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饮料用水生产及原理


饮料用水及水处理
摘要:水是饮料生产中的主要原料,在日常用的各种饮料中,85%以 上的成分是水。水质的好坏直接影响着饮料的质量,制约着饮料生 产企业的生存和发展。本文详细阐述了饮料用水的水质要求和饮料 用水的处理。了解天然水源的类型及特点。了解水质对饮料品质的 影响,掌握饮料用水的水质要求。掌握饮料用水处理的基本原理、 方法与步骤。 关键字:饮料用水,水质,要求,处理。

一、 饮料用水的水质要求 在大部分饮料产品中,水占 85%~95%。水:主要原料和原料的溶 剂。水质的好坏将直接影响到饮料产品的质量一、饮料用水的来源 来自于:地下水、地表水、自来水。地下水:经过地层的渗透、过 滤,进入地层并存积在地层中的天然水,主要包括深井水、泉水和 自流井水。地表水:地球表面所存积的天然水,包括江水、河水、 湖水、水库水、池塘水等。自来水:地表水经过适当的水处理工艺, 水质达到一定要求并储存在水塔中的水。 二、水中杂质对饮料生产的影响 1、天然水源中的杂质 悬浮物,>200nm,浑浊,胶体物质,1~200nm,光照下浑浊溶 解物,<1nm,透明 (1)悬浮物主要为:泥土、沙粒等无机物质,及浮游生物(藻 类)和微生物等。对饮料品质的影响。沉淀,生成瓶底积垢或絮状

沉淀的蓬松性微粒。碳酸饮料灌装时使 CO2 迅速消耗,造成瓶内灌 装高度不一致。有害微生物会影响风味、引起产品变质。 (2)胶体物质特性:光线照射上去,被散射而呈浑浊的丁达尔 现象。因吸附水中大量离子而不能自行下沉,具有胶体稳定性。包 括:无机胶体和有机胶体物质无机胶体物质:如黏土、硅酸胶体, 造成水质浑浊。有机胶体物质:高分子物质,如腐殖酸、腐殖质等, 使水质带色。 (3)溶解物主要是:溶解气体、溶解盐类、其他有机 物。溶解气体:主要是 O2、CO2,还有 H2S、Cl2 等。影响 CO2 的溶 解,产生异味,影响产品的风味和色泽。溶解盐类:主要是 Ca2+、 Mg2+ 、Fe2+ 、Mn2+ 、HCO3- 、CO32- 、SO42- 、Cl- 等。构成水 的硬度和碱度。 2、饮料用水的硬度和碱度(1)水的硬度分类:暂时硬度:碳 酸盐硬度 Ca(HCO3)2 → CaCO3↓+CO2↑+H2O。Mg (HCO3)2 → Mg(OH)2↓ +2CO2↑永久硬度:非碳酸盐硬度 Ca2+、Mg2+的氯化物、 硫酸盐、硝酸盐等盐类(2)水硬度的计算与单位水的总硬度:暂时 硬度+永久硬度计算公式 1-1, 单位: P7 mmol/L, 德国度 (°d) 1mmol/L: 1L 水中含有相当于 100mg 的 CaCO3。1 德国度(°d) : 1L 水中含 有相当于 10mg 的 CaO。1mmol/L =2.804 德国度(°d) 水硬度的分 类:饮料用水:硬度<8.5 °d(3.03mmol/L)水硬度过大时,对饮 料品质的影响:易使设备、金属容器产生水垢,玻璃瓶透明度降低, 饮料产生浑浊和沉淀;降低碳酸化程度、降低饮料的酸度,改变饮 料的风味,并易变质;Fe2+ 、Mn2+ 接触空气易被氧化而沉淀,造

