Технологія безалкогольних напоїв

Конспект лекцій

для студентів спеціальностей 7.05170106 та 8. 05170106

“Технології продуктів бродіння і виноробства”

для студентів денної, заочної та дистанційної форм навчання

Затверджено на засіданні

Кафедри технології органічних продуктів

Протокол № від 2013р.

Львів 2013

Березовська Н.І., Мельник С.Р. Технологія підготовки води у безалкогольній промисловості: Конспект лекцій з дисципліни „Технологія безалкогольних напоїв ч.1” для студентів спеціальностей 7.091704 та 8.091704 „Технологія бродильних виробництв та виноробства” денної та дистанційної форм навчання. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2009. – 66с.

 

У конспекті лекцій приведені нормативні показники якості та безпечності природних вод як джерел водопостачання підприємств безалкогольної промисловості, які включають бактеріологічну, органолептичну, санітарно-хімічна оцінку їх якості та хімічний склад

У конспекті наголошено на важливу роль у воді – сировині для підприємств безалкогольної промисловості сполук вугільної кислоти та їх вплив на стабільність води.

Належна увага у конспекті приділена питанням знезараження природних вод фізичними, хімічними, термічними та біологічними методами. Подана характеристика знезаражуючих агентів.

Розглянуті способи водопідготовки природних вод для технологічних і технічних потреб, запропонована їх класифікація.

Запропоновані механічні способи очистки природних вод з метою їх освітлення та знебарвлення з застосуванням хімічних реагентів і без них, а також охарактеризовані способи пом’якшення природних вод термічними, реагентними та іонообмінними методами

Приділена увага технології очистки води, запропоновані технологічні схеми водоочистки із описом технології та короткою характеристикою апаратів.

Рекомендовано для підготовки спеціалістів, магістрів спеціальностей 7.091704 та 8. 091704 „Технологія бродильних виробництв та виноробства” денної та дистанційної форм навчання.

 

Відповідальний за випуск: З.Г.Піх, д–р хім. наук, професор

Рецензент: В.В. Реутський, д–р техн. наук, професор

ЗМІСТ

ЛЕКЦІЯ 1. ПРИЗНАЧЕННЯ І ПОКАЗНИКИ ЯКОСТІ ВОДИ – СИРОВИНИ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА БЕЗАЛКОГОЛЬНИХ НАПОЇВ... 4

ЛЕКЦІЯ 2. ОРГАНОЛЕПТИЧНІ ТА САНІТАРНО-ХІМІЧНІ ПОКАЗНИКИ ЯКОСТІ ВОДИ... 11

ЛЕКЦІЯ 3. ІОННИЙ СКЛАД ВОДИ. ПОКАЗНИКИ СТАБІЛЬНОСТІ ВОДИ... 16

ЛЕКЦІЯ 4. СПОЛУКИ КАРБОНАТНОЇ КИСЛОТИ... 22

ЛЕКЦІЯ 5. СПОСОБИ ОСВІТЛЕННЯ ТА ЗНЕБАРВЛЕННЯ ПРИРОДНИХ ВОД... 28

ЛЕКЦІЯ 6. ЗНЕЗАРАЖЕННЯ ПРИРОДНИХ ВОД... 34

ЛЕКЦІЯ 7. СПОСОБИ ПОМ’ЯКШЕННЯ ВОДИ... 41

ЛЕКЦІЯ 8. ІОНООБМІННЕ ПОМ’ЯКШЕННЯ ПРИРОДНИХ ВОД... 50

ЛЕКЦІЯ 9. ОПРІСНЕННЯ ТА ЗНЕСОЛЕННЯ ПРИРОДНИХ ВОД... 56

ЛЕКЦІЯ 10. ТЕХНОЛОГІЧНІ СХЕМИ ПІДГОТОВКИ ВОДИ У БЕЗАЛКОГОЛЬНІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ. 61

 

 

 

Лекція 1. Призначення та показники якості води - основної сировини для виробництва безалкогольних напоїв

План лекції

1. Вода – основна сировина для виробництва безалкогольних напоїв.Характеристика основних показників якості технологічної води.

