GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ sản XUẤT rượu BIA nước GIẢI KHÁT c1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TS Lê Thị Hồng Ánh (chủ biên) ThS Phan Thị Hồng Liên ThS Phan Vĩnh Hưng ThS Ngơ Duy Anh Triết G ÁN H GIÁO TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU BIA NƯỚC GIẢI KHÁT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM TS Lê Thị Hồng Ánh (chủ biên) ThS Phan Thị Hồng Liên ThS Phan Vĩnh Hưng ThS Ngô Duy Anh Triết G ÁN H GIÁO TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU BIA NƯỚC GIẢI KHÁT MỞ ĐẦU Rượu, bia loại đồ uống người tạo sử dụng từ lâu đời Rượu, bia loại đồ uống có cồn hình thành thơng qua q trình lên men, cịn nước giải khát pha chế xuất sau này, sử dụng rộng rãi đời sống thường nhật, giúp người giải khát, cung cấp lượng cách nhanh chóng sử dụng thuận tiện Trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ thực phẩm hệ đại học, học phần Công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát học phần chuyên ngành Học phần cung cấp cho sinh viên kiến thức sản xuất nước giải khát có gas, sản xuất bia, sản xuất rượu Nội dung giáo trình chia làm năm chương: Chương 1: Xử lý nước công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát ThS Phan Thị Hồng Liên ThS Ngô Duy Anh Triết biên soạn Chương 2: Công nghệ sản xuất nước giải khát có gas TS Lê Thị Hồng Ánh ThS Phan Thị Hồng Liên biên soạn Chương 3: Sản xuất bia TS Lê Thị Hồng Ánh ThS Phan Vĩnh Hưng biên soạn Chương 4: Sản xuất rượu TS Lê Thị Hồng Ánh ThS Phan Thị Hồng Liên biên soạn Chương 5: Hệ thống làm khử trùng công nghiệp TS Lê Thị Hồng Ánh ThS Ngơ Duy Anh Triết biên soạn Giáo trình Công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát chắn khơng tránh khỏi sai sót Nhóm tác giả mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp bạn đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gởi Bộ mơn Cơng nghệ chế biến Thực phẩm, Khoa Công nghệ Thực phẩm, Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh Trân trọng cám ơn! Nhóm biên soạn i MỤC LỤC CHƯƠNG XỬ LÝ NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU, BIA VÀ NƯỚC GIẢI KHÁT 1.1 Xử lý nước cấp công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát 1.1.1 Các nguồn nước cấp thường sử dụng công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát 1.1.2 Các tiêu chất lượng nước 1.1.3 Yêu cầu chất lượng nước 1.1.4 Các phương pháp xử lý nước công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát 1.2.2 Các thành phần nước thải có ảnh hưởng đến môi trường 15 1.2.3 Số lượng thành phần nước thải nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát 15 1.2.4 Phương pháp xử lý nước thải nhà máy rượu, bia, nước giải khát 16 ii CHƯƠNG XỬ LÝ NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU, BIA VÀ NƯỚC GIẢI KHÁT 1.1 Xử lý nước cấp công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát Trong công nghệ sản xuất rượu, bia nước giải khát, nước sử dụng với mục đích khác như: dùng để xử lý nguyên liệu, bán thành phẩm dùng trực tiếp để sản xuất sản phẩm Bên cạnh đó, nước sử dụng để làm chất tải nhiệt, sản xuất hơi, vệ sinh dụng cụ, thiết bị… Đặc biệt, nước thành phần chính, chiếm tỷ lệ từ 80-90% sản phẩm nước giải khát Việc xử lý nước đạt thông số kỹ thuật quy định cho sản xuất rượu, bia, nước giải khát cần thiết để đảm bảo chất lượng an toàn vệ sinh thực phẩm 1.1.1 Các nguồn nước cấp thường sử dụng công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát Nước cấp dùng công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát sử dụng từ nhiều nguồn