно перспективный материал позволяет удалять из воды до 15 мг/л неокисленных железа и/или марганца (II). Он обладает достаточно высокой сорбционной емкостью по ионам аммония – около 1 г на 1 кг сорбента. Поэтому такой материал используется для очистки вод, из которых требуется одновременное удаление нескольких компонентов. Ограничением для использования этого ионообменника является минимальная жесткость – 2 мг-экв/л и общее солесодержание – 80 мг/л, а также достаточно высокая стоимость.

Значительно реже, чем для умягчения воды, используются ионообменные смолы для удаления отдельных составляющих воды. Специально для удаления нитратов выпускаются селективные ионообменные смолы А-520, IMAK HP 555, SR-7. Повышенное содержание нитратов чаще всего наблюдается в воде поверхностных источников водоснабжения, а также в воде из верхних подземных горизонтов в районах с интенсивной сельскохозяйственной деятельностью. Ограничением для использования метода селективного ионообменного удаления нитратов является то, что при этом процессе происходит замена остальных анионов, содержащихся в воде на ионы хлора, то есть, суммарное содержание хлоридов, сульфатов, нитратов, гидрокарбонатов, силикатов не должно превышать ПДК по ионам Cl- (150 – 250 мг/л, в зависимости от требуемого качества воды). Кроме этого, ввиду достаточно высокой селективности ионитов такого типа к сульфат-ионам, при их высоком содержании емкость анионита по нитратам значительно снижается. Достаточно точно процесс селективной сорбции нитратов можно рассчитать используя расчетные компьютерные программы, предоставляемые разработчиками нитратселективных ионообменных смол.

В целях экономии раствор, получаемый при регенерации нитратселективного ионообменника и содержащий хлористый натрий, сульфат натрия и нитрат натрия, может быть использован для регенерации катионита, используемого на стадии умягчения воды.
Достаточно часто встречается задача удаления из воды избыточного бора. Наиболее часто эти проблемы возникают в Калмыкии и прилегающих регионах, Ижевске и др. Проблема удаления бора достаточно сложно решается при помощи обратного осмоса. Для этого требуется перед подачей на обратноосмотическую установку подщелачивание воды до рН не менее 9,5 и следующее за установкой корректирование показателя рН. Альтернативный способ удаления бора из воды – обработка на борселективном ионообменнике. Сорбент S-108 ("Purolite") [ 2 ]., имеющий в качестве функциональных групп аминокомплексы, обладает высокой селективностью и емкостью по бору (0,35 г-экв/л). Определенную сложность при использовании такого сорбента вызывает то, что после проведения нескольких регенераций раствором хлорида натрия требуется проведение последовательной регенерации кислотой и щелочью. Рабочая емкость по бору в значительной степени зависит от скорости потока. Так, при скорости потока 5 м/ч емкость составляет 3,8 г В/л сорбента, при скорости 25 м/ч – 1,2 г В/л сорбента. Сорбент способен снижать содержание бора в питьевой воде до концентраций ниже ПДК (0,5 мг/л) при его превышении в 2-200 раз. Несмотря на то, что сорбент достаточно дорогостоящий, стоимость воды, получаемой с его использованием, сопоставима с водой, получаемой при помощи обратного осмоса. Вопрос о его использовании должен решаться в каждом конкретном случае, то есть, необходимо определять требуется ли корректировка состава воды по другим составляющим кроме бора. В России успешно работают установки по обезбориванию воды с использованием сорбента S-108 в городах Элисте и Вологде.

Для ряда пищевых производств требуется, чтобы в воде содержались фторид-ионы в определенном количестве (0,6 –1,2 мг/л для розлива воды по высшей категории качества). Однако в ряде регионов, например, Красногорский, Одинцовский, Люберецкий районы подмосковья превышение по содержанию этого иона в воде составляет 2 – 3 ПДК. Снижение содержания фторидов, также как и бора можно осуществлять с использованием технологии обратного осмоса, однако при этом снижается общее солесодержание. Содержание фторидов на высокоскоростных напорных фильтрационных установках можно снижать с 2-2,5 ПДК до требуемых норм с использованием сорбентов, которые традиционно используются в процессах осветления и обезжелезивания, например, с использованием смешанной загрузки фильтра Calcite & Corosex. В настоящее время рекламируются сорбенты, специально предназначенные для удаления фторидов, однако сведения об успешном использовании этих материалов в процессах водоподготовки для пищевых производств отсутствуют.

