CC BY
15
безопасность сырья и технологических процессов — основа качества продукции
ТЕМА НОМЕРА
УДК 543:504.06:663.8
К вопросу
о формировании качества напитков
ТА. Краснова,
д-р техн. наук, профессор;
А. К. Горелкина,
канд. хим. наук; Н. В. Гора, канд. техн. наук; Н. С. Голубева,
канд. техн. наук; И. В. Тимощук,
д-р техн. наук, доцент Кемеровский государственный университет
В настоящее время пищевая промышленность в России выпускает напитки на основе сыворотки, которые относят к продуктам функционального назначения. Производство таких напитков позволяет расширить ассортимент выпускаемой продукции с новыми качественными показателями, среди них можно выделить фруктово-сывороточные напитки.
Основные этапы технологии производства фруктово-сывороточных напитков из сухой молочной сыворотки: подготовка сырья; растворение сыворотки в воде при температуре 41...45 °С; внесение сахарного сиропа, лимонной кислоты и натуральной сокосодержащей основы; пастеризация и охлаждение смеси; розлив; упаковка; маркировка. Сахарный сироп готовят смешиванием сахара-песка с питьевой водой в количестве, предусмотренном рецептурой, и нагреванием до 90.95 °С. Пищевую лимонную кислоту также вносят в виде водного раствора с массовой долей 50 %. Хранят напитки при температуре 4.8 °С, сроки хранения зависят от вида напитков и составляют от 36 ч до 8 сут [1].
Вода — обязательный компонент, входящий в состав таких напитков, ее качество оказывает существенное влияние на потребительские свойства и безопасность готовых напитков. В настоящее время для производства напитков главным образом используют воду системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. При подготовке воды особое внимание
уделяют обеззараживанию, которое проводят, как правило, хлорсодер-жащими реагентами. При достаточно высокой эффективности метода хлорирования для улучшения эпидемиологических показателей необходимо учитывать, что хлора-генты в водной среде взаимодействуют с природными органическими соединениями, в том числе гумусовыми веществами, образуя галогенорганические соединения, такие как трихлорэтилен [2], который обладает аллергенным, токсическим, мутагенным и канцерогенным действием на организм человека [3]. Накоплены данные [4-6] о возможности развития у людей онкологических заболеваний, чаще всего рака поджелудочной железы, мочевого пузыря, толстой и прямой кишки, связанных с употреблением воды, содержащей трихлорэтилен.
В связи с этим исследования, направленные на разработку эффективной технологии доочистки воды, используемой при производстве фруктово-сывороточных напитков, актуальны и своевременны.
Среди успешно применяемых для этой цели процессов можно назвать сорбционную доочистку с использованием пористых материалов [7]. В последнее время исследуется возможность замены дорогостоящих адсорбентов доступными и дешевыми минеральными материалами как искусственного, так и естественного происхождения. Для таких материалов характерна развитая удельная поверхность, высокая поглотительная способность по растворенным веществам. Они могут быть носи-
4•2018
телями для закрепления на поверхности различных соединений при их модифицировании. Один из таких материалов — активный уголь [8]. Достоинство адсорбционного метода заключается в высокой эффективности, регенерации и повторном использовании отработанного поглотителя и адсорбированных компонентов.
Для создания эффективной адсорбционной технологии доочист-ки воды системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения от трихлорэтилена необходимо провести комплексное исследование процесса адсорбции углеродными сорбентами, включающее изучение равновесия, кинетики и динамики адсорбционного процесса.
Проведенное ранее исследование адсорбции в равновесных условиях и аппроксимация экспериментальных изотерм адсорбции показали, что, с высокой степенью корреляции, процесс адсорбции трихлорэтилена из водных растворов на активных углях различных марок описывается теориями объемного заполнения пор Дубинина — Радушкевича и мономолекулярной адсорбции Фрейнд-лиха. Определены константы всех указанных уравнений и установлены особенности и механизм адсорбции, а также получены основные адсорбционные параметры.
Один из основных этапов разработки эффективной адсорбционной технологии — оптимизация параметров сорбционной колонны, для этого необходимо определить лимитирующую стадию и коэффициент массопереноса.