成饮料浑浊、变色、风味变差等;非碳酸盐硬度过高时,出现盐味。 3)水的碱度:水中能与 H+结合的 OH-、CO32- 、HCO3- 含量, mmol/L。OH-:氢氧化物碱度 CO32- :碳酸盐碱度 HCO3- :重碳酸 盐碱度碱度过大时对饮料的影响:与金属离子反应,形成水垢,产 生不良气味;与有机酸反应,改变饮料的糖酸比和风味;影响 CO2 溶解量;造成饮料酸度降低,利于微生物生长;与果汁的某些成分 反应,产生沉淀。 4) 水的硬度与碱度的关系 H 总>A 总 H 总= A 总 H 总< A 总天 然水的总碱度一般与其暂时硬度相当。 三 饮料用水的处理 采用一定技术手段对不符合饮料用水要求的水质进行改良的过 程称为水的处理。水处理的实质是:除去水中的固体物质,降低水 的硬度和含盐量,杀灭微生物以及除去异味。水源的水质分析→了 解水中杂质种类、状态→选择水处理的工艺和设备水处理的一般程 序:混凝→过滤→软化→消毒 一、混凝:指在水中加入某些溶解盐类,使水中的细小悬浮物 或胶体微粒互相吸附结合而成较大颗粒,从水中沉淀的过程。溶解 盐类→混凝剂混凝的一般顺序:原水→加氯→加膨润土→加混凝剂 →加 pH 调节剂→加助凝剂。混凝原理胶体物质的特性:不易沉降, 稳定。同一种胶体,带有同性电荷,同性相斥,相互间不能黏结, 不能形成大的聚团。在水中加入相反电荷的混凝剂,与胶体电性中 和,破坏胶体稳定性,胶体之间聚集形成絮状物,同时,将悬浮物

裹入其中,小颗粒→大颗粒,沉降,水澄清。2、混凝剂主要有:铝 盐、铁盐铝盐:明矾、硫酸铝、碱式氯化铝等。铁盐:硫酸亚铁、 硫酸铁、氯化铁。作用机理:自身先溶解形成胶体,再与水中杂质 作用,以中和或吸附的形式将杂质凝聚成大颗粒而沉降。助凝剂: 为了提高混凝效果,加速沉降,而加入的辅助物质。常用助凝剂: 活性硅酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠(CMC-Na);高分子物质:聚 丙烯胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯等;pH 调节剂:酸、碱、石灰等;黏 土:增加水的浑浊度,以加速混凝。 二、过滤过滤是净化水的一项重要工艺过程。过滤不仅能够除去 水中的悬浮物、胶体物质等杂质,还能除去水中的异味、色泽、铁、 锰及微生物。过滤原理原理:原水通过粒状滤料层时,其中一些悬浮 物和胶体物质等被截留在孔隙中或介质表面, 从而将水中的不溶性杂 质分离。 过滤过程包括: 阻力截留: 大颗粒杂质被截留在滤料孔隙间, 使孔隙越来越小,以截留更多的杂质。重力沉降:杂质因重力作用沉 降到滤料颗粒表面。接触凝聚:过滤介质与杂质颗粒之间产生吸附作 用。2、过滤工艺过程包括:过滤、冲洗两个过程。过滤:原水除去 杂质生产清水的过程。冲洗:从滤料表面冲洗掉污物,使之恢复过滤 能力的过程。过滤与冲洗的水流方向相反,冲洗→反冲,反洗。3、 过滤方式池式过滤(罐式过滤)砂滤棒过滤超滤活性炭过滤,池式过 滤将过滤介质(滤料)填于池(罐)中,进行过滤。滤料:砂、石英 砂、石头、无烟煤、磁铁矿、石榴石等。垫层:设置于滤料层与配水 系统之间,防止滤料进入配水系统,并使冲洗时能均匀布水。一般采