Достаточно часто встречаются воды с повышенным содержанием кремния (ПДК по содержанию силикатов в питьевой воде и воде для розлива в ёмкости – 10 мг/л). Без использования технологии обратного осмоса удаление силикатов можно производить с использованием сильноосновных анионитов типа АВ-17-8, А-400, однако, также как и при удалении нитратов следует обращать внимание на возможное превышение ПДК по хлорид-ионам. Другим высокоэффективным методом удаления силикатов из воды, особенно при необходимости удаления органических примесей в виде гуминовых веществ является электрокоагуляция. С помощью этого метода возможно снижение содержания силикатов в 3 раза.

Отдельную проблему представляет удаление радиоактивного газа радона находящегося в артезианской воде, поступающей из нижних горизонтов. Потребителям такой воды необходимо обращать внимание на радиационную безопасность воды, а также на то, что радон хорошо сорбируется на отдельных типах активированных углей, например СКТ. При этом фильтр с активированным углем может стать самостоятельным источником радиоактивного загрязнения.

Как было отмечено, одним из видов коррекции солевого состава воды является дозирование в воду веществ, ионов. Особую актуальность приобрела эта проблема в настоящее время, поскольку в нормативный документ: "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости" (СанПиН 2.4.1.1116-02) включены требования не только по максимально допустимому, но и по минимальному содержанию минеральных примесей в воде. В этом же документе отражены требования к расфасованной воде для приготовления детского питания при искусственном вскармливании детей [ 3 ]. Достаточно давно установлены специфические требования по содержанию отдельных компонентов в воде, идущей для производства пива и ликеро-водочных изделий. Бурное развитие рынка отечественных безалкогольных газированных напитков требует от производителей поиска новых рекламных ходов, один из которых состоит в том, что газированные напитки, в отличие от известных марок "Пепси-Кола" и "Кока-Кола" изготавливают на физиологически полноценной воде.

Наиболее распространено кондиционирование воды йодидами, фторидами, ионами калия, серебра, кальция. При необходимости одновременного введения нескольких солей может быть определена на основе справочных данных их совместимость и рассчитана концентрация при совместном дозировании. При производстве пива часто возникает проблема снижения щелочности воды. Наиболее распространено для этой цели дозирование кислот, разрешенных для использования в практике питьевого водоснабжения, то есть серной или соляной.

Как правило, для соблюдения уровня требуемых концентраций веществ дозирование производится в пропорциональном режиме. На основной магистрали устанавливается водосчетчик (расходомер) с импульсным выходом, который управляет дозирующим насосом. В зависимости от количества входных импульсов изменяется производительность насоса. Наибольшей точностью для дозирования обладают электромагнитные мембранные дозирующие насосы, имеющие встроенный микропроцессорный контроллер. Насосы снабжены отдельными входами для подключения датчика уровня реагента в расходной емкости и приема внешнего сигнала от расходомера. На рисунках представлены дозирующие комплексы по коррекции солевого состава воды на минипивзаводе "Северная звезда" и ликеро-водочном заводе "Северные вина". Невысокая стоимость дозирующих комплексов и незначительный занимаемый объем помещения позволяют с достаточно высокой точностью воспроизвести требуемый макро- и микрокомпонентный состав воды.

Литература

Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004.- 301 с.
Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: издание второе, переработанное и дополненное. Учебное пособие. Т.2. Очистка и кондиционирование пиродных вод. – М.: Издательство АСВ, 2004. – 496 с.
Вода. Санитарные правила, нормы и методы безопасного водопользования населения. Сборник документов. 2-е издание, переработанное и дополненное. /Составители: Ю.А.Рахманин, З.И.Жолдакова, Г.Н.Красовский. – М.: "ИнтерСЭН", 2004. – 768 с.




Дата публикации: 25.10.2011