2. Граничнодопустимі концентрації забрудників води.

3. Функції води, основні джерела водопостачання підприємств безалкогольних виробництв.Класифікація домішок води.

4. Органолептичні та фізичні показники якості води.

5. Санітарно-хімічні показники якості води:

a. окиснимість води (перманганатна, біхроматна);

b. хімічне та біохімічне споживання кисню;

c. характеристика азотовмісних сполук води.

1. Якості води у виробництві безалкогольних напоїв (БН) приділяють належну увагу, оскільки вона є базовим компонентом безалкогольних напоїв, а отже, і головною сировиною, властивості якої визначають їх технологію, вихід, фізико-хімічні та органолептичні показники.

Воду, яку використовують у виробництві безалкогольних напоїв, за призначенням поділяють на технологічну та технічну.

Вода технологічна входить до складу напоїв або безпосередньо контактує з напівфабрикатами у технологічному процесі. Воду технічного призначення використовують для забезпечення технологічного процесу та функціонування підприємства загалом, вона безпосередньо не контактує з сировиною, напівфабрикатами та готовою продукцією.

Водне середовище досить сприятливе для розвитку мікроорганізмів, зокрема і хвороботворних. Епідеміологічну безпечність технологічної води характеризують біологічні та бактеріологічні показники якості (табл. 1).

Біологічні показники визначають при водозаборі з відкритих водойм, вони характеризуються видовим складом і загальною кількістю клітин водоростей у 1 дм³ води.

Таблиця 1

Бактеріологічні показники безпечності питної води

№ з/п	Показник	Одиниця виміру	Нормативне значення
1.	Загальна кількість клітин мікроорганізмів у 1см^3досліджуваної води (ЗМЧ)	Колоні-утворюючі одиниці - КУО/см^3	Не більше 100
2.	Загальна кількість клітин бактерій групи кишкових паличок (коліформних мікро-організмів) у 1дм^3досліджуваної води	КУО/дм^3	Не більше 3
3.	Загальна кількість клітин термостабільних кишкових паличок (фекальних коліформ) у 100 см^3досліджуваної води	КУО/100см^3	–
4.	Загальна кількість клітин патогеннихмік-роорганізмів у 1 дм^3досліджуваної води	КУО/дм^3	–
5.	Загальна кількість клітин коліфагів в 1 дм^3досліджуваної води	Бляшкоутворюючіодиниці/дм^3	–

Радіаційну безпечність питної води визначають за граничнодопустимими рівнями сумарної об’ємної активності альфа та бета випромінювачів, які наведені у табл. 2.

Таблиця 2

Показники радіаційної безпечності питної води

№ з/п	Показник	Одиниця виміру	Нормативне значення
1.	Загальна об’ємна активність a-випромінювачів	Бк/дм^3	0,1
2.	Загальна об’ємна активність β-випромінювачів	Бк/дм^3	1,0

Органолептичні показники якості води характеризують приємні органолептичні властивості води і включають нормативи для речовин, які зустрічаються у природних водах, додаються до неї в процесі обробки як реагенти і з’являються в результаті промислових, сільськогосподарських, побутових та інших видів забруднень джерел водопостачання (табл. 3).

Таблиця 3

Органолептичні показники якості питної води

№ з/п	Показник	Одиниця виміру	Нормативне значення	Клас безпеки
1.	Запах	ПР*		-
2.	Каламутність	НОК**	0,5 (1,5)***	-
3.	Колірність	град.	20 (35)	-
4.	Присмак	ПР		-
5.	Водневий показник, рН	Одиниці	6,5-8,5	-
6.	Мінералізація загальна	мг/дм^3	1000 (1500)
7.	Твердість загальна	мг-екв/дм^3	7 (10)	-
8.	Сульфати	мг/дм^3	250 (500)
9.	Хлориди	мг/дм^3	250 (350)
11.	Мідь	мг/дм^3	1,0
12.	Манган	мг/дм^3	0,1
13.	Ферум	мг/дм^3	0,3
14.	Хлорфеноли	мг/дм^3	0,003

