CC BY
53
Современные системы
водоподготовки
для производства напитков
1В.И. Федоренко
ВНИИ пищевой биотехнологии (Москва)
В последнее десятилетие технология пивоварения и производство безалкогольных напитков развивались ускоренными темпами. Появились новые производители, новые торговые марки и новые классы напитков, по качеству не уступающие лучшим зарубежным аналогам. Довольно жесткая конкуренция на российском рынке стимулирует производителей на должном уровне решать вопросы совершенствования технологии — как основы качества выпускаемых напитков. Один из элементов технологии пивоварения и производства безалкогольных напитков — подготовка технологической воды, солевой состав которой оказывает влияние на растворение, гомогенизацию и стабильность ингредиентов рецептур, условия насыщения диоксидом, а также на микробиологические процессы, в том числе на осахаривание и сбраживание крахмалистого сырья. Содержание отдельных микроэлементов может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на процесс брожения. Оптимальное сочетание микроэле-метов в технологической воде улучшает качество изделий. В ходе обновления основного технологического оборудования производства комплектуются и новыми современными системами водоподготов-ки, которые можно разделить на два класса: ионообменные с применением большого количества реагентов и мембранные с минимальным использованием реагентов.
Технология ионообменного исправления минерального состава воды — одна из наиболее значимых разработок середины XX в., позволившая создать крупнотоннажное производство водоподго-товки в производстве безалкогольных напитков. Установки деионизации ф1), как правило, состоят из различных комбинаций фильтров с анионитом и катионитом или фильтров смешанного действия. Главный недостаток Dl-технологии — применение концентрированных кислот и щелочей для регенерации ионитов. Так, непрерывное производство 20 м3/ч очищенной воды при солесодержании исходной воды 250 мг/л ежедневно потребляет от 2 до 3 т НС1 и №ОН. Химреагенты должны храниться в специальных резер-
вуарах с двойными стенками, из которых они подаются по специальной разводке из двойных трубопроводов в фильтры для регенерации ионитов. Эффективность регенерации во многом определяется точностью расчета концентрации элюанта, времени и скорости его инжектирования, а также тщательностью ополаскивания ионита — до его полного восстановления.
Мембранные системы водоподготовки, промышленное освоение которых началось примерно с 1985 г., позволяют удалить до 99,9 % всех растворенных веществ и до 100 % микрофлоры. В настоящее время мембранные системы водо-подготовки применяются практически во всех отраслях, потребляющих очищенную воду, экономя при этом более 99 % химреагентов. Так, производство 20 м3/ч очищенной воды при солесодер-жании исходной воды 250 мг/л, ежегодно потребляет не более 500 кг кислотных и 600 кг щелочных рецептур.
Сравнение главных различий ионообменного и мембранного способов водопод-готовки позволит более целесообразно использовать их в технологической схеме производства пива и безалкогольных напитков.
Химреагентная DI-технология достаточно проста конструктивно и примерно одинакова по капиталовложениям с мембранным способом водоподготовки. Но на этом ее преимущества и заканчиваются. В сравнении с обратным осмосом (КО) DI намного дороже в эксплуатации, требует большого числа квалифицированного обслуживающего персонала, ее эксплуатационные параметры менее стабильны. Однако основной недостаток — необходимость хранения и постоянного применения больших количеств агрессивных химреагентов (щелочи, минеральные кислоты, гипохлорит натрия).
Традиционное первичное суперхлорирование исходной воды с целью ее дезинфекции и окисления двухвалентного железа и марганца предполагает инжектирование от 3 до 10 мг/л активного хлора в форме гипохлорита, дальнейшую выдержку в контактных резервуарах с суммарным объемом, равным 1-1,2-часовой произво-
дительности установки. Активный хлор, инактивируя микрофлору и взаимодействуя с находящимися в воде органическими соединениями, такими как гумино-вые, фульво- и галловые кислоты, углеводы, дубильные вещества, фенолы, образует канцерогенные тригалогенметаны, хлороформ, бромформ, четыреххлористый углерод, дибромхлорметан, которые далеко не на 100 % задерживаются активным углем в следующих по схеме карбоновых фильтрах. Следующая за суперхлорированием стадия противоточной дегазации с целью удаления растворенной углекислоты и снижения щелочности также проводится в громоздких резервуарах. Ее эффективность зависит от рН воды, поэтому при рН более 7,2 перед блоком дегазации предусматривается инжектирование в поток воды расчетного количества кислоты. Удаляя из воды углекислоту, поток воздуха насыщает ее кислородом, что впоследствии способствует росту аэробной микрофлоры в засыпке активного угля карбонового фильтра.
