Pivovarennaya_inzheneria_ / Глава 4

Для подавления жизнеспособности спорообразующей микрофлоры необходимо при менение повышенных доз хлора и более длительного контакта его с обрабатываемой водой.

К недостаткам хлорирования следует отнести приобретение обработанной водой запаха хлора, а также (при наличии в воде фенолов) возможность образования хлор фенолов, содержание которых в воде даже в минимальных концентрациях (более 0,015 мг/дм3) оказывают негативное влияние на вкус пива, в то время как содержание фенолов в воде до 10 мг/дм3 практически не влияет отрицательно на вкус пива, посколь ку они улетучиваются вместе с испарениями при кипячении технологических сред.

В связи с этим после обработки хлором и умягчения воду в производстве напитков подвергают дехлорированию в сорбционных угольных фильтрах, описанных далее в разделе 4.3.5. Содержание активного хлора в воде после дехлорирования не должно превышать 0,3 мг/дм3.

4.3.2.3. Облучение воды ультрафиолетом

На предприятиях по производству напитков используют установки для обеззара живания воды ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 200–295 нм. При этом механизм стерилизации обусловлен фотохимическим действием на протоплазму и вол новым влиянием на ферменты бактериальных клеток. Вследствие этого гибнут как вегетативные, так и споровые разновидности бактерий.

Установки для обработки воды ультрафиолетом бывают открытого типа с непог ружными источниками облучения и закрытого типа с погружными источниками об лучения. Максимальным бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 253,7 нм. Источниками излучения могут быть аргонно ртутные лампы БУВ низкого давления и ртутно кварцевые лампы ПРК высокого давления. Срок служ бы ламп при непрерывном облучении воды составляет 4000–6000 ч; при периодичес кой работе ресурс ламп сокращается в зависимости от частоты включений.

Установка открытого типа представляет собой лоток, изготовленный из нержавеющей стали, над которым смонтировано 15 ламп БУВ. Вода на облучение поступает в лоток и протекает по нему под лампами. Толщина слоя воды должна быть до 8 см, а расстояние от поверхности воды до источника излучения — не более 18 см. Для увеличения пути движе ния воды по лотку в нем делают продольные перегородки, благодаря чему вода протекает, многократно изменяя направление потока, подобно движению в лабиринте.

Установки закрытого типа с погружными источниками излучения (рис. 4.8) пред ставляют собой несколько последовательно соединенных цилиндрических камер 2. В центре каждой камеры находится цилиндр из кварцевого стекла, в котором размещена бактерицидная лампа 5. Кварцевый чехол защищает лампу от контакта с водой, но сво бодно пропускает ультрафиолетовые лучи. Вода входит в патрубок 1, а выводится через патрубок 3. В камере она проходит по спирали вокруг цилиндра 6. Кран 4 в днище пред назначен для полного слива воды из камеры. Рабочее давление воды 0,5 МПа.

Каждая установка состоит из четырех камер. Производительность установок для закрытого типа облучения колеблется от 1 до 30 м3/ч. Характеристика бактерицидных ламп, применяемых в установке для обеззараживания минеральных и питьевых вод, приведена в табл. 4.7.

1

Примечание. Цифры в обозначениях типа ламп показывают номинальную мощность ламп, буква П — погружной источник излучения.

Обеззараживание воды ультрафиолетом требует применения относительно высо ких затрат на оборудование, обеспечение периодического контроля и замену ультра фиолетовых ламп. К тому же эффективность обеззараживания зависит от толщины облучаемого слоя, помутнения и окрашенности обрабатываемой воды. К достоинствам облучения воды ультрафиолетом относят безреагентность и инертность к органолеп тическим свойствам воды.

4.3.2.4. Озонирование воды

Озон (от греч. ozon — пахнущий) был открыт в 1840 г. Озон — простое вещество, состоящее из трех атомов кислорода О3, является одной из высокоэнергетических разновидностей кислорода.

Озон представляет собой голубой газ, обладающий резким характерным запахом, ощущающийся даже в минимальных концентрациях (1:500 000). Озон в 1,5 раза тяже лее воздуха, поэтому при утечках распространяется в нижней части помещения. Озон весьма нестоек и быстро разлагается, превращаясь в кислород.

