Разработка технологии подготовки воды для производства фруктово-сывороточных напитков

технологические решения для обеспечения качества продукции

ТЕМА НОМЕРА

УДК 641.16:663.8

Разработка технологии подготовки воды для производства фруктово-сывороточных напитков

Т.А. Краснова,

д-р техн. наук, профессор;

Ю. С. Шульженко; Н.А. Самойлова,

канд. техн. наук, доцент;

И.В. Тимощук

д-р техн. наук, доцент

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Снабжение населения планеты качественной питьевой водой — одна из главных проблем на сегодняшний день. Питьевая вода — незаменимый компонент, играющий важную роль в поддержании здоровья населения. Общеизвестна ее необходимость для бытовых и производственных нужд человека. Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. На предприятиях пищевой промышленности воду используют при производстве алкогольной и безалкогольной продукции, мясных и хлебобулочных изделий, восстановленной молочной продукции, в том числе фруктово-сывороточных напитков.

Технология фруктово-сывороточ-ных напитков включает: приемку и подготовку сырья, растворение и охлаждение сыворотки, внесение сахарного сиропа, лимонной кислоты и натуральных пищевых добавок, пастеризацию и охлаждение смеси, розлив, упаковку, маркировку. Сухую молочную сыворотку просеивают, растворяют в небольшом количестве воды при температуре 41...45 °С, фильтруют и в раствор добавляют при перемешивании требуемое по рецептуре количество воды. Сахар-песок, в основном, вносят в виде сахарного сиропа. Для приготовления сахарного сиропа сахар-песок предварительно просеивают и в количестве, предусмотренном рецептурой, смешивают с питьевой водой, затем нагревают до 90.95 °С. Пищевую лимонную кислоту вносят в виде водного раствора с массовой долей 50 %. Хранят напитки при температуре 4.8 °С. Сроки хранения зависят от вида напитков и могут колебаться от 36 ч до 8 сут [1].

Для приготовления фруктово-сы-вороточного напитка из восстановленной сыворотки, главным образом, применяют воду из системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, которое осуществляется как из поверхностных, так и подземных водоисточников. Большинство водоемов загрязнены веществами природного и техногенного происхождения. Фенол и его производные (хлорфенолы) — приоритетные загрязнители водной среды, которые широко используют в качестве сырья в химической промышленности при производстве пластмасс, фенолфор-мальдегидных смол, пестицидов. В водоемы они поступают в основном со сточными водами предприятий лесохимической, фармацевтической, коксохимической, нефтехимической промышленности. Кроме фенолов техногенного происхождения в природных водах содержатся низкомолекулярные фенолы, образующиеся при биохимическом распаде и трансформации органических веществ (микробиологическая или гидролитическая деструкция высокомолекулярных гу-миновых и фульфокислот). В процессе водоподготовки при хлорировании воды с целью ее обеззараживания образуются хлорфенолы. Главная опасность состоит в том, что хлорфенол и фенол, обладающие токсическими, мутагенными и канцерогенными свойствами, разрушают водные биоценозы, ухудшают качество природных вод, а при конденсации двух любых молекул хлорфенолов возможно образование чрезвычайно токсичных соединений — полихлорированных диоксинов.

28 ПИВО и НАПИТКИ 4•2017

Рис. 1. Зависимость Т от t для фенола в смеси фенол-хлорфенол: 1 - АГ-ОВ-1; 2 - Пуролат; 3 - АБГ

Рис. 2. Зависимость Т от t для хлорфенола в смеси фенол-хлорфенол: 1 - АГ-ОВ-1; 2 - Пуролат; 3 - АБГ

Очистка воды от фенола и его производных представляет собой серьезную экологическую задачу. В работах [2, 3] подробно изучено влияние приоритетных органических контаминантов на стойкость белков, лактозы, витаминов сыворотки и других рецептурных компонентов фрукгово-сывороточных напитков (сахарозы, лимонной кислоты, сокосодержащей основы). Исследования, направленные на разработку эффективной технологии доочистки воды, применяемой при производстве фруктово-сывороточных напитков, актуальны и своевременны. Существующие методы очистки от органических загрязнителей включают биологические, физические, физико-химические, химические и адсорбционные методы. К наиболее перспективному направлению в технологии извлечения небольших количеств органических веществ из водных растворов относят сорбцион-ный способ с применением активных углей (АУ) — достаточно эффективных и недорогих материалов. Сорбционные методы основаны на преимущественной адсорбции молекул загрязнений под действием силового поля в порах адсорбента. Достоинство метода заключается в высокой эффективности, возможности очистки воды, содержащей несколько компонентов, а также рекуперации этих веществ.

