Технология за производство на трапезна газирана вода

Водата е задължителна съставка за всички живи организми и съставлява тяхната вътрешна течна среда, която позволява протичането на жизнените процеси. Тя има огромно значение за живота на земята.
За да се задоволят нарастващите потребности от вода се налага експлоатирането на различни източници и водоеми.  Необходимо е, обаче, провеждането на редица операции, чрез които се получава качествена питейна вода отговаряща на определени нормативни изисквания, основно по отношение на солевия състав и микробиологичната й чистота. За целта се разработват методи и технологии за пречистване и обеззаразяване на водата.
С подходяща допълнителна обработка на питейната вода в даден район може да се варира минералното съдържание, общата твърдост, рН на водата, да се осигури допълнително обеззаразяване. Получената като продукт трапезна вода осигурява качествено и здравословно задоволяване на индивидуалните нужди на организмите от течности и минерали По този начин консуматорите имат възможност сами да изберат най-подходящата за тях вода, както органолептичното, така и в зависимост от потребностите на организма.
Все повече се повишава интересът към трапезните води, които напълно задоволяват нуждата от течности, оказват необходимия освежаващ и жаждоутоляващ ефект. Прилагането на разнообразни решения в производството позволяват разширяването на асортиментната структура на предлаганите води. Произвеждат се деминерализирани, минерализирани, ароматизирани, газирани води, които да удовлетворят различните желания на консуматорите.
Като цяло се наблюдава рязко повишаване на търсенето и консумацията на трапезна вода, което предопределя и занапред развитие на асортиментите, налагане на качеството и увеличаване на производството.

Технологични процеси при получаване на трапезна вода

Производствения процес при получаване на трапезна вода включва редица технологични операции, които в зависимост от ролята си спрямо крайния готов продукт могат да се разделят на подготвителни, основни и заключителни.

Подготвителни процеси

Подготвителните процеси довеждат всички основни и спомагателни материали до състояние подходящо за непосредственото им включване в основния процес.

Подготовка на водата

Представлява почистване на водата от всякакъв вид груби и фини примеси и отделяне на желязото.

Грубо дисперсните частици във водата се утаяват под действието на собствената си маса, ако са по-тежки от нея, или изплуват на повърхността, ако са по-леки, в резултат на което става отделянето им. Скоростта на отделяне зависи най-вече от плътността и степента на дисперсност на частиците.

Процесът на утаяване на плаващите частици във вода под действието на собствената им маса се подчинява на закона за падането на тела, в среда, която оказва съпротивление на движещите се частици.

За частиците с размери 0,1-100μm скоростта на утаяване се определя от закона Стокс.

За частици с размери над 100 µm съпротивлението на средата върху тяхното движение е пропорционална на втората степен на скоростта на утаяване и закона е друг.

Примеси с размери на частиците по-малки от 0,1 µm образуват колоидни разтвори. Ускореното сепариране на високо диспергираните частици и колоидните системи се нарича коагулиране. Тези частици и колоидни системи се намират във водата в интензивно брауново движение и имат електрически потенциали които не позволяват тяхното сливане. Целта на коагулацията е да неутрализира или да намали електричния заряд на частиците, като създаде условия за тяхното окрупняване, адсорбиране и ускорено сепариране. Тук играе роля добавянето на химични реагенти (коагуланти). Това са метални соли, които внесени във водата се хидратират до метални хидроокиси, които от своя страна са трудно разтворими съединения, имат колоиден характер и значително изразени адсорбционни свойства. При внасянето им във водата адсорбират колоидната система и микроорганизмите с техните образувания и ускорено седиментират.

Най-използвани коагуланти са: железен феро- и ферисулфат (FeSO₄.7H₂0 и  Fe₂(SO₄)₃.18H₂0), алуминиев сулфат (Al₂(SO₄)₃. 18H₂0), железен трихлорид (FeСl₃ ) и други. След дисоциацията им във водата се образуват техните хидроокиси - Fe(ОН)₃ и Al(ОН)₃ чиито частици имат положителен заряд и обемиста структура. В резултат на неутрализиране на заряда на примесите и тяхното адсорбиране върху хидроокисите, утаяването се ускорява. Това води до понижаване на карбонатната твърдост с около 1 meq/dm³ . Образуваната сярна киселина реагира с калциевите и магнезиевите бикарбонати, което води до тяхното намаляване за сметка на увеличаването на сулфатите, тоест на некарбонатната твърдост.