С 1873 г., после выявления способности озона убивать болезнетворные микро бы, его стали применять для дезинфекции воды на водоочистных станциях. На пример, с 1910 г. начали применять озонирование воды в России на водоочист ной станции в Санкт Петербурге. Помимо своих бактерицидных свойств, озон обладает сильной окислительной способностью.

Но с 20 х годов ХХ в. озонирование повсеместно (за исключением Франции) было вытеснено относительно недорогим и технически более простым способом хлорирова ния воды, и лишь спустя несколько десятилетий — в 50 е годы — интерес к озонирова нию начал возрождаться.

Вприроде озон образуется при грозовых электрических разрядах или под действием ультрафиолетовых лучей солнца. Озоновый слой, играя роль защитного экрана, задержи вает вредные ультрафиолетовые излучения и обеспечивает условия жизни на Земле. Озон чрезвычайно ядовит, поэтому в воздухе допустимы лишь очень малые его концентрации.

Впромышленности озон получают при неподвижном электрическом разряде в спе циальных аппаратах — озонаторах. Принцип генерации озона прост: сухой обеспыленый воздух пропускают между двумя полюсами в поле высокого напряжения 6000–15 000 В,

вкотором после кратковременных вспышек фиолетового цвета образуется воздухоозо новая смесь. При работе озонатора образуется тепло, которое необходимо отводить.

Принцип обеззараживания воды озоном заключается в следующем: из озонатора образующуюся воздухоозоновую смесь подают в поток обрабатываемой воды, при этом нестойкая молекула озона легко разлагается на обыкновенную молекулу кисло рода с выделением атомарного кислорода, который, являясь сильным окислителем, разрушает клеточные мембраны, способствуя тем самым гибели микрофлоры. Расход озона составляет обычно 0,2–0,5 г/м3, а продолжительность контакта 5–10 мин.

Как и хлорирование, озонирование гораздо эффективнее по отношению к вегетатив ным неспорообразующим формам микрофлоры, а бактерицидное действие его также не мгновенно и зависит от продолжительности контакта обеззараживаемой воды с озоном.

Способ обеззараживания воды озонированием относительно дорог, но по эффектив ности, пожалуй, превосходит все остальные способы. К тому же озонирование эколо гично, способствует устранению привкусов и запахов обрабатываемой воды, а также снижает ее цветность. Однако следует учитывать, что озонирование способствует кор розии оборудования и трубопроводов.

4.3.2.5. Обработка воды ионами серебра

Бактерицидные свойства серебра известны из глубокой древности. Даже в нич тожно малых концентрациях (сотые доли мг/л) ионы серебра способны оказывать ги бельное влияние на микроорганизмы. Большинство микроорганизмов погибает даже при соотношении 1 части серебра на 100 000 000 частей воды. Такое токсичное влия ние на микроорганизмы ионов серебра в микроскопических количествах, недостаточ ных для определения, называют олигодинамическим. Оно обусловлено чрезвычайно высокой чувствительностью протоплазмы клеток микроорганизмов к ионам серебра.

Обработку воды ионами серебра осуществляют в ионаторах, представляющих со бой проточные сосуды с размещенными в них серебряными электродами, к которым подведен постоянный электрический ток.

Бактерицидное действие серебра проявляется преимущественно на вегетативных неспоровых формах микроорганизмов и зависит от продолжительности контакта обез зараживаемой воды с ионами серебра, которая обычно составляет около 1 ч.

В процессе серебрения вода не изменяет вкус, запах и содержание минеральных веществ.

4.3.2.6. Обработка воды ультразвуком

Механизм обеззараживания воды ультразвуковыми волнами заключается в том, что при значительных мощностях вблизи поверхности генератора ультразвуковых колебаний происходит кавитация — разрыв жидкости и образование пустот. Под воз действием кавитации клетки микроорганизмов разрываются на отдельные фрагмен ты, обеспечивая при этом стерилизацию воды. Ультразвуковое обеззараживание воды находит пока ограниченное применение в промышленности.

