Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 4

ВОДА И ВОДОПОДГОТОВКА В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИВА И НАПИТКОВ

4.1. ВОДА

Вода — один из основных и незаменимых видов сырья в производстве пива и бе залкогольных напитков, доля которого в целевом продукте составляет около 90–95%. Пивоварение относят к водоемким производствам, поскольку типичный удельный расход воды на производство 1 гл товарного пива составляет 4–7 гл/гл.

4.1.1. Роль воды в природе

«Начало всего есть вода», — утверждал Фалес (ок. 625–547 до н. э.) из Милета

вVI в до н.э. Помимо того, что вода является одним из наиболее ценных природных ресурсов, ее роль в природе незаменима, поскольку она образует основу экосистемы планеты и является одним из важнейших жизнеобеспечивающих факторов. «Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле» — справедливо отмечал Леонар до да Винчи (1452–1519). С одной стороны, вода — идеальный растворитель питатель ных веществ, а с другой, — основной компонент жидкой транспортирующей среды (крови, лимфы или растительных соков), с которой в организме переносятся веще ства, необходимые людям, животным и растениям. Жизнь без воды невозможна —

вбольшинстве живых организмов содержание воды составляет около 70% и более.

Вода — одно из самых распространенных природных соединений. Достаточно ска зать, что гидросфера занимает почти 71% от поверхности Земли, а общий объем воды на планете составляет около 1,5 млрд км3.

Однако при, казалось бы, неисчерпаемых запасах водных ресурсов доля воды, при годной к использованию в хозяйственных и бытовых целях, весьма ограниченна — лишь около 1–2% от общего ее запаса приходится на долю пресной воды. Очень высокая минерализация воды в мировом океане, делающая невозможным ее быто вое и хозяйственное использование, обусловлена специфическими свойствами воды, в частности ее подвижностью и хорошей растворяющей способностью. Бла годаря подвижности воды — текучести в жидком и летучести в парообразном со стояниях — в природе происходит ее кругооборот, в результате которого происхо дит вымывание и перенос минеральных веществ из почвы в природные водоемы. Испарение воды с поверхности водоемов в свою очередь способствует повышению минерализации воды в них.

Особенно острой является проблема недостатка воды питьевого качества. К началу XXI в. пятая часть населения планеты (около 1,2 млрд человек) страдала от нехватки питьевой воды, а более 40% земного населения (более 2,4 млрд человек) получала воду в ограниченном количестве. Недостаток питьевой воды при дальнейшем росте народо населения в XXI в. может перерасти в проблему планетарного масштаба и явиться причиной не только локальных, но и глобальных социальных и политических конфликтов.

156 ПИВОВАРЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Кроме того, проблема питьевой воды обостряется тем, что вследствие техногенных воздействий качество пресных поверхностных вод ухудшается.

Эта проблема актуальна и для нашей страны. Так, к началу XXI в. на территории Российской Федерации вода из 2/3 природных источников не соответствует требова ниям, предъявляемым к питьевой воде. В свою очередь вода, поступающая почти на 70% отечественных пивоваренных предприятий, не удовлетворяет требованиям пивова ренных кондиций.

Стремительное увеличение потребления воды для промышленных, сельскохозяй ственных и бытовых целей, а также возросшие санитарно гигиенические и технологи ческие требования к ней определяют важность задач водоочистки, водоподготовки и очистки сточных вод.

Учитывая, что на многих пивоваренных предприятиях России одновременно про изводят безалкогольные напитки, то в настоящей главе рассматривается водоподго товка не только для пивоваренного, но и безалкогольного производств.

4.1.2. Основные свойства воды

Вода (окись водорода) — простейшее устойчивое в обычных условиях соединение, представляющее бесцветную жидкость без запаха, цвета и вкуса, содержащую 88,8% кислорода и 11,2% водорода. Одно из многих уникальных свойств воды — на планете (в диапазоне естественных земных температур) она встречается в трех фазовых состо яниях.

«Если имеешь дело с водой, то прежде посоветуйся с опытом, а затем с разумом», — наставлял мудрый Леонардо да Винчи, потому что многие физические свойства воды аномальны и не подчиняются логике физических закономерностей, свойственных ос тальным жидкостям.

Во первых, удельная теплоемкость воды имеет минимум при температуре около 37 °С, во вторых, ее теплоемкость аномально высока, благодаря чему она обладает уни кальной способностью лучше, чем другие жидкости, сохранять тепло.