khác như: nước mưa, nước sông, suối, kênh rạch, nước giếng nước biển Tuy nhiên, hai nguồn nước quan trọng thường sử dụng nước bề mặt nước ngầm 1.1.1.1 Nước bề mặt Nước bề mặt bao gồm nguồn nước thô tự nhiên nước sông, suối, ao, hồ, kênh, rạch…Trong đó, nước sơng nguồn nước bề mặt quan trọng sử dụng làm nguồn nước cấp nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát Đây nguồn nước tự nhiên thân thiện với người nguồn nước dễ bị ô nhiễm tác động yếu tố tự nhiên, nguồn gốc, điều kiện môi trường xung quanh tác động người Đặc điểm bật nước sông kết hợp dòng chảy bề mặt nên có đặc điểm sau: − Chứa hàm lượng khí hịa tan cao − Chứa rong tảo hàm lượng chất hữu cao (do phân hủy xác động vật thực vật) − Chứa chất keo chất rắn lơ lửng − Chứa vi sinh vật Thành phần chất lượng nước bề mặt thay đổi tùy thuộc vào điều kiện môi trường Tuy nhiên, với đặc điểm trên, nước bề mặt không đạt tiêu chất lượng cho công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát mà cần phải có phương pháp xử lý thích hợp để đạt yêu cầu nước cấp cho sản xuất 1.1.1.2 Nước ngầm Nước ngầm bao gồm nguồn nước thô tự nhiên khai thác từ mạch nước sâu lịng đất Đây nguồn nước chịu tác động hoạt động người yếu tố mơi trường Do đó, chất lượng nước ngầm thường bị nhiễm tốt nước bề mặt tiêu vi sinh, chất keo lơ lửng không chứa rong tảo Tuy nhiên, nước ngầm chứa tạp chất hịa tan ảnh hưởng điều kiện địa tầng, thời tiết, q trình phong hóa sinh hóa khu vực khai thác Một số đặc điểm đặc trưng nước ngầm: − − − − − Hàm lượng khoáng cao (Fe, Mn, Ca, Mg, F) Hàm lượng vi sinh vật thấp Nhiệt độ thành phần hóa học ổn định Hàm lượng chất lơ lửng thấp Hàm lượng oxy hòa tan thấp 1.1.2 Các tiêu chất lượng nước Chất lượng nước cấp cho sản xuất rượu, bia, nước giải khát đánh giá tiêu khác thuộc nhóm sau: nhóm tiêu sinh học, tiêu hóa học tiêu vật lý 1.1.2.1 Nhóm tiêu vật lý Nhóm gồm tiêu như: nhiệt độ, độ màu, độ đục, độ nhớt, pH, độ cứng nước,… 1.1.2.2 Nhóm tiêu hóa học Các tiêu hóa học nước bao gồm: lượng oxy hịa tan (DO), nhu cầu oxy hóa học (COD), hợp chất chứa acid carbonic, hợp chất chứa nitơ, hàm lượng H2S, Fe2+, Fe3+, Mn2+, Ca2+, Mg2+, Al3+, SO42-, PO43-, Cl-, HCO3-,… 1.1.2.3 Các tiêu vi sinh Các loài vi sinh vật tồn nguồn nước bao gồm: vi khuẩn, virus, ký sinh trùng, động vật nguyên sinh tảo Các loại vi sinh vật trực tiếp hay gián tiếp gây nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến chất lượng an toàn sản phẩm 1.1.3 Yêu cầu chất lượng nước 1.1.3.1 Phân loại chất lượng nước Nước cấp sử dụng nhà máy sản xuất rượu bia nước giải khát có mục đích khác nên yêu cầu chất lượng nước thay đổi để phù hợp với yêu cầu sản xuất điều kiện thực tế nhà máy Do vậy, nước cấp sử dụng nhà máy phân loại theo nhóm sau: − Nước dùng trực tiếp để pha chế, phối trộn với nguyên liệu trình sản xuất − Nước dùng để tẩy rửa, khử trùng thiết bị dụng cụ − Nước dùng để vệ sinh nhà xưởng − Nước dùng để làm lạnh gia nhiệt − Nước cung cấp cho nồi 1.1.3.2 Yêu cầu chất lượng nước dùng công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát Với cách phân loại phần 1.1.3.1, nước cấp chia thành nhiều nhóm khác Tuy nhiên, xét mục đích sử dụng chia thành nhóm nước dùng để ăn, uống nước dùng cho sinh hoạt Yêu cầu tiêu chất lượng nước phải đáp ứng theo quy định hành Nhà nước (bảng 1.1 bảng 1.2) Bảng 1.1 Các tiêu nước ăn uống STT Tên tiêu Màu sắc Mùi vị Độ đục Đơn vị Giới hạn tối đa cho phép Phương pháp thử Mức độ giám sát TCU 15 TCVN 6185 - 1996 SMEWW 2120 A - Khơng có mùi, vị lạ Cảm quan, SMEWW 2150 B 2160 B A NTU TCVN 6184 - 1996 SMEWW 2130 