Способ подготовки воды для пищевых производств
Владельцы патента RU 2531404:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение может быть использовано для подготовки водопроводной воды предприятиями пищевых производств, в частности при производстве безалкогольных напитков. Способ включает очищение воды от механических примесей путем фильтрации, обработку воды импульсным ультразвуковым полем с частотой 22±1,65 кГц, мощностью ультразвукового колебания 120-200 Вт, интенсивностью порядка 10-20 Вт/см2 и экспозицией 3-5 мин. Затем воду повторно фильтруют и обрабатывают ультрафиолетовым излучением длиной волны 200-250 нм. Способ обеспечивает упрощение технологии обработки питьевой воды при одновременном увеличении степени очистки воды от нежелательных примесей и получение воды требуемого качества. 2 ил., 1 табл., 3 пр.
Изобретение относится к способам подготовки питьевой воды и может быть использовано для подготовки водопроводной воды предприятиями пищевых производств, в частности при производстве безалкогольных напитков. Известны способы подготовки и очищения воды путем использования ультразвуковой обработки.
Известен способ подготовки питьевой воды, в котором производят ультразвуковую обработку полем с интенсивностью (1÷70)·104 Вт/м2, создаваемым гидродинамическим генератором, и одновременно для насыщения питьевой воды кислородом осуществляют подачу кислородосодержащего газа (RU 2333156, C02F 1/34, заявл. 15.02.2006, опубл. 10.09.2008).
Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, необходимость утилизации образующихся отходов, а также ограниченность применения, поскольку для ряда пищевых производств насыщение воды кислородом является нежелательным, в частности для безалкогольного производства.
Известен способ очистки воды от неорганических и органических веществ, включающий прокачивание очищаемой воды через гидродинамический излучатель в режиме кавитации (RU №2333154, C02F 1/34, заявл. 16.04.2007, опубл. 10.09.2008). Способ предусматривает подачу газовой фазы, содержащей озон с концентрацией более 10 г/м3, поступление потока из гидродинамического излучателя в контактную камеру перед преграждающей поверхностью и фильтрование воды от твердых взвесей.
Недостатком данного способа является то, что из-за насыщения озоно-воздушной смесью вода приобретает высокую окислительную способность и становится коррозионно-активной, кроме того, озон - токсичный газ, поэтому любое его использование требует тщательного контроля техники безопасности.
Наиболее близким по технологической сущности к заявляемому изобретению является способ обработки воды, включающий воздействие электрогидравлическим ударом, при котором воду одновременно обрабатывают импульсным ультразвуковым полем с частотой не более 1,3 кГц и интенсивностью порядка 37-51 Вт/см2 (RU 2301199, C02F 1/48, заявл. 28.11.2005, опубл. 20.06.2007).
Недостатком данного способа является его ограниченные функциональные возможности за счет направленности только на уменьшение солевых отложений, а также трудоемкость за счет необходимости утилизации образующихся отходов и использования специального оборудования.
Задачей изобретения является упрощение технологии обработки питьевой воды для пищевых производств, преимущественно безалкогольного производства, при одновременном увеличении полноты очистки воды от нежелательных примесей и получении воды заданного качества (повышении эффективности процесса очистки).
Указанная задача решается тем, что в способе подготовки воды для пищевых производств, включающем очищение воды от механических примесей путем фильтрации, обработку воды импульсным ультразвуковым полем, согласно изобретению, обработку воды ультразвуковым излучением осуществляют с частотой 22±1,65 кГц, мощностью ультразвукового колебания 120-200 Вт, интенсивностью порядка 10-20 Вт/см2 и экспозицией 3-5 мин, затем воду повторно фильтруют и обрабатывают ультрафиолетовым излучением длиной волны 200-250 нм.