В третьих, вопреки закономерности, присущей прочим физическим телам, вода при охлаждении ниже 4 °С не сжимается, а расширяется. Например, если при 20 °С плотность воды составляет 998,23 кг/м3, при 3,98 °С — 1000 кг/м3, то при 0 °С она снижается до 999,87 кг/м3, в то время как плотность льда при 0 °С составляет 916,8 кг/м3. Благодаря этому свойству вода, охлаждаясь, опускается вниз, но незадолго перед за мерзанием она вновь начинает подниматься, превращаясь на поверхности воды в лед, который, будучи хорошим изолятором, предохраняет нижние слои от замерзания. Если бы вода не обладала этой удивительной аномалией, то лед, опускаясь на дно, накапли ваясь и не успевая таять под летними солнечными лучами, постепенно заполнил бы все природные водоемы, превратив Землю в суровую ледяную планету, неблагоприятную для жизни.

Уникальные свойства воды позволяют ей, как никакому другому веществу в приро де, совершать кругооборот. Благодаря этому она может перемещаться в регионы плане ты, отдаленные от рек, озер и морей. Под влиянием солнечного тепла миллионы кубо метров воды ежесекундно на Земле превращаются в пар, который, будучи легче воздуха,

поднимается вверх и образует облака. Ветер и воздушные потоки перемещает эти облака в том или ином направлении, и в подходящих условиях влага выпадает на землю.

По сравнению с большинством других жидкостей вода обладает очень высокими температурами плавления и кипения, а также теплотой испарения (табл. 4.1). На земле нет вещества, у которого теплота испарения была бы выше, чем у воды.

Химически чистой воды в природе не существует. Поскольку она является хоро шим растворителем для многих веществ, то в ней всегда находится большее или мень шее количество различных солей, оказывающих влияние на ее свойства. В этой связи к одним из важнейших химических показателей природной воды относят: жесткость, щелочность, окисляемость и содержание сухого остатка.

Жесткость — свойство природной воды, обусловленное содержанием в ней ра створенных солей кальция и магния. Количественным показателем, характеризующим общую жесткость воды, является суммарное удельное содержание (мг экв./дм3) в ней ионов кальция и магния.

Помимо общей, различают карбонатную (временную, устранимую) и некарбонат ную (постоянную) жесткость. Карбонатная жесткость обусловлена содержанием в воде гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2, удаляющихся из воды при кипячении в течение часа с образованием диоксида углерода и нерастворимых карбонатов. Некарбонатная жесткость обусловлена содержанием всех прочих солей кальция и магния (сульфатов, хлоридов, фосфатов, силикатов и др.), которые остают ся в воде даже после продолжительного кипячения.

Таким образом, общая жесткость воды представляет собой совокупность времен ной (карбонатной) и постоянной (некарбонатной) жесткости:

Принимая во внимание, что 1 мг экв. жесткости соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг ионов кальция или 12,16 мг ионов магния, выражение (4.1) можно пред ставить в следующем виде:

В соответствии с показателем общей жесткости воду характеризуют следующим образом:

158 ПИВОВАРЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Щелочность. Качество воды следует оценивать не по общему содержанию в ней солей, а по их действию на рН затора, сусла и пива.

Наибольшее влияние на ферментативные процессы оказывают гидрокарбонаты и кар бонаты воды — Са(НСО3)2, Мg(НСО3)2, NаНСО3, КНСО3, Nа2СО3. Эти соли в водном растворе, обладая щелочными свойствами, оказывают влияние на кислотность перераба тываемых технологических сред — способствуют смещению рН в щелочную сторону.

Щелочность — показатель, характеризующий способность воды в той или иной степени связывать кислоты. Его выражают количеством мг экв. ионов ОН–, СО32–, НСО3– и некоторых других анионов слабых кислот в 1 л воды.

При этом технологически важно не общее начальное содержание карбонатов в воде, а то их количество, которое остается в ней после частичной компенсации ионами каль ция и магния. Эту щелочность называют остаточной. Щелочность воды, устраняемую действием ионов кальция и магния, называют компенсированной. Обычно для пони жения щелочности используют хлористый кальций (СаСl2) или гипс (CаSO4). Кроме того, щелочность может быть понижена применением кислого солода или добавлени ем молочной кислоты.

Окисляемость — показатель, характеризующий загрязненность воды органичес кими примесями (гуминовыми веществами, органическими кислотами и прочими легко окисляемыми соединениями), от содержания которых зависит возможность дли тельного хранения воды и ее пригодность для питьевых и технологических целей. О степени окисляемости судят по количеству кислорода, необходимого для окисле ния содержащихся в 1 л воды органических соединений (мг О2/дм3).

Различают общую и частичную окисляемость. Общую окисляемость, учитываю щую все органические соединения, присутствующие в воде, называют также хими! ческим потреблением кислорода (ХПК). Общую окисляемость (мг О2/дм3) опреде ляют йодатным методом. Для примера укажем, что наименьшую окисляемость (около 2 мг О2/дм3) имеют артезианские воды, грунтовые незагрязненные воды — около 4 мг О2/дм3, речные — 1–60 мг О2/дм3, а болотные — до 400 мг О2/дм3.

