Применение технологии ионного обмена на пищевых производствах

Журнал «Пищевая промышленность», №5, 2006 г.

к.т.н. М.С.Краснов
ООО "Экодар"

Технология ионного обмена широко используется на предприятиях пищевой промышленности. Наибольшее распространение получил процесс умягчения воды, то есть снижения содержания ионов, обуславливающих жесткость воды (рис.1). Процессы умягчения и удаления из воды отдельных составляющих рассмотрены в предыдущем номере журнала. Умягченная вода широко используется в пивоваренном, ликероводочном, сахарном, молочном и консервном производстве [ 1 ]. Важность процесса умягчения воды, например, для производств соков и безалкогольных напитков состоит в том, что превышение содержания в воде ионов кальция и магния приводит к связыванию фруктовых кислот. Вследствие этого напитки теряют характерный кисловатый привкус [ 2 ]. Кроме того, крупные предприятия пищевой промышленности, как правило, имеют свои котельные, в которых используется процесс Na-катионирования, умягченная вода используется при мойке бутылок.

Нормативные документы, содержащие требования к воде, используемой во многих пищевых производствах, включают в числе других показателей и ограничение общего солесодержания. Общая минерализация (сухой остаток) при разливе бутылированной воды по высшей категории качества должна составлять 200 – 500 мг/л, при изготовлении безалкогольных напитков, пива, ликеро-водочных изделий – до 500 мг/л. Более половины известных источников артезианских вод имеют этот показатель выше допустимых значений. Из всех известных методов обессоливания (термический, ионообменный, электродиализный, нанофильтрационный, обратноосмотический) на производствах пищевой промышленности всё большее распространение получают нанофильтрационный и обратноосмотический методы. Полное обессоливание с использованием ионного обмена на предприятиях пищевой промышленности в настоящее время имеет ограниченное распространение в связи с высокой опасностью реагентов, которые используются для процесса регенерации – кислот и щелочей.

При производстве сахара и безалкогольных напитков получило распространение частичное обессоливание с использованием ионного обмена. Наиболее распространено Н-катионирование на слабокислотном катионите. Схематически этот процесс представляется так:

2 RCOOH + Me (HCO) → RCOO – Me – OOCR + H2 CO3
H2 CO3 → H2 O + CO2

Для удаления органических примесей и обесцвечивания сахарных сиропов используются специальные марки ионообменных смол. Предпочтение отдается макропористым анионитам полистирольного или полиакрилового типа. Макропористые аниониты в ОН-форме могут быть использованы для раскисления молока.

Зарубежные производители ионообменных смол выпускают слабокислотные катиониты, специально подготовленные и очищенные для того, чтобы не ухудшать органолептические показатели растворов пищевых веществ и питьевой воды. Такие иониты могут быть использованы сразу после хранения после минимальной предподготовке и без дополнительной обработки какими-либо реагентами.
Ведущими производителями ионообменных смол выпускается значительное количество марок смол и их модификаций, предназначенных для конкретных процессов. Каталоги, выпускаемые этими фирмами, позволяют определить требуемую марку ионита. Основная проблема состоит в том, что требуемая марка ионита может отсутствовать на складе в России, или её стоимость значительно превышает стоимость аналогичных смол других фирм. Развитие производства ионообменных материалов способствовало появлению новых марок смол, отличие которых от стандартных образцов состоит в том, что они имеют более узкий гранулометрический состав (моносферы), имеют большую рабочую емкость, требуют меньшее количество реагентов для регенерации или могут быть наиболее рационально использованы для каких-либо конкретных процессов.

В таблице 1 представлено сравнение основных марок ионообменных смол ведущих мировых производителей с указанием наиболее распространенной области применения, структуры, химической основы. В таблице использованы условные обозначения по области применения: У-умягчение, О-обессоливание, П-пищевая промышленность, К-удаление соединений кремния, ОРГ-удаление органических веществ, СА-производство сахара, С-для изготовления смешанных слоев (для получения высокообессоленной воды), ЯК-ядерного класса (высокочистые смолы для различных областей промышленности). По структуре ионообменных смол введены обозначения: Г-гелевый тип, МП-макропористые иониты. По химической основе: СК-сильнокислотные, СлК-слабокислотные, ВО-высокоосновные, СО-слабоосновные, ПС-полистирольные, А-полиакриловые.

Таблица 1
Сравнительная характеристика ионообменных смол различных фирм-производителей


Область применения, структура, основа
Purolite Bayer
(Lewa- tit)
Rohm and Hass Dow Chemical
(Dowex)
Sybron
(Ionac)
Россия
Amberlite Duolite
Катиониты
У, О, П, Г, СК, ПС С-100Е S-100 IR-120 C-20 HCR-S C-250 КУ-2-8
У, О, П, СА, МП, СК, ПС С-150 SP-112 200/252 C-26 MSC-1 CFP-110 КУ-23
У, О, П, Г, СлК, А С-104 - - - MAC-3 - КБ-4
У, П, МП, СлК, А C-107 CNP 80 IRC-76 C-464 CCR-2 CC -
О, ЯК, С, Г, СК, ПС NRW-100 S-100 KR IRN 77 ARC-
351
- NC-10 КУ-2-8чС
Аниониты
О, П, К, Г, ВО, ПС А-400
А-600
М-500
М-504
IRA-402
IRA-400
A-101
A-109
SBR-P
SBR
ASB-1P
ASB-1
АВ-17-8
О, П, К, МП, ВО, ПС А-500 МР-500 IRA-900 A-161 MSA-1 A-641 АВ-17-10
О, П, МП, СО, ПС А-100 MP-64 IRA-93/94 A-368 MWA-1 AFP-329 АН-18-10П
О, П, СА, ОРГ Г, СО, А А-845 - IRA-458 A-132 - - -
О, П, ЯК, С, Г, ВО, ПС NRW-600 M-500 KR IRN-78 ARA- 366 - NA-38 АВ-17-8 чС