用天然卵石或碎石。 (2)砂滤棒过滤砂滤棒:又名砂芯,细微颗粒的 硅藻土和骨灰等可燃性物质成型后高温焙烧而成。孔隙 0.002~0.004mm。适用于水中只含有机物、细菌及其他杂质时的处理。 一般作精滤用,滤出的水可达到基本无菌。砂滤棒使用前应进行消毒 处理:75%酒精,或 0.25%新洁尔灭,或 10%漂白粉,浸泡 30min。 (3) 超滤采用孔径为 0.0001~0.1μ m 或更小的超滤膜过滤水, 将其中的大 分子或微细粒子分离。 超滤属于膜分离技术, 目前广泛应用于水处理、 果汁澄清处理以及物质的分离浓缩等领域。超滤装置的核心是:超滤 膜,由一层具有对大分子、微粒截留筛分作用的表面活性层和一层高 强度多孔性支持膜复合而成。 (4)活性炭过滤活性炭:多孔性物质, 吸附力很强,可将水中的有机物除去 90%以上。过滤器底部为 0.2~0.3m 卵石及石英砂,上层为 1.0~1.5m 活性炭。活性炭具腐蚀作 用,采用铁制容器应涂抹防腐材料。定期进行反冲洗和通蒸汽处理, 以除渣、灭菌并还原失效的活性炭。活性炭过滤常与砂滤棒过滤串联 使用。 三、硬水软化饮料生产中用水:洗瓶用水、锅炉用水、配制饮 料用水、清洗用水等均对水的硬度有较高要求。在使用前须进行软化 处理,降低水中 Ca2+、Mg2+含量。软化方法:石灰软化法,离子交 换法,电渗析法,反渗透法。1、石灰软化法在水中加入石灰等化学 试剂,在不加热条件下除去 Ca2+、Mg2+,降低水的硬度。特点:成 本低廉,操作简易。能除去水中的 CO2 和绝大部分碳酸盐硬度;能除 去水中的部分铁、硅化合物;但是,不能除去水中的非碳酸盐硬度。

本法一般用作水的初步处理。 (1)原理生石灰配制成石灰乳: CaO +H2O →Ca (OH)2 石灰乳加入水中,除去 Ca(HCO3)2 、 Mg (HCO3)2 、CO2: Ca(OH)2 +CO2 → CaCO3↓+H2O Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 →2CaCO3↓+2H2O 2Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 → Mg(OH)2↓+2CaCO3↓+2H2O Ca(OH)2 + MgCO3→ CaCO3↓+ Mg(OH)2↓ (2)石灰添加量计算 经验法每降低 1m3 水的暂时硬度 1od,添加纯 CaO 10g;每降低 1m3 水中 CO2 浓度 1mg /L,加纯 CaO 1.27g。3)石灰软化设备间歇 法设备:圆柱形锥底容器。涡流反应器:外形类似锥体的涡流反应 池。连续法处理:加速澄清池 2、离子交换法利用离子交换树脂交换 离子的能力,将原水中不需要的离子通过交换除去,使水软化。离 子交换树脂:有机分子单体聚合而成,高分子化合物,多孔的网络 结构。类别:阳离子交换树脂、阴离子交换树脂阳离子交换树脂: 吸附水中的 Ca2+、 Mg2+等阳离子; 阴离子交换树脂: 吸附水中的 Cl-、 HCO3-、SO42-、 CO32-等阴离子。含盐量降至 5~10mg/L 以下,硬

度接近 0,pH 近中性。 (1)离子交换树脂的处理、转型新树脂使用 前,须进行交换以除去混入的杂质。阳离子交换树脂:多为 Na+型, 使用前用酸处理。阴离子交换树脂:多为 Cl-型,使用前用碱处理。 (2)离子交换树脂的再生具有一定的交换容量,处理一定水量后, 交换能力下降,柱子产生黑圈→“老化”离子交换树脂的再生→恢

