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反滲透純水在釀酒工藝中的應用
2008-03-04 17:05:58  來源:

釀酒工藝當今不斷創新,極品酒產能不斷擴張,酒品消費水準直線上升,酒質已成為影響市場銷售量增長的最基本要素,高質高價高享受,低質低價低品味,已成為釀酒與品酒人的共識。用酒質說話,用酒質讓消費者品味消費,提高酒質就成為酒業商家的全力動作。提高酒質有多種工藝途徑,但水是最基本、最關鍵的要素。
  常言道,一方水釀一方酒,全國各族各地區都有自己的地方酒類品味,保留提升代表地域的酒品是發展地方名酒品牌的主軸??蒲Х⒄?、技術進步、工藝的換代,品味習慣的提高都不斷展現出酒品工藝對酒質的影響。酒業商家和品酒人經常能遇到水對酒品的影響。
  渾濁:酒本身是成膠狀體的溶液。若無其他物質,酒液自身穩定性極好,無任何懸浮物、雜質沉淀,酒液清澈透明。當酒中醇類、酸根與水中金屬離子相迂,會出現正負電荷中和,膠體化解,顆粒物質即顯現,酒中就會出現渾濁。這種渾濁來源于水中含有金屬離子,礦物質離子等造成。
  咸味:主要因水中硬度太高,攜帶鈉等金屬鹽,不經處理即釀酒,可造成酒呈咸感,再或在當前常用的水處理工藝設備中,操作失誤造成殘留的鈉同水混合進行工藝過程,也造成酒呈咸感。
  腥味:也稱鐵腥、鐵銹味,原因是水中鐵、錳、錫等金屬離子含量超標,特別是北方地區,釀酒用水大多來自于井水,北方地區井水鐵、錳含量都超標準,未經處理的或處理不徹底,水看似清澈透明,但水中鐵、錳含量還很高,都會對酒味產生影響。
  苦味:也稱苦口,在酒類生產中因水質出現的苦味一般是因為水中堿度高、暫硬度高、硫酸鹽類等物質含量過高,這樣的水不經處理或水處理設備操作環節出現失誤,直接會給酒味加重。

  其它由于水對酒質的影響,就不詳細闡述,本文將主要對釀造工藝中新的水處理工藝技術進行詳細介紹。
  制酒工藝中,水處理的常用技術有軟化、離子交換、電滲析、超濾等工藝。但由于水處理操作人員畢竟不屬于專業人員,在使用中往往把握不好處理量,加上設備管理不嚴格,批酒會出現酒質不同的現象,再加上各種水處理方法各有利弊,不可能水含量全部進行處理,不可能根本上改善酒用水的質量,鑒于多年來上述技術出現的問題,本文介紹一種新的工藝水處理技術,反滲透膜法水處理設備。本文所介紹的設備已在哈爾濱北大荒釀酒集團得到了切實的應用,用戶反映積極。
  反滲透工藝技術是采用膜分離的水處理技術。隨著膜科學研究和制造工藝的進步,反滲透水處理技術得到了迅速的發展。
  從1950年美國弗羅里達大學的Reid和Hassler等人提出了反滲透海水淡化,1953年Reid和Bretom在實驗室證實了醋酸纖維素膜的脫鹽能力后,于1960年,美國加里福尼亞大學的Loed和Sourirajan研制出世界上第一張不對稱醋酸纖維素膜,后來反滲透膜新產品不斷得到開發,從初期的醋酸纖維非對稱膜發展到用表面聚合技術制成的交聯方香族聚酰胺復合膜。經歷了從高壓醋酸纖維素膜到低壓復合膜以至超低壓復合膜、納濾膜,膜的形式也逐漸呈現多樣化的趨勢。