* – показник розбавлення; ** – нефелометричні одиниці каламутності;

*** –зазначені в дужках значення, допускаються при конкретних ситуаціях.

Токсикологічні показники якості води характеризують нешкідливість її хімічного складу та включають нормативи для речовин, які зустрічаються у природних водах, додаються до води в процесі її обробки у вигляді реагентів і з’являються в результаті забруднень джерел водопостачання. Питна вода за токсикологічними показниками якості повинна відповідати вимогам, які наведені у табл. 4.

Показники фізіологічної повноцінності питної води визначають адекватність мінерального складу біологічним потребам організму та контролюють максимально допустимі й мінімально необхідні кількості біогенних елементів у воді (табл. 5).

Якщо вода не відповідає вище переліченим вимогам, її певним чином підготовляють, однак це не стосується очистки мінеральних вод.

Таблиця 4

Токсикологічні показники якості питної води

№ з/п	Показник	Одиниця виміру	Нормативне значення	Клас безпеки
	Неорганічні компоненти
1.	Алюміній	мг/дм^3	0,2(0,5)*
2.	Барій	мг/дм^3	0,1
3.	Нітрати	мг/дм^3
4.	Флуор	мг/дм^3	1,5
	Органічні компоненти
5.	Тригалогенметани (сума)	мг/дм^3	0,1
6.	Пестициди (сума)	мг/дм^3	0,0001	**
	Інтегральні показники
	Окиснимість (KMnO4)	мг O2 /дм^3	4,0	-
8.	Загальний органічний вуглець	мг/дм^3	3,0	-

*– значення, зазначені в дужках, допускаються при обробці води реагентами, які містять алюміній; ** – перелік контрольованих пестицидів встановлюють з урахуванням конкретної ситуації.

Таблиця 5

Показники фізіологічної повноцінності мінерального складу питної води

№ з/п	Показників	Одиниця виміру	Рекомендовані значення
1.	Мінералізація загальна	мг/дм^3	не більше 1000,0 не менше 100,0
2.	Твердість загальна	мг-екв/дм^3	не більше 7,0 не менше 1,5
3.	Лужність загальна	мг-екв/дм^3	не більше 6,5 не менше 0,5
4.	Магній	мг/дм^3	не більше 80,0 не менше 10,0
5.	Флуор	мг/дм^3	не більше 1,5 не менше 0,7

Технічну воду використовують для процесів охолодження, в паросиловому господарстві та як засіб миття. Вимоги до неї інколи жорсткіші, як до технологічної. Придатність води для охолодження визначається такими показниками: низькою температурою, малою карбонатною та незначною не карбонатною твердістю, низьким вмістом колоїдів, малою корозійною активністю. У ній не повинні створюватись сприятливі умови для розвитку біологічного наросту.

Вода для паросилового господарства не повинна містити домішок, здатних викликати відкладення накипу, спінювання котлової води, винесення солей з парою та корозію металу. Особливо небажана у воді силікатна кислота, яка здатна утворювати щільний осад з низькою теплопровідністю.

Технологічна вода, яка містить більше як 3 мг/дм³ кисню, небезпечна для паросилового обладнання, бо сприяє корозії металу апаратури.

Вказані у таблицях нормативні значення для питної води, як правило, дорівнюють або є меншими від граничнодопустимих концентрацій (ГДК) цих речовин у воді.

 

2. Величина ГДК встановлена для більшості сполук і визначається мінімальним з трьох нижчеперелічених показників підпорогових концентрацій (ППК):

- органолептичної (ППК_ОРГ) – максимально-допустимої концентрації речовини або іону, які не впливають на органолептичні показники води;

- санітарного режиму водойми (ППК_СРВ) – максимально-допустимої концентрації речовини або іону, яка в природних умовах не впливає на біоценоз (сукупність живих організмів) водойми;

- токсикологічної (ППК_ТОКС) – максимально-допустимої концентрації речовини або іону, яка не має негативного токсикологічного впливу на людей і тварин.