B A - Trong khoảng 6,5-8,5 TCVN 6492:1999 SMEWW 4500 - H+ A A pH Độ cứng, tính theo CaCO3 mg/l 300 TCVN 6224 - 1996 SMEWW 2340 C Hàm Clorua mg/l 250 300(**) TCVN6194 - 1996 SMEWW 4500 - Cl- D A Hàm lượng Sắt tổng số (Fe2+ + Fe3+) mg/l 0,3 TCVN 6177 - 1996 SMEWW 3500 - Fe A Hàm lượng Mangan tổng số mg/l 0,3 TCVN 6002 - 1995 Hàm Nitrat lượng mg/l 50 TCVN 6180 - 1996 A 10 Hàm Nitrit lượng mg/l TCVN 6178 - 1996 A 11 Hàm Sunphát lượng mg/l 250 TCVN 6200 - 1996 A 12 Chỉ số Pecmanganat mg/l TCVN 6186:1996 ISO 8467:1993 (E) A mg/l Trong khoảng 0,3 - 0,5 SMEWW 4500Cl US EPA 300.1 A 13 Clo dư lượng A 14 Coliform tổng số 15 E.coli Coliform nhiệt VK/10 0ml VK/10 chịu 0ml TCVN 6187 - 1,2 :1996 SMEWW 9222 A TCVN6187 - 1,2 : 1996 SMEWW 9222 A (Nguồn: QCVN 01:2009/BYT) Yêu cầu với tiêu thuộc mức độ A: a) Xét nghiệm 01 lần/01 tuần sở cung cấp nước thực hiện; b) Kiểm tra, giám sát, xét nghiệm 01 lần/01 tháng quan có thẩm quyền thực Bảng 1.2 Các tiêu nước sinh hoạt TT Tên tiêu Màu sắc Mùi vị Độ đục Clo dư pH Đơn vị tính Giới hạn tối đa cho phép Phương pháp thử Mức độ giám sát TCVN 6185 - 1996 SMEWW 2120 A Khơng Cảm quan, có mùi SMEWW 2150 B vị lạ 2160 B A A I II TCU 15 15 - Khơng có mùi vị lạ NTU 5 TCVN 6184 - 1996 SMEWW 2130 B mg/l Trong khoảng 0,3-0,5 - SMEWW 4500Cl US EPA 300.1 A Trong Trong TCVN 6492:1999 khoảng khoảng SMEWW 4500 6,0 6,0 - H+ 8,5 8,5 A - Hàm lượng Amoni Chỉ số Pecmanganat mg/l 10 Hàm lượng Clorua mg/l mg/l SMEWW 4500 NH3 C SMEWW 4500 NH3 D 4 TCVN 6186:1996 ISO 8467:1993 (E) A 300 - TCVN6194 - 1996 SMEWW A - A 4500 - Cl- D VK/ 100m l 13 Coliform tổng số 14 E coli VK/ Coliform 100m chịu nhiệt l 50 150 TCVN 6187 1,2:1996 SMEWW 9222 A 20 TCVN6187 1,2:1996 SMEWW 9222 A (Nguồn: QCVN 02:2009/BYT) Yêu cầu với tiêu thuộc mức độ A: a) Xét nghiệm 01 lần/03 tháng sở cung cấp nước thực hiện; b) Kiểm tra, giám sát, xét nghiệm 01 lần/06 tháng quan có thẩm quyền thực Ghi chú: − Giới hạn tối đa cho phép I: Áp dụng sở cung cấp nước − Giới hạn tối đa cho phép II: Áp dụng hình thức khai thác nước cá nhân, hộ gia đình 1.1.4 Các phương pháp xử lý nước công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát 1.1.4.1 Keo tụ Keo tụ phương pháp xử lý nước phổ biến áp dụng nguồn nước chứa nhiều thành phần lơ lửng có kích thước nhỏ 10-4 mm Đây phương pháp sử dụng chất keo tụ (phèn sắt, phèn nhôm, chất điện ly hay chất cao phân tử) để hạt keo nhỏ nước liên kết với tạo thành bơng keo có kích thước lớn Sau đó, bơng keo loại bỏ phương pháp lắng, lọc hay tuyển (đối với bơng keo có tỷ trọng nhỏ 1) Trong q trình xử lý nước, có hai dạng keo phổ biến hình thành keo ưa nước (hydrophilic) keo kỵ nước (hydrophobic) Với phương pháp keo tụ, người ta loại bỏ kim loại nặng, chất lơ lửng anion Từ đó, cải thiện độ đục màu sắc nước Các phương pháp xử lý nước keo tụ phân loại dựa vào chất chất keo tụ, bao gồm: phương pháp keo tụ dùng chất điện ly đơn giản, phương pháp keo tụ dùng hệ keo ngược dấu (phèn nhôm, phèn sắt) phương pháp keo tụ dùng chất polymer Trong đó, phương pháp keo tụ sử dụng phèn nhôm phèn sắt thường sử dụng phổ biến Phương pháp keo tụ sử dụng phèn nhơm Phèn nhơm có cơng thức hóa học Al2(SO4)3.18H2O Khi cho vào nước xảy phản ứng sau: Al2(SO4)3 = 2Al3+ + 3SO42Al 3+ + 3H2O= Al(OH)3 + 3H+ Hydroxide nhơm tạo thành có độ hịa tan có dạng bơng Nhờ đó, hợp chất dạng keo hấp phụ lên bề mặt hydroxide nhôm, tạo nên tập hợp (aggregate) với kích thước lớn nặng Chúng ta tách chúng khỏi nước dễ dàng phương pháp lắng lọc Các bơng hydroxide nhơm tích điện dương Do đó, khơng có hợp chất dạng keo mà tạp chất