Следующие далее по схеме механические и карбоновые фильтры являются общепринятыми технологическими стадиями, эффективность работы которых зависит только от правильности технологического расчета и квалификации оператора. Механические фильтры предназначаются для осветления воды, однако гарантиро-ваннного снижения показателя мутности до нормативного уровня зачастую не обеспечивают, так как разные фракции песка, использующиеся в качестве зернистой засыпки механических фильтров, моделируют те же процессы осветления, что происходят в природных условиях при прохождении воды через многометровые слои таких же минералов. Поэтому они не могут быть эффективнее более мощных природных слоев. Коллоидные и взвешенные вещества, определяющие мутность, также служат одной из причин снижения органолептики воды. Карбоновые фильтры предназначены для удаления остаточного активного хлора и растворенной органики, устранения запаха, цветности и улучшения органолептики. В процессе дехло-
Установка обратного осмоса
ПИВО и ЩЩИТСИ
' 1 •2003
38
Таблица 1
рирования расходуется углерод активного угля. Реакция между НОС1 и активным углем может быть представлена уравнением С + 2НОС1 = CO2 + 2НС1.
При этом толщина слоя активного угля, взаимодействующего с хлором, составляет всего 10-20 см, и в более низкие слои угля вода поступает полностью освобожденной от хлора. Засыпка активного угля имеет сильно развитую пористую поверхность, доступную для проникновения микрофлоры. Кроме того, пористая структура активного угля накапливает органические вещества, которые служат питательной средой для бактерий. Поэтому карбо-новые фильтры наиболее подвержены микробному загрязнению. Для подавления роста микрофлоры в состав карбоно-вого фильтра включают линию рециркуляции с блоком ультрафиолетового облучения (UV). Применяется также санити-зация раствором NaOH с рН 11,5-12 в течение 10-20 ч, однако последующая отмывка активного угля от щелочи может быть довольно длительной — от 6 до10 ч. Возможна промывка горячей водой (95 °С) в течение 2 ч. Наиболее эффективна обработка острым паром при 121 °С и 1 атм в течение 2 ч. Однако при этом происходит измельчение гранул активного угля, пылевидные частицы которого в процессе последующей эксплуатации будут выноситься потоком очищенной воды. Чтобы избежать этого, после пропарива-ния проводят 1 -2 цикла обратной промывки. В небольших карбоновых фильтрах для подавления роста микрофлоры иногда применяют засыпку активного угля, им-прегированного металлическим серебром (до 1 % от общей массы угля), что значительно удорожает эксплуатационные расходы.
Указанные операции по санобработке довольно трудоемки, требуют большого расхода химреагентов и рабочего времени, однако и они не всегда обеспечивают минимальный уровень биозагрязнения. В этом случае приходится полностью заменять зернистую засыпку карбоновых фильтров, проводя одновременно санобработку корпуса фильтра, трубопроводной обвязки, а также регулирующей и запорной арматуры.
Основное звено в технологической схеме ионообменной очистки воды— ионообменные фильтры раздельного или смешанного действия, которые предназначены для снижения общей концентрации растворенных веществ (TDS), величины жесткости и pH. Прежде всего технологичес-
кая вода после ее обработки на ионообменных смолах, непосредственно контактирующих с концентрированными химреагентами, утрачивает свое «естественное» качество, что отрицательно отражается на качестве выпускаемых напитков. Способ ионообмена не позволяет регулировать микроэлементный состав технологической воды. Плохо отделяются микроэлементы с малой ионной силой. Для проведения более полной регенерации ионитов должна быть предусмотрена подача сжатого воздуха или азота при давлении до 1 атм.
Особое внимание приходится уделять нейтрализации регенерационных стоков, которая проводится в пенных скрубберах и является очень нестабильным процессом, требующим постоянного контроля со стороны оператора. Для коррекции рН, при нейтрализации регенерационных стоков, в производственной практике часто приходится добавлять дополнительное количество щелочи или кислоты. И даже в этом случае рН сточных вод в лучшем случае колеблется в интервале значений 6-8. Солесодержание сточных вод обычно в 2-3 раза выше санитарных норм, поэтому их приходится разбавлять дополнительным количеством исходной воды.
До недавнего времени целесообразность применения DI лимитировалась величиной TDS 250 мг/л, однако самые последние рекомендации компании Dow Chemical (США), разработанные на основании анализа многолетней эксплуатации индустриальных DI-установок, определяют критическую величину TDS = 130 мг/л, что ниже большинства источников пресной воды [1].
Ввиду постоянного совершенствования технологии RO и застоя в технологии DI (здесь не рассматривается новейшая электро-DI по причине ее пока еще высокой стоимости) соотношение эффективности постоянно сдвигается в сторону RO (табл. 1).
