автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.15, диссертация на тему:Совершенствование технологии подготовки воды и ее влияние на качество безалкогольных напитков

4854340

ТУМАНОВА ТАМАРА АЛЕКСАНДРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ (НА ПРИМЕРЕ НАПИТКА "ТАРХУН")

Специальность - 05.18.15 Технология и товароведение продуктов функционального и специализированного назначения и общественного питания

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ОЕЗ20П

Кемерово 2011

4854340

Диссертационная работа выполнена в ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности на кафедре «Аналитическая химия и экология»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Краснова Тамара Андреевна

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Помозова Валентина Александровна

кандидат технических наук Ковалевская Инна Николаевна

Ведущая организация: ОАО «КемВод», г.Кемерово

Защита состоится « » февраля 2011 в « » час на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, ауд.1217

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

Автореферат разослан « » 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационного исследования. На

сегодняшний день проблема обеспечения населения безопасными и полноценными продуктами питания приобретает социальную значимость. Потребителю следует тщательно подходить к выбору продуктов, как массового потребления, так и специального назначения, т.к. от этого во многом зависит его здоровье. Известно, что основным видом сырья при производстве безалкогольных напитков является вода. От ее состава в значительной степени зависит качество выпускаемой продукции: прозрачность, вкус, стойкость и показатели безопасности.

В производстве безалкогольной продукции используется вода из системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Классическая технология водоподготовки не обеспечивает полную очистку воды от органических веществ. На сегодняшний день принимаются меры для ужесточения требований к качеству воды, применяемой для производства напитков, и производители сталкиваются с проблемой дополнительной очистки воды. К приоритетным загрязнителям питьевых вод относят фенолы и формальдегид. Фенолы встречаются практически во всех поверхностных и подземных водах, формальдегид образуется в качестве побочного продукта при обеззараживании воды озоном в процессе водоподготовки, а также поступает в водную среду в результате сброса промышленных сточных вод и за счет вымывания его из атмосферного воздуха. Помимо токсического действия фенола и формальдегида, существует вероятность их взаимодействия с компонентами напитка, что может привести к снижению качества продукции.

В связи с этим исследования, направленные на изучение влияния фенола и формальдегида на качество безалкогольных напитков и разработку технологии доочистки воды, используемой для их производства, являются актуальными и своевременными. К наиболее целесообразному варианту решения проблемы удаления органических компонентов можно отнести применение активных углей (АУ). Работы в этом направлении практически не проводятся и требуют своего практического решения.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии подготовки воды и оценка ее влияния на потребительские показатели качества безалкогольных напитков на примере напитка «Тархун».

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

провести маркетинговые исследования по изучению потребительских предпочтений жителей г. Кемерово в отношении безалкогольных газированных напитков в т.ч. напитка «Тархун»;

- исследовать влияние приоритетных загрязнителей (фенол, формальдегид), содержащихся в воде, на рецептурные компоненты напитка «Тархун»;

- изучить влияние состава, структуры, пористости, удельной поверхности сорбентов на процесс адсорбции формальдегида и фенола из индивидуальных растворов и их смеси в статических условиях для получения основных параметров необходимых для инженерных расчетов; I.

- исследовать кинетику процесса адсорбции формальдегида и фенола из водных растворов при совместном присутствии на сорбентах различных марок, определить лимитирующую стадию массопереноса, коэффициенты внешнего массопереноса, необходимые для инженерных расчетов;

- провести оптимизацию параметров и режимов сорбционного фильтра на основе фундаментального уравнения внешнедиффузионной динамики адсорбции и экспериментально подтвердить адекватность предлагаемого метода расчета;

- разработать технологию до адсорбционной очистки воды от формальдегида и фенола при их совместном присутствии;

- провести сравнительные комплексные исследования товароведных свойств безалкогольного напитка «Тархун», произведенного по предлагаемой и традиционной технологии водоподготовки.

Научная новизна:

• Впервые установлено влияние приоритетных загрязнителей воды (фенола и формальдегида), служащей основой напитка «Тархун» на его органолепти-ческие свойства (вкус, запах, внешний вид, стойкость цвета). Показано, что рецептурные компоненты напитка «Тархун» вступают в химическое взаимодействие с фенолом и формальдегидом, снижая качество напитка.

• Установлен механизм взаимодействия фенола и формальдегида с АУ. Показано, что адсорбция смеси фенола и формальдегида, для всех изученных марок углей протекает в основном в микро- и мезопорах адсорбентов по объемному механизму заполнения пор, определяется физической природой, обусловленной неспецифическим взаимодействием фенола и формальдегида с поверхностью угля за счет Ван-дер-ваальсовых сил и специфическим взаимодействием с кислородсодержащими функциональными группами углеродных сорбентов.

• Определен механизм и коэффициенты массопереноса при адсорбции фенола и формальдегида.

• Предложен новый метод расчета динамики адсорбции на основе фундаментального уравнения внешнедиффузионной динамики адсорбции с использованием адсорбционных констант уравнения Дубинина-Радушкевича и кинетических зависимостей.

• Проведена сравнительная товароведная оценка потребительских свойств напитка «Тархун», полученного на основе водопроводной и очищенной воды. Показано, что доочистка питьевой воды от приоритетных контаминантов повышает качество и увеличивает длительность хранения напитка «Тархун».

Практическая значимость состоит в разработке технологии адсорбционной доочистки воды, используемой для производства напитков от фенола и формальдегида. Данная технология внедрена на ООО «Хрустальное» (г. Кемерово) в производстве питьевой воды, на основе которой производится газированный напиток «Тархун». Результаты работы используются при изучении дисциплины «Экология», а так же в научных исследованиях и спецкурсах при подготовке студентов специальностей

260204 «Технология бродильных производств и виноделие» и 260501 "Технология продуктов общественного питания" Кемеровского технологического института пищевой промышленности.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались на V Международной научно-практической конференции «Пища, Экология. Качество» (Новосибирск, 2008); XI Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2008); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2008); Международной научно-практической конференции «Безопасность пищевых продуктов и товаров народного потребления» (Алматы, 2008, 2009); Международной научно-практической конференции «Инженерные системы - 2009» (Москва, 2009); Международной научно-практической конференции «Чистая вода 2009» (Кемерово, 2009); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и легкой промышленности» (Алматы, 2009); Международной научно-практической конференции «Наука и ее роль в современном мире» (Караганды, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, отражающих ее основное содержание, в т.ч. 5 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложений. Основной текст изложен на 194 страницах. Диссертация содержит 38 таблиц, 59 рисунков. Список использованных источников включает 128 наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе представлен обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной вопросам качества и товароведной оценки напитков. Рассмотрены технологии производства безалкогольных газированных напитков. Приведены сведения о функциональных свойствах напитка «Тархун» и история его создания. Освещены физико-химические свойства формальдегида и фенола. Указаны возможные источники поступления формальдегида и фенола в окружающую среду, показано их токсическое действие на организм человека и экосистемы. Рассмотрены закономерности, определяющие процесс адсорбции органических веществ из водных растворов: влияние природы сор-бтива, растворителя, сорбента; теории, описывающие процесс адсорбции; дана общая характеристика пористых углеродных адсорбентов.