При виявленні у воді токсичних, радіоактивних речовин та хімічних сполук з однаковою лімітуючою ознакою шкідливості, сума відношень визначених концентрацій у воді до їх ГДК не повинна перевищувати 1:

де С ₁, С ₂, С _n – концентрації відповідних хімічних речовин у воді, мг/дм³,

ГДК ₁, ГДК ₂, ГДК_n – їхні граничнодопустимі концентрації мг/дм³.

Вода є основним компонентом БН та квасу, її вміст у напоях досягає 90–99%. Як сировина для одержання напоїв вода виконує функції:

ü розчинника екстрактивних речовин сировини, які формують характер і органолептичні характеристики напоїв: смак, аромат, колір і прозорість;

ü одного з найважливіших компонентів напою, який безпосередньо та у взаємодії з іншими складовими визначає його характер і властивості;

ü теплоносія, який надає напоям освіжаючі властивості;

ü власне води, яка задовольняє фізіологічну потребу організму людини у волозі, необхідній для його життєдіяльності.

3. Вода надходить на підприємства з міського водопроводу, артезіанських свердловин, ґрунтових вод і відкритих водойм.

Найціннішим видом водних ресурсів є підземні артезіанські води. Вони залягають на значній глибині, не піддаються дії зовнішнього середовища і завдяки цьому мають сталий хімічний склад солей та газів, майже не містять органічних речовин і бездоганні у відношенні мікробіологічної чистоти.

За відсутності джерел такого типу експлуатують:

ü ґрунтові води - між пластові безнапірні та тріщинно-карстові води, які залягають над першим від поверхні землі водонепроникним шаром ґрунту та утворюються з інфільтраційних вод;

ü поверхневі води - води відкритих водойм, склад солей та характер домішок у яких змінюється упродовж року. Використання морської води у технології безалкогольних напоїв можливе після її знесолення.

Залежно від походження, вода містить різні розчинені речовини, гази Ці речовини потрапляють у воду з атмосфери та ґрунту за рахунок життєдіяльності та відмирання тваринних і рослинних організмів, з господарськими, промисловими та побутовими стоками.

Домішки природних вод за їх фізико-хімічними властивостями поділяють на чотири групи (таблиця 6):

Таблиця 6

Класифікація домішок води

Група   Фазова характеристика	Гетерогенні системи	Гомогенні системи
І	ІІ	ІІІ	ІV
Діаметр частинок, см	>10^–5	10^–5–10^–7	10^–7–10^–8	<10^–8
Фізико-хімічна характеристика	грубо дисперсні домішки: суспензії, емульсії, планктон патогенні мікроорганізми	домішки колоїдного ступеня дисперсності: органічних та неорганічних речовини, віруси	домішки молекулярного ступеня дисперсності: гази, органічні речовини	домішки іонного ступеня дисперсності: солі, кислоти, основи

Загальний вміст солей у воді називають загальною мінералізацією (М_заг) визначають на основі аналізу катіонно-аніонного складу води та виражають у мг/дм³ або г/дм³ води.

Вміст розчинених речовин у воді визначають за результатами катіонно-аніонного аналізу або випарюванням її відфільтрованої проби з наступним висушуванням залишку до постійної маси (сухий залишок).

4. Органолептичні показники якості води визначаються її природним запахом, смаком, колірністю, каламутністю та прозорістю.

Смаки та присмаки у природних водах з’являються внаслідок природного чи штучного забруднення. Розрізняють чотири основних смаки води: солоний, гіркий, солодкий та кислий. Решта численних смакових відчуттів складається з основних і називається присмаками. Так, надмір у воді NaCl зумовлює солоний, СаSO4 – в’яжучий, MgSO4 – гіркий, MnCl2 та FeCl2 - болотистий смаки тощо.