 

Зачастую производители ионообменных материалов вводят специальные обозначения для смол, которые используются в пищевой промышленности. Так, фирма Bayer ввела специальное дополнительное обозначение для ионитов пищевого класса — к наименованию марки смолы добавляется аббревиатура "LF". Дополнительная буква "S" в названии ионитов фирмы Purolite обозначает, что их предпочтительно использовать при обессоливании сахарных сиропов.

Зарубежные производители ионообменых смол предоставляют компаниям, занимающимся проектированием и монтажом ионообменных установок, специализированные компьютерные программы, которые позволяют на основании входных данных: результатов анализа воды, требуемой производительности установок, режима эксплуатации рассчитать параметры ионообменного оборудования, расходы реагентов, качество получаемой воды. На основании этого производится выбор схемы и оборудования водоподготовки без создания пилотных установок, несмотря на индивидуальность каждого отдельно взятого производства.

Новые импортные технологические линии пищевых производств, включающие установку водоподготовки и устанавливаемые при участии зарубежных специалистов, как правило, уже снабжены необходимыми фильтрующими материалами. Однако достаточно часто представители фирм, занимающихся проектированием и монтажом водоочистных систем, сталкиваются с необходимостью замены устаревшего оборудования или перезагрузки фильтров, в том числе и ионообменных. Эти задачи, как правило, возникают там, где планируется расширение или перепрофилирование производства, а также там, где используются ионообменные фильтры, находившиеся в эксплуатации более 8 лет. Несмотря на то, что срок эксплуатации ионообменных смол, в зависимости от интенсивности использования и поступающей на них воды составляет 3-5 лет, для поддержания требуемого объема и качества очищенной воды необходима периодическая досыпка фильтров. Это связано с процессами истирания смол, в первую очередь во время процессов регенерации, а также с разрушением зерен ионитов при "дыхании" (изменении объема при переходе из одной ионной формы в другую). По сравнению с другими фильтрующими материалами, иониты имеют достаточно высокий срок службы, который обусловлен высокой прочностью и упругостью полимерной матрицы (см. табл. 2). Однако он может значительно уменьшаться при несоблюдении правил эксплуатации. Однозначно на ионообменные смолы вредное воздействие оказывают сильные окислители, например, гипохлориты. Так, не рекомендуется подавать на иониты воду, содержащую более 1 мг/л активного хлора, 0,3 мг/л озона. На большинство ионообменных смол отрицательное воздействие оказывает коллоидное железо (более 0,3 мг/л), которое сорбируется на поверхности и в порах при недостаточной предочистке. Достаточно трудно из ионитов, кроме специальных смол, удаляются органические примеси. Кроме этого, при недостаточной обратной промывке при регенерации может пойти процесс "коксования" материала, что значительно усложняет процесс выгрузки отработанной смолы.

В отличие от операции по досыпке, операция по перезагрузке установок с геометрическими размерами более 1900х500х500 мм ввиду отсутствия отверстий в боковой части пластиковых фильтров, представляет большую сложность и проводится, как правило, специализированными фирмами, занимающимися сервисным обслуживанием установок водоподготовки. Выгрузка фильтрующих материалов может быть организована при использовании специальных устройств, работающих с использованием технологии гидро- или пневмотранспорта.

Таблица 2.
Технические характеристики ионитов в сравнении с другими фильтрующими материалами

Наименование

Тип

Скорость взрыхления, м/ч

Применение

Срок службы, лет

1

Birm

Каталитический

30–35

обезжелези­вание, демангация

1–3

2

MTM

Каталитический

30–35

2–3

3

Manganese Greensand

Каталитический

40–45

1–3

4

Гидроантрацит

Инертный

30–35

осветление

3–5

5

Кварцевый песок

Инертный

40–45

5–10

6

Гарнет

Инертный

40–45

5–10

7

Filter AG

Инертный

20–25

1–3

8

Природный цеолит

Сорбционный

25–30

сорбция

1–2

9

Активированный уголь

Сорбционный

15–20

1–2

10

Ионообменные смолы

Ионообменный

15-20

Ионный обмен

3-5

Литература

Алексеев Л.С., Гладков В.А. Улучшение качества мягких вод. – М.: Стройиздат, 1994.- 152 с.
Шуманн Г. Безалкогольные напитки: сырье, технологии, нормативы/ пер. с нем. под общ. науч. ред. А.В. Орещенко и Л.Н. Беневоленской. – СПб.: Профессия, 2004. –278 с.




Дата публикации: 08.08.2011