При солесодержании исходной воды 250-270 мг/л высокая частота регенерации и отмывки ионита превращает цех во-доподготовки в химический мини-завод с большим расходом вредных химреагентов. Полный цикл регенерации и отмывки смолы занимает в среднем 4-5 ч. При возрастании TDS воды более 350-400 мг/л рабочий цикл DI-колонн резко сокращается. В итоге колонны лишь половину времени находятся в эксплуатации, другая половина расходуется на регенерацию и техобслуживание. Возникает необходимость вести процесс большим количеством колонн, при этом капитальные затраты растут в геометрической прогрессии. Самый дорогой элемент DI-процесса — ионообменная смола служит не более 1,5 лет ввиду сильного износа в условиях работы на природной воде. Постоянная обработка смол растворами щелочи и кислоты вызывает шоковые
осмотические нагрузки на поверхности зерен смолы и, как следствие, их растрескивание и истирание.
Ионообменная смола служит гораздо дольше в случае №+-катионитного умягчения, где регенерация производится раствором соли, имеющей более низкую химическую активность, или в случае, когда DI используется в качестве «полировки», т.е. контрольного удаления остатков солей после RO, когда TDS обычно не превышает 10-5 мг/л, регенерации редки, а следовательно, осмотический (химический) шок низок.
Для сравнения: средний срок службы самого дорогого элемента обратного осмоса — мембранных элементов составляет 4-5 лет, хотя наш опыт эксплуатации мембранных систем водоподготовки имеет более длительные прецеденты — более 8 лет.
Сухой остаток деионизованной воды обычно не более 1-2 мг/л — величина необоснованно низкая для производства безалкогольных напитков и пива. Другая проблема — значительные колебания величины pH. Вследствие практически нулевой буферности, рН деионизованной воды может «гулять» в пределах от 3 до 12, особенно в первые 1-2 ч после регенерации ионита. Поэтому необходима дополнительная реагентная коррекция pH технологической воды.
Процесс регенерации двумя растворами с последующей отмывкой сложен, многостадиен и должен выполняться высококвалифицированными специалистами. Технологический расчет оптимального размера DI-колонн для установок производительностью более 70 м3/ч при TDS исходной воды более 300 мг/л показывает, что в процессе эксплуатации одна из колонн всегда будет находиться в стадии регенерации, т.е. процесс регенерации будет непрерывным.
Наличие концентрированных растворов гидроксида натрия и летучей хлористоводородной/серной кислоты на территории цеха водоподготовки меняет категорию последнего с «промышленное производство общего назначения» на «производство с применением вредных веществ».
Обслуживающий персонал должен быть обучен специальным навыкам работы с вредными веществами, чтобы снизить риск производственного травматизма. Применение агрессивных химреагентов жестко регламентируется природоохранительным законодательством, в соответствии с которым предприятие должно затрачивать значительные средства на профессиональную подготовку и обеспечение безопасных условий труда обслуживающего персонала, проведение профилактических мероприятий и регулярного контроля.
Как правило, решение о применении способа деионизации в производстве на-
Рабочее давление RO, атм Max. TDS DI, мг/л
25-26 350-400
10-12 250-270
5 130
1•2003
|ПИ
НАПИТКИ
39
Таблица 2
Категории производства
Показатель Ионообменная Мембранная
с применением без применения
вредных веществ вредных веществ
Занимаемая площадь 120-200 м2 40-50 м2
Серная кислота и едкий натр —
Расход реагентов сотни тонн в год; гипохлорит натрия — десятки тонн в год. Отсутствует
Расходные материалы Активный уголь — несколько тонн в год Моющие рецептуры 500-600 кг/год
Нейтрализация стоков 2-3 раза в неделю на каждом фильтре Отсутствует
Обслуживающий персонал Один оператор по смене и один ИТР Процесс автоматизирован, постоянное присутствие оператора не обязательно
Срок службы Иониты — до 3-х лет; активный уголь — до 6 мес. Мембранные фильтр-элементы — 4-5 лет
Накопительные резервуары Для серной кислоты, едкого натра и гипохлорита натрия Отсутствуют
Переменное, с наилучшими
Качество очищенной воды показателями в середине цикла — между регенерациями Постоянное, регулируемое
Возможность применения Может использоваться для розлива экологически чистой питьевой воды*; производства ликероводочных изделий; котельной
очищенной воды для других технологических нужд Малоприменима
* До 60 % мирового производства бутилированной питьевой воды производится с помощью мембранных систем водоподготовки.