4.3.3. Обезжелезивание воды

Вода с содержанием железа более 0,2 мг/дм3 не может быть использована для при готовления безалкогольных напитков, поскольку они будут крайне нестойки. В воде пивоваренного назначения содержание железа не должно превышать 0,1 мг/дм3.

Принцип обезжелезивания воды заключается в переводе железосодержащих соедине ний из растворенного в нерастворенное состояние с последующим их удалением из воды фильтрованием. В природных водах железо содержится главным образом в растворенном состоянии в виде гидратированных ионов Fe2+, которые при воздействии окислителя мо гут превращаться в трехвалентное Fe3+, образующее нерастворимые соединения. В каче стве окислителей железа обычно используют хлор, кислород, перманганат калия и др.

Для обезжелезивания (дефферизации) воды применяют различные методы, в частности:

•аэрацию;

•коагулирование;

•известкование;

•катионирование;

•комбинацию некоторых перечисленных способов.

Аэрацию воды осуществляют в специальных колоннах, в которых мелко распылен ная вода движется сверху вниз противотоком с воздухом (поз. 9 на рис. 4.1).

Одним из наиболее эффективных способов обезжелезивания является комбини рованный способ, представляющий собой сочетание известкования и аэрации. Обра ботку воды хлорной известью, аэрацию и последующее фильтрование осуществляют в специальном аппарате — дефферизаторе (рис. 4.9).

Дефферизатор представляет собой корпус 3, внутри которого размещен резервуар 5. В верхней части корпуса расположен патрубок 2 для подвода исходной воды. В кор пус встроено механическое перемешивающее устройство 1.

Внутреннее пространство резервуара сообщается с внутренним пространством кор пуса благодаря вертикальной переточной трубе 7, нижняя часть которой имеет отвер стия для протока воды. Внутри нижней части трубы расположен барботер 9, к которо му подводят сжатый воздух, что способствует лучшей циркуляции, перемешиванию и аэрированию воды. Расход воздуха регулируют вентилем.

На дне резервуара установлено дренажное устройство 8, на которое уложена насадка 11 — слой гравия или колец Рашига. Дренажное устройство соединено патрубком, по кото рому обезжелезенная вода отводится наружу. На верхней части резервуара расположен пат рубок 6 для вывода промывной воды в процессе промывки аппарата обратным током. В дни ще корпуса расположен патрубок 10 для отвода шлама. При смешивании воды с хлорной известью, подаваемой из мерника 4, осуществляют интенсивное перемешивание мешалкой.

Исходная вода через патрубок поступает в корпус, в который одновременно подают из мерника 4 хлорную известь.

Обработанная вода проходит через слой насадки и выводится из резервуара через дренажное устройство.

Рис. 4.9. Принципиальное устройство дефферизатора:

1 — перемешивающее устройство; 2 — патрубок для подвода воды; 3 — корпус; 4 — мерник; 5 — резервуар; 6 — патрубок для отвода воды; 7 — переточная труба; 8 — дренажное устройство;

9 — барботер; 10 — патрубок для отвода шлама; 11 — насадка

Для удаления из воды железа и марганца предназначены также катионитовые фильтры (табл. 4.8).

Таблица 4.8

Технические характеристики катионитовых фильтров для удаления железа и марганца, выпускаемые фирмой

Jurby Watertech International

4.3.4. Умягчение воды

Целью умягчения и обессоливания воды является удаление из нее тех солей, которые могут неблагоприятно влиять на протекание технологических процессов и качество готовой продукции. Вода, жесткость которой превышает 6,419 мг экв./дм3, для приготовления на питков не пригодна и подлежит умягчению. Для этого применяют следующие способы:

•термическую обработку (кипячение);

•известкование;

•обессоливание методом ионного обмена;

•обессоливание мембранными методами (обратный осмос, нанофильтрация, элек троосмофильтрация).