Цель данной работы — изучение процесса адсорбции трихлорэти-лена из водных растворов углеродными сорбентами в кинетических условиях и получение кинетических параметров. Объект исследования — активные угли марок АБГ и КсАУ.
В ходе эксперимента первичная информация о скорости адсорбции, то есть о скорости насыщения гранулы адсорбатом представлена кинетическими кривыми (рис. 1), характеризующими изменение величины адсорбции во времени.
Кинетические исследования процесса адсорбции для исследуемой системы показали, что для изучаемых образцов активных углей (АБГ, КсАУ) равновесие в адсорбционной системе достигается в течение 100120 мин. Высокая скорость адсорбции наблюдается в течение 20 мин (КсАУ) и 50 мин (АБГ), с увеличением времени контакта скорость снижается. Время достижения адсорбционного равновесия и скорость адсорбции зависит от марки сорбента (см. таблицу).
Кинетические кривые проанализированы в координатах у от г. Сте-
у = а а
где а( — адсорбция за время г; ар — значение равновесной адсорбции.
Данные зависимости позволяют выяснить модель структуры гранул активных углей, так как для изучения кинетики адсорбции необходимо учитывать, к какой из моделей (квазигомогенной или бипористой) относятся зерна сорбента. Начальный участок кривой зависимости степени достижения адсорбционного равновесия от времени носит прямолинейный характер вплоть до у = 0,6-0,9; высокие значения у на прямолинейном участке предполагают соответствие гранул используемых сорбентов квазигомогенной модели [9].
Наиболее надежно определяется стадия, лимитирующая скорость массопереноса при адсорбции растворенных веществ, решением системы уравнений, описывающих кинетику поглощения, изотерма адсорбции которых имеет слабовыпуклую форму. Данный способ позволяет получить уравнение, связывающее относительное приближение адсорбции к равновесию а( /а = у и безразмерную величину Т, пропорциональную времени протекания процесса г:
■¡г
0,1 -| 0,09 -0, 0,07 -
^ 0,06 -0,05
э
' 0,04 -0,03 -0,02 -0,01 -0
0
50
100
150 200 250
Время ^ мин — КсАУ — АБГ
300 350
400
Рис. 1. Кинетические кривые адсорбции трихлорэтилена углеродными сорбентами марок АБГ и КсАУ
Марка Величина предельной Коэффициент внешнего Время достижения
сорбента адсорбции, а0, ммоль/г массопереноса, рп, сек1 адсорбционного равновесия, t, мин
АБГ 0,42 0,0360 120
КсАУ 0,69 0,0308 100
Т = А рп г,
А = (Уз /Ур + к1),
где Рп — коэффициент внешнего массопереноса; Уз — суммарный объем массы адсорбента; Ур — объем раствора, контактирующего с адсорбентом; к1 — константа, к! = 1/ кг (кг — коэффициент Генри, кг = ар /Ср).
Графическая зависимость безразмерного кинетического параметра Т (рассчитанного теоретически) от величины г (экспериментального времени протекания процесса) при одинаковых значениях степени достижения адсорбционного равновесия у представляет собой прямую, проходящую через начало координат, и свидетельствует о том, что на этом этапе процесс адсорбции лимитируется внешним массоперено-сом, около 5-7 мин (рис. 2). Однако, за это время степень достижения адсорбционного равновесия у со-
4 • 2018 ПИВО и НАПИТКИ
33
ш 2
0
1
<
2 ш I-
Без0ПАСН0СТЬ сЫрья и ТЕхН°Л°ГИЧЕсКИх проЦЕссОВ - ОсНОВА КАЧЕстВА проДукЦИИ
Т 1,6 -1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
0 2 4 6
ставила 0,6-0,7 для АБГ и КсАУ, соответственно. Следовательно, до этих значений у адсорбция трихлорэтиле-на протекает внутри зерна настолько быстро, что не оказывает влияния на общую скорость массопереноса [9]. Полученные данные позволяют предположить, что внешне диффузионный массоперенос контролирует скорость и служит лимитирующей стадией адсорбционного процесса для системы активный уголь — водный раствор трихлорэтилена [9].