tích điện âm có nước liên kết với chúng tạo kết tủa tách khỏi nước Cần lưu ý xử lý nước phèn nhơm nước làm xuất lượng nhỏ acid sulfuric nước Acid phản ứng với muối CaCO3 để tạo thành muối calcium sulphate, khí CO2 nước Như vậy, phần độ cứng tạm thời chuyển sang độ cứng vĩnh cửu Theo lý thuyết, kích thước bơng lớn q trình tách hợp chất keo nước đạt hiệu cao Khi giá trị pH nước nhỏ 4,0, hydroxide nhơm có kích thước bé Ngược lại, giá trị pH nước lớn 4,0, kích thước hydroxide nhôm lớn Giá trị pH tối ưu để xử lý nước phèn nhôm dao động khoảng 7,5÷7,8 Khi giá trị pH nước lớn 8,0 tạo thành hydroxide, phèn nhơm khơng cịn tác dụng hỗ trợ kết lắng hợp chất keo nước Phương pháp keo tụ sử dụng phèn sắt Phèn sắt có cơng thức hóa học Fe2(SO4)3.9H2O Tương tự phèn nhơm, có phèn sắt vào nước, xảy phản ứng: Fe2(SO4)3 = 2Fe3+ + 3SO42Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ Kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy trình xử lý nước phèn sắt đạt hiệu cao giá trị pH nước nằm khoảng 8,2÷8,5 Để tiến hành xử lý nước phèn nhôm phèn sắt, người ta sử dụng bể chứa nước hình trụ, đáy khối hộp hình chữ nhật, bên có cánh khuấy hệ thống đường ống sục khí để đảo trộn Trước tiên, người ta cho phèn nhôm phèn sắt vào nước để tạo thành dung dịch có nồng độ xấp xỉ 5%, sau bổ sung dung dịch vào bể nước cần xử lý Cho cánh khuấy hoạt động sục khí thời gian đầu để phân bố hóa chất nước Tiếp theo, tắt cánh khuấy ngưng sục khí để q trình kết lắng xảy Tại số sở sản xuất thức uống, người ta châm dung dịch phèn nhơm phèn sắt đường ống dẫn nước ngầm vào bể lắng Khi đó, khơng cần sử dụng cánh khuấy hệ thống sục khí để đảo trộn Thời gian cần thiết để xảy kết lắng tạp chất keo nước phèn nhôm phèn sắt kéo dài 6÷8 1.1.4.2 Lắng tuyển Quá trình xử lý nước phương pháp lắng tuyển thực bể chứa rộng trạng thái tĩnh để tách tạp chất có nước thơ Ngun tắc q trình dựa vào trọng lực khối lượng riêng hạt lơ lửng Khi khối lượng riêng hạt phân tán (tạp chất) lớn khối lượng riêng mơi trường phân tán (chất lỏng), tự lắng xuống tạo thành lớp bùn cặn gọi trình lắng Ngược lại, khối lượng riêng hạt phân tán (tạp chất) nhỏ khối lượng riêng mơi trường phân tán (chất lỏng), tự lên bề mặt tạo thành lớp váng bọt gọi trình tuyển (hình 1.1) A-Hạt có khối lượng riêng lớn B-Hạt có khối lượng riêng nhỏ Hình 1.1 Quá trình lắng tuyển Tốc độ lắng xuống hay lên hạt cặn nhanh hạt có kích thước lớn khối lượng riêng chúng khác biệt nhiều so với mơi trường lỏng chứa Do vậy, người ta làm tăng kích thước hạt cách tạo keo chúng tiếp xúc kết hợp với hình thành hạt có kích thước lớn Đối với hạt cặn mang điện, chúng kết hợp với (các hạt tích điện trái dấu) đẩy (các hạt tích điện dấu) Để làm tăng khả keo tụ kết lắng, người ta bổ sung chất keo tụ phèn sắt hay phèn nhôm vào nước q trình lắng Ngồi ra, việc làm thay đổi khối lượng riêng hạt cặn lơ lửng cịn thực cách bổ sung vào nước chất có khối lượng riêng lớn (đất sét, bọt khí) chất có khối lượng riêng nhỏ (bọt khí) để nâng cao hiệu trình lắng hay tuyển 1.1.4.3 Lọc Để tách cấu tử khơng tan khỏi nước, sử dụng phương pháp lọc phương pháp lắng Khi cho huyền phù qua màng lọc, cấu tử rắn không tan bị giữ lại, pha liên tục chui qua màng lọc tạo nên dịch lọc Có hai phương pháp lọc: lọc bề mặt lọc bề sâu Trong phương pháp lọc bề mặt, cấu tử rắn có kích thước lớn đường kính mao quản màng lọc bị giữ lại màng tạo nên lớp bã lọc Chiều cao lớp bã lọc tăng theo thời gian làm cho trở lực lớp bã lọc tăng theo Ngược lại, phương pháp lọc bề sâu, cấu tử khơng tan huyền phù có kích thước lớn đường kính mao