Использование технологии обратного осмоса в подготовке воды для производства соков, нектаров и сокосодержащих напитков

Пригун Игорь Викентьевич,
ООО "Экодар-Л"


Состав воды, используемой для производства соков, регламентируется ТИ 10 5031536-73-10 "Технологическая инструкция по водоподготовке для производства пива и безалкогольных напитков", за исключением величин общей щелочности и водородного показателя, значения которых принимаются согласно нормативам для питьевой воды. По тем показателям, которые не регламентированы вышеуказанной ТИ, вода должна соответствовать требованиям, налагаемым ГОСТ 2874–82 "Вода питьевая" и СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода., быть прозрачной, бесцветной, не иметь посторонних привкусов, запахов и бактериальных загрязнений.


Параметр
качества воды
Нормативное значение
ТИ
10-5031536-73-10
СанПиН
2.1.4.1074-01
СанПиН
2.1.4.1116–02
рН 3,0 – 6,0 6,5 – 9,5 6,5 – 8,5
Запах при 20ОС, балл н/р 2 0
Цветность, град н/р 20 5
Мутность, мг/л н/р 1,5 0,5
Жесткость общая, мг-экв/л 0,7 7,0 1,5 – 7,0
Щелочность, мг-экв/л 0,5 – 1,5 н/р 0,5 – 6,5
Сухой остаток, мг/л 500 1000 200 - 500
Железо общее, мг/л 0,2 0,3 0,3
Марганец, мг/л 0,1 0,1 0,05
Натрий, мг/л н/р 200 20
Сульфаты, мг/л 100 - 150 500 150
Хлориды, мг/л 100 - 150 350 150
Нитраты, мг/л 10 45 5
Кремний, мг/л 2 10 10
Общее микробное число (ОМЧ) 25 50 20

Согласно этим нормативным документам, для воды, используемой в соковом производстве, установлены жесткие требования по органолептическим и микробиологическим показателям, содержанию железа и марганца, а кроме того, величина общей жесткости воды не должна превышать 0,7 мг-экв/л. В обычных условиях для доведения состава воды до этих требований необходима и достаточна система водоподготовки, состоящая из стадий обезжелезивания и умягчения.

Обезжелезивание обычно проводится с помощью вертикальных одно~ или двухкамерных осветлительных фильтров с использованием различных фильтрующих материалов — как инертных, так и каталитических, ускоряющих процесс окисления железа и способствующих тем самым максимально полному удалению его из воды.

Наиболее широко применяемый метод умягчения осветленной воды — натрий–катионирование на сильнокислотных катионообменных смолах. При данном методе обработки используются вертикальные ионообменные прямоточные фильтры, внутри которых находится сильнокислотная катионообменная смола. При прохождении воды через слой катионита происходят реакции обмена катионов жесткости (кальция и магния) на катионы натрия. При исчерпании обменной емкости смолы проводится ее регенерация путем промывки раствором с высокой концентрацией натрия, для чего обычно используют концентрированный раствор поваренной соли.

Данные технологии широко апробированы, применяются достаточно давно и зарекомендовали себя стабильностью и простотой эксплуатации.

Но возможность обойтись данными ступенями очистки воды существует только до тех пор, пока не возникает необходимость сертифицировать выпускаемые предприятием соки и напитки, как допустимые для детского питания. В этом случае вторичным нормативным документом становится СанПиН 2.1.4.1116–02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости.» по разделу воды высшей категории. Данный документ налагает жесткие требования на общее содержание солей. В данном случае основной сложностью становится требование по содержанию натрия. Понятно, что при умягчении воды методом натрий-катионирования, при котором катионы жесткости (кальций и магний) заменяются на катионы натрия, очищенная вода будет иметь достаточно высокое содержание натрия, обычно на уровне 100–150 мг/л, в то время, как норматив допускает не более 20 мг/л.

