Очистка и кондиционирование воды при производстве пива и напитков в установках типа "Изумруд"

УДК 663.63

Очистка и кондиционирование воды при производстве пива и напитков в установках типа «Изумруд»

И. В. Козлов, М. В. Гернет, Л. Г. Ипатова

Московский государственный университет пищевых производств

Существует обширный спектр методов и средств регулирования качества воды, используемой в пищевой промышленности. Особые требования предъявляются к качеству воды, применяемой в бродильных производствах. Поскольку исходная вода, используемая для приготовления напитков, как правило, поступает на предприятие пищевой промышленности из муниципальной водопроводной сети, то многие проблемы ее качества оказываются решенными на стадиях водоподготовки специализированными предприятиями ЖКХ. Однако применение химических агентов для очистки воды на централизованных станциях водоподготовки (коагулянтов, флокулянтов, дезинфек-тантов, регуляторов щелочности) весьма нежелательным образом сказывается на качестве пищевого продукта, изготовленного из такой воды. Свой негативный вклад вносит также загрязнение воды в процессе ее транспортирования к месту использования по протяженным, постоянно разъедаемым биокоррозией и химической коррозией, водоводам, покрытым изнутри биопленкой, которая содержит разнообразные микроорганизмы.

Вне зависимости от предшествующих стадий водоподготовки биопленки в водоводах служат постоянно действующим источником поступления в воду как различных микроорганизмов, так и микробных токсинов. Доведение качества воды до нормативов применения в пищевой промышленности называется «исправлением воды» и регламентируется ГОСТ Р 52190-2003, в котором «исправленная вода» определяется как «вода с определенным содержанием минеральных и органических веществ, приготовленная способом умягчения, обессоливания,

Ключевые слова: водоподготовка; электрохимическая обработка; качество; пиво; напитки

обезжелезивания или фильтрования питьевой воды». Микробиологическая загрязненность воды — одна из главных критических точек современных систем подготовки воды для пищевой промышленности. Ни фильтры, ни сорбенты, ни ионообменные системы не могут уничтожать микроорганизмы. Они их могут только частично задерживать.

Принципиально невозможно получить обеззараженную воду даже на самых плотных обратноосмотиче-ских фильтрах, размеры пор которых могут быть только немного больше, чем молекула воды. По этой причине скорость фильтрации через такие и похожие фильтры крайне мала. В этих условиях, как только профильтрованная вода появится на обратной стороне обратноосмотической мембраны, в ту же секунду в ней окажутся микроорганизмы, заполняющие окружающее воздушное пространство и покрывающие поверхности всех предметов, в том числе внутренние поверхности той полости, которая примыкает к «чистой» стороне мембраны. Через очень короткое время (несколько десятков минут) все пространство, занятое такой «чистой», фактически обессоленной и потому мало полезной как для питья, так и для приготовления напитков водой, окажется занятым микроорганизмами, скорость размножения которых в отсутствие конкуренции будет большей, чем в исходной воде. В арсенале борьбы с водными инфекциями имеется также ультрафиолетовое облучение. Однако это энерго-

емкий процесс, не обеспечивающий уничтожение вирусных инфекций ввиду небольшого различия между размерами микроорганизмов данного типа и длиной световой волны, требующий совершенной прозрачности воды (отсутствия коллоидных взвесей).

В последние годы появились новые эффективные безреагентные системы очистки и кондиционирования воды, не обозначенные в упомянутом стандарте. К ним относятся электрохимические установки «Изумруд», зарегистрированные в Государственном реестре медицинской техники [1]. Отличительная особенность этих установок — их не изменяющаяся во времени способность к уничтожению микроорганизмов всех видов и форм и к разрушению микробных токсинов. Другая особенность — возможность коррекции рН и окислительно-восстановительного равновесия воды. При этом процесс очистки и кондиционирования воды в таких установках сопровождается удалением ионов тяжелых металлов и разрушением различных органических веществ, в частности фенолов, гербицидов, пестицидов. В основе принципа действия этой установки — процессы очистки воды за счет использования электрохимических реакций окисления и восстановления. Подобные процессы воды в природе протекают под влиянием солнечного света и ветра. В установках «Изумруд» природные процессы естественной окислительно-восстановительной деструкции и нейтрализации токсических веществ ускоряются многократно за счет прямых электрохимических реакций, а также благодаря участию в процессах

Таблица 1

Процесс Техническая система для реализации процесса Краткая характеристика процесса

Анодная электрохимическая обработка воды Электромиграционное удаление катионов Катодная электрохимическая обработка воды

Электромиграционное удаление анионов

Гетерофазная каталитическая деструкция соединений активного хлора Жидкофазное окисление органических соединений в среде с катализаторами-переносчиками заряда