Во второй главе изложены основные характеристики объектов исследования: водных растворов формальдегида и фенола, активных углей АГ-3, АБГ и КсАУ; рецептурных компонентов напитка (сахар, настой тархуна, лимонная кислота, ванилин, индигокармин, тартразин) и напитка «Тархун». Рас-

смотрены методы социологического опроса и товароведной оценки напитка «Тархун». Приведены методы определения лимонной и аскорбиновой кислоты, сахарозы, формальдегида и фенола, изучения равновесия, кинетики и динамики сорбционного процесса и исследования свойств АУ, формулы для математической обработки экспериментальных данных процесса адсорбции смеси фенола и формальдегида.

Общая структура исследований состоит из пяти этапов, и представлена на рисунке 1.

На начальном этапе изучены потребительские предпочтения населения г. Кемерово в отношении безалкогольных напитков. Исследование проводили при помощи социологического опроса жителей города. На втором этапе исследовано влияние приоритетных загрязнителей содержащихся в воде -фенола и формальдегида на рецептурные компоненты напитка «Тархун»: сахар, настой тархуна, лимонную кислоту, ванилин, индигокармин, тартразин. Третий этап посвящен разработке технологии доочистки питьевой воды от смеси фенола и формальдегида. На четвертом - проведены сравнительные комплексные исследования товароведных свойств напитка «Тархун», приготовленного на воде очищенной по традиционной и предлагаемой технологиям.

В третьей главе представлены результаты собственных исследований.

Рисунок 1 - Схема проведения исследований

Изучение потребительских предпочтений населения г. Кемерово в отношении газированных напитков

С целью изучения потребительских предпочтений различных слоев населения в отношении безалкогольных напитков проведено анкетирование жителей г. Кемерово. В опросе участвовало 503 человека. 30% респондентов в возрасте до 20 лет, 39% - от 20 до 35 лет, 20% в возрасте 35-50 лет и 11% -старше 50. Значительная часть опрошенных - работающее население (45%), 30% пенсионеры, 15% студентов, 10% - не имели работы.

При ответе на вопрос «Как часто Вы покупаете газированные напитки?» - 43% респондентов ответили, что чаще приобретают напитки в весенне-летний периоды, 3 7% - на праздники, 10% - по мере необходимости и 10% в осенне-зимнее время года (рисунок 2).

по мере необходимости

осень - зима

Рисунок 2 - Распределение ответов респондентов на вопрос «Как часто Вы покупаете газированные напитки?»

При ответе на вопрос «Какие марки газированных напитков Вам известны?» опрашиваемые выделили 10 наименований (рисунок 3): 20% респондентов назвали напиток «Coca-cola», 16% - «Лимонад» и «Тархун», 9% отметили «Крем-сода» и «Pepsi», 8% опрошенных - «Спрайт», 6% -напиток «Дюшес» либо «Байкал», 5% - «7 Ар» и 4% - «Тоник».

5 % 4%

"Крем-Сода" "Тархун"

Рисунок 3 - Распределение ответов респондентов на вопрос «Какие марки газированных напитков Вам известны?»

При ответе на вопрос «Тонизирующие напитки, каких наименований Вы предпочитаете?» опрашиваемые выделили 6 наименований (рисунок 4)'. 25% респондентов отдали предпочтение напитку«Соса-Со1а», 18% назвали «Тархун», 14% - «Спрайт», 13 % - «Pepsi» либо «Байкал», 8% отметили «Тоник».

"Спрайт" "Тархун" "Тоник" "Байкал "Coca-Cola" "Pepsi"

О 5 10 15 20 25

Рисунок 4 - Потребительское предпочтение марок тонизирующих напитков

На вопрос «Какие газированные напитки вы предпочтете: на натуральном сырье или с использованием синтетических добавок» 70% респондентов отдали предпочтение натуральным компонентам напитка.

При ответе на вопрос «Какие полезные свойства напитка «Тархун» Вам известны» 83% отметили следующую функциональную направленность: утоляет жажду, тонизирует, снимает утомление, улучшает пищеварение, обладает лечебно-профилактическими действием, оставшиеся 17% затруднились ответить на этот вопрос.

На вопрос «Следует ли дополнительно обогащать напитки витаминами и другими незаменимыми нутриентами» 72% участников анкетирования ответили положительно, 10% - ответили «нет», 18% - затруднились ответить.

Из результатов социологического опроса можно сделать вывод, что безалкогольные напитки пользуются высоким спросом у населения, при этом предпочтение отдается напиткам на натуральной основе и отмечается необходимость их витаминизации. Из отечественных напитков потребители отдают предпочтение напитку "Тархун". В связи с этим в качестве объекта исследования был выбран данный напиток.

Исследование влияния фенола и формальдегида на рецептурные компоненты напитка «Тархун»

Изучено влияние органических примесей, присутствующих в воде (фенол, формальдегид), на рецептурные составляющие напитка: настой тархуна, лимонную кислоту, сахарозу, ванилин, красители (индигокармин, тартразин), концентрации которых в исследуемых образцах, взяты согласно технической документации РЦ 10-5031536-141-90.

Настой тархуна. Наблюдение за изменением интенсивности окраски настоя тархуна и его запаха проводили в течение 20 дней. Результаты представлены на рисунке 5.

| .........___......, .. ..........._......................... сутки

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Рисунок 5 - Изменение интенсивности окраски водных настоев тархуна в зависимости от времени: 1- водный раствор, содержащий формальдегид с добавлением настоя тархуна; 2-водный раствор, содержащий фенол с добавлением настоя тархуна; 3-водный раствор, содержащий смесь фенола и формальдегида с добавлением настоя тархуна

Установлено снижение интенсивности цвета водных растворов настоя тархуна, содержащих формальдегид, фенол и их смесь, которое, вероятно, обусловлено химическим взаимодействием компонентов входящих в состав эстрагона с приоритетными загрязнителями, содержащимися в воде.

Изначально в образце (1) отмечен плохо выраженный запах, который сохранялся в течение всего периода исследований, в образцах (2,3) появился слабый, несвойственный аптечный аромат.

Сахар. Наблюдение за изменением содержания сахарозы в образцах, в присутствии фенола и формальдегида, проводили в течение 14 дней. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1- Содержание сахарозы в образцах

Количество дней Водный раствор, содержащий фенол, % Водный раствор, содержащий формальдегид, %

1 97 70

3 85 61

6 82 55

8 71 40

14 66 35

Установлено (таблица 1), что за 14 суток наибольшее снижение содержания сахарозы наблюдалось в присутствии формальдегида (66%), наименьшее - фенола (35%). Потеря сахарозы, очевидно, обусловлена химическим взаимодействием сахарозы с фенолом и формальдегидом, содержащимися в воде.

сн.вд

/ж ом сахароза

СН.ОН

* ск,о»

/'Л

формальдегид ¿н

а-В-глюксп!1ранозм(1:2)-Р'П-6-0(4'-ыет!1ленокси)ФР)'ктоф)'раноащ

ен,он

,,рн А он

сахароза

НкОН Он

+

фенол

Н. ОН И

а - 0-глюко1шраноз1ш(1,2)-р-в-б-0-фегагафрукгофураноз1щ

Химическое взаимодействие органических примесей с сахарозой экспериментально подтверждено уменьшением концентраций фенола и формальдегида в присутствии сахарозы во времени, представленном на

]__....................................., ____________________сутки.