Процесът коагулация обикновено продължава 1,5 - 2,0 часа. Количеството на коагулатора се определя лабораторно и зависи от състава на водата. Най-масово се използва FeSO₄.7H₂0 – най-евтин е и Fe(ОН)₃⁺ дава по-тежък колоид, който се утаява по-бързо. Важно е да се осигури окисляването му.

Протичат следните реакции:

FeSO₄ +Са(НСО₃)₂ → Fe(НСО₃)₂ + СаSO₄

Fe(НСО₃)₂ + Са(ОН)₂ → Fe(ОН)₂ + Са(НСО₃)₂

при рН 8; 4Fe(ОН)₂ +О₂ + 2H₂0 → 4Fe(ОН)₃⁺ ↓

При недостиг на въздушен кислород за окисляване на фeройона до ферийон водата се аерира или се добавя хлор по реакцията:

6FeSO₄ + 3Сl₂ → 2Fe₂(SO₄)₃ + 2FeСl

Полученият ферисулфат  преминава във ферихидроокис спомага за отделянето на примесите.
Съдържанието на желязо във водата и неговите минерални и органични съединения се намалява чрез превръщането му във Fe(ОН)₃ или чрез адсорбция върху внесените коагулатори. Концентрацията на желязото може да се понижи до 0,1 - 0,3 mg/dm³. В случая окислението на ферийона се осигурява с използването на хипохлорид.

Омекотяване на водата

С провеждането на този технологичен процес се цели да се коригира минералния състав на водата, като се отделят солите на временната твърдост и по-точно количеството на калциевите карбонати и бикарбонати, без да се завиши алкалитета. В конкретния случай това се постига с прилагане на метода за обработка с хидратна вар. За целта се реализира химичното взаимодействие между солите на карбонатната твърдост и Са(ОН)₂ при което бикарбонатите се преобразуват в карбонати, които са трудно разтворими.

Са(ОН)₂ + СО₂ → СаСО₃ ↓ + H₂0

Са(ОН)₂ + Са(НСО₃)₂ → 2СаСО₃ ↓ + 2H₂0

Са(ОН)₂ + Mg(НСО₃)₂ → СаСО₃ ↓ + MgСО₃ ↓ + 2H₂0

Сравнително по-високата разтворимост на MgСО₃ възпрепятства отделянето му като утайка при използването на ограничено количество Са(ОН)₂. По този начин, обаче, се осигурява ниска алкалност и намаляване на общата твърдост от 5,5 meq/dm³ до 1,7 meq/dm³, което е задоволително. Освен това методът позволява успоредно стерилизиране на водата и влагане на коагулант. Заедно с Са(ОН)₂ се дозира калциев хипохлорид и железен сулфат.

Обеззаразяване на водата

Биологичната стабилност на водата се постига чрез нейното хлориране, обработка със сребърни йони, ултравиолетови лъчи, озониране и други.
Хлорирането е най-разпространения начин за обеззаразяване на водата. Най-масово се използват течния хлор и неговите съединения - хипохлориди. При внасянето на хипохлорида във водата се отделят активен хлор и кислород в зависимост от рН на средата:

Са(ОСl)₂ + 2H₂0 ↔ Са(ОН)₂ + 2НОСl

2НОСl ↔ H₂0 + Сl₂О

Сl₂О → О + Сl₂

В съвременните инсталации за обработка на водата се дозират 15 ÷ 30 mg/dm³ свободен хлор, който за 30 мин. осигурява необходимия бактерициден ефект. Дозата на хлора може да бъде завишена, ако трябва да протекат някои други процеси, като окисляване на FeSO₄ на органични примеси и други. Преди да бъде подадена за следваща технологична операция, водата трябва да бъде напълно освободена от хлора. За тази цел тя се филтрира през активни въглища. Водата, която се използва за пряка консумация, съдържа 0,3 ÷ 0,4 mg/dm³ свободен хлор.