Микроэлектрофлотация коллоидных частиц

Элемент ПЭМ-3

Элемент ПЭМ-3

Реактор дехлорирования каталитический

Реактор смешения Реактор флотационный

Уничтожение микроорганизмов, окислительная деструкция органических соединений, микробных токсинов, насыщение воды кислородом, озоном

В процессе анодной обработки воды перенос тока через диафрагму катионами

Превращение ионов тяжелых металлов в коллоидные частицы гидроксидов, насыщение воды водородом В процессе катодной обработки воды перенос тока через диафрагму анионами Удаление соединений активного хлора с одновременным образованием соединений активного кислорода Окисление органических соединений продуктами анодных электрохимических реакций в объеме с замедленной скоростью протока при перемешивании Использование микропузырьков электролитически полученных _водорода или кислорода для очистки воды от коллоидных взвесей

очистки электрохимически синтезированных из самой очищаемой воды и растворенных в ней солей высокоактивных реагентов: озона, атомарного кислорода, пероксидных соединений, хлорноватистой кислоты, короткоживущих свободных радикалов.

Рассматриваемый процесс очистки воды состоит из нескольких стадий, разделенных в пространстве и во времени, различных по виду активного воздействия на воду и содержащиеся в ней примеси. Это обеспечивает высокую эффективность и экологическую безопасность предлагаемого способа очистки в сравнении с другими известными методами.

Участие одного из авторов в конструировании, разработке и организации серийного производства установок «Изумруд» большой производительности (до 1000 л/ч) позволило сформулировать задачу определения перспектив и возможностей применения воды, очищенной в этих установках, в пищевой промышленности, в частности в технологии бродильных производств. Общий вид установки производительностью 300 л/ч показан на рисунке.

Основу технологических процессов очистки воды составляет ее электрохимическая обработка в проточных электрохимических модульных элементах ПЭМ-3, одиночных или в виде реакторов РПЭ из нескольких элементов ПЭМ.

Помимо собственно электрохимического реактора гидравлическая схема включает вспомогательные устройства, в частности каталитический и флотационный реакторы, а также ряд других узлов и систем, специально сконструированных с учетом работы совместно с элементами ПЭМ-3.

Принцип разработки технологических схем очистки воды в установках «Изумруд» основан на оптимальном использовании физико-химических процессов и функциональных возможностей каждого физического элемента технологического процесса, среди которых различают активные и пассивные [2].

Активные элементы технологической схемы очистки воды (электрохимические элементы или реакторы) для своего функционирования требуют подачи энергии извне, в то время как работа пассивных элементов основана на преобразовании различных форм энергии, приобретенных водой в активном элементе, т.е. в процессе предшествующей электрохимической обработки.

Основное отличие пассивных элементов в установках «Изумруд» от известных элементов, применяемых в традиционных процессах очистки воды (фильтров, сорбентов, ионообменных мембран), заключается в принципе функционирования. Функционирование последних осуществляется только за счет их собственных физико-химических и (или) физико-механических свойств, таких, как средний размер пор, тип и площадь сорбирующего материала, емкость ионного обмена и т.д.

В противоположность им в пассивных элементах установок «Изумруд» для очистки воды используются процессы преобразования различных форм дополнительной энергии, которую приобрела вода в активных элементах во время электрохимического воздействия — химической энергии окисленных и (или) восстановленных веществ, энергии фазовых переходов при растворении или выделении газов, образующихся

на электродах (водорода, кислорода, озона, хлора), энергии структурных преобразований воды в электрическом поле двойного электрического слоя (ДЭС) электрода, в котором напряженность электрического поля достигает нескольких миллионов вольт на 1 см, энергии каталитических процессов с участием метаста-бильных продуктов электрохимических реакций в рабочих камерах пассивных элементов.

Эта дополнительная энергия в различных формах во все время процесса очистки поступает в пассивные элементы электрохимической установки вместе с очищаемой водой и является главным фактором, обеспечивающим удаление нежелательных компонентов из воды при сохраняющейся неограниченное время стабильности процесса.

Основные физико-химические процессы в активных и пассивных элементах установок «Изумруд», которые используются для разработки различных технологических процессов очистки и кондиционирования воды, приведены в табл. 1.

В табл. 1 обозначение МБ-11 соответствует новому поколению проточных электрохимических модульных элементов, которые недавно пришли на смену элементам ПЭМ-3. Элементы МБ-11 более долговечны, могут работать при значительном перепаде давления.