0 2 4 6 8 10 12 14

Рисунок 6 - Изменение концентраций фенола (2) и формальдегида (1) в индивидуальных растворах в присутствии сахарозы в воде во времени

Показано, что в день приготовления, концентрация формальдегида в образце 1 снизилось на 40%, фенола в образце 2 на 5%. За 14 суток в присутствии сахарозы произошло уменьшение концентрации формальдегида на 66%, фенола на 44%, что согласуется с данными по изменению содержания сахарозы, представленными в таблице 1.

Лимонная кислота. Контроль за изменением содержания лимонной кислоты в образцах, в присутствии фенола, формальдегида и их смеси, проводили в течение 20 дней. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Содержание лимонной кислоты в образцах

Количество дней Водный раствор, содержащий фенол, % Водный раствор, содержащий формальде-■ гид,% Водный раствор, содержащий смесь фенола и формальдегида, %

1 100 100 100

4 100 90 89

6 96 76 81

8 74 76 69

12 55 60 60

18 48 54 52

20 45 53 49

За 20 суток наблюдений наибольшее снижение концентрации лимонной кислоты отмечено в присутствии фенола (55%), наименьшее - формальдегида (47%). Потеря лимонной кислоты может быть обусловлена химическим взаимодействием лимонной кислоты с фенолом и формальдегидом.

chj—он

J i

:+ в—с—.н

он

НООС — CJÍ2 —| — СЯ] —СООН + Е—£—н -<- ноос —сн2 —с — сн2—СООН

СООН СООН

лимонная кислота формальдегид полуацеталь формальдегида и лимонной кислоты

он

ноос-ш2-с-си3-отон +

V

■он он

НООС— СНз—С —ш2— с соон

V//

соон

лимонная кислота фенол монофениловый эфир лимонной кислоты (фенилцитрат)

Химическое взаимодействие органических примесей с лимонной кислотой так же подтверждено уменьшением концентраций фенола и формальдегида в индивидуальных растворах и их смеси в присутствии лимонной кислоты в воде во времени (рисунок 7).

<В,% 100

Рисунок 7-Изменение содержания фенола (1) и формальдегида (3) в индивидуальных растворах и их смеси (фенол (2), формальдегид (4)) в присутствии лимонной кислоты

Приведенные на рисунке 7 зависимости показывают снижение концентрации фенола на 50%, формальдегида на 43% в течение 14 дней, что согласуется с данными по изменению содержания лимонной кислоты во времени, представленными в таблице 2.

Ванилин. Наблюдение за запахом образцов ванилина, содержащих фенол, формальдегид и их смесь, проводили в течение 20 дней. В водном растворе, содержащем формальдегид, после добавления ванилина наблюдался слабый аромат, не соответствующий запаху ванилина. В образцах, содержащих фенол и смесь, наблюдался несвойственный ванилину аптечный аромат. Появление нехарактерных запахов в образцах, обусловлено химическим взаимодействием ванилина с приоритетньми загрязнителями, содержащимися в воде.

ОН,он

оси .

. Сл н-4-« —-

формальдегид !С3.0

ванилин З1- метокси - 4 - иетиленокет бензальдегид

Оя СТ]Г

3 _ I оск

С J О — (Гт

Т """ 'V

С15С- 1 -

СИ — О .

■ ванилин Фенол

гидрокснфенокси (4'гидроксн- 3" метоксифенил)меган

.* ои л

Химическое взаимодействие органических примесей с ванилином экспериментально подтверждено уменьшением концентраций фенола и формальдегида в образцах (таблица 3).

Таблица 3 - Содержание органических компонентов в присутствии ванилина

Количество дней Водный раствор, содержащий фенол, % Водный раствор, содержащий формальдегид, %

1 71,4 60

2 57,1 50

4 42,9 46

6 35,7 40

10 28,5 34

11 25,7 32

14 21,4 28

Установлено, что в день приготовления, содержание фенола в образце снизилось на 28,6%, формальдегида на 40%. За 14 суток произошло уменьшение содержания фенола в воде в присутствии ванилина на 78,6%, формальдегида на 72%.

Красители (индигокармин, тартразин). Наблюдения за изменением окраски водных растворов красителей содержащих фенол, формальдегид и их смесь, проводили в течение 14 суток. Отмечено, что поведение растворов индивидуальных красителей с фенолом и формальдегидом различно. Интенсивность окраски индигокармина за 10 суток в присутствии фенола уменьшилась в 3 раза, в присутствии формальдегида - в 20 раз, при этом синяя окраска сменилась на бледно-желтую, что особенно заметно в растворе, содержащем только формальдегид. Это связано с химическими изменениями в структуре индигокармина, который разрушается до изатин-6-сульфо-кислоты под действием формальдегида, присутствующего в воде.

+ "Х'-Э-'УТр— 2СН/Л1 +20

¿"4

в

индигокармин

формальдегид

и зотин-бсульфо-ки слота

Отмечено незначительное изменение окраски тартразина (от желтого до бледно-желтого) в присутствии приоритетных загрязнителей.

Наблюдения за напитком «Тархун» приготовленным на воде содержащей приоритетные загрязнители показали снижение интенсивности окраски от желто-зеленой до бледно-желтой.

Аскорбиновая кислота. Маркетинговые исследования выявили предпочтение респондентов покупать витаминизированные напитки, что является важным, учитывая повсеместный дефицит в питании практически всех витаминов. Наиболее необходимым микронутриентом является аскорбиновая кислота. В связи с этим изучено поведение витамина С в присутствии фенола и формальдегида.

Наблюдение за изменением содержания аскорбиновой кислоты в образцах воды, содержащих фенол, формальдегид и их смесь, проводили в течение 7 дней. Результаты исследований представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Содержание аскорбиновой кислоты в образцах

Количество дней Водный раствор, содержащий фенол, % Водный раствор, содержащий формальдегид, % Водный раствор, содержащий смесь фенола и формальдегида, %

1 99 85 85

2 99 64 65

3 99 55 55

7 99 55 55

В первые сутки в образцах, содержащих формальдегид и смесь компонентов, концентрация витамина С составила 85% от исходной. На вторые сутки остаточное содержание снизилось до 65%, в последующие дни оставалось неизменным на уровне 55%.

Можно предположить, что аскорбиновая кислота окисляется формальдегидом до дегидро-Ь-аскорбиновой кислоты, которая затем медленно декарбоксилируется до Ь-ксилозона с выделением диоксида углерода. Отсюда следует, что причиной разрушения витамина С является присутствие формальдегида в воде.

он оц о о соон

. _ „ +

с=о

I Л"^ ! +2И г>=п

но-шс-с-с с + и-с. — но-н-с-о-с с% ^ „ ^ лм - „ ^ / и ' 2, со, н-с-он

" ° ° формальдегид ° ° И0-9-Н

т ' - с&рн _ депщро-Ь-а скоро ивовая кислота

аскорбиновая кислота Ь-ксилозон

Фенолы являясь антиоксидантами, предохраняют аскорбиновую кислоту от окисления, следовательно их присутствие не изменяет концентрации витамина С в воде.