复树脂的交换能力:冲洗:洗至柱中无结块→去除树脂上杂质与气 泡。再生:添加再生液使树脂转变为 H+、OH-型。阳离子交换树脂: 2~3 倍 5%~7% HCl 溶液, 8~10h。 阴离子交换树脂:2~3 倍 5%~8% NaOH 溶液,8~10h。调节 pH:去离子水洗至 pH 3~4( 阳) ;8~9( 阴) 。 (3)离子交换水处理装置固定床离子交换圆筒钢罐,水处理在同一 装置中进行,离子交换树脂不移动。操作简单、所需设备少、水质 稳定。装置组合方式:单床、多床、复床、混合床、双层床。连续 床离子交换 3、反渗透法 RO,一种膜分离技术。原理:以半透膜为介质,对被处理水的一侧施 压,使水穿过半透膜,进行水的纯化。 (1)常用 RO 膜:醋酸纤维素 (CA)膜、芳香聚酰胺纤维素(PA)膜。膜的主要参数:透水率:脱 盐率:抗压实性:膜的压力系数 m(2)反渗透装置及其流程反渗透 装置:膜组件 + 泵反渗透膜组件类(3)反渗透的特点与注意事项特 点:透水量大、脱盐率高,能够除去胶体物质,水的利用率高。注意 事项:对原水的水质有要求,应进行预处理;定期进行反渗透器的清 洗。4、电渗析法电荷同性相吸、异性相斥。原理:在具有良好选择 透过性和导电性的离子交换膜外通直流电,使水中的阴、阳离子定向 移动,分别通过阴、阳离子交换膜而除去,从而使水净化。 (1)电渗析器对原水的水质要求浑浊度:<2mg/L 游离余氯: ≤ 0.3mg/LFe ≤0.3mg/L;Mn ≤0.1mg/L;非电解杂质少;4℃ ~ 40℃。 (2)电渗析器使用的注意事项使用前应进行预处理(新膜、电渗析

系统) ;使用中随时控制极限电流和工作电流;定期清除水垢;停止 运行时,应采取有效措施保护离子交换膜。 (3)电渗析的特点优点水 处理连续化、自动化;除盐率高,>90%;水质软化过程中不需要任 何化学试剂;特别适合于含盐量高的水质软化;缺点:耗电量大;设 备投入和运行费用高;水的利用率低,一般在 50%左右;不能制备高 纯水。 四、水的消毒国内常用消毒方法 有氯消毒;紫外线消毒;臭氧消毒等。1、氯消毒广泛应用于: 生活水处理、无自来水为水源的饮料厂的水处理。特点:操作简单, 费用低,杀菌能力强,处理量大,无需使用设备;存在残留余氯,使 水有异味;过量的氯会与饮料中的色素和香料发生氧化反应。 (1)氯 消毒原理 Cl2 + H2O→HClO + H+ + Cl-HClO →H+ + ClO-pH<7 时, HClO 多保持分子状态,扩散到带负电的细菌表面,并渗入细胞膜, 依靠氯的氧化作用破坏菌体内的酶,导致细菌死亡。pH>7 时,HClO 分子解离,ClO-带负电荷,难以靠近同带负电荷的细菌,消毒作用极 小。 (2)加氯方法和加氯量加氯方法过滤前加氯:原水水质差,加氯 量大。过滤后加氯:原水水质好,加氯量少,消毒效果好。加氯量: 作用氯:与水中微生物、有机物、还原性盐类起作用的部分。余氯: 保持水在加氯后有持久的杀菌能力的部分。一般投氯量: 0.5~2.0mg/L。 (3)常用的氯消毒剂漂白粉氯气 + 熟石灰反应而得; 主要成分为 CaOCl2 ,在水中产生 HClO;含氯量 60%~70%。漂粉精次 氯酸钠氯胺水中的氨与氯化合而成消毒剂;氯胺在水中分解缓慢,逐

渐放出 HClO,杀菌效能较好;应用较多,尤其是在自来水厂。2、紫 外线消毒波长 140~490nm 的不可见光, 尤其是 250~260nm 波长的杀菌 效果最好。原理:微生物经紫外线照射后,其细胞内核酸结构发生裂 变, 破坏核酸的正常生理功能, 使蛋白质变性, 最终导致微生物死亡。 特点:杀菌速度快、效率高、操作简单;产品无异味;灯管寿命短, 成本高。 (1) 影响紫外线杀菌效果的因素水质: 水质好, 杀菌效果好。 水流量:相同水质,同一杀菌器内,流量越大,杀菌效果越差。灯管 周围介质的温度:温度低,杀菌效果降低。一般保持 25~35℃。3、 臭氧消毒新生态氧:非常活泼,特别强的氧化剂,使水中的细菌及其 他微生物的酶、 有机物等发生氧化反应, 几分钟就能杀死细菌。 特点: 杀菌效果好,速度快,设备复杂,成本较高。

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