питков определяется комбинацией следующих причин:
низкое солесодержание исходной воды с аномально высоким содержанием соединений кремния;
высокая жесткость исходной воды при относительно низком солесодержа-нии;
жесткая экономия воды в засушливой зоне;
ограничение объема стоков — в случае DI они немного ниже, если не учитывать практику снижения солесодержания стоков разбавлением исходной водой;
DI-технология работает на предприятии много лет и к ней привыкли;
специалисты предприятия не имеют достаточного опыта в технологии водопод-готовки.
В этой связи мембранный способ водоподготовки дает ряд важных преимуществ технологического и экономического порядка:
очищенная вода сохраняет свое «естественное» качество, т.е. остается такой же, как она сформировалась в природе, — без воздействия химреагентов, магнитных, СВЧ и других полей;
минеральный состав очищенной воды, ее рН и соотношение основных микроэлементов можно регулировать в довольно широком диапазоне, т.е. можно получать технологическую воду с заданными свойствами;
очищенная вода полностью освобождается от микрофлоры, в том числе бактерий, вирусов и коли-форм;
преимущественный график эксплуатации — непрерывный, в автоматическом режиме;
мембранная система проектируется из расчета покрытия всех технологических нужд производства.
В мембранных системах в качестве блоков предподготовки также используются многослойные (механические) и карбоновые фильтры. Но они отличаются от аналогичных блоков в DI-схеме как по технологическим задачам, так и конструкционно. Многослойные фильтры — это напорные 2-поточные скорые фильтры (скорость фильтрования 10-30 м/ч) со средне- и мелкодисперсными фракциями зернистых фильтр-материалов с различными гранулометрическими, физико-химическими и сорбционными свойствами [2]. Обычно в многослойный фильтр загружают от 4 до 8 фильтрующих слоев, подобранных так, чтобы глубина взаимного проникновения частиц соседних слоев не превышала 10 % от толщины слоя. Толщина фильтрующего слоя составляет 25-40 см и зависит от величины объемного расширения слоя при обратной промывке, а также от его гидравлического сопротивления. Правильно спроектированный многослойный фильтр показывает начальное гидравлическое сопротивление в пределах 0,1-0,2 атм при рейтинге осветления 10 мкм. Автоматическая промывка обратным током исходной воды обеспечивает эффективное удаление механических загрязнений, накопленных зернис-
ПИВО и НАПИТКИ
' 1 •2003
40
той засыпкой и минимальный уровень биозагрязнения.
В мембранных системах нет необходимости применять суперхлорирование воды, поэтому нагрузка по хлору на активный уголь в карбоновых фильтрах составляет
0.1.0,3 мг/л для воды из коммунальных источников водоснабжения или вообще отсутствует — для артезианских вод. Поэтому основная технологическая задача карбонового фильтра включает снижение цветности, удаление посторонних запахов и улучшение органолептики воды. Промывка карбонового фильтра проводится также в автоматическом режиме обратным током исходной воды, что обеспечивает минимальный уровень биозагрязнения. При этом срок службы засыпки активного угля составляет 3-4 года.
Основной эксплуатационный параметр установок обратного осмоса — рабочее давление. Для современных индустриальных систем водоподготовки этот параметр составляет 10-12 атм, что соответствует TDS исходной воды в ионообменном процессе до 250-270 мг/л (при условии равной технологической и экономической эффективности). При этом капитальные затраты будут примерно одинаковы. Эксплуатационные расходы в мембранном процессе значительно ниже даже без учета того факта, что обратный осмос позволяет получать очищенную воду с заданным составом из исходной воды с TDS до 2 г/л.
Новейшие разработки позволили компании Hydronutics — лидеру в области мембранной технологии создать производство низконапорных мембранных фильтр-элементов на мембране ESPA-4 c рабочим давлением 5 атм, что привело к снижению стоимости установок обратного осмоса на 10-15 %, а эксплуатационных затрат — на 25-30 %. В этой связи величина TDS конкурентоспособного DI-процесса снизилась до 130 мг/л, что для естественных водозаборов — большая редкость. В сравнении с ионообменными установками современные мембранные системы водоподготовки помимо технологического преимущества стали и экономически более эффективными как по эксплуатационным расходам, так и по капитальным затратам.
Сравнительные показатели систем водоподготовки производительностью 50 м3/ч TDS исходной воды 270 мг/л приведены в табл. 2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Little D, Lefevr L. Dow Chemical Company «Advances and Changing Costs in Reverse Osmosis and Ion Exchange Systems». Solid State Technology. 03.01.02.
2. Федоренко В.И. Осветление технологической воды методом многослойного фильтрования». Информационный бюллетень «Отраслевые ведомости. Ликероводочное производство и виноделие». 2000. №7. С. 9-11. /¿Г