4.3.4.1. Термическая декарбонизация воды

При термической обработке воду кипятят, при этом часть растворимых гидрокар бонатов щелочно земельных металлов разлагается на нерастворимые карбонаты с вы делением диоксида углерода:

При этом карбонат кальция (СаСО3) почти полностью осаждается и остается нера створимым даже в холодной воде. В то же время карбонат магния (МgСО3) выпадает в осадок медленно и не полностью, а при охлаждении воды снова переходит в раство ренное состояние. Поэтому для его удаления применяют фильтрование воды в горя чем виде либо добавляют в горячую воду гипс (CаSO4) или хлористый кальций (СаСl2), взаимодействие с которыми протекает следующим образом:

Следует учитывать, что разложение гидрокарбоната кальция на карбонат кальция и диоксид углерода обратимо, поэтому для предотвращения осуществления реакции

вобратном направлении необходимо обеспечить удаление СО2 из кипящей воды. В связи с этим наилучшего эффекта декарбонизации достигают при применении пе ремешивания и аэрации, поскольку при этом одновременно из воды удаляются не только диоксид углерода, но и железо.

Кнедостаткам термической декарбонизации воды относят: высокие затраты на осу ществление; необходимость охлаждения воды перед непосредственным применением

втехнологическом процессе; непостоянство показателей умягчения и неполное удале ние карбоната кальция.

4.3.4.2. Декарбонизация воды известкованием

Известковый способ. Этот способ декарбонизации основан на способности гидрокар бонатов превращаться в карбонаты при добавлении к воде насыщенного раствора извести.

При этом гидроксид кальция реагирует с диоксидом углерода и гидрокарбонатами с образованием труднорастворимого карбоната кальция, выпадающего в осадок:

Для удаления осадка обработанную известковым раствором воду фильтруют через гравийно песочный фильтр.

Известковый способ прост и дешев, однако он обеспечивает неполное устранение карбонатной (преимущественно магниевой) жесткости и требует точного дозирова ния извести, поскольку при ее избытке повышается щелочность воды.

Известково!содовый способ. В основе этого способа лежит сочетание способности извести (при взаимодействии ее с гидрокарбонатами) снижать временную (карбонат ную) жесткость (как показано выше) и способности кальцинированной соды Nа2СО3 (при взаимодействии с солями постоянной жесткости — сульфатами и хлоридами кальция и магния) снижать постоянную (некарбонатную) жесткость.

Сульфаты кальция и магния взаимодействуют с кльцинированной содой следую щим образом:

Аналогично взаимодействуют с кальцинированной содой хлориды кальция и магния:

Образующийся в результате этих реакций карбонат магния взаимодействует с из вестью следующим образом:

Известково содовым способом можно снизить жесткость воды только до 1,4– 1,8 мг экв./дм3, что обусловлено частичной растворимостью CаСО3 и Mg(ОН)2.

4.3.4.3.Адсорбционная обработка воды

Вводоподготовке широко применяют адсорбционные процессы, в которых осуще ствляют поглощение одного или нескольких компонентов из исходной воды твердым веществом — адсорбентом. Адсорбция, как и другие процессы массопередачи, избира тельна и обратима. Благодаря ее обратимости возможна десорбция — выделение по глощенных веществ из адсорбента в процессе его регенерации.

Среди адсорбционных процессов наибольшее применение в водоподготовке нахо дят ионный обмен, осуществляемый для умягчения воды, и обработка воды на уголь ных фильтрах, проводимая прежде всего для дехлорирования и дезодорации воды,

атакже для удаления из нее органических соединений.

4.3.4.3.1. Ионообменное умягчение воды

Умягчение воды методом ионного обмена основано на способности некоторых твер дых материалов обменивать в эквивалентных количествах свои ионы на находящиеся в растворе ионы с зарядом того же знака. Такие материалы, практически не раствори мые в воде и обладающие подвижными ионами, называют ионитами. Иониты, содер жащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором подвижными аниона ми, называют анионитами, а иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называют катионитами. Иониты, обла дающие способностью обменивать как анионы, так и катионы, называют амфолитами.

Вотличие от обычных адсорбционных процессов ионный обмен, осуществляемый между ионитом и водным раствором, обычно связан с протеканием гетерогенной хи мической реакции между ионообменным материалом и химическими соединениями, находящимися в растворе.