quản màng lọc Chúng khuếch tán vào bên mao quản màng “bã lọc” hình thành mao quản Trong công nghệ sản xuất nước giải khát, tùy theo chất lượng của nguồn nước đầu vào mà người ta sử dụng phương pháp lọc bề mặt hay lọc bề sâu Hình 1.2 Lọc bề mặt Hình 1.3 Lọc bề sâu 1.1.4.4 Phương pháp phân riêng màng (membrane) Phân riêng màng (membrane) phương pháp ứng dụng công nghiệp sản xuất nước giải khát Ngày nhiều nhà máy thực phẩm dùng membrane để xử lý nước công nghiệp trước đưa vào sản xuất Người ta chia membrane thành loại chủ yếu: vi lọc (microfiltration), siêu lọc (ultrafiltration), lọc nano (nanofiltration), thẩm thấu ngược (reverseosmosis) dựa theo kích thước mao quản Membrane có kích thước nhỏ nên dễ bị tắc nghẽn trình xử lý nước Để khắc phục tượng này, nguồn nước nhà máy cần phải xử lý sơ phương pháp khác để tách bớt tạp chất thơ trước đưa qua xử lý membrane Hình 1.4 Phân loại kích thước phân tử cho phép qua loại membrane a Vi lọc Mục đích tách tế bào vi sinh vật Đường kính mao quản membrane vi lọc dao động khoảng từ 0,1µm đến 0,5µm Với kích thước này, membrane vi lọc giữ lại tế bào vi khuẩn, nấm men nấm mốc bề mặt membrane, ngoại trừ virus chui qua membrane vi lọc Nếu so sánh với phương pháp xử lý vi sinh khác phương pháp vi lọc tạo nguồn nước đạt chất lượng vi sinh vật tốt đảm bảo an toàn cho người sử dụng Ngoài chức tách vi sinh vật, phương pháp vi lọc tách bớt số hợp chất hữu làm giảm độ đục nước Nước qua vi lọc có hàm lượng tổng carbon hữu carbon hữu hòa tan giảm Đến nay, phương pháp vi lọc áp dụng rộng rãi quy trình xử lý nước uống quy mơ lớn Cấu hình thiết bị membrane dạng sợi rỗng (hollow fibre) sử dụng phổ biến Kích thước mao quản membrane thường 0,1µm 0,2µm Để hạn chế tượng tắc nghẽn mao quản membrane trình sử dụng, người ta dùng khí nén (áp suất 90÷100psi) để thổi ngược định kỳ, kết hợp với trình rửa ngược (backwash) nhằm tách bỏ cấu tử bám bề mặt membrane Ngồi ra, sau 4÷6 tuần sử dụng, người ta dùng hóa chất để vệ sinh membrane, đồng thời để ức chế vi sinh vật bám membrane b Siêu lọc Sử dụng membrane với kích thước mao quản xấp xỉ 0,01µm thấp vi sinh vật có kích thước nhỏ virus loại bỏ Ngoài ra, phương pháp siêu lọc tách số đại phân tử khỏi nước, đáng ý pyrogen Hầu hết pyrogen lipopolysaccharide có nguồn gốc từ thành tế bào vi khuẩn Phân tử lượng chúng xấp xỉ 20.000Da Chúng khơng bị biến đổi trình xử lý nhiệt Việc tách pyrogen khỏi nước phương pháp siêu lọc đảm bảo an toàn nguồn nước cho người sử dụng Ngày nay, thiết bị siêu lọc nước dạng sợi rỗng áp dụng phổ biến thực tiễn sản xuất c Lọc nano Sử dụng membrane với kích thước mao quản xấp xỉ 0,001µm Phương pháp lọc nano loại bỏ muối hịa tan khỏi nước, làm giảm độ cứng nước cần xử lý Hàm lượng muối dòng permeate giảm 50÷70% so với nước nguyên liệu, riêng hàm lượng muối hóa trị II giảm đến 95% Hiện nay, nhiều nước giới sử dụng phương pháp lọc nano để xử lý nước cứng tách muối hòa tan d Thẩm thấu ngược Phương pháp thẩm thấu ngược cho dung môi (nước) qua membrane tạo nên dịng permeate, tồn cấu tử tan không tan bị giữ lại bề mặt membrane tạo nên dòng retentate Nếu hiệu phân riêng phương pháp thẩm thấu ngược tuyệt đối sản phẩm thu dịng permeate nước không bị lẫn tạp chất hóa học khác (nước tinh khiết) Trong phịng thí nghiệm nay, người ta sử dụng phương pháp thẩm thấu ngược để thu nhận nước tinh khiết, từ ứng dụng phân tích định lượng địi hỏi độ xác cao 1.1.4.5 Khử sắt mangan Khử sắt phương pháp hóa học Trong nguồn nước thiên nhiên, sắt thường tồn dạng muối hóa trị II, phổ biến muối bicarbonate Việc tách sắt trình xử lý nước quan trọng Với hàm lượng sắt từ 0,5mg/l trở lên, nước có mùi Ngồi ra, cặn sắt bám hệ thống đường ống dẫn nước làm giảm lưu lượng dịng chảy lâu ngày bị tắc nghẽn đường ống.