Задача селективной очистки от натрия при сегодняшнем уровне развития технологий осуществима лишь теоретически. Несмотря на возможность ее практической реализации, стоимость оборудования и величина эксплуатационных расходов в этом случае будет настолько высока, что значительно выгоднее оказывается использование полного обессоливания воды. Помимо снижения содержания натрия, данный метод позволяет гарантировать соответствие качества очищенной воды нормативным показателям по содержанию кремния и нитратов, что также является довольно широко распространенной проблемой.

Технология обессоливания воды может быть реализована на практике двумя способами — методом ионного обмена (химического обессоливания) и методом обратноосмотического мембранного разделения.

В случае химического обессоливания используется следующая схема обработки воды: последовательно — Н–катионирование, декарбонизация, ОН–анионирование. Основная проблема, встающая перед производителем при его использовании — это регенерация загрузки ионообменных фильтров. Ионообменные смолы, использующиеся в данных процессах, регенерируются путем промывки растворами соляной или серной кислот (для Н–катионирования) и едкого натра или других щелочей (для ОН–анионирования). Помимо сложностей, которые возникают при работе со столь агрессивными химическими веществами, при высоких производительностях оборудования водоподготовки требуемый расход реагентов может достигать сотен килограммов в день, что означает весьма значительную величину эксплуатационных расходов и потребность в наличии соответствующих складских помещений. Кроме того, переработка стоков, образующихся при регенерации, составляет самостоятельную проблему и, зачастую, требует строительства отдельных сооружений очистки промышленных сточных вод.

Альтернативой ионному обмену является использование метода обратноосмотического обессоливания. Данный метод основан на прохождении части потока исходной воды через специальный полупроницаемый барьер — мембрану, обладающую селективностью по отношению к растворенным солям. При этом происходит разделение потока исходной воды на две составляющие — пермеат, представляющий собой обессоленную воду, и концентрат — воду с повышенным, по сравнению с исходным, солесодержанием. Доля пермеата варьируется в зависимости от производительности установки, состава исходной воды, типа использованных мембранных элементов и ряда других показателей, и обычно составляет порядка 60–80% от исходной воды. При этом не происходит образование агрессивных сточных вод, не требуются затраты значительного количества реагентов, облегчен контроль за составом очищенной воды.

Основным недостатком мембранного метода обессоливания воды по сравнению с ионным обменом является более высокая чувствительность технологии обратного осмоса к качеству исходной воды, что налагает соответствующие требования к надежности оборудования предварительной очистки и постоянству состава исходной воды. Другой особенностью данной технологии является изменение экономических характеристик системы водоподготовки, а именно — увеличение капитальных затрат и уменьшение эксплуатационных. В связи с высокотехнологичностью используемого оборудования стоимость систем очистки слабоминерализованной артезианской воды (наиболее часто используемой в качестве исходной), выполненных на основе обратного осмоса, в большинстве случаев в 1,5–3 раза превышает стоимость систем, выполненных на ионообменных фильтрах. Необходимо отметить, что с увеличением солесодержания исходной воды разница в капитальных затратах падает, а для высокосоленых вод стоимость обратноосмотических систем может быть даже ниже, чем в случае ионного обмена. Кроме того, прямое сравнение стоимости оборудования не учитывает капитальные затраты на строительство складских и других вспомогательных помещений, наличие которых характерно для ионообменных систем. Поэтому при выборе предпочтительного метода очистки необходимо принимать во внимание целый ряд факторов. Как правило, для высокопроизводительных систем (20 м3/час по очищенной воде и более) стоимость эксплуатации имеет преимущественное значение, а, учитывая, что отпадает необходимость в сооружениях очистки промстоков и специальных складских помещениях, а также резко снижается вредное воздействие на окружающую среду, обратноосмотическое обессоливание является оптимальным методом. Доля мембранного разделения в методах, используемых для подготовки воды в безалкогольной промышленности за рубежом, в настоящий момент уже превышает ионообменные системы и продолжает непрерывно расти.