8 10 12 14 16
Как показали исследования, лимитирующей стадией процесса адсорбции трихлорэтилена сорбентами служит внешняя диффузия, коэффициент внешнего массопереноса (Рп) может быть найден по тангенсу угла наклона прямой зависимости безразмерного коэффициента Т от Ь. Коэффициенты внешнего массопе-реноса для исследуемых марок углей (представлены в таблице) близки и имеют достаточно высокие значения, что позволяет ожидать высокую
скорость извлечения компонента из очищаемой воды при фильтровании через неподвижный слой сорбента [10, 11].
В приведенной работе представлены кинетические параметры, необходимые для инженерных расчетов адсорбционной колонны, используемой в разрабатываемой технологии. Полученные данные позволяют рекомендовать, с целью максимального использования емкости слоя сорбента, уменьшение скорости фильтрования по мере отработки угольного фильтра.
Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации на основе математической модели параметров адсорбционной колонны и режимов очистки воды, используемой для производства восстановленной молочной, пиво-безалкогольной и ликероводочной продукции.
Работа выполнена в рамках реализации Государственного задания «Инициативные научные проекты» 19.4713.2017/БЧ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Храмцов, А. Г. Справочник технолога
молочного производства. Технология и
Время мин ♦ КсАУ • АБГ
Рис. 2. Зависимость Т от t для трихлорэтилена
™ 34 ПИВО и НАПИТКИ 4•2018
^БЕЗОПАСНОСТЬ СЫРЬЯ и ТЕХНОЛОГИ
ЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ - ОСНОВА КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИ
рецептуры. Продукты из обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки / А. Г. Храмцов, С. В. Василин. — СПб.: ГИОРД, 2004. — 576 с.
2. Краснова, Т. А. Обеззараживание воды в системе питьевого водоснабжения: монография / Т. А. Краснова, Ю. Л. Сколубо-вич. — Новосибирск: НГАСУ, 2012. — 114 с.
3. Hwang, B. F. Water disinfection byproducts and the risk of specific birth defects: a population-based cross-sectional study in Taiwan / B. F. Hwang, J. J. Jaakkola, H. R. Guo // Environmental Health. — 2008. — Vol. 7 (1). — P. 19-29.
4. Nieuwenhuijsen, M. J. The epidemiology and possible mechanisms of disinfection by-products in drinking water / M. J. Nieu-
wenhuijsen [et al.] // Philosophical Transaction of The Royal Society A: Physical, Mathematical and Engineering Sciences. — 2009. — Vol. 367 (1904). — P. 4043-4076.
5. Wright, J. M. The effect of disinfection by-products and mutagenic activity on birth weight and gestation duration / J. M. Wright, J. Schwartz, D. W. Dockery // Environmental Health Perspectives. — 2004. — Vol. 112. — № 8. — Р. 920-925.
6. Красовский, Г.Н. Критерии опасности га-логенсодержащих веществ, образующихся при хлорировании воды / Г. Н. Красовский, Н. А. Егоров // Токсикологический вестник. — 2002. — № 3. — С. 12-17.
8. Славинская, Г.В. Влияние хлорирования на качество питьевой воды / Г. В. Сла-
винская // Химия и технология воды. — 1991. — Т. 12. — № 11. — С. 1013-1022.
9. Когановский, А. М. Адсорбция органических веществ из воды / А. М. Когановский [и др.]. — Л.: Химия, 1990. — 256 с.
10.Krasnova, T.A. The choice of sorbent for adsorption extraction of chloroform from drinking water / T. A. Krasnova, I. V. TimosAuk, A. K. Gorelkina, J. Dugar-jav // Foods and Raw materials. — 2017. — № 2. — P. 189-196.
11.Krasnova, T. A. Effect of Priority Drinking Water Contaminants on the Quality Indicators of Beverages during their Production and Storage / T. A. Krasnova [et al.]// Foods and Raw materials. — 2018. — № 1. — P. 230-242. <®
£ Ш
2 0
1
<
2 ш b
К вопросу о формировании качества напитков
Ключевые слова
адсорбция; активные угли; вода; трихлорэтилен; фруктово-сывороточные напитки.