Запахи природних вод мають біологічне походження та з’являються в результаті життєдіяльності та відмирання вищих рослин, актиноміцетів, плісеневих грибів, бактерій, а також масового розвитку планктонних організмів (цвітіння води). Запахи характеризують описово: землистий, гнилісний, рибний, аптечний, фенольний, хлорний, хлорфенольний, камфорний. Причиною запахів можуть бути також домішки промислових стоків (фенольний, нафтовий, смоляний). Одиниці вимірювання смаку та запаху - показник розбавлення (ПР).

Каламутність води зумовлена присутністю нерозчинних і колоїдних речовин неорганічного (силікатна кислота, гідроксиди феруму і алюмінію) та органічного (мул, мікроорганізми, планктон) походження.

Наявність у воді нерозчинних і колоїдних домішок також можна оцінити за її прозорістю, яку визначають у циліндрах з безбарвного скла висотою 30–50 см з плоским дном. Пробу вважають прозорою, якщо через шар води у циліндрі, розміщеному на відстані 2 см від контрольного тексту з висотою шрифту 4 см, можна прочитати текст і розрізнити присутні у ньому цифри. Товщина шару води у сантиметрах і характеризує прозорість води.

Колірність вод зумовлена присутністю високомолекулярних гумусових речовин (гумінових), сполук феруму (ІІІ), колоїдних сполук, суспензій глини та піску (різні відтінки жовтого та бурого), водоростей (сіро-зелені, темно-бурі та синьо-зелені відтінки). Гумусові речовини – органічні сполуки, які утворюються в процесі хімічного і біохімічного розкладу залишків рослин переходять у воду з ґрунту та складаються з гумінових та фульвокислот. Кількість домішок у воді, які зумовлюють колірність, залежить від від наявності торф’яників у басейні джерела води.

Гумінові кислоти мають ароматичні кільця ізо- та гетероциклічної будови. Ці сполуки складаються з 52–58% вуглецю, 3,3–4,8% водню та 34–39% кисню та мають приблизну хімічну формулу С₆₀Н₅₂О₂₄(СООН)₄. Гумінові кислоти розчинні у лужних середовищах, а в слабо кислих утворюють осад у вигляді темних пластівців. Водень карбоксильних груп заміщується легко катіонами, з утворенням солей гуматів. Гумати лужних металів розчинні, а гумати кальцію, феруму, алюмінію малорозчинні й здатні утворювати комплексні сполуки колоїдного типу. Частка гуматів у природних водах коливається від кількох до десятків міліграмів у дм³.

Решту забарвлених органічних речовин становлять фульвокислоти, в яких частка кренових кислот досягає 90%. Фульвокислоти, названі за їх жовте забарвлення, складаються на 45–48% з вуглецю, 5,2–6% водню та 43–48% кисню і також містять карбоксильні та фенолкарбоксильні функціональні групи. Солі алюмінію і феруму (ІІІ) таких кислот також малорозчинні.

Для якісної характеристики забарвлених органічних домішок використовують значення – коефіцієнта колірності – відношення колірності в градусах умовної шкали до окиснимості в мг О₂/дм³ води. Зміна цього відношення свідчить про відносне зростання у воді гумусових речовин або речовин не гумусового походження серед загальної кількості органічних сполук.

До фізичних показників води належить температура води, яка змінюється залежно від сезону для відкритих водойм і є більш постійною для підземних джерел водопостачання. У технології безалкогольних напоїв залежно від початкової температури воду або нагрівають, або охолоджують, враховуючи, що температура впливає на стан домішок, вибір способу водопідготовки та інші виробничі процеси.

 

5. У природних водах також присутні органічні домішки, які впливають на їх санітарно-хімічну характеристику. Ці органічні речовини можна розділити на дві групи:

- стійкі органічні сполуки – продукти розпаду рослинних і тваринних організмів водойм;

- нестійкі органічні речовини, які входять до складу фізіологічних відходів людей та тварин і потрапляють у водойми зі стічними водами.