Проведенная работа позволила установить, что фенол и формальдегид оказывают значительное влияние на стойкость компонентов напитка «Тархун», снижая его товароведные характеристики и длительность хранения, следовательно, требуют внесения дополнительного количества рецептурных компонентов. В связи с этим возникает необходимость доочистки воды используемой для производства напитка от этих загрязнителей.

Разработка адсорбционной технологии доочистки питьевой воды от фенола и формальдегида

Схема исследований по разработке технологии адсорбционной доочистки воды от смеси фенола и формальдегида, состоит из нескольких взаимосвязанных блоков, представленных на рисунке 8.

Блоки исследования Изучаемые факторы Контролируемые параметры

Рисунок 8 - Схема исследований по технологии адсорбционной доочистки воды от фенола и формальдегида

В первом блоке в статических условиях изучено влияние структуры, природы, удельной поверхности АУ на эффективность извлечения фенола и формальдегида из водных растворов в широком интервале концентраций. Для более полной оценки адсорбционных свойств углеродных сорбентов, изотермы адсорбции проанализированы в соответствующих координатах линеаризации уравнений Ленгмюра, Дубинина-Радушкевича, эмпирического уравнения Фрейндлиха и уравнения Бруннауэра, Эммета и Теллера (БЭТ). Определены основные адсорбционные параметры.

Во втором блоке исследована кинетика адсорбции фенола и формальдегида при совместном присутствии исследуемыми АУ. Построены кинетические кривые адсорбции, определены механизм массопереноса и коэффициенты внешнего массопереноса фенола и формальдегида в системах: активный уголь-водный раствор.

Третий блок посвящен изучению динамики адсорбции фенола и формальдегида из растворов при совместном присутствии на АУ, и разработке технологии непрерывной доочистки воды от фенола и

формальдегида. Для оптимизации параметров и режимов адсорбционной колонны предложен способ расчета динамики адсорбции на основе модели слоя равновесной адсорбции с использованием адсорбционных констант уравнения Дубинина-Радушкевича, кинетических зависимостей и фундаментального уравнения внешнедиффузионной динамики адсорбции в области низких концентраций.

Рассчитаны основные динамические характеристики адсорбции фенола и формальдегида АУ. Определены наиболее эффективные марки углей для извлечения органических веществ из водных растворов и конструктивные параметры колонны. Сопоставлены экспериментально полученные и расчетные выходные кривые адсорбции. Разработана технология непрерывной доочистки воды от фенола и формальдегида.

Четвертый блок посвящен выбору способа восстановления первоначальных свойств сорбента после адсорбции фенола и формальдегида.

Изучение закономерностей равновесной адсорбции фенола и формальдегида из водных растворов активными углями

Исследование процесса адсорбции фенола и формальдегида из растворов индивидуальных компонентов и из смеси, в интервале концентраций фенола 0,000106-3 ммоль/дм3, формальдегида 0,001-16 ммоль/дм3 проводили в статических условиях на активных углях (АГ-3, АБГ, КсАУ). Соотношение концентраций фенола к формальдегиду в растворе составляло 1:5. Выбранное соотношение органических веществ соответствует возможному реальному соотношению фенола и формальдегида в природной воде.

По полученным экспериментальным данным адсорбции формальдегида и фенола из индивидуальных растворов различными углеродными сорбентами построены изотермы адсорбции (рисунок 9). Установлено, что адсорбционная емкость изученных адсорбентов по отношению, как к фенолу, так и к формальдегиду уменьшается в ряду КсАУ>АГ-3>АБГ. В области низких концентраций для всех изотерм адсорбции характерен линейный участок, свидетельствующий о том, что максимальная адсорбционная емкость еще не достигнута. При высоких концентрациях адсорбционная емкость для всех сорбентов различна. Изотермы представленные на рисунке 9, по классификации Гильса являются изотермами класса Ь.

а, иг/г а, мг/г

Рисунок 9 - Экспериментальные изотермы адсорбции фенола (а) и формальдегида (б) из воды на активных углях: 1-КсАУ; 2-АГ-З; 3-АБГ

Изотермы адсорбции фенола относятся к типу Ь2, достигая насыщения в области концентраций от 50 до 150 мг/дм3 в зависимости от природы угля, изотермы адсорбции формальдегида к типу Ь4 (такие изотермы характерны для адсорбции с образованием бимолекулярного слоя). Анализ полученных изотерм сорбции позволяет сделать заключение, что взаимодействие между адсорбированными молекулами незначительно и энергия активации не зависит от степени заполнения поверхности сорбента.

Сопоставление изотерм адсорбции фенола и формальдегида из водного раствора их смеси (рисунок 10) с изотермами адсорбции из их индивидуальных водных растворов (рисунок 9), показало, что в области низких концентраций (30-80 мг/дм3) отсутствует влияние компонентов на адсорбцию друг друга. В области высоких концентраций при совместном присутствии органических веществ, адсорбция фенола не изменяется, а формальдегид адсорбируется немного слабее, чем из его индивидуального водного раствора. При извлечении органических веществ из водного раствора их смеси наблюдается изменение формы изотермы для формальдегида (уменьшение крутизны изотермы), что может свидетельствовать об изменении характера взаимодействия компонентов в растворе и с поверхностью АУ.

а, мг/г а, мг/г

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300

Рисунок 10 - Изотермы адсорбции формальдегида (а) и фенола (б) из водных растворов при совместном присутствии адсорбентами:1-КсАУ; 2- АГ-3; 3- АБГ

Снижение адсорбции формальдегида из водного раствора смеси компонентов в области высоких концентраций (более 80 мг/дм3) обусловлено конкурентной адсорбцией с фенолом за адсорбционные места.

Для аналитического описания изотерм адсорбции и определения адсорбционных параметров, необходимых для инженерных расчетов, использованы уравнения Фрейндлиха, Ленгмюра, Дубинина-Радушкевича и БЭТ. Установлено, что уравнение Ленгмюра не применимо для описания адсорбционного равновесия в системе вода - фенол - формальдегид - АУ. Изотермы адсорбции, рассчитанные по уравнениям Дубинина-Радушкевича, Фрейндлиха, и БЭТ свидетельствуют о возможности применения данных уравнений для расчета равновесных параметров адсорбции в системе АУ-вода-фенол-формальдегид. Величины предельного адсорбционного объема для всех углеродных сорбентов находятся в пределах 0,0862-1,0641 см3/г (для фенола), 0,33-1,231 см3/г (для формальдегида) и позволяют предположить, что адсорбция фенола и формальдегида при совместном

присутствии подчиняется объемному механизму заполнения микропор. Значения характеристической энергии находящиеся в пределах 14,932-15,902 кДж/моль (для фенола) и 13,576-14,668 кДж/моль (для формальдегида) свидетельствуют, что сорбция фенола и формальдегида при совместном присутствии идет в основном в микро- и мезо- порах адсорбентов. Значение теплот адсорбции при малом заполнении пор активных углей близки между собой и находятся в пределах 11,282- 16,963 кДж/моль фенола, 16,704-22,243 кДж/моль формальдегида. Это позволяет предположить, что адсорбция для всех углеродных сорбентов независимо от природы углей, обусловлена Ван-дер-Ваальсовыми силами. Физический механизм адсорбции подтверждает и Ь-форма изотерм адсорбции и исследования ИК-спектроскопии.