Để tách sắt khỏi nguồn nước, người ta thường dùng phương pháp chuyển hóa Fe2+ thành Fe3+ điều kiện có oxygen: 4Fe(HCO3)2+2H2O + O2 = 4Fe(OH)3 ↓+8CO2 Phản ứng tạo thành Fe(OH)3 kết tủa có màu nâu đỏ dạng cặn bơng Tiếp theo người ta sử dụng trình lắng lọc để tách kết tủa khỏi nước Hiện nay, để thực q trình tách sắt, nhà sản xuất dùng nhiều dạng thiết bị khác Nguyên lý hoạt động chung thiết bị nước phun thành dạng tia để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc nước môi trường thổi không khí liên tục để cung cấp oxygen Nhờ đó, phản ứng oxy hóa diễn nhanh đạt hiệu suất cao Tại số nhà máy, trước vào thiết bị tách sắt, người ta bổ sung luợng chlorine vào nước chất xúc tác cho phản ứng oxy hóa muối sắt Khử Mangan Quá trình khử mangan thường tiến hành đồng thời với trình khử sắt mangan thường tồn với sắt dạng ion hóa trị (nước ngầm) dạng keo hữu (nước bề mặt) Mangan hịa tan hóa trị bị oxy hóa chuyển dần thành mangan hóa trị dạng hydroxit kết tủa 2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O = 2Mn(OH)4↓+ 4H+ + 4HCO3Từ phương trình phản ứng ta thấy, pH cao tốc độ oxy hóa thủy phân mangan nhanh Theo tác giả Nguyễn Thị Thu Thủy (2000), q trình oxy hóa mangan hóa trị thành mangan hóa trị diễn chậm pH < khơng có chất xúc tác Giá trị pH 8,5 đến 9,5 xem tối ưu cho trình khử mangan Quy trình xử lý mangan thực tương tự với quy trình khử sắt bao gồm giai đoạn: làm thoáng, lắng lọc Sau q trình làm thống, Mn(OH)4 hình thành dạng kết tủa Khi trình lọc diễn ra, lớp vật liệu lọc bao phủ dần lớp Mn(OH)4 tích điện âm Đây chất xúc tác hấp thụ oxy hóa ion Mn+ theo phản ứng sau: Mn(OH)2+ Mn(OH)4 = 2Mn(OH)3↓ 4Mn(OH)3 + O2 + 2H2O =4Mn(OH)4↓ Theo chế phản ứng lớp phủ Mn(OH)4 hình thành liên tục trở nên dày Do đó, hiệu trình lọc tách mangan khỏi nước phụ thuộc vào q trình oxy hóa hình thành lớp Mn(OH)4 bề mặt vật liệu lọc Để nâng cao hiệu khử mangan phương pháp oxy hóa, người ta nâng pH nước > bổ sung chất xúc tác KMnO4, nồng độ 3mg/l (hình 1.5) 10 (1) Có sử dụng chất xúc tác (2) Không sử dụng chất xúc tác Hình 1.5 Ảnh hưởng chất xúc tác đến trình khử mangan phương pháp oxy hóa 1.1.4.6 Làm mềm nước Nước cứng nước tự nhiên có chứa ion Ca2+ ion Mg2+ Nước cứng chia thành loại dựa vào chất phân tử chúng nước cứng tạm thời nước cứng vĩnh cửu Nước cứng tạm thời nước có chứa ion dương Ca2+ Mg2+, ion âm bicarbonate (HCO3-) Trong đó, nước cứng vĩnh cửu nước có chứa ion dương Ca2+ Mg2+, ion âm Cl- SO42- Trong công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát, nước cứng làm chậm q trình hồ hóa thủy phân tinh bột làm ảnh hưởng đến chất lượng mùi vị sản phẩm Bên cạnh, sử dụng nước cứng cho nồi cho công nghệ tẩy rửa làm hao hụt chất tẩy rửa, dẫn đến tượng ăn mòn, lắng cặn thiết bị, ảnh hưởng đến công suất hoạt động làm giảm tuổi thọ thiết bị Để làm mềm nước, người ta sử dụng phương pháp sau: − − − − Làm mềm nước hóa chất Sử dụng nhiệt (đun nóng chưng cất) Phương pháp trao đổi ion Lọc qua màng bán thấm, thẩm thấu ngược (RO) Phương pháp làm mềm nước hóa chất Để chuyển muối calcium magnesium từ dạng hòa tan nước sang dạng kết tủa, người ta thường sử dụng calcium hydroxide sodium carbonate Calcium hydroxide tác dụng với muối bicarbonate calcium magnesium làm giảm độ cứng tạm thời nước Phương trình phản ứng sau: Ca(HCO3)2 +Ca(OH)2 = 2CaCO3↓ +2H2O Mg(HCO3)2 +Ca(OH)2 = MgCO3+CaCO3↓+2H2O MgCO3 +Ca(OH)2 =Mg(OH)2↓ +CaCO3↓ Ngồi ra, calcium hydroxide phản ứng với số loại muối hòa tan khác magnesium làm giảm độ cứng vĩnh cửu nước 11 MgCl2 +Ca(OH)2= Mg(OH)2↓ + CaCl2 MgSO4 + Ca(OH)2= Mg(OH)2↓ + CaSO4 Khi phản ứng xảy tách Mg2+ khỏi nước Tuy nhiên nồng độ Ca2+ nước gia tăng Để tách cần sử dụng sodium carbonate (sodium carbonate) Sodium carbonate tác dụng với muối hòa tan calcium dạng chloride, sulphate làm giảm độ cứng vĩnh cửu nước CaCl2 + Na2CO3 =CaCO3↓ +2NaCl Hàm lượng calcium hydroxide sodium carbonate cần sử dụng phụ thuộc vào nồng độ muối calcium magnesium có nguồn nước cần xử lý Biết nồng độ muối calcium magnesium có nước, ta tính lượng hóa chất cần sử dụng Trong thực tế, trình làm giảm độ cứng nước phương pháp sử dụng hóa chất chia làm hai giai đoạn (hình 1.6) Đầu tiên xử lý nước với calcium hydroxide, sau đến xử lý với sodium carbonate Nước xử lý Ca(OH)2 Na2CO3 Nước cần xử lý Xử lý với Ca(OH)2 Xử lý với Na2CO3 Lắng tách cặn Hình 1.6 Quá trình làm giảm độ cứng nước Các hóa chất bổ sung vào thiết bị xử lý nước dạng dung dịch Các thiết bị phản ứng phải có cánh khuấy hoạt động để phân bố dung dịch hóa chất nước Trong trường hợp sử dụng bể phản ứng tích lớn, người ta thay cánh khuấy cách sục khơng khí vào bể thơng qua hệ thống dẫn khí thường bố trí đáy bể bơm tuần hoàn phần nước bể đảo trộn 1.1.4.7 Khử trùng Nguồn nước cung cấp cho nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát tiêu hóa lý cịn cần phải đạt cácchỉ tiêu vi sinh Do đó, khử trùng nước giai đoạn cuối quy trình xử lý nước cho sản xuất Hiện tại, có nhiều phương pháp khác dùng để khử trùng nước như: sử dụng nhiệt, tia tử ngoại (UV), sử dụng hóa chất khử trùng, phương pháp lọc, phương pháp siêu âm… Trong đó, phương pháp phổ biến áp dụng nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát phương pháp lọc khử trùng kết hợp xử lý ozon hay UV Phương pháp lọc khử trùng nước thực theo bước từ lọc thô đến lọc tinh tương tự phần 1.1.4.3 12 Hình 1.7 Quy trình xử lý nước kết hợp xử lý UV Phương pháp xử lý nước tia UV Tia UV (Ultra-Violet) có khả ức chế tiêu diệt vi sinh vật Khả tiệt trùng cao bước sóng dao động khoảng 260÷270nm Hiện nay, người ta sử dụng tia UV để khử trùng nước sản xuất nước giải khát Một vấn đề cần lưu ý tia UV có độ đâm xuyên Do để tăng cường khả khử trùng tia UV, người ta phải thiết kế hệ thống chảy màng nguồn nước cần xử lý phải suốt Sự có mặt cấu tử rắn khơng tan chất màu nước làm giảm đáng kể khả ức chế tiêu diệt vi sinh vật tia UV Hình 1.8 giới thiệu sơ đồ hoạt động thiết bị xử lý nước tia UV Cửa vào nguồn nước cần xử lý Thân thiết bị Hộp thủy tinh chứa đèn UV Đèn UV Cửa nước xử lý Hình 1.8 Thiết bị xử lý nước tia UV 13 Cơ chế hoạt động tia UV lên tế bào vi sinh vật giải thích sau: đầu tiên, electron bị ảnh hưởng, chúng thay đổi quỹ đạo chuyển động đám mây điện tử nguyên tử bị bắn khỏi cấu trúc nguyên tử Khi đó, ngun tử bị kích thích ion hóa Những biến đổi nói cấp độ nguyên tử làm ảnh hưởng đến đại phân tử acid nucleic protein tế bào vi sinh vật Những đại phân tử bị phân hủy biến tính Tùy theo mức độ biến đổi đại phân tử mà tế bào vi sinh vật bị ức chế hay tiêu diệt Trong số trường hợp làm xuất số tế bào bị đột biến tác động xử lý tia UV Trong trình xử lý nước, thông số công nghệ cần quan tâm công suất hoạt động đèn UV, độ dày lớp nước chảy qua thiết bị thời gian tiếp xúc nước với tia UV Tùy theo chất lượng vi sinh nguồn nước cần xử lý mà thông số công nghệ thay đổi xác định phương pháp thực nghiệm Nếu lựa chọn thơng số cơng nghệ khơng phù hợp hiệu ức chế vi sinh vật tia UV không đáng