Озонирането на водата в минимални количества (2 ÷ 4 mg/dm³) също осигурява биологичната и чистота. Озонът има силен стерилизиращ ефект и освен това остатъчния озон се разпада до кислород и не оставя следи в напитката. Поради краткият живот на озона дозирането му във водата става непосредствено преди бутилирането на готовата напитка.

Подобряване на вкусовите качества на водата

За отстраняване на страничния вкус и мирис на водата от съдържащите се в нея минерални и органични примеси, тя се подлага най-често на следните обработки: аериране, озониране, хлориране, филтриране през активен въглен. В резултат на това се постига разрушаване, абсорбиране и отделяне на качествена вода.

Подготовка на бутилки

При съвременното производство на безалкохолни напитки и минерални води се използват стъклени и пластмасови PET бутилки (PET – полиетилентерафталат). Стъклените се ползват като оборотни (за многократна употреба), което налага тяхното основно измиване. Пластмасовите бутилки  задължително се подлагат на изплакване. Режимът на измиване на стъклените бутилки е най-тежък технологично и се създават екологични проблеми. Замърсяванията по стъклените опаковки имат разнообразен характер: за новите бутилки – предимно стъклен прах, но при оборотните - доста по-разнородни (остатъци от напитката, биомаса, атмосферни отлагания). Това налага използването на миещи средства, които притежават разтварящи, емулгиращи свойства. Въздейства се и чрез механичната сила на миещата струя, а също и с по-висока температура. При работа с пластмасови PET бутилки задължително се провежда изплакване. Достатъчно е използването на чиста омекотена вода.
Съвременните тенденции са за все по-широко експлоатиране на пластмасовите бутилки и отпадане на миялните машини, които са скъпи и създават екологични проблеми. Освен това производствения шум при работа със стъкло е много голям.

Основни процеси

Основните процеси осигуряват получаването на готовата напитка, насищане с СО2  пълнене в опаковки и затваряне. Правилното провеждане на тези технологични операции има решаващо значение за качеството на получените готови продукти.

Насищане на водата с СО₂

При насищането с СО₂ се достигат необходимите органолептични и физико-химични показатели на напитката. СО₂ е основен компонент за газираните напитки. На него се дължи тяхната пенливост, игривост, ряз и свежест, катализира процесите на съзряване на напитката. СО₂ се използва за насищане в количества до 10 g/dm³ (най-често от 3 до 6 g/dm³).

Начини за насищане на водата и напитките с СО₂

Насищането на водата и напитките с СО₂ може да се проведе по различни технологични схеми в зависимост от наличните апарати и тяхното разположение:

Самонасищане - характерно е за слабо алкохолни напитки и естествено газираните минерални води. В слабо алкохолните напитки (пиво, боза, квасови напитки) се образува и натрупва СО₂ в резултат на алкохолната ферментация. При минералните води протича реакция между киселини и карбонати: СаСО₃ + 2Н⁺ → Са²⁺ + Н₂СО₃ (Н₂О + СО₂) Отделеният СО₂ се разтваря във водата вследствие на високото налягане в дълбочината на земните недра.

Директно насищане – за питейни и минерални води. Директно се смесват водата и СО2, за да реагират до получаване на газирана вода;

Разделно насищане – първият начин за получаване на подсладени газирани напитки. Насища се деаерирана и охладена вода. Следва успокояване и подаване към бутилките за смесване, където предварително е дозиран купажен сироп. Сиропите се дозират по обем, а водата по ниво. Готовата напитка се получава в самата опаковка;

Полупремиксово насищане – деаерираната охладена вода се насища с СО₂ и се смесва в поток в определено съотношение с купажен сироп. За целта се използват двойнодействащи бутални помпи или ежекторни устройства.  Готовата напитка се успокоява и се пълни в бутилки при изобарни условия;

Премиксово насищане – в поток се смесват в определено съотношение деаерирана вода и купажен сироп. Готовата напитка се охлажда, насища се с СО₂ успокоява и пълни в бутилки.