Компанией ЭКОДАР была изготовлена, смонтирована и введена в эксплуатацию линия обратноосмотического обессоливания с производительностью по очищенной воде 100 м3/час, предназначенная для использования в системе водоподготовки ЗАО "Мултон" — производитель всем известных соков "Rich", "Добрый", "Nicko". При создании проекта использовалось компьютерное моделирование процессов обратного осмоса, что позволило отказаться от применения пилотной модели, и, как следствие, значительно снизило финансово-временные показатели разработки системы и ее подстройки под нужды Заказчика.

В данной системе водоподготовки до подачи на обратный осмос вода проходит предварительное двухступенчатое осветление и частичное умягчение (до величины порядка 4,0 мг-экв/л). Цель предварительной подготовки — доведение показателей исходной воды до рекомендованных производителем мембранных элементов, а также максимальное увеличение срока службы мембран. Существовавшая ранее система натрий-катионирования состояла из нескольких отдельных независимых ионообменных фильтров, что приводило к определенным сложностям при эксплуатации. Согласно требованиям Заказчика существующая система водоподготовки была, во-первых, расширена, а во-вторых, оснащена общим микропроцессорным управлением, позволяющим управлять всеми использующимися ионообменными фильтрами в комплексе, как единой системой.

После частичного умягчения вода направляется на две параллельно подключенные установки обратного осмоса ZauberROS–54W+ производительностью до 52,0 м3/час каждая, где, после дозирования специального вещества — ингибитора, подается на фильтр тонкой очистки (тонкость фильтрации — 5 мкм), а затем направляется на обратноосмотическое обессоливание, осуществляемое на многоступенчатом блоке мембранных модулей. Необходимость в ингибировании обусловлено тем, что при мембранном обессоливании воды происходит выпадение солей жесткости на поверхности мембран, что приводит к быстрому выходу элементов из строя. Вместо дозирования ингибитора может быть использовано предварительное полное умягчение либо подкисление исходной воды. Исходя из экономических соображений, а также принимая во внимание удобство обслуживания, было принято решение использовать ингибирование — дозирование в исходную воду раствора органических солей специального состава, предотвращающего выпадение твердых веществ на поверхности мембран.

В установках использованы рулонные низконапорные обратноосмотические модули производства компании "Osmonics" (США) с селективностью по NaCl, равной 99%.

Так как со временем, из-за образования отложений или биологических загрязнений на поверхности мембран, производительность установки или качество обессоленной воды могут ухудшиться, необходима периодическая химическая промывка мембранных элементов. Для осуществления этой процедуры установки были снабжены выделенным блоком промывки, включающим в себя низконапорный насос промывки, бак промывочного раствора, а также соответствующую регулирующую арматуру и систему управления.

Система управления линией обратноосмотического обессоливания выполнена с широким применением средств автоматизации и контроля. Установлен ряд защитных устройств, предупреждающих возникновение аварийных ситуаций, организовано каскадное управление установками в зависимости от текущего водопотребления предприятия, все необходимые эксплуатационные параметры системы автоматически фиксируются на электронном безбумажном самописце с энергонезависимой памятью.

Ввиду того, что требующаяся система водоподготовки предназначена для использования в пищевом производстве, все оборудование, соприкасающееся с обрабатываемой средой, было выполнено из коррозионно-стойких материалов, разрешенных к применению в пищевой промышленности.

Использование обратноосмотических систем обессоливания ZauberROS™, позволило Заказчику добиться высочайшего качества своей продукции. Соки и нектары «Rich», «Добрый» в настоящее время держат уверенное первенство в своей области, а неоднократно удостаивались премии в номинации "Бренд года". Можно надеяться, что со временем все производители соков и напитков осознают необходимость использования современных технологий водоподготовки, потому что качество очистки воды в пищевом производстве — это не только высокая конкурентоспособность готовой продукции, но и гарантия здоровья потребителя.




Дата публикации: 23.01.2012