Изучение кинетики адсорбции системы вода-фенол-формальдегид - А У

Исследования кинетики адсорбции водной смеси фенола и формальдегида проведены из ограниченного объема при постоянном перемешивании на АУ всех исследуемых марок в интервале времени 60-18000 сек. По экспериментальным данным построены кинетические кривые зависимости степени достижения равновесия (у) от времени адсорбции (г).

Для определения лимитирующей стадии массопереноса на основании результатов эксперимента рассчитаны основные кинетические параметры для изучаемых сорбентов и построены кинетические кривые зависимости степени достижения равновесия (у) от безразмерного кинетического параметра (Т). Определение лимитирующей стадии адсорбции сводится к сопоставлению теоретической и экспериментальной кинетических кривых при одинаковых значениях у. Графики зависимости Т^) для фенола (а) и формальдегида (б) в случае, когда лимитирующая стадия адсорбции - внешний массоперенос описываются прямой, проходящей через начало координат (рисунок 11).

т т

Рисунок 11 - Зависимость Т от I для фенола (а) и формальдегида (б) в смеси фенол-формальдегид: 1-КсАУ,2-АГ-3, 3-АБГ

Отклонение от прямой показывает, что по мере отработки адсорбента на скорость процесса сорбции все большее влияние оказывает внутренняя диффузия. Представленные данные подтверждают, что процесс адсорбции формальдегида и фенола в смеси контролируется внешним массопереносом в течение первых 20-40 мин. Рассчитаны коэффициенты внешнего

массопереноса (р), необходимые для инженерных расчетов. Близость значений (3 для всех исследуемых марок сорбентов свидетельствует, что процесс адсорбции на изучаемых углях в интервале от 1800 до 3600 сек для формальдегида, и от 2400 до 3600 сек для фенола, лимитируется внешним массопереносом. Это позволяет рекомендовать повышение скорости фильтрования при сохранении высокой эффективности извлечения органических веществ из воды.

Изучение динамики процесса адсорбции системы вода - формальдегид - фенол -АУ

Экспериментальное изучение динамики сорбции предполагает последовательный подбор параметров (тип сорбента, длина неподвижного слоя, скорость потока и др.) и получение экспериментальных выходных кривых зависящих от одной варьируемой переменной (например, скорости потока раствора) при фиксированных значениях остальных.

Исследование динамики адсорбции смеси фенола и формальдегида из воды показало, что продолжительность работы колонны до проскока фенола и формальдегида значительно отличается. При возможном содержании в питьевой воде компонентов, первым наблюдается проскок формальдегида, что позволяет моделировать процесс сорбции в динамических условиях для доминирующего компонента - формальдегида.

Для решения вопроса оптимизации режимов работы и параметров промышленной установки процесса адсорбции использовано математическое моделирование на основе уравнения внешнедиффузионной динамики адсорбции в области малых концентраций фенола и формальдегида неподвижным слоем АУ АГ-3, АБГ, КсАУ с применением ранее полученных экспериментальных данных по равновесию и кинетике:

и С

Ь - ■ | 1п - 1

Р

,(1)

где г-время работы слоя длиной Ь до появления проскоковой концентрации сорбируемого вещества С; С0-начальная концентрация вещества в потоке, ммоль/дм3; ао-содержание вещества в неподвижной фазе, равновесное с Оо, ммоль/кг; р-коэффициент внешнего массопереноса, сек"1.

Рассчитаны выходные кривые для адсорбции формальдегида и фенола из водных растворов на всех исследуемых углях. Экспериментально подтверждена возможность использования математического моделирования для процесса извлечения формальдегида и фенола из воды на АУ. На рисунке 12 представлены экспериментальные и теоретические выходные кривые адсорбции формальдегида и фенола АУ АГ-3, совпадение которых свидетельствует о том, что используемое уравнение практически полностью описывает экспериментальные выходные кривые и подтверждает правомерность предложенного подхода к моделированию адсорбции.

О 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000

Рисунок 12 - Расчетные и экспериментальные выходные кривые динамики адсорбции смеси фенола: 1 (\'=1м/ч,Н=0,5м), 2 (у=5м/ч,Н=1м), 3 (у=5м/ч,Н=0,5м), 4 (у=8м/ч,Н=0,5м), 5 (у=8м/ч,Н=1м) и формальдегида: б (у=8м/ч,Н=1), 7 (у=8м/ч,Н=0,5м), 8 (\=5м/ч,Н=1м), 9 (у=5м/ч,Н=2м), 10(у= 1 м/ч, Н= 1 м) АУ АГ-3

Определены основные параметры динамики адсорбции: длина рабочего слоя, длина неиспользованного слоя, которые позволили определить продолжительность работы колонны, количество очищаемой воды в зависимости от скорости пропускания, высоты неподвижного слоя и размеров колонны.

Продолжительность работы колонны для АУ при различных скоростях потока и высоте неподвижного слоя представлена в таблице 6.

Таблица 6 - Продолжительность работы колонны до проскока для АУ АГ-3, АБГ, КсАУ

Скорость потока очищаемой воды Высота слоя загрузки для углей различных марок

КсАУ АГ-3 АБГ

0,5 м 1 м 2м 0,5м 1 м 2м 0,5 м 1 м 2 м

8 м/ч 0,7 мес 3 мес 1 год 0,6 мес 2,4 мес 9 мес 0,4 мес 1,8 мес 7 мес

5 м/ч 1,2 мес 4,8 мес 1,6лет 0,9 мес 4 мес 1,3 лег 0,7 мес 2,8мес 11,6мес

1 м/ч 6,0 мес 2 года 8 лет 5 мес 1,7 года 6 лет 3,6 мес 1,2 года 4,8 года

Известно, что эффективность и экономичность сорбционных технологий зависит от возможности многократного использования АУ. В связи с этим, большое значение имеет выбор способов их регенерации. Экспериментально изучена возможность использования следующих методов регенерации: паром, потоком воздуха, прогретым до 200°С и горячей водой. Образцы угля АГ-3 до и после адсорбции индивидуальных органических веществ прогревали при температуре 200°С в течение 2 часов. Установлено, что данный метод регенерации является достаточно эффективным для удаления фенола и наблюдается практически полное восстановление адсорбционных свойств АУ после прогрева. Однако термографический анализ показывает, что термическая регенерация не применима для восстановления адсорбционной емкости углей после адсорбции формальдегида. При способе регенерации сорбента промывкой его подогретой до 50°С водой наблюдается практически полное восстановление адсорбционной ёмкости сорбентов после адсорбции формальдегида, причем объем воды, необходимый для регенерации находится в соотношении с восстановленным углем 100:1. Сравнительные исследования регенерации угля после адсорбции смеси компонентов позволили рекомендовать

для практического применения последовательно промывку АУ теплой водой прогретой до 50°С, а затем прогрев потоком воздуха при 200°С в течение 2часов.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования сорбционной доочистки для извлечения формальдегида и фенола из воды при совместном присутствии АУ. На основании теоретических и экспериментальных исследований процесса адсорбции усовершенствована технология подготовки воды для производства безалкогольных напитков путем включения на заключительном этапе стадии адсорбционной доочистки воды от фенола и формальдегида.