Для оптимизации промышленных адсорбционных установок требуются кинетические параметры. В настоящей работе приведены результаты изучения кинетики адсорбции фенола и хлорфенола при совместном присутствии на АУ. В качестве сорбентов применяли отечественные промышленные АУ: АГ-ОВ-1, Пуролат, АБГ.

Кинетика адсорбции органических веществ в зависимости от гидродина-

мических условий обтекания пористого материала, структуры его пор, размера зерен адсорбента и ряд других факторов определяется как внешним переносом веществ, так и переносом сорбируемых молекул внутри пористой частицы сорбента. Существуют количественные и качественные методы разграничения лимитирующих стадий. Количественное разделение стадий основано на использовании данных о кинетических коэффициентах внешнего и внутреннего массопереноса.

Методика проведения кинетических измерений заключалась в следующем: образцы сорбента фиксированной массы (1 г) помещали в 100 см3 исследуемого раствора (концентрация фенола составляла 0,1063 ммоль/дм3, хлорфенола — 0,0149 ммоль/дм3). Кинетику сорбции исследовали в интервале времени 180-7200 с. Концентрации фенола и хлорфенола в растворе определяли фотометрическим методом по стандартным методикам [4, 5]. По экспериментальным данным построены кинетические кривые зависимости степени достижения равновесия у от времени адсорбции г.

С целью определения лимитирующей стадии массопереноса на основании результатов эксперимента рассчитаны основные кинетические параметры для изучаемых сорбентов и построены кинетические кривые зависимости степени достижения равновесия у от безразмерного кинетического параметра Т. Определение лимити-

Марка Коэффициент внешнего массопереноса, в

угля для фенола для хлорфенола

АГ-ОВ-1 0,229794 0,099964

Пуролат 0,013023 0,331491

АБГ 0,108384 0,354139

рующей стадии адсорбции сводится к сопоставлению теоретической и экспериментальной кинетических кривых при одинаковых значениях у. На рис. 1 и 2 представлены графики зависимости Тот г в случае, когда лимитирующая стадия адсорбции — внешний массоперенос описывается прямой, проходящей через начало координат.

Отклонение от прямой показывает, что по мере отработки адсорбента на скорость процесса сорбции все большее влияние оказывает внутренняя диффузия. Представленные данные подтверждают, что процесс адсорбции хлорфенола и фенола в смеси контролируется внешним массопереносом в течение первых 30-60 мин.

Коэффициент внешнего массопе-реноса при адсорбции из растворов, необходимый для инженерных расчетов, может быть найден из общего коэффициента массопереноса [6], если лимитирующей стадией процесса адсорбции в данном временном интервале служит внешний массообмен. В этом случае коэффициент внешнего массопереноса р рассчитывается из сравнения теоретической и экспериментальной кинетических кривых [7]:

р = tg а /А, А = V /V + Кг,

где tg а — тангенс угла наклона начального участка зависимости Т от г; V — суммарный объем массы адсорбента, см3; Vр — объем раствора, контактирующего с адсорбентом; Кг — константа Генри (Кг =ар/Ср).

Значения рассчитанных коэффициентов внешнего массопереноса приведены в таблице. Близость значений р для всех исследуемых марок сорбента свидетельствует о том, что процесс адсорбции на изучаемых углях в интервале 2700-3600 с для хлорфенола и

4•2017

ПИВО и НАПИТКИ 29

ЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ для ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ

ш I

0

1

<

I ш I-

1800-3600 с для фенола лимитируется внешним массопереносом. По мере приближения к адсорбционному равновесию вклад внутреннего массо-обмена в общую скорость адсорбции фенола и хлорфенола нарастает.

Полученные результаты позволяют предположить, что при реализации разработанной технологии в производстве можно ожидать высокую степень извлечения из очищаемой воды фенола и хлорфенола при их совместном присутствии при средней скорости фильтрации через неподвижный слой сорбента. С целью максимального использования емкости слоя сорбента можно рекомендовать уменьшение скорости фильтрования по мере отработки угольного фильтра.

Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации на основе математической модели па-

раметров адсорбционной колонны и режимов очистки воды, применяемой в производстве восстановленной молочной, пивобезалкогольной и лике-роводочной продукции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Храмцов, А. Г. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры. Продукты из обезжиренного молока, пахты и молочной сыворотки / А. Г. Храмцов, С. В. Василин. — СПб.: ГИОРД, 2004. — 576 с.

2. Краснова, Т.А. К вопросу формирования качества напитков / Т.А. Краснова, И. В. Ти-мощук, А. К. Горелкина, Ю. С. Шульженко // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. — 2015. — № 6. — С. 101-109.