  反滲透水處理技術的發展使之在所有水的淡化方式中占有領先地位,目前全世界范圍內的反滲透裝置容量每天已超過1200萬/噸,20世紀90年代以來,每年仍在以20%的速度遞增。反滲透除在苦咸水、海水淡化中使用外,還廣泛用于純水制備、廢水處理及飲水、飲料和化工產品的濃縮、回收工藝等多種領域。
  反滲透水處理技術基本屬于物理方法,它借助物理化學過程,在許多反面具有傳統的水處理方法所沒有的優點:反滲透是在室溫條件下,采用無相變的物理方法使水得以淡化、純化。
  • 水的處理僅依*壓力作為推動力,其能耗在許多處理方法中最低。
  • 不用大量的化學藥劑和酸、堿再生處理。
  • 無化學廢液及廢酸、堿排放、無廢酸、堿的中和處理過程,無環境污染。
  • 系統簡單,操作方便,產品水質穩定,可以取得較高的純水。
  • 適用于較大范圍的原水水質,既適用于苦咸水、海水及污水的處理,又適用于低含鹽量的淡水處理。
  • 設備占地面積小,需要的空間少。
  • 運行維護和設備維修量極低。
  反滲透用于許多純水使用部門均有明顯的優勢,更具有常規的離子交換處理方式難以比擬的優異特色,如:
    • 脫出水中二氧化硅效果好,除去率可達99.5%,避免了天然水中硅給離子交換樹脂帶來的再生困難、運行周期短的影響。
    • 脫除水中有機物及膠體物質,脫除率可達95%。
    • 反滲透水處理系統可連續產水,無運行中停止再生等操作。
  我國從20世紀60年代中期開始研制反滲透膜,與國外相距不遠,但由于原材料及基礎工業條件限制,生產的膜元件性能偏低,生產的成本高。近年來已有數條引進的生產線陸續生產,使國內膜生產水平有較大的提高。國內反滲透水處理技術始于20世紀70年代后期,目前已在以下幾個方面得到開發應用。
  • 現代化生產企業普遍應用大型反滲透裝置。國內在此領域已積累了豐富的設計、施工和運行經驗。
  • 以海水或苦咸水為原水,用反滲透解決淡水缺乏和飲用水的需求。我國沿海地區已陸續出現海水反滲透淡化廠,已建成240噸/小時以上的大容量淡化裝置,為發電廠、石油化工、飲用水廠供水。
  • 飲用水處理的應用有很大發展。國外超大型反滲透或納濾裝置多用于城市供水系統。國內在飲用水用途方面的反滲透裝置還都是每小時數十噸以下的中小規模。隨著經濟的發展和膜技術的普及,城市社區、賓館、飯店已出現反滲透集中供水系統,預計這一領域的應用將有很好的前景。

  反滲透亦稱逆滲透(RO)。是用一定的壓力使溶液中的溶劑通過反滲透膜分離出來。因為它和自然滲透的方向相反,故稱反滲透。根據各種物料的不同滲透壓,就可以使大于滲透壓的反滲透法達到分離、提取、純化和濃縮的目的。常溫條件下,可以對溶質和水進行分離或濃縮,因而能耗低、雜質去除范圍廣,可去除無機鹽和各類有機物雜質,有較高的水回用率。
反滲透膜孔徑很小,它能去除濾液中的離子范圍和分子量很小的有機物,如細菌、病毒、熱源等。廣泛用于海水淡化、電子、生物醫藥用純水、純凈水、蒸餾水制備、酒類制造及降硬度水、化工工藝的濃縮、分離、提純及配水、鍋爐補給除鹽軟水、造紙、電鍍、印染等行業用水及廢水處理。
  目前市場上常用的商品膜為:

    • 美國DOW-FILMTEC 公司的DOW(陶氏)膜。
    • 美國HYDRANAUTICS公司的HYDRANAUTICS(海得能)膜。
    • 日本東麗TORAY公司的TORAY(東麗)膜。
    • 美國KOCH公司的KOCH膜等。
  反滲透出水為脫鹽率大于98%,所以反滲透進水指標直接決定著膜的脫鹽效果及膜的使用壽命。
  以美國海得能膜的進水要求為例,膜進水要求如下表:

Hydranautics反滲透設計導則(8in*40in膜元件)

設計參數

地表水

井水

反滲透產品水

SDI最大值

4

2

1

產水通量(GFD)