На практике чаще определяют частичную окисляемость (мг KMnO4/л) по реакции с перманганатом калия, в которой окисляются только сравнительно легко окисляемые вещества. В этом случае 1 л воды кипятят в течение 10 мин с избытком перманганата, после чего определяют его расход. Частичная окисляемость питьевой и производствен ной воды не должна превышать 3 мг KMnO4/л.

Сухой остаток характеризует степень общей минерализации воды. Показателем сухого остатка является количество веществ, получаемых в результате испарения воды и сушки остатка при 105–110 °С. Сухой остаток в воде хозяйственно питьевого назна чения не должен превышать 1000 мг/дм3.

4.1.3. Основные требования, предъявляемые к воде для производства пива и напитков

Большинство предприятий по производству пива и безалкогольных напитков по лучает питьевую воду из сети городского водопровода, куда она поступает после обра ботки на водоочистных станциях. При необходимости на заводах дополнительно осу ществляют водоподготовку, роль которой особенно велика, поскольку качество выпускаемых пива и напитков существенно зависит от качества воды.

Растворенные вещества, присутствующие в воде, частично взаимодействуют с ве ществами солода и сусла, оказывая при этом влияние на вкус пива не только прямо, но и косвенно, поскольку от их содержания зависит протекание ферментативных и кол лоидно химических процессов. Именно этим объясняется тот факт, что каждый при знанный тип пива исторически развился благодаря характерному солевому составу воды, свойственному определенной местности.

Для производства пива и безалкогольных напитков необходимо использовать воду, соответствующую требованиям ГОСТ Р 51232–98* «Вода питьевая» с учетом специ альных дополнительных технологических требований к химическим, микробиологи ческим и органолептическим показателям.

Требования к качественному и количественному составу минеральных примесей технологической воды для производства пива и безалкогольных напитков приведены в табл. 4.2.

*Российским ГОСТ Р 51232–98 регламентированы 25 показателей качества воды, в то время как

вЕвропе — 63, а в США — 83 показателя.

160 ПИВОВАРЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

Технологическая вода должна быть прозрачной, бесцветной и не иметь посторон них привкусов и запахов.

В технологии производства пива и безалкогольных напитков предъявляют специ альные требования к микробиологическим показателям воды (табл. 4.3).

В 1 мл питьевой воды обычно содержится до 300 микроорганизмов, поэтому при подготовке технологической воды требуется ее обеззараживание, особенно в произ водстве безалкогольных напитков. Это обусловлено тем, что жидкости, содержащие углеводы, представляют собой благоприятную питательную среду для развития мик роорганизмов, которые, попав в напиток с водой, могут очень быстро привести его

внепригодное к употреблению состояние.

4.2.ИНЖЕНЕРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОДОПОДГОТОВКИ

ВПРОИЗВОДСТВЕ ПИВА И НАПИТКОВ

4.2.1. Инженерные задачи водоподготовки

Требования к технологической воде предопределяют характер и степень ее водо подготовки, которую для каждого предприятия разрабатывают индивидуально, в за висимости от показателей поступающей на предприятие исходной воды.

В ходе водоподготовки необходимо обеспечить решение следующих инженерных задач:

•осветление воды — удаление из нее взвешенных частиц;

•умягчение воды — удаление из нее растворенных веществ;

•обеззараживание воды — удаление из нее микроорганизмов или приведение их

внежизнеспособное состояние;

•дегазацию воды — удаление из нее растворенных газов.

Решение перечисленных задач обеспечивают методами, описанными в разделе 4.3.

4.2.2.Организация и строение систем водоподготовки

Всовременных системах водоподготовки для доведения воды до требуемых пивоваренных кондиций, в зависимости от ее исходного качества и экономических соображений, применяют различные сочетания методов, описанных в разделе 4.3.

Машино аппаратурные варианты систем водоподготовки в производстве пива и на питков приведены на рис. 4.1 и 4.2.

При мягкой исходной воде, подаваемой на пивоваренное предприятие, ее подвер гают, как правило, осветлению, обезжелезиванию и обеззараживанию. Один из вари антов такой схемы водоподготовки, в которой последовательно осуществляют стадии осаждения, фильтрования, аэрации, хлорирования, дехлорирования и корректировку рН, приведен на рис. 4.1.

Исходную воду, поступающую на водоподготовку, накапливают в резервуарах 1 для хранения, размещенных вне производственного помещения на территории пред приятия. Вместимость таких резервуаров составляет обычно несколько тысяч куби ческих метров в зависимости от производственной мощности предприятия. При хранении воды в ней одновременно осуществляется осаждение взвешенных частиц.