Товароведная оценка напитка «Тархун» приготовленного на воде доочищенной по предлагаемой технологии

Проведены комплексные исследования товароведных свойств напитка "Тархун" приготовленного на воде доочищенной по адсорбционной технологии.

Наблюдения за ароматом и изменением интенсивности окраски настоя тархуна проводили в течение 20 дней. В настое, приготовленном на воде доочищенной по предлагаемой технологии в день приготовления, прослеживался полный, выраженный аромат, соответствующий используемому аромату эстрагона. Цвет настоя (рисунок 13, кривая 4) насыщенный буро-зеленый, в течение 20 суток не изменялся.

0,2 А 0,16 0,12 ' 0,08 0,04

о

Рисунок 13 - Изменение интенсивности окраски водных настоев тархуна в зависимости от времени: 1- водный раствор, содержащий формальдегид; 2-водный раствор, содержащий фенол; 3-водный раствор, содержащий смесь фенола и формальдегида; 4-настой на воде очищенной по новой технологии

Наблюдения за ароматом водного раствора ванилина приготовленного на доочищенной по адсорбционной технологии воде позволили установить, что как в день приготовления, так и в последующие 3 недели образец имел приятный полный, насыщенный и гармоничный аромат, соответствующий аромату ванилина.

Окраска растворов приготовленных на доочищенной воде, содержащих красители тартразин (1), индигокармин (2) и смесь тартразина и индигокармина (3) в течение 14 суток оставалась стабильной: 1- ярко желтой, 2-голубой и 3- зеленой. В образцах воды очищенной по усовершенствованной

4

технологии с добавлением сахарозы, ее содержание в течение 20 дней практически не изменилось.

В образцах с добавлением аскорбиновой кислоты ее содержание в воде оставалось стабильным (99% от первоначального) в течение всего времени исследований (10 суток).

Проведен дегустационный анализ напитка «Тархун», приготовленного на водопроводной и доочищенной воде. Органолептические показатели определяли качественно на соответствие требованиям ГОСТ 6687.5-86 «Продукция безалкогольной промышленности. Методы определения органолептических показателей и объема продукции» и количественно по стандартной 25-ти балльной шкале. Результаты представлены на рисунке 13.

У образца, приготовленного на водопроводной воде (в зимний период времени), отмечены следующие баллы: аромат - 5,3 балла, прозрачность - 2,3 балла, цвет и внешний вид - 3,2 балла, насыщенность диоксидом углерода - 5 баллов, вкус - 5,8 баллов. Сумма баллов составила - 21,6.

У образца, приготовленного на воде, доочищенной по предлагаемой технологии, отмечены более высокие баллы по всем показателям: аромат - 5,4 баллов, прозрачность - 2,5 балла, цвет и внешний вид - 3,5 балла, вкус - 6 баллов, насыщенность диоксидом углерода - 5 баллов. Сумма баллов составила - 22,4.

цвет, внешний вид

насыщенность

диоксидом

углерода

а)

цвет, внешний вид

вкус

аромат

прозрачность

насыщенность/ диоксидом ^ углерода \

б)

аромат

вкус

прозрачность

Рисунок 14 - Дегустационный анализ напитка «Тархун», приготовленного на воде доочищенной по разработанной технологии (а) и водопроводной воде в зимний период времени содержащей фенол и формальдегид (б)

Исследования показали, что напиток, приготовленный на доочищенной воде, обладает хорошими органолептическими показателями с более высокими качественными характеристиками.

Физико-химические показатели исследуемого напитка приготовленного на водопроводной воде и воде прошедшей дополнительную доочистку идентичны и соответствуют нормативам: массовая доля сухих веществ составила 11,1%; кислотность - (см3 ЫаОН концентрацией 1 моль/дм на 100см3) 1,6; массовая доля диоксида углерода - 0,44%.

Результаты проведенного комплексного исследования свидетельствуют, что доочистка воды по предлагаемой технологии позволяет получить качественный напиток, увеличить сроки его хранения и обеспечить ресурсосбережение исходного сырья.

ВЫВОДЫ

1. Изучены потребительские предпочтения населения г.Кемерово в отношении безалкогольных напитков. 37% респондентов приобретают напитки к праздничному столу, 43% - в весенне-летний период. Среди тонизирующих напитков 18% респондентов отдали предпочтение напитку «Тархун». Маркетинговые исследования показали, что большая, часть опрошенных стремится употреблять напитки на натуральном сырье и отмечает необходимость дополнительной витаминизации напитков.

2. Установлено ухудшение органолептических свойств напитка «Тархун» (вкус, запах, внешний вид, стойкость цвета), приготовленного на воде содержащей фенол и формальдегид. Показана тенденция к снижению в процессе хранения концентраций рецептурных компонентов напитка «Тархун»: сахара, лимонной кислоты, ванилина, индигокармина, тартразина в присутствии фенола и формальдегида.

3. Проведены сравнительные исследования адсорбции фенола и формальдегида из индивидуальных водных растворов, а также их смеси на различных сорбентах. Установлено, что предельная адсорбционная емкость сорбентов по отношению к формальдегиду и фенолу изменяется в ряду: КсАУ>АГ-3>АБГ. Поглощение фенола и формальдегида активными углями является суммарным процессом неспецифической адсорбции (в объеме доступных пор) и специфической (на активных центрах). Получены адсорбционные и кинетические характеристики необходимые для инженерных расчетов.

4. Предложен метод оптимизации параметров фильтров и режима непрерывного процесса сорбционной доочистки, основанный на фундаментальном уравнении внешнедиффузионной динамики адсорбции для линейной изотермы с использованием адсорбционных констант уравнения и кинетических данных. На основе сравнительных экспериментальных исследований предложена технология регенерации активных углей с применением последовательно промывки А У теплой водой прогретой до 50°С, с последующим прогревом потоком воздуха при температуре 200°С в течение 2 часов, что позволяет восстановить сорбционную емкость сорбентов на 98%.

5. По результатам теоретического и экспериментального исследования процесса адсорбции усовершенствована технология получения воды для производства напитков включающая, на заключительном этапе водоподготовки стадию обработки воды АУ с целью удаления органических веществ.

6. На основании сравнительных комплексных исследований товароведных свойств безалкогольного напитка «Тархун» отмечено повышение качества напитка произведенного на воде, подготовленной по разработанной технологии в сравнении с традиционной. Разработанная технология способствует не только формированию, но и длительному сохранению качества напитков, обеспечивая при этом неизменное содержание витамина С в готовом напитке.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Тимощук И.В., Краснова Т.А., Туманова Т.А. Технология подготовки бутилированной воды // Пиво и напитки. М., 2009. №5. С. 32-33.

2. Тимощук И.В., Краснова Т.А., Туманова Т.А. Разработка технологии подготовки воды для производства напитков // Известия ВУЗов. Пищевая технология. Краснодар, 2009. №5-6. С. 64-66.

3. Тимощук И.В., Краснова Т.А., Туманова Т.А. Влияние качества воды на товароведные свойства напитков // Пиво и напитки. М., 2010. №1. С. 28-30.