Процесът на отстраняване на разтворените газове от течността се нарича деаерация (обезвъздушаване). Използват се специални апарати деаератори. Най-широко приложение намират вакумните деаератори. В апарата се създава вакуум, водата се пулверизира, газовете се отделят и с помощта на вакуум помпа се изхвърлят. Друг вид деаератори са газовите, при които обезвъздушаването става чрез продухване с СО₂. Това е първият етап на насищането с СО₂. Двата флуида обикновено се подават в противоток. Въглеродният диоксид се разтваря във водата, измества въздухът от нея и като по-лек се събира в горната част на апарата, от където се изхвърля в атмосферата.

Двата вида деаератори работят на принципа на създаване на условия за свръхналягане на газовете, съдържащи се във водата. Апаратите в които се осъществява насищането с СО₂ се наричат сатуратори. Според принципа на действие те биват: смесителни, разпръсквателни и комбинирани.

При смесителните сатуратори насищането се извършва чрез свободно или механично смесване на предварително дозирани количества вода и СО₂ поставени в херметична смесителна камера. Контактната повърхност е много малака, процесът е бавен, а газировката е нетрайна. Работят периодично.

При разпръсквателните сатуратори контактната повърхност между двете фази се увеличава чрез разпрашаване на водата. Обикновено водата и СО₂ се подават в противоток , но има и правотокови (ежекторни). Работят непрекъснато.

При комбинираните сатуратори се съчетават предимствата на предните два типа. Осигурява се бързо насищане при голяма контактна повърхност, както при разпръсквателните. След това, за да се стабилизира газировката, се използват успокоители (подобни на смесителните сатуратори), които работят при по-високо налягане на СО₂ спрямо налягането на насищане. Комбинираните апарати работят напълно автоматично.

Пълнене на готовата напитка в бутилки

При бутилирането трябва да се осигури запазване на всички придобити физико-химични и органолептични показатели на готовата напитка. Газираната напитка е термодинамически нестабилна и трябва да се осигурят специални условия при пълненето: постоянно и изравнено налягане в пълначната машина и в бутилката, отстраняване на въздуха от бутилката, минимално дроселиране и ниска скорост на придвижване на газираните напитки и други.

Директно пълнене - прилага се само за еднокомпонентни напитки - натурални и газирани води). Наливат се при изобарни условия, дозират се по ниво.

Разделно пълнене - използва се за подсладени газирани напитки. Охладеният купажен сироп се подава с дозираща машина, която отмерва определен обем, във всяка бутилка.
Бутилките постъпват в пълначната машина където се допълват с охладена газирана вода до определено ниво при изобарни условия. Този начин на пълнене изисква машина за смесване и хомогенизиране на двете съставки, тъй като следващите транспортни манипулации не допринасят съществено за това.
Купажният сироп при разделното пълнене се дозира непосредствено до пълначната машина или самостоятелно. Дозирането при автоматично работещите апарати става най-често с помощта на дозиращи цилиндри и гравитационно подаван купажен сироп.

Премиксово пълнене - този принцип на пълнене измества разделното като по-прогресивен. При него купажният сироп и водата се смесват в определено съотношение в поток с помощта на двойнодействаща бутална дозираща помпа. Получената готова напитка, охладена преди или след насищане с СО₂ до температура 3 - 5°С се подава към упокоителя, а от него към пълначната машина. Пълната бутилка след дехерметизация и освобождаване от пълначния вентил се подава къз затварачната машина. Недостатък на този метод е, че за плодовите и билковите напитки при разпрашаването на готовите напитки в сатуратора се получава голямо разпенване, което възпрепятства работата на сатуратора и нормалното пълнене. В зависимост от конструкцията и начина на работа пълначните машини биват:

• Ръчни – подаването на бутилките с купажен сироп, пускането и спирането на газираната вода за всяко от тях и освобождаването им е ръчно.
• Полу-автоматични – подаването и отнемането на бутилките с купажен сироп е ръчно. Останалите операции са автоматични.
• Автоматични – всички технологични операции се извършват автоматично. Най-често е обединена със затварачната машина в моно блок.

При всички съвременни автоматични инсталации се осигуряват минимум четири такта, които гарантират както изобарни условия на пълнене, така и минимални загуби от напитката и точност на пълненето.