8~14

14~18

20~30

產水量下降率

7~10

4~7

1~4

CPA膜透鹽增長率

5~17

3~10

1~5

CAB膜透鹽增長率

33

17~33

17

單膜最大給水量GPM

55~75

60~75

75

單膜最低給水量GPM

12~20

12~16

12

單膜最大壓力降psi

10

10

10

  為保證各品牌反滲透膜的進水要求,反滲透膜進水必須進行膜前的標稱處理。預處理作為膜進水前的標準處理,主要為?;つさ惱9ぷ餮沽?、產水量、膜壽命而設置,預處理的目的是去除水中各種懸浮物、膠體以及達到后續反滲透水處理設備裝置進水要求。
  目前常用的預處理工藝主要有:混凝沉淀、多介質過濾、活性炭過濾、離子交換軟化或加藥阻垢、溫度與PH值的調節、保安過濾等。
  特殊的預處理工藝還需降低水中金屬離子的含量(如鐵、錳、銅等)、微生物殺菌、二氧化硅的去除等。
  混凝劑添加:主要是除去水中微小粒徑的懸浮物膠體。因為這些微小的顆粒在水中不會受重力的作用而沉降,也難在后續的過濾器中去除,因而需要對原水進行混凝處理。它是通過在原水中投加混凝劑,使之與水中懸浮物及膠體生成較大絮片,然后通過多介質過濾器過濾去除。當原水中鐵的含量小于0.3mg/L、懸浮物的含量小于20 mg/L時,預處理可以不采用此裝置。當水中懸浮物及膠體物質的含量比較高時,一般需要使用混凝劑添加裝置。
  多介質過濾器:多介質過濾器是必不可少的預處理設備,其作用是濾除原水中細小顆粒、懸浮物、膠體等雜質。
  活性炭過濾器:其可以除去水中游離氯和有機物以?;し瓷干枋?。
  游離氯可以氧化破壞反滲透膜,反滲透一般要求進水余氯<0.1ppm;有機物不僅是微生物的餌料,而且當其濃縮到一定程度后,可以溶解有機膜材料,使膜性能劣化。水中有機物種類繁多,不同的有機物對反滲透膜的危害也不一樣,因而在反滲透預處理系統設計時,如果水中總有機碳(TOC)的含量超過2mg/L,一般需要進行處理,對于以自來水為水源的凈化系統,活性炭吸附是必要的,因為地表水中有機物含量較高。
  由于活性炭吸附法設備簡單,投資小,運行操作簡單,處理效果容易控制等優點,所以廣泛的應用于水處理凈化系統中。
  軟化與阻垢劑設施:防止難溶鹽在反滲透膜表面結垢。
  軟化是利用離子交換樹脂與水中的鈣鎂等離子進行交換,將水中的鈣鎂離子去除。軟化的優點是可以比較徹底地去除水中鈣鎂離子,避免  這些離子在反滲透裝置中結垢,其缺點是設備投資高,運行到一定時間后需要進行再生。
  添加阻垢劑可以延緩鹽晶體成長來推遲沉淀過程,采用此方法也可防止反滲透的結垢污染。但是由于鈣鎂離子仍然存在于水中,反滲透出水的鈣鎂離子會比使用軟化要高,而采用加藥阻垢的方式較易實現自動化控制,且設備簡單成本較低。另外使用阻垢劑還可以減低硅沉淀,而軟化則不能,這一點非常適合地下水水源處理。軟化設施的成本與流量成正比關系,而阻垢劑添加設施的成本與流量關系不大,因此,雙級反滲透和器型系統,多采用阻垢劑添加系統。
  熱交換器:調節反滲透給水溫度,保證反滲透的產水量和?;し瓷改?。
  由于在一定范圍內,反滲透膜的出水量與入水溫度成正比,溫度每下降1℃,出水量下降3-5%,同時反滲透膜的入水溫度小于5℃時會破壞反滲透膜的結構,且生產廠家對此不做質量保證。而有些地區冬季寒冷,原水水溫影響了反滲透的正常出水量,故此需要添加該裝置保證出水量和?;し瓷改?。
  精密過濾器:又稱保安過濾器,其作用是截留原水中的大于5微米的顆粒,以保證反滲透膜不被大顆粒的懸浮物劃傷。
  因為反滲透膜的厚度約為10微米左右,原水中較大的顆粒經高壓泵加速后極易劃傷反滲透膜表面的脫鹽表皮層或可能擊穿反滲透膜組件,因而一般反滲透設備前都要安裝5微米精密過濾器。
  反滲透的工作過程是原水在膜的一側從一端流向另一端,水分子透過膜表面,從原水側到達另一側,而無機鹽離子就留在原來的一側。隨著原水的流程逐漸增長,水分子不斷從原水中取走,留在原水中的含鹽量逐步增大,即原水逐步得到濃縮,而最終成為濃水,從裝置中排出,濃水經濃縮后各種離子濃度將成倍增加。自然水源中Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+、SiO2、SO42-、HCO3-等傾向于產生結垢的離子深度積一般都小于其平衡常數,所以不會有結垢出現,但經濃縮后,各種離子的濃度積都有可能大大超過平衡常數,因此會產生嚴重的結垢。
  經過上述處理后的水才能達到反滲透膜的進水標準,進水在壓力作用下,水透過反滲透膜成為純水;水中的雜質被反滲透膜截留并被濃水帶出,利用反滲透技術可以有效地去除水中的無機鹽類離子、膠體、細菌、病毒、細菌內毒素和大部分有機物等雜質。反滲透系統除鹽率一般為95-99%。一級反滲透設備出水在線監測電導率一般在1-10us之間。所產純水各項指標均達到國家純凈飲水標準GB17323。
  目前還有一種新型反滲透膜,稱為納濾膜,其使用同上述標準相同,但脫鹽率低,標稱脫鹽率80%,出水電導率約在20us左右,目前還沒有國家標準衡量其產水水質。
  在釀酒工藝中,全部采用反滲透純水,作為混合、沖洗用水,因水質造成酒品不穩定的現象將徹底杜絕。相信隨著反滲透水處理技術在釀酒行業的普及應用,必將給精品酒乃至整個行業酒品帶來新的發展機遇。
參考文獻:
1、反滲透水處理應用技術/張葆宗主編,北京中國電力出版社,2004 ISBN 7-5083-1987-7
2、飲用水深度處理技術/王林,王寶貞編著,北京:化學工業出版社,2001.12 ISBN 7-5025-3492-X

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