Різноманітність складу органічних речовин затрудняє їхнє безпосереднє визначення у природних водах. Тому використовують непрямі методи, які дозволяють оцінити ступінь забруднення досліджуваної води. До них належать визначення окиснимості води, хімічного (ХСК) і біохімічного споживання кисню (БСК) та азотовмісних речовин.

а) Окиснимість води (О) визначає загальний ступінь забруднення води органічними сполуками, органічними та неорганічними відновниками, або речовинами які окиснюються сильними окисниками. Окиснимість характеризує загальний вміст у воді відновників, здатних реагувати з сильними окисниками. Її виражають у міліграмах кисню, що витрачається на окислення домішок у 1 дм³ води. Залежно від природи використовуваного під час аналізу окисника, розрізняють окиснимість перманганатну, біхроматну.

в) Біхроматну окиснимість називають хімічним споживанням кисню (ХСК). ХСК – це кількість кисню в мг або г на 1 дм³ води, необхідна для окиснення вуглецевмісних речовин до СО₂, Н₂О і NН₃, сірковмісних – до сульфатів, фосфоровмісних – до фосфатів.

Коли відомий хімічний склад домішок, то ХСК можна розрахувати за стехіометричним рівнянням окиснення склавши баланс по кисню:

.

, ,

.

Ступінь забруднення води органічними домішками можна оцінювати за її окиснимістю, якщо враховується вплив на її значення неорганічних відновників. Тому, за наявності у воді іонів Fe²⁺, сірководню, нітритів, їх вміст визначають окремо, а результат, перерахований на окиснимість, вираховують з окиснимості води.

Ступінь забруднення води органічними домішками також визначають за кількістю кисню, необхідного для окиснення органічних речовин під дією аеробних мікроорганізмів – мінералізаторів – облігатних і факультативних аеробів. Загальна кількість кисню, необхідна для окиснення органічних домішок за певний проміжок часу (5, 10 або 20 діб), називають біохімічним споживанням кисню (БСК) і виражають у мг О₂/дм³ чи м³ О₂/дм³.

Різниця між ХСК та БСК₂₀ може служити показником приросту мікробного середовища мулу. У виробничих стічних водах, як правило, ХСК перевищує значення БСК_ПОВН у два та більше разів. ХСК і БСК можна розглядати як загрозу антропогенної евтрофікації водойм.

с). Азотовмісні сполуки, які містяться у воді у вигляді іонів амонію, нітрит- та нітрат-іонів, з’являються у природних водах у результаті розкладу сечовини і білкових сполук, які потрапляють у водоймища з господарсько-побутовими стоками, а також зі стоками ряду хімічних підприємств.

Білкові речовини під дією мікроорганізмів розкладаються з утворенням аміаку: ,

наявність якого у воді завжди свідчить про її забруднення стічними водами. Така вода непридатна для пиття. Розчинений у ній аміак нестійкий, і внаслідок фізико-хімічних та біохімічних процесів переходить в інші форми азоту. Спочатку за наявності у воді розчиненого кисню бактерії Nitrobacter окиснюють його до нітритів:

,

а нітрити – до нітратів:

Процес перетворення називають нітрифікацією азоту.

Дані аналізу на вміст різних форм азоту у воді дозволяють зробити висновок про давність забруднення водойми органічними домішками. Зокрема, наявність у воді аміаку і відсутність нітритів, вказують на свіже забруднення води; їх сумісна присутність – на те, що з моменту забруднення пройшов деякий час; відсутність аміаку за наявності нітритів і, особливо, нітратів – про давнє забруднення води.

Сполуки азоту входять до групи біогенних речовин, оскільки вони впливають на життєдіяльність організмів у воді. Присутність сполук азоту в водоймищах викликає масовий розвиток водоростей ("цвітіння" води), а в охолоджуючій апаратурі зумовлює обростання труб, підводних споруд водоростями. Для побутово-господарських потреб використовують воду, яка містить <0,2 мг/дм³ амонійного, <0,001 мг/дм³ нітритного і < 45мг/дм³ нітратного азоту.