Механизм ионного обмена обусловлен структурой и свойствами ионита. В основ ном ионный обмен происходит под действием электростатических сил. Свойства мно гих ионитов связаны с их способностью к набуханию в водных растворах, которое сопровождается значительным повышением давления.

Впроцессе ионного обмена из воды удаляют ионы жесткости (кальция и магния), заменяя их ионами натрия.

Для умягчения воды ионообменными способами используют природные глины (гла укониты), искусственные пермутиты, сульфоугли, а в последнее время преимуществен но применяют синтетические ионообменные смолы, которые обладают большой об менной емкостью, высокой избирательностью к отдельным ионам, химической стойкостью и механической прочностью. Характеристики некоторых материалов, ис пользуемых в Na катионитовых фильтрах, приведены в табл. 4.9.

Таблица 4.9

Технические характеристики некоторых катионитов

Ионообменные материалы с течением времени (после прохождения определенного количества воды) теряют свою обменную способность. Восстановление прежней ионо обменной емкости осуществляют в процессе регенерации раствором хлорида натрия. При этом ионы кальция и магния замещаются ионами натрия и с регенерирущим ра створом удаляются в дренаж. Объем умягченной воды, получаемой между циклами

регенерации, зависит не только от типа и объема ионообменного материала, но и от удельного расхода соли, потребляемой при регенерации. Для некоторых ионообмен ных смол этот показатель может достигать 240 г/дм3. Кроме того, емкость ионообмен ных смол зависит и от скорости (м3/ч) их обработки солевым раствором, которая должна в 2–7 превышать объем смолы (м3) в час.

В практике водоподготовки применяют Na и Н катионитовое умягчение как индиви дуально, так и в различных сочетаниях (параллельно или последовательно). При Н кати онировании повышается кислотность воды, а при Na катионировании возрастает щелоч ность обработанной воды (при наличии в исходной воде карбонатной жесткости).

Применение ионного обмена целесообразно при обработке воды, в которой содер жание солей не превышает 1,5 г/дм3. При более высокой концентрации солей гораздо экономичнее применять мембранные методы деминерализации воды.

4.3.4.3.2. Ионообменная установка на основе Na!катионитового фильтра

На предприятиях пивобезалкогольной отрасли наиболее распространены ионооб менные установки (рис. 4.10) на основе Na катионитовых фильтров.

Исходная

вода

Рис. 4.10. Ионообменная установка на основе Na катионитового фильтра:

1, 2, 5, 6, 7, 8, 9 — вентиль; 3 — Na катионитовый фильтр; 4 — напорный бак; 10 — солерастворитель

Na катионитовый фильтр (рис. 4.11) представляет собой вертикальный закрытый стальной корпус 1 цилиндрической формы. Вверху его имеется люк 2 для загрузки кварцевого песка и катионита, внизу такой же (на рисунке не показан) для ревизии и ремонта дренажной системы 3, закрепленной в бетонированном днище фильтра. Дре нажная система представляет собой коллектор с боковыми ответвлениями из труб с заглушенными концами. К этим трубам на равном расстоянии приварены небольшие патрубки, на которые навернуты колпачки с отверстиями.

В канализацию

Рис. 4.11. Na катионитовый фильтр:

1 — корпус; 2 — люк; 3 — дренажная система; 4 — распределительная система; 5 — сборный ящик

В старых конструкциях фильтров днище до основной трубы дренажной системы за полнено бетоном, на него уложено несколько слоев кварцевого песка или дробленого антрацита для предотвращения уноса катионита умягченной водой. Крупность зерен кварцевого песка уменьшается снизу вверх: в нижнем слое 20–30 мм, в верхнем — 1,5–2 мм. На верхний слой кварцевого песка насыпают слой катионита высотой около 1,5 м.

Подстилочный слой из кварцевого песка значительно уменьшает полезную вмести мость фильтра, поэтому в новых конструкциях фильтров делают бесподстилочное дре нажное устройство в виде днища с равномерно распределенными щелями шириной 0,4–0,5 мм. Это позволяет высвободить до 40% вместимости Na катионитового фильтра.

Распределительная система 4 предназначена для подачи в фильтр регенерационного раствора поваренной соли, подвода сырой и отвода промывной воды. Воздух удаляется