Необходимость обеспечения высокого качества питьевой воды для производства пищевых продуктов, в частности безалкогольных напитков, связано с тем, что даже незначительные отклонения в качестве воды могут привести к резкому снижению качества готовой продукции. Требования к качеству питьевой воды для производства безалкогольных напитков определяется технологической инструкции по водоподготовке ТИ 10-5031536-73-90.
| Требования к воде по ТИ-10-5031536-73-10 для производства безалкогольных напитков (выборочно) | |
| Регламентируемый показатель | |
| рН | 3-6 |
| Жесткость, мг-экв./л | 0,7 |
| Общее микробное число (ОМЧ), КОЕ/мл | |
| ≤25 | |
Так, присутствие в воде микроорганизмов в количествах выше допустимых может привести к образованию посторонних запахов, ухудшению вкуса напитка, помутнению, образованию осадка в готовом напитке.
Повышенная общая жесткость используемой воды могут придать напитку солоноватый привкус и привести к образованию осадка.
Для корректировки рН воды приходится дополнительно вносить лимонную кислоту, что заметно увеличивает себестоимость продукции.
Таким образом, в зависимости от источников водоснабжения и состава питьевая вода, используемая для технологических нужд безалкогольного производства, должна подвергаться обработке с целью корректировки ее химического состава и обеспечения микробиологической чистоты.
Известно, что воздействие ультразвуковых колебаний на воду приводит к изменениям ее структуры, что, в свою очередь, в различной степени отражается на свойствах и показателях качества воды.
Изменение структуры и свойств воды определяются рядом эффектов, вызываемых ультразвуковой обработкой. Одним из наиболее мощных эффектов является кавитационная дезинтеграция, вызывающая диссоциацию молекулы воды и разрушение субстанций, в ней присутствующих.
Кавитация является достаточным по энергетике и весьма эффективным процессом деструкции воды. Кавитационная дезинтеграция как результат воздействия первичного и вторичного звуков акустического поля кавитации вызывает разрушение водородных связей внутри ассоциатов молекул воды, что повышает ее гидратационную активность.
Химическое действие УЗ можно описать следующим образом. В кавитации участвуют пузырьки, наполненные паром жидкости и/или растворенных летучих веществ. Газообразные молекулы воды, попавшие в растущие микропузырьки, разрушаются, как при пиролизе, образуя гидроксильные радикалы и протон:
H2O→HO-+Н+.
Следует заметить, что некоторые эффекты кавитационной дезинтеграции могут действовать уже в отсутствие кавитации, т.е. возникают так называемые вторичные эффекты кавитационной дезинтеграции. Так, если вода, предварительно подвергнутая кавитационной обработке, сохраняет электрический заряд, обусловленный неравновесным содержанием ионов, до контакта с объектом, то эффект разрушающего действия гидроксилов становится «трансферентным» (Шестаков, С.Д. Технология и оборудование для обработки пищевых сред с использованием кавитационной дезинтеграции // С.Д. Шестаков, О.Н. Красуля, В.И. Богуш, И.Ю. Потороко. М.: Изд-во «ГИОРД», 2013. - 152 с.).
Из литературы известны высокие антибактериальные свойства ультрафиолетового (УФ) излучения (см., например, Л.А. Кульский. Основы химии и технологии воды. Киев: Наукова думка, 1991). Установлено также усиление бактерицидных свойств УФ, при предварительной обработке воды УЗ, которое снижает количество взвешенных частиц в воде, повышая, таким образом, эффективность УФ.
Были проведены исследования по возможности применения ультразвуковой обработки в технологии подготовки воды для пищевых производств, изучены ее влияние на основные показатели качества воды и ее микробиологическую чистоту.
С целью установления эффективного режима обработки проводились пробные лабораторные испытания. Для контроля был выбран образец водопроводной воды (исходные показатели качества: рН - 7,9; жесткость - 8,2 мг-экв./л; ОМЧ - 19 КОЕ/мл).
Для обоснования рационального режима ультразвукового воздействия был исследован процесс изменения рН, общей жесткости и микробного числа в зависимость от мощности реактора и экспозиции. Исследования показали, что при использовании предлагаемой технологии водоподготовки снижается рН воды, общая жесткость и общее микробное число по сравнению с контрольным образцом воды.
