Системный подход в технологии водоподготовки для пищевых производств

Системный подход в последние годы широко применяется в различных областях науки и производства. Предпринимаются попытки использования системной методологии и в решении задач пищевых производств. Системный анализ является одним из методов, позволяющим рассматривать любую технологию производства как некий объект с большим диапазоном внешних и внутренних причинно-следственных связей.

При использовании системного подхода особенно важно правильно выбрать систему и методы решения задач повышения ее эффективности.

Известно, что система образуется двумя составляющими:

• •    внешним окружением , включающим в себя вход и выход системы, связь с внешней средой и обратную связь;

• •    внутренней структурой , т. е. совокупностью взаимосвязанных компонентов, обеспечивающих процесс воздействия субъекта управления на объект, переработку входа системы в ее выход и достижение целей системы [2].

Пищевое производство как систему можно представить единством материальных и нематериальных компонентов анализируемого объекта, его внешних и внутренних связей, обеспечивающих рациональность информационных, производственных, управленческих и других процессов.

Нами была предпринята попытка применения системного подхода к решению проблемы обеспечения качества воды, используемой пищевыми производствами, в частности для производства безалкогольных напитков [1, 3]. Основным видом сырья при производстве безалкогольных напитков является вода, от ее состава и свойств в значительной степени зависит качество готовой продукции. В безалкогольном производстве используется вода как из системы хозяйственно-питьевого водоснабжения, так и добываемая из подземных водоисточников.

В современных условиях жесткого техногенного прессинга в воду постоянно мигрируют ксенобиотики, способные ухудшать ее качество или делать непригодной для производственных нужд. Системы очистки воды на предприятиях безалкогольной отрасли не всегда справляются со сложной задачей водоподготовки, и производители зачастую сталкиваются с проблемой дополнительной очистки воды.

К качеству воды, применяемой в производстве питьевой бутилированной воды, предъявляются наиболее жесткие требования. При отсутствии микроорганизмов, хлора, тяжелых металлов и других токсических элементов и органических конта-минантов, вода должна обеспечивать сбалансированный состав макро- и микроэлементов [1, 4].

Процесс формирования состава исходной воды в значительной степени зависит от природных особенностей водоисточника, времени года, состояния системы центрального водоснабжения и т. д. Для организации эффективной водоподготовки предприятиям необходимо комплексно подходить к оценке факторов, влияющих на качество воды, используемой в технологических целях.

Системный подход выбран нами с целью глубокого и всестороннего изучения проблемы обеспечения качества воды в технологии производства безалкогольных напитков. Соответственно, в качестве объекта системы выбрана вода, используемая для производства безалкогольных напитков одним из производителей г. Челябинска. Такая система является открытой, характеризуется взаимодействием объекта с внешней средой и может быть представлена в виде следующей схемы (рис. 1).

Нами был выбран конструктивный вариант системного подхода, который связывает все аспекты системы с решением актуальной проблемы, включает анализ факторов внешней среды. В качестве базового использован следующий методологический алгоритм системного подхода (рис. 2).

Актуальной проблемой, требующей незамедлительного решения, в нашем случае является низкое качество воды, поступающей на производящее предприятие из системы хозяйственного водоснабжения. По результатам проверок последних лет на территории Челябинской области доля

Рис. 1. Системный подход к технологии водоподготовки

Проблема - это несоответствие или различие между существующим и требуемым положением дел в какой-либо системе

/ Идентификация симптомов производится путем измерения и анализа различных показателей системы. нормальное значение которых известны. Отклонение показателя от нормы и является симптомом

III. Решение проблемы

Решение проблемы состоит в ликвидации различий между существующим и требуемым состоянием системы

I. Выявление проблемы

II. Идентификация симптомов

Рис. 2. Алгоритм системного подхода

неудовлетворительных проб воды из водоразводящих сетей по санитарно-химическим показателям составила 15,8 %, по микробиологическим показателям - 6,8 % [6, 7].

Основными причинами снабжения водой ненормативного качества являются:

• -    неудовлетворительное качество водных объектов, используемых для целей питьевого водоснабжения, и недостаточное их количество;

• -    неудовлетворительное состояние существующих комплексов водоподготовки и водоразводящих сетей;

• -    недостаточная защита систем и источников водоснабжения от воздействия чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

Для установления симптомов, определяющих несоответствие системы своему предназначению и недостаточную ее эффективность, нами был проведен анализ качества воды в рамках деятельности одного из предприятий безалкогольного производства г. Челябинска.

Исследования проводились по сезонам в течение 2010-2011 гг. (табл. 1).

Известно, что систематически проявляющиеся симптомы образуют тенд е нцию, негативное проявление которой и обусловливает наличие проблемы [1].

В результате исследо в аний установлено, что для исследуемых образцов воды 2 показателя: общая жесткость и содержание железа, являются симптомами, именно для н их было от м ечено систематическое отклонение о т нормы.

Для выполнения заключительного этапа алгор и тма - решения проблемы, в целях корректировки показателей общая жесткость и с одержание железа, нами было выбрано воздействие на воду ультразвуковой кавитации.