Из накопительных резервуаров 1 воду насосами 3 подают на обработку по трубо проводу, снабженному манометром 4, расходомером 5 и обратным клапаном в один из гравийно песочных фильтров 8, в которых осуществляют ее осветление фильтрованием. Фильтры работают поочередно — пока работает один из них, во втором осуществляют регенерацию фильтровальных материалов обратным током сжатого воздуха и очищен ной воды. Воздух нагнетают в гравийно песочный фильтр компрессором 7. Воздух, засасываемый из атмосферы, подвергают предварительной очистке через фильтр 6. Промывную воду подают в гравийно песочный фильтр 8 насосом 24. После обратной промывки отработанную воду собирают в сборник 31, из которого ее насосом 32 воз вращают на очистку.

Осветленную воду распыляют в верхней части колонны 9, через которую снизу противотоком движется воздух, нагнетаемый компрессором 10. Воздух, засасывае мый из атмосферы, подвергают предварительной очистке через фильтры 11, 12. Благо даря окислительным процессам в процессе аэрации воды в этой колонне происходит ее обезжелезивание. Из накопительного сборника колонны обезжелезенную воду насо сами 13, 14 подают на обеззараживание, осуществляемое в смесителе 15 диоксидом

хлора, образующимся в реакторе 16 в ходе реакции HCl c NaClO2, которые дозируют мембранными насосами 17, 19 соответственно из сборников 18, 20. Очищенную от

взвесей и хлорированную воду собирают в промежуточный контактный сборник 21,

вместимость которого в зависимости от производственной мощности предприятия составляет обычно несколько сотен кубических метров.

Некоторую часть воды из этого сборника подают непосредственно насосами 23 на технические нужды производства. Той же водой с помощью насоса 24 обеспечи вают периодическую промывку противотоком гравийно песочных фильтров. Но основную массу воды, предназначенную для технологических целей, подвергают последующему дехлорированию в поочередно работающих угольных фильтрах 25,

вкоторые воду подают насосами 22. Периодическую регенерацию активированно го угля в этих фильтрах осуществляют паром, который, отработав, сбрасывается

ватмосферу над уровнем кровли. Образующийся конденсат из паропровода отво дят через конденсатоотводчик 27.

После дехлорирования воду подвергают «полировке» в фильтрах 26 тонкой очис тки со средним диаметром пор 25 мкм, задерживающих мельчайшие частички акти вированного угля, выносимых потоком воды из фильтров 25.

Вочищенной воде, подаваемой на технологические нужды, при необходимости корректируют значение рН, внося в поток дозирующим насосом 29 из сборника 30

кислоту Н3РО4. При превышении рабочего давления в кислотном трубопроводе за насосом срабатывает предохранительный клапан 28, сбрасывая давления за счет воз врата излишков кислоты в сборник 30.

Если же исходная вода жесткая, то помимо осветления и обеззараживания ее под вергают умягчению. На рис. 4.2 показан другой машино аппаратурный вариант систе мы водоподготовки, в которой последовательно осуществляют осаждение, фильтро вание, ионный обмен, хлорирование и дехлорирование.

Исходную воду подают насосами 3 из накопительных резервуаров 1 на обработку по трубопроводу, снабженному манометром 4, расходомером 5 и обратным клапаном, на один из гравийно песочных фильтров 8, в котором очищают воду от взвесей. Прин цип работы и промывки этих фильтров такой же, как в вышеописанной схеме.

После этого воду направляют в один из Н катионитовых фильтров 16, в которых можно снизить до необходимого предела содержание в воде солей кальция, железа, алюминия и марганца. Рабочие поверхности оборудования и трубопроводов, контак тирующие с водными растворами серной кислоты и хлорной извести, должны быть изготовлены из антикоррозийного материала или защищены им.

Регенерацию Н катионитового фильтра проводят 1,5–2,0% ным водным раство ром серной кислоты или 5–6% ным раствором соляной кислоты. Доставляемую на предприятие в цистерне 9 кислоту насосом 10 перекачивают в сборники 11 для хране ния, а из них тем же насосом — в мерник 12, из которого кислота засасывается эжекто ром 13 и поступает в катионитовые фильтры. Введение кислоты в поток воды длится 3 ч. За это время мерник должен полностью быть опорожнен, после чего немедленно начинают отмывать фильтры в потоке воды со скоростью 8–10 м/с. Промывка катио нита продолжается около 2 ч и прекращается, когда рН воды достигнет 5,0–5,5.

После умягчения воду обеззараживают хлорированием в потоке, непрерывно на гнетая насосом дозатором 19 водный раствор хлорной извести из сборника 20 в тру бопровод по ходу потока воды. Расход раствора хлорной извести зависит от концент рации активного хлора в воде (8–10 мг/дм3).