Для оценки возможностей применения описанной альтернативной технологии кондиционирования воды для нужд пищевой промышленности была исследована технологическая схема, которая состоит из следующей последовательности физико-химических процессов: анодная обработка воды последовательно в двух элементах МБ-11 с электромиграционным

5 • 2009

35

Таблица 2

Показатель Нормативы по СанПиН 2.1.4.1074-01 Нормативы по ТИ 10-5031536-73-10 Параметры воды на входе в установку Параметры на выходе при расходе 60 л/ч Параметры на выходе при расходе 20 л/ч

Водородный показатель, ед. рН 6-9 6,0-6,5 7,9 7,4 6,3

ОВП, мВ Не нормированно +320 -150 -290

Цветность, град 20 10 19 11 3

Мутность, мг/л 1,5 1,0 1,4 0,8 0,1

Жесткость, мг-экв/л 7,0 Менее 4 3,78 3,65 2,1

Окисляемость, мг/л 5 2 3,2 2,2 1,1

Сульфаты, мг/л 500 100-150 67 66 66

Хлориды, мг/л 350 100-150 46 45 43

Кальций, мг/л Не нормировано 40-80 47,00 44,12 32,43

Магний, мг/л То же Следы 10,80 6,23 1,83

Железо, мг/л 0,3 0,1 4,71 0,54 0,13

Нитраты, мг/л 45 10 3,59 3,60 3,60

Нитриты, мг/л 3 0 0,05 0,00 0,00

Алюминий, мг/л 0,5 0,5 0,12 0,09 0,05

Медь, мг/л 1,0 0,5 0,01 Н. о. Н. о.

Марганец, мг/л 0,1 0,1 0,021 0,012 0,003

Силикаты, мг/л 10 2,0 3,2 2,1 0,4

Щелочность, мг-экв/л Не нормировано 0,5-1,5 1,8 1,4 0,8

Хлор остаточный свободный, мг/л 0,3-0,5 Не нормировано 0,2 0,1 0,1

Хлор остаточный связанный, мг/л 0,8-1,2 То же 0,9 0,2 0,1

Хлороформ, мг/л 0,2 0,024 0,002 Н. о.

Озон остаточный, мг/л 0,3 Н. о. Н. о. »

Формальдегид, мг/л 0,05 » » »

Минерализация 1000 500 365 355 320

(сухой остаток), мг/л

Общее микробное число, КОЕ/мл 50 Не нормировано 45 0 0

Примечание. Н. о. — не обнаружено в пределах чувствительности метода.

удалением катионов, последующее удаление скоагулировавших органических соединений и взвесей во флотационном реакторе поднимающимися пузырьками кислорода и озона, выдержка во времени в реакторе смешения, обработка воды в реакторе дехлорирования, заполненном углеродными гранулами, катодная обработка воды в одном из элементов МБ-11, фильтрация на картриджном фильтре 5 мкм. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Из представленных в табл. 2 данных видно, что в зависимости от скорости протока воды через установку (что равносильно изменению удельного количества электричества на обработку воды) в значительной степени изменяются показатели качества очищенной воды, приближая ее к нормативным значениям.

Заключительная стадия обработки воды в условиях эксперимента — фильтрация, не предусмотренная в конструкции установки. Однако, на наш взгляд, данная стадия необходима потому, что позволяет удалять из воды ионы тяжелых металлов, которые в результате реакций в катодной

камере элемента МБ-11 превращаются в нерастворимые гидроксиды. Последние легко улавливаются фильтрующим материалом даже при достаточно большом размере пор. Еще одним доводом за применение стадии фильтрации на заключительном этапе очистки служит тот факт, что вода на выходе из установки практически стерильна. Этот факт еще в 2005 г. был подтвержден исследованиями, выполненными в Институте FRESENIUS (Германия). По данным этого института, логарифмы снижения концентрации Esherichia coli (исходная концентрация 1400 КОЕ/мл), Pseudomonas aeruginosa (1500 КОЕ / мл), Enterococcus Faecalis (920 КОЕ/мл), Candida albicans (1240 КОЕ / мл), Legionella pneumophila (900 КОЕ / мл) при протоке зараженной воды через установку «Изумруд» составили соответственно 5,54; 5,57; 5,36; 5,49; 5,36. Поэтому фильтрация воды через пористый материал загрузки фильтра не приводит к обычным явлениям размножения микроорганизмов на фильтрующих поверхностях и происходит со скоростью, превышающей скорость фильтрования обычной воды, не подвергнутой электрохимической

обработке. Причина повышенной скорости фильтрования электрохимически очищенной воды состоит не только в отсутствии загрязнений, создаваемых микроорганизмами в по-ровых каналах, но также в более высокой фильтрационной скорости за счет уменьшения размеров кластеров после электрохимической обработки в поле электрода проточного модульного элемента.

На основе полученных результатов в настоящее время разрабатываются рекомендации и варианты технологических схем обработки воды в установках «Изумруд» большой производительности, которые могут быть использованы в пищевой промышленности при производстве пива и напитков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Государственный реестр медицинских изделий/Под ред. Б. И. Леонова. — М.: Мин-здравмедпром РФ, 1996.

2. Бахир В. М., Задорожний Ю. Г., Леонов Б. И., Паничева С. А., Прилуцкий В. И. Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов. — М.: ВНИ-ИИМТ, 2001.