3. Краснова, Т.А. Влияние приоритетных загрязнителей воды на стойкость белков фруктово-сывороточных напитков /

Т. А. Краснова // Известия вузов. Пищевая технология. — 2015. — № 4. — С. 15-18.

4. Лурье, Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод / Ю. Ю. Лурье. — М.: Химия, 1984. — 374 с.

5. Воробьева, Т.В. Стандартные и унифицированные методы определения фенолов в природных и питьевых водах и основные направления их совершенствования / Т. В. Воробьева, А. В. Терлецкая, Н. Ф. Кущев-ская // Химия и технология воды. — 2007. — Т. 29. — № 4. — С. 370-390.

6. Когановский, А. М. Адсорбция органических веществ из воды / А. М. Когановский, Н. А. Клименко, Т. М. Левченко, И. Г. Рода. — Л.: Химия, 1990. — 256 с.

7. Федоткин, И. М. Об определении коэффициента внешнего массообмена и адсорбции из растворов/ И. М. Федоткин, А. М. Когановский, И. Г. Рода, Р. М. Марутовский // Физическая химия. — 1974. — Т. 48. — № 2. — С. 473-475. <

Разработка технологии подготовки воды

для производства фруктово-сывороточных напитков

Ключевые слова

адсорбция; активные угли; вода; фенол; фруктово-сывороточные напитки; хлорфенол.

Реферат

Фруктово-сывороточные напитки - продукты на основе цельной или восстановленной молочной сыворотки, которые находят все более широкое применение в ежедневном рационе питания людей. 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 водоподготовки образуются более опасные токсиканты, чем исходные (применение в качестве обеззараживающего агента хлора приводит к образованию такого побочного продукта, как хлорфенол). 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, применяемой в производстве фруктово-сывороточных напитков, необходимы данные по равновесию, кинетике и динамике адсорбционного процесса. В настоящей работе приведены результаты изучения кинетики процесса адсорбции фенола и хлорфенола при их совместном присутствии из воды активными углями марок АГ-ОВ-1, Пуролат, АБГ, отличающимися природой, структурой, величиной удельной поверхности. Установлено, что лимитирующая стадия процесса адсорбции смеси фенола и хлорфенола - внешний массоперенос в интервале 2700-3600 с для фенола и 1800-3600 с для хлорфенола. Для всех исследуемых активных углей рассчитаны безразмерные кинетические параметры Т, построены зависимости Тот t (времени) и определены коэффициенты внешнего массопереноса, необходимые для инженерных расчетов и разработки адсорбционной технологии доочистки воды от органических веществ.

Авторы

Краснова Тамара Андреевна, д-р техн. наук, профессор;

Шульженко Юлия Сергеевна. аспирант;

Самойлова Наталья Александровна. канд. техн. наук, доцент;

ТимощукИрина Вадимовна. д-р техн. наук, доцент

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

(Университет),

650056, Россия, г. Кемерово, б-р Строителей, д. 47, eсoLog1528@yandex.ru

The Development the Technology of Water Preparation for Beverage of Fruit-whey Drinks

Key words

adsorption; activated carbon; water; phenol; fruit- whey drinks; chlorophenol.

Abstract

Fruit- whey drinks, products on the basis of whole or restored whey, are increasingly used in the daily diet of people. 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 chlorophenol). 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 phenol and chlorophenol sorption from aqueous solutions are essential for the development of adsorption technology of purifying drinking water in the production of fruit- whey drinks. The kinetics of phenol and chlorophenol mixture adsorption from water by activated carbon AG-OV-1, Purolat, ABG differing by nature, structure, the size of specific surface has been investigated in this paper. It has been found that the limiting stage phenol and chlorophenol mixture adsorption is external mass-transfer within 2,700-3,600 sec for chlorophenol and 1,800-3,600 sec for phenol. Nondimensional kinetic T parameters have been defined. The T dependence against t (time) have been established. The exterior mass-transfer coefficients necessary for engineering calculations and the development of adsorption technology of purifying drinking water from organic substances have been defined.

Authors

Krasnova Tamara Andreevna, Doctor of Technical Science, Professor;

Shulzhenko Julija Sergeevna, Post-graduate Student;

Samojlova Natalja Aleksandrovna,

Candidate of Technical Science, Associate Professor;

Timoshhuk Irina Vadimovna, Doctor of Technical Science, Associate Professor

Kemerovo Institute of Food Technology (University),

47 Boulevard Stroiteley, Kemerovo, 650056, Russia, ecolog1528@yandex.ru

30 ПИВО и НАПИТКИ

4•2017