Таблица 1

Результаты исследования качества воды

Показатель качества	Нормируемое значение, ТИ 10-503153673-10	Период забора и источник воды *
		Зима	Весна	Лето	Осень
Цветность	<20	5,0±0,6	4,6±0,6	5,6±0,6	6,4±0,6
Мутность (по каолину)	<1,5	1,2	1,0	0,8	1,4
рН	6-9	7,6±0,14	7,8±0,16	7,2±0,18	7,0±0,1
Жесткость общая, мг-экв/дм3	<7	8,2±0,3	11,6±0,4	10,6±0,6	10,4±0,4
Окисляемость перманганатная, мгО2/дм3	5	4,7±0,2	4,3±0,2	4,8±0,2	4,6±0,3
Сульфаты, мг/дм3	<500	236±2,6	248±2,6	296±2,3	312±2,8
Хлориды, мг/дм3	<350	245±2,6	324±2,4	318±2,8	296±2,2
Железо, мг/дм3	<0,3	0,6±0,06	0,4±0,04	0,5±0,05	0,6±0,05
Магний, мг/дм3	<50	38,6±2,0	42,1±2,1	38,1±2,1	40,1±2,2
Кремний, мг/дм3	<10	2,3±0,4	0,6±0,2	1,6±0,4	1,3±0,2
Свинец, мг/дм3	<0,01	0,005±0,0005	0,007±0,0005	0,007±0,0005	0,006±0,0005
Медь, мг/дм3	<1	0,8±0,005	0,6±0,005	0,68±0,005	0,71±0,005
Кадмий, мг/дм3	<0,001	0,0008±0,00001	0,0006±0,00001	0,0008±0,00001	0,0004±0,00001
Ртуть, мг/дм3	<0,0005	менее 0,00005	менее 0,00005	менее 0,00005	0,0001+0,00005
Общее микробное число, КОЕ/мл	<50	8	18	10	10
Общие колиформные бактерии, бактерий в 100 мл	Отсут.	н/о	н/о	н/о	н/о
Термотолерантные колиформные бактерии, бактерий в 100 мл	Отсут.	н/о	н/о	н/о	н/о

* В таблице приведены среднестатистические данные за период 03.10 - 12.11 г

Относительно влияния УЗ обработки на состав и свойства воды существует достаточно много противоречивых данных, объясняемых различными теориями. Однако неоспоримым остается тот факт, что воздействие УЗ 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. Согласно данных [5] одним из наиболее мощных эффектов является кавитационная дезинтеграция, вызывающая диссоциацию молекулы воды и разрушение субстанций, в ней присутствующих.

Для исследований применялся аппарат ультразвуковой технологический «Волна» модель УЗТА-0,4/22-ОМ (принцип действия основан на использовании свойств ультразвуковых колебаний высокой интенсивности в жидких и жидкодисперсных средах).

Режим ультразвуковой кавитационной обработки: 2 кВт с частотой (22±1,65) кГц. Водопроводная вода в объеме 250 мл обрабатывалась ультразвуком, мощность прибора 30, 45 и 60 % (120; 180; 240 Вт), экспозиция 1, 3 и 5 мин. Результаты определения показателя общей жесткости исследуемых образцов воды представлены на рис. 3.

Как видно из представленных на рисунке данных, ультразвуковая обработка воды приводит к снижению значений показателя общей жесткости. При этом характер зависимостей общей жесткости от мощности воздействия УЗ несколько различен. Схожие кривые были получены при обработке УЗ 45 и 60 % мощности. Снижение общей жесткости наиболее активно происходит при обработки 1 и 3 минуты - в среднем на 20 %, воздействие УЗ в течение 5 минут при указанных мощно-

Рис. 3. Зависимость общей жесткости воды от мощности и продолжительности УЗ воздействия

стях позволяет снизить значения этого показателя еще лишь на 5–7 %.

Рассматривая воздействие ультразвуковой обработки воды на значения общей жесткости в зависимости от мощности ультразвука, можно говорить о том, что близкие эффекты снижения значений данного показателя наблюдаются в течение 1 минуты обработки. Интенсивность же снижения общей жесткости при обработке мощностью 30 % в течение 3 и 5 минут значительно уступает результатам обработки воды мощностью ультразвука 45 и 60 %.

Как показали исследования, УЗ обработка воды также позволила снизить общее содержание в ней железа, наиболее выраженный эффект снижения был отмечен при обработке в следующем режиме: мощность – 45 %, экспозиция 3 мин. Оче- видно, УЗ воздействие ускоряет процесс окисления Fe2+ в Fe3+ с последующим образованием Fe(OH)3. Это согласуется с увеличением значений рН воды, а также с результатами оценки устойчивости состояний железа в воде по диаграмме Пур-бе (рис. 4).

Таким образом, на наш взгляд, ис п ользование ультразвуковой кавитации в технолог и и водоподготовки при производстве безалкогольных напитков является оправданным приемом решения проблемы некондиционирова н ного качества водопроводной воды, используемо й производящими предприятиями. В качестве наиболее эффе к тивного реж и ма принято сочетание мощности 45 % и экспозиции 3 мин.

Механизм действия с и стемы мож н о представить в виде следующей схемы (рис. 5).

Рис. 4. Диаграмме Пурбе (диаграмме электрохимического равновесия воды в системе железо – вода): – – – до обработки УЗ; ···· – после обработки УЗ (на примере артезианской воды)

Рис. 5. Механизм действия системы

Важным элементом системного подхода является учет неопределенности и рисков, которые всегда присутствуют и оказывают свое негативное воздействие на систему.

В нашем случае в качестве основных рисков можно выделить следующие (табл. 2).

эфф е ктивно использоватьс я в промышленном производстве напитков.