Реферат
В настоящее время для приготовления фруктово-сывороточных напитков преимущественно используют воду из системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Водоподготовительные станции в отношении органических ингредиентов выполняют барьерные функции в незначительной степени, более того, в процессе водо-подготовки образуются более опасные токсиканты, чем исходные (применение в качестве обеззараживающего агента хлора приводит к образованию такого побочного продукта, как трихлорэтилен). Для предотвращения снижения качества фруктово-сывороточных напитков воду, применяемую для их производства, необходимо предварительно подвергать дополнительной очистке от органических веществ. Для разработки эффективной адсорбционной технологии доочистки питьевой воды, используемой для производства фруктово-сывороточных напитков, необходимы данные по равновесию, кинетике и динамике адсорбционного процесса. В настоящей работе проведено исследование кинетики адсорбции трихлорэтилена из водных растворов на активных углях (АУ) марок АБГ, КсАУ. Изучен механизм массопереноса при адсорбции трихлорэтилена на АУ исследуемых марок. Построены кинетические кривые, характеризующие изменение величины адсорбции во времени. Кинетические кривые проанализированы в координатах у от I Данные зависимости позволили выяснить модель структуры гранул активных углей. Для системы активный уголь - водный раствор трихлорэтилена определено, что лимитирующей стадией процесса адсорбции в интервале 5-7 мин, в зависимости от свойств активного угля, служит внешняя диффузия. Рассчитаны коэффициенты внешнего массопереноса для исследуемых углей, их величины близки и имеют достаточно высокие значения, что указывает на высокую скорость сорбционного процесса, лимитируемого внешним массопереносом. Получены данные, необходимые для инженерных расчетов параметров адсорбционной колонны.
Авторы
Краснова Тамара Андреевна, д-р техн. наук, профессор;
Горелкина Алена Константиновна, канд. хим. наук;
Гора Наталья Вячеславовна, канд. техн. наук;
Голубева Надежда Сергеевна, канд. техн. наук;
Тимощук Ирина Вадимовна, д-р техн. наук, доцент
Кемеровский государственный университет,
650043, Россия, г. Кемерово, ул. Красная, д. 6, ecolog1528@yandex.ru
To the Question of the Quality of Drinks
Key words
adsorption; activated carbon; water; trichLoroethyLene; fruit- whey drinks. Abstract
Presently, water from the central domestic water supply system is predominantly used in the production of fruit-whey drinks. Water treatment plants act as barriers against organic substances only to a slight extent; moreover, more dangerous toxic agents compared to incoming substances are produced during water treatment (application of chlorine for decontamination during water treatment results in the formation of such by-product as trichLoroethyLene). To prevent the reduction of quality of fruit-whey drinks, the water used for their production must be subjected to the additional purification from organic substances. Equilibrium data, kinetics and dynamics of trichLoroethyLene sorption from aqueous solutions are essential for the deveLopment of adsorption technoLogy of purifying drinking water in the production of fruit-whey drinks. The research of kinetics of trichLoroethyLene adsorption from water soLution on active carbon (A. C.) of grades ABG, CoAC was made. The work of mass transfer during trichLoroethyLene adsorption on A. C. of expLored grades was studied kinetic curves describing change in vaLue of adsorption in time were buiLt. The kinetic curves were anaLized in coordinate y from t. Dependence data aLLow to find out the modeL of active carbon granuLes structure. It is determined that for active carbon system of water soLution of trichLoroethyLene the Limiting stage of adsorption process in intervaL 5-7 minutes depending of active carbon characteristic is externaL diffusion. Coefficients of externaL mass transfer for expLored coaL are caLcuLated, their magnitudes are cLose and have fairLy high vaLues, which indicates high speed of sorption process Limiting by externaL mass transfer. Data for engineering caLcuLation of adsorption coLumn parameters are found.
Authors
Krasnova Tamara Andreevna, Doctor of Technical Science, Professor; Gorelkina Alyona Konstantinovna, Candidate of Chemical Science; Gora Natal'ya Vyacheslavovna, Candidate of Technical Science; Golubeva Nadezhda Sergeevna, Candidate of Technical Science; TimoshchukIrina Vadimovna, Doctor of Technical Science, Associate Professor Kemerovo State University,
6 Krasnaya Str., Kemerovo, 650043, Russia, ecolog1528@yandex.ru
4•2018 ПИВО и НАПИТКИ 35