Установлено, что рН в среднем снижается при обработке УЗ в течение 3 мин на 0,29-0,34 ед. от контрольного значения; в течение 5 мин обработки - на 0,34-0,36 ед. от контрольного значения. Определено, что на снижение рН мощность ультразвукового колебания практически не влияет.
Ультразвуковая обработка воды приводит к снижению значений показателя общей жесткости, в среднем на 20% от исходного значения при обработке мощностью 160 и 200 Вт в течение 3 мин; воздействие УЗ в течение 5 мин при указанных значениях мощности позволяет снизить значение жесткости еще лишь на 5-7%.
Интенсивность же снижения общей жесткости при обработке мощностью 120 Вт в течение 3 и 5 мин значительно уступает результатам обработки воды мощностью ультразвука 160 и 200 Вт.
Изобретение поясняется изображениями, где на фиг.1 показан график, на котором дана зависимость рН от мощности и экспозиции УЗ воздействия, а на фиг.2 - график, на котором дана зависимость общей жесткости от мощности и экспозиции УЗ воздействия.
Помимо этого, снижается значение общего микробного числа (ОМЧ) воды за счет разрушающего действия ультразвуковой кавитации на клетки микроорганизмов.
Определение ОМЧ воды показало, что максимальный эффект достигается при обработке воды мощностью реактора 200 Вт в течение 5 минут воздействия - снижение ОМЧ на 44%.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
На воду, очищенную от механических примесей путем фильтрации, воздействуют ультразвуковым излучением в режиме: частота 22±1,65 кГц, мощность ультразвукового колебания 120-200 Вт, интенсивность порядка 10-20 Вт/см2, экспозиция 3-5 мин, затем воду повторно фильтруют и обрабатывают ультрафиолетовым излучением длиной волны 200-250 нм.
В результате рН снижается в среднем на 0,29-0,36 ед., общая жесткость - на 16-22%, общее микробное число - на 32-44%.
Пример 1.
На воду, очищенную от механических примесей путем фильтрации, воздействуют ультразвуковым излучением в режиме: частота 22±1,65 кГц, мощность ультразвукового колебания 160 Вт, интенсивность порядка 10 Вт/см2, экспозиция 4 мин, затем воду повторно фильтруют и обрабатывают ультрафиолетовым излучением длиной волны 200 нм.
В результате рН снижается в среднем на 0,32 ед., общая жесткость - на 18%, общее микробное число - на 38%.
Пример 2.
Осуществляется аналогично примеру 1, при следующих режимах: частота 22±1,65 кГц, мощность реактора 120 Вт, интенсивность порядка 15 Вт/см2, экспозиция 5 мин. Длина волны УФ излучения 225 нм.
В результате рН снижается в среднем на 0,34 ед., общая жесткость - на 17%, общее микробное число - на 32%.
Пример 3.
Осуществляется аналогично примеру 1, при следующих режимах: частота 22±1,65 кГц, мощность реактора 200 Вт, интенсивность порядка 15 Вт/см2, экспозиция 3 мин. Длина волны УФ излучения 250 нм.
В результате рН снижается в среднем на 0,3 ед., общая жесткость - на 20%, общее микробное число - на 42%.
Таким образом, использование предлагаемой технологии водоподготовки на основе ультразвукового воздействия для пищевых производств, в частности безалкогольной промышленности, позволяет эффективно корректировать свойства воды в части таких показателей как рН, общая жесткость и общее микробное число.
В зависимости от исходных свойств воды режимы технологии водоподготовки можно корректировать с учетом предложенных примеров.
Способ подготовки воды для пищевых производств, включающий очищение воды от механических примесей путем фильтрации, обработку воды импульсным ультразвуковым полем, отличающийся тем, что обработку воды ультразвуковым излучением осуществляют с частотой 22±1,65 кГц, мощностью ультразвукового колебания 120-200 Вт, интенсивностью порядка 10-20 Вт/см2 и экспозицией 3-5 мин, затем воду повторно фильтруют и обрабатывают ультрафиолетовым излучением длиной волны 200-250 нм.