4. Исследование влияния приоритетных загрязнителей на товароведные свойства напитка «Тархун» / И.В. Тимощук, Т.А. Краснова, Т.А. Туманова, Н.А.Сартина // Пиво и напитки. М., 2010. №5. С. 46-48.

5. Изучение состояния поверхности активного угля после адсорбции органических соединений / И.В. Тимощук, Н.А Голубева, Т.А. Краснова, Т.А. Туманова // Экология и промышленность России. М., 2010. №10. С. 58-59.

Депонированные рукописи

1. Краснова Т.А., Туманова Т.А., Тимощук И.В. К вопросу подготовки воды для пищевой промышленности // Пища. Экология, качество: Тезисы материалов V межд. научно-практ. конф. (Новосибирск 30июня-2июля 2008г.). Новосибирск, 2008. С. 239-240.

2. Кинетика адсорбции фенола и формальдегида при их совместном присутствии из водных растворов активными углями / Т.А. Краснова, Т.А. Туманова, И.В. Тимощук, Н.В. Меркулова // Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность: Тезисы докладов X межд. научно-практ. конф. (Кемерово 11-14 нояб. 2008г.). Кемерово, 2008. С. 77-79.

3. О возможности использования сорбционной очистки природных вод от органических веществ / Т.А. Краснова, Т.А. Туманова, И.В. Тимощук, Н.В. Меркулова // Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования (Москва 2-5 дек. 2008г.). Москва, 2008. С. 101-102.

4. Краснова Т.А., Тимощук И.В., Туманова Т.А. К вопросу о подготовке воды для пищевых производств // Безопасность пищевых продуктов и товаров народного потребления: Материалы межд. научно-практ. конф. (Алматы, 27-28 ноября 2008 г.). Алматы, 2008. С. 144.

5. Краснова Т.А., Тимощук И.В., Туманова Т.А. Оптимизация процесса очистки воды от смеси фенола и формальдегида активными углями // Инженерные системы - 2009: Тезисы докладов межд. научно-практ. конф. (Москва, 6-9 апреля 2009 г.). Москва, 2009. С. 163-164.

6. Краснова Т.А., Тимощук И.В., Туманова Т.А. К вопросу о возможности использования адсорбционной очистки воды на предприятиях пищевой промышленности // Инновационные технологии в пищевой и легкой промышленности: Материалы межд. научно-практ. конф. (Алматы,- 16-17 апреля 2009г.). Алматы, 2009. С. 97-98.

7. Краснова Т.А., Тимощук И.В., Туманова Т.А. Влияние качества воды на товароведные свойства напитка "Тархун"// Безопасность и качество продуктов питания и товаров народного потребления: Материалы межд. научно-практ. конф. (Алматы, 11-13 ноября 2009г.). Алматы, 2009. С.191-192.

8. Влияние содержания приоритетных загрязнителей на показатели качества напитков / И.В. Тимощук, Т.А. Краснова, Т.А. Туманова, Н.В. Меркулова // Чистая вода - 2009: Труды межд. научно-практ. конф. (Кемерово, 20-21 окт. 2009г.). Кемерово, 2009. С. 456-457.

9. Тимощук И.В., Краснова Т.А., Туманова Т.А. К вопросу подготовки питьевой воды и воды для пищевых производств // Наука и ее роль в современном мире: Материалы межд. научно - практ. конф. (Караганды, 29 янв. 2010г.). Караганды, 2010. С. 307-308.

Подписано в печать 13.01.11 г. Формат 60x80/16. Тираж 80 экз. Объем 1,5 уч.изд.л. Заказ № 1. Отпечатано в редакционно-издательском центре Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650010, г. Кемерово, ул. Красноармейская, 52

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Газированные безалкогольные напитки 9 1.1.1 Газированный напиток «Тархун» 12*

1.2 Товароведная оценка напитков

1.3 Технология производства безалкогольных газированных напитков

1.4 Гигиенические требования к питьевой воде, методы контроля, показатели качества. Характеристика водоснабжения Кузбасса. Традиционная схема очистки воды 28 1.5'Приоритетные загрязнители, содержащиеся в воде, используемой для производства напитков 50«

1.5.1 Фенол, его свойства и токсическое действие

1.5.2 Методы очистки воды от фенола

1.5.3 Формальдегид, его свойства и токсическое действие

1.5.4 Методы очистки воды от формальдегида 59 1.6 Адсорбция органических веществ

1.6.1 Характеристика углеродных сорбентов

1.6.2 Механизм адсорбции

ГЛАВА 2 ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Структура и объекты исследования

2.2 Методы исследования

2.2.1 Методика проведения социологического опроса

2.2.2 Методы товароведной оценки питьевой воды и напитков

2.2.3 Методика определения витамина С воде

2.2.4 Методика определения лимонной кислоты и сахарозы в воде

2.2.5 Фотоколориметрическое определение формальдегида в воде

2.2.6 Фотоколориметрическое определение фенола в воде

2.2.7 Исследование адсорбционного равновесия формальдегида и фенола в системе водный раствор - активный уголь

2.2.8 Исследование кинетики адсорбции формальдегида и фенола из водных растворов активными углями

2.2.9 Исследование динамики адсорбции формальдегида и фенола из водных растворов активными углями

2.2.10 ИК-спектроскопическое исследование активных углей

2.2.11 Термографическое исследование активных углей

ГЛАВА 3 РЕРЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ

3.1.1 Анализ результатов социологического опроса

3.1.2 Исследование химического состава речной и питьевой воды в г. Кемерово

3.1.3 Исследование влияния фенола и формальдегида, присутствующих в воде, на компоненты напитка «Тархун» 121 3.2 Разработка технологии адсорбционной доочистки воды от смеси фенола и формальдегида

3.2.1 Исследование адсорбционного равновесия формальдегида и фенола из водных растворов активными углями

3.2.1.1 Избирательность адсорбции компонентов смеси формальдегид - фенол - вода из водных растворов на различных адсорбентах

3:2.1.2 Влияние предварительной подготовки активных углей на равновесие адсорбции формальдегида и фенола при их совместном присутствии из водных растворов

3.2.2 Результаты исследования кинетики адсорбции фенола и формальдегида при их совместном присутствии из их водных растворов углеродными адсорбентами

3.2.3 Исследование и моделирование динамики адсорбции формальдегида и фенола из водных растворов углеродными сорбентами

3.2.4 Изучение возможности регенерации активных углей после адсорбции-формальдегида и фенола

3.2.5 Аппаратурное оформление адсорбционной доочистки водопроводной воды 179 3.3.Оценка товароведных свойств напитка «Тархун» приготовленного на воде доочищенной по предлагаемой технологии

ВЫВОДЫ

В настоящее время проблема обеспечения населения безопасными и полноценными продуктами питания приобретает социальную значимость. Вода - один из самых распространенных продуктов питания. Она широко используется в пищевой промышленности, является одним из основных компонентов в производстве молочных,, мясных, алкогольных и безалкогольных напитков, хлеба, хлебобулочных изделий и т.д. В этой связи качество воды может оказывать существенное влияние на потребительские свойства и безопасность пищевой продукции, например напитков.