1. Бутилката се подава към пълначния вентил, херметизира се към него и се напълва с СО₂ като се изравняват наляганията в бутилката и напитката.
2. При изобарни условия започва сливно подаване на напитката на принципа на скачените съдове. Нивото на напълване се регулира индивидуално за всяка бутилка с помощта на пълначната игла или общо за всички бутилки, чрез нивото на напитката в резервоара на пълначната машина.
3. Осигурява се оттичане на напитката от каналите и тръбните връзки на скачените съдове в бутилката.
4. Дехерметизиране на бутилката от пълначния вентил и подаването и по транспортьора към затварачната машина. Създават се условия за излитане на част от СО₂, запенване, кипене и други. Това налага разстоянието от пълначната до затварачната машина да бъде минимално.

Когато липсва бутилка на пълначния вентил той не подава напитка, тъй като не се включва на работен ход. Подаването на напитка през клапаните на скачените съдове може да стане само при изобарни условия. Ако се пълни без противоналягане, 30 - 40% от газировката се губи. За създаване на необходимото налягане в бутилката се използва СО₂, намиращ се над готовата напитка в резервоара на пълначката. Не е желателно да се използва въздух за да не се дестабилизира газирането и да не се допуснат окислителни процеси.

Затваряне на бутилките

Затварянето е важна технологична операция, която трябва да осигури добра херметичност на опаковките. Последната гарантира запазване на качествените показатели на напитката след производството, по време на съхраняването и до нейната употреба. Добрата херметичност е необходима, защото напитката се намира непрекъснато под вътрешно налягане от разтворения СО₂ и зависи от температурата. В процеса на затваряне се осъществяват и следните операции: поемане на пълните бутилки, поемане и ориентиране на капачките, подреждане на капачките в транспортен улей и допълнително ориентиране, подаване на капачката в затварящия цилиндър, подаване на бутилката под него, поставяне на капачката върху бутилката и притискане (или завинтване), отнемане на бутилката от карусела на машината.

Заключителни процеси

Чрез заключителните процеси се извършва проконтролиране качеството на напитката, окончателно се оформя готовия продукт и се подрежда в каси, стекове, кашони, палети. С тези операции продукцията се подготвя и се създават условия за по-удобно провеждане на вътрешнозаводския транспорт и доставката в търговската мрежа.

Контрол на качеството

Следи се за ниво на напълване, бистрота, наличие на механични примеси, качество на затваряне и други. Всички бутилки, при които има отклонения по тези показатели, се отделят от линията и се подават за съответна обработка. В съвременните линии процесите са автоматизирани.

Етикетиране

Задължително се поставят етикети на цялата продукция. Те придават завършен вид на продукта и го оформят като търговска стока. Необходимата нормативна информация може да се нанася и върху литографирани капачки. Етикетите могат да бъдат залепени с подходящо лепило или да бъдат самозалепващи се.

Поставяне на бутилките в каси или стекове

Тази технологична операция може да се проведе ръчно, механизирано или автоматично. В съвременните технологични линии бутилките се подреждат в каси със специални машини – крейтери. Те са с обратни работни и празни ходове за захващащите глави, които поемат необходимия брой бутилки за една каса и ги поставят в нея.

При оформянето на стековете необходимият брой бутилки за един стек се поставят върху картонена подложка и се придвижват с нея. С помощни палци последната се нагъва и формира дъното на стека. За да се гарантира компактността и стабилността на получения комплект бутилки те се обвиват в с термо-свиваемо фолио и се подават в тунел с висока температура където фолиото се свива и плътно обхваща опаковката.

Палетизиране

Касите или стековете се подреждат на палети. Това създава възможност за пълно механизиране на всички товаро-разтоварни процеси. Тази операция също може да се извършва ръчно, механизирано или автоматично.

Автоматичните палетизатори осъществяват следните операции: поемат касите (стекове) с пълни бутилки, подреждат ги върху палета вертикално и хоризонтално, подават готовия палет за експедиция и поемат празен палет за зареждане.

За по-голяма стабилност палетите със стекове се увиват със самозалепващо фолио. Това може да бъде извършено ръчно или машинно.

Експедиция