Именно вода в значительной степени определяет многие достоинства напитка — вкус, цвет, прозрачность, экологическую безопасность. Кроме хороших вкусовых качеств, безалкогольные напитки- должны быть сбалансированными по своему составу. Современные производители выпускают целый ряд витаминизированных напитков, которые помогут восполнить недостаток полезных веществ в организме. Следует очень тщательно подходить к выбору напитков для своего стола, так как от этого во многом зависит здоровье человека.

• «Тархун» - тонизирующий прохладительный напиток известный с давних времен, который не только утоляет жажду, но и снимает утомление. Основным компонентом, входящим в состав напитка, является настой эстрагона (он же - тархун), который повышает аппетит, улучшает пищеварение, укрепляет стенки сосудов и даже помогает при бессоннице.

В производстве напитка «Тархун» используют воду из системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Питьевая вода во многих населенных пунктах не соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01. Длительное использование некондиционированной питьевой воды и напитков на ее основе с нарушением гигиенических требований по химическому составу обуславливает развитие различных патологий у населения. Неблагоприятное биологическое воздействие при избыточном поступлении в организм ряда химических веществ, проявляется не только в повышении общей или специфической заболеваемости, но и в изменении отдельных показателей здоровья, свидетельствующих о начальных патологических или предпатологических сдвигах в организме.

Во многих промышленных регионах поверхностные воды интенсивно загрязняются токсичными соединениями неорганического и органического характера, в том числе фенолом и формальдегидом. Кроме того, формальдегид образуется как побочный продукт при обеззараживании-воды озоном в процессе водоподготовки. Находясь в воде в концентрациях, превышающих ПДК, он оказывает раздражающее действие на' верхние дыхательные пути, слизистые носа, глаза, обладает токсичными, мутагенными и канцерогенными свойствами. Фенолы, содержатся в.водах практически всех источников в результате естественных процессов метаболизма водных организмов,- при биохимическом распаде и трансформации органических веществ, протекающих как в водной толще, так и в донных отложениях. Кроме того, фенолы встречаются практически во всех подземных водах Кузбасса, вымываясь из угольных пластов. Присутствие фенола в воде также негативно сказывается на здоровье человека: приводит к нарушению работы желудочно-кишечного тракта, центральной нервной системы, болезням печени, почек, поджелудочной железы, селезенки.

Для очистки воды от органических веществ, в практике используют озонирование, хлорирование, экстракцию, перегонку, пенную флотацию, адсорбцию, обратный осмос, ультрафильтрацию и другие методы. Анализ литературных данных показал, что к ведущему и наиболее перспективному направлению в технологии извлечения небольших количеств органических веществ из водных растворов относится сорбционный способ с использованием активных углей (АУ) [1,15,32,33,59,113]. К достоинствам данного метода относятся: отсутствие вторичных загрязнений, неограниченность по производительности и возможность неоднократного использования адсорбентов.

Целью настоящей работы является совершенствование технологии подготовки воды и оценка ее влияния на потребительские показатели качества безалкогольных напитков на примере напитка «Тархун».

В соответствии с целью поставлены следующие задачи: провести маркетинговые исследования по изучению потребительских предпочтений жителей г. Кемерово в отношении безалкогольных газированных напитков в т.ч. напитка «Тархун»;

- исследовать влияние приоритетных загрязнителей (фенол, формальдегид), содержащихся в воде, на рецептурные компоненты напитка «Тархун»;

- изучить влияние состава, структуры, пористости, удельной поверхности сорбентов на процесс адсорбции формальдегида и фенола из индивидуальных растворов и их смеси в статических условиях для получения основных параметров необходимых для инженерных расчетов;

- исследовать кинетику процесса адсорбции формальдегида и фенола из водных растворов при совместном присутствии на сорбентах различных марок, определить лимитирующую стадию массопереноса, коэффициенты внешнего массопереноса, необходимые для инженерных расчетов;

- провести оптимизацию параметров и режимов сорбционного фильтра на основе фундаментального уравнения внешнедиффузионной динамики адсорбции и экспериментально подтвердить адекватность предлагаемого метода расчета;

- разработать технологию до адсорбционной очистки воды от формальдегида и фенола при их совместном присутствии;

- провести сравнительные комплексные исследования товароведных свойств безалкогольного напитка «Тархун», произведенного по предлагаемой и традиционной технологии водоподготовки.

Научная новизна: • Впервые установлено влияние приоритетных загрязнителей воды (фенола и формальдегида), служащей основой напитка «Тархун» на его органолептические свойства (вкус, запах, внешний вид, стойкость цвета). Показано, что рецептурные компоненты напитка «Тархун» вступают в химическое взаимодействие с фенолом и формальдегидом, снижая качество напитка.

• Установлен механизм взаимодействия фенола и формальдегида с АУ. Показано, что адсорбция смеси фенола и формальдегида, для всех изученных марок углей протекает в основном в микро- и мезопорах адсорбентов по объемному механизму заполнения пор, определяется физической природой, обусловленной неспецифическим взаимодействием фенола и формальдегида с поверхностью угля за счет Ван-дер-ваальсовых сил и специфическим взаимодействием с кислородсодержащими функциональными группами углеродных сорбентов.

• Определен механизм и коэффициенты массопереноса при адсорбции фенола и формальдегида.

• Предложен новый метод расчета динамики адсорбции на основе фундаментального уравнения внешнедиффузионной динамики адсорбции с использованием адсорбционных констант уравнения Дубинина-Радушкевича и кинетических зависимостей.

• Проведена сравнительная товароведная оценка потребительских свойств напитка «Тархун», полученного на основе водопроводной и очищенной воды. Показано, что доочистка питьевой воды от приоритетных контаминантов повышает качество и увеличивает длительность хранения напитка «Тархун».

Практическая значимость. Значимость состоит в разработке технологии адсорбционной доочистки воды, используемой для производства напитков от фенола и формальдегида. Данная технология внедрена на ООО «Хрустальное» (г. Кемерово) в производстве питьевой воды, на основе которой производится газированный напиток «Тархун». Результаты работы используются при изучении дисциплины «Экология», а так же в научных исследованиях и спецкурсах при подготовке студентов специальностей

260204 «Технология бродильных производств и виноделие» и 260501 "Технология продуктов общественного • питания" Кемеровского технологического института пищевой промышленности.

Апробация работы. Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались на V Международной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2008); XI Международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (Кемерово, 2008); «Международном форуме по проблемам науки, техники и образования» (Москва, 2008); Международной научно-практической конференции «Безопасность пищевых продуктов и товаров народного потребления» (Алматы, 2008, 2009); Международной научно-практической конференции «Инженерные системы — 2009» (Москва, 2009); Международной научно-практической конференции «Чистая вода 2009» (Кемерово, 2009); Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в пищевой и легкой промышленности» (Алматы, 2009); Международной научно-практической конференции «Наука и ее роль в современном мире» (Караганды, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, отражающих ее основное содержание, в том числе 5 — в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК: «Пиво и напитки», «Известия ВУЗов. Пищевая технология», «Экология и промышленность России».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, заключения, выводов, а также списка литературы (128 библиографических ссылок) и приложения. Работа изложена на 194страницах машинописного текста, 38 таблиц и 59 рисунков.