kể 1.2 Xử lý nước thải công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát 1.2.1 Đặc điểm chung nước thải công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát Trong nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát, nước thải sản sinh phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu sản xuất hiệu suất hoạt động trình quy trình sản xuất Nó chứa thành phần có tác động xấu đến môi trường xung quanh Các thành phần nước thải nhà máy sản xuất rượu bia nước giải khát bao gồm: − − − − − − − − − Hèm bã hoa houblon Bã trái (lên men rượu vang) Cặn lắng từ trình lên men Bột trợ lọc Nhãn bao bì Hóa chất tẩy rửa khử trùng (xút, acid, chất khử trùng, phụ gia,…) Hóa chất bơi trơn, bảo trì thiết bị Sản phẩm thừa, rơi vãi Nước rửa thiết bị Thành phần nước thải nói chung chứa chất lơ lửng, chất hịa tan khơng tan Các thành phần lơ lửng tồn kích thước khác hình thành nên hệ phân tán, gồm: − Hệ phân tán thô (huyền phù nhũ tương): gồm hạt phân tán có kích thước trung bình lớn 1μm − Hệ keo: gồm hạt phân tán có kích thước trung bình khoảng 1nm 0,1μm − Dung dịch: gồm hạt phân tán có kích thước tương ứng với kích thước phân tử ion Do đó, việc lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp để tách hạt lơ lửng phụ thuộc vào kích thước hạt, tính chất hóa lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải yêu cầu độ nước thải 14 1.2.2 Các thành phần nước thải có ảnh hưởng đến mơi trường Các chất oxy hóa: chất bị biến đổi có diện oxy Nếu chất không xử lý mà xả thải trực tiếp qua hệ thống nước, chúng bị oxy hóa phần gây thối rữa, tạo mùi hôi thối đồng thời tiêu diệt vi sinh vật có mặt mơi trường nước Tổng số chất oxy hóa thể giá trị COD (lượng oxy yêu cầu cho phản ứng hóa học) giá trị BOD5 (lượng oxy yêu cầu cho phản ứng sinh học) tính mg O2/l Photpho dạng photphat: Hợp chất photpho với nitơ bậc cao kích thích cho phát triển tảo mặt nước nên photpho xem chất gây ô nhiễm môi trường Nitơ dạng nitrate: thẩm thấu nitrate vào nước ngầm làm tăng ô nhiễm đất Nitơ thành phần thải từ acid nitric sử dụng hệ thống tẩy rửa khử trùng thiết bị Các hợp chất halogen hữu hấp thụ (AOX-Adsorbable Organically bound Halogens): hợp chất clo chất sử dụng để sát trùng tẩy trắng nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát Các muối kim loại nặng như: Hg, Pb, Cd, AOX dẫn xuất halogen hydrocarbon chất nguy hiểm chúng gây vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho người Các acid, kiềm, chất bôi trơn, dung dịch làm khử trùng nguồn gây ô nhiễm nước thải 1.2.3 Số lượng thành phần nước thải nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát Thành phần số lượng nước thải từ nhà máy thường không ổn định Lượng nước thải sinh tùy thuộc vào giai đoạn sản xuất thời điểm sản xuất Lượng nước thải thường nhiều vào mùa sản xuất cao điểm cuối năm vào thời điểm thực CIP nhà máy Ngược lại, lượng nước thải sinh thường thấp vào thời điểm bảo trì, sản xuất Thành phần tính chất nước thải thay đổi phụ thuộc vào chất công đoạn sản xuất hay nguồn sinh chất thải (thành phần nước thải sinh từ máy nghiền, nồi nấu khác nước thải sinh từ trình CIP bồn lên men,…) Chúng chia nhóm sau: − Độ kiềm cao, nóng nước thải từ hệ thống rửa chai với xút nóng, hệ thống khử trùng đường ống hay hệ thống CIP nóng − Độ acid cao nước thải từ hệ thống tẩy rửa acid (xả thùng chứa acid cũ, nước rửa sau giai đoạn tẩy rửa acid) − Màu sắc nước thải thay đổi phụ thuộc vào hóa chất cơng đoạn sản xuất (nước thải từ nước rửa bồn lên men giai đoạn đầu thường đậm màu nước thải từ nước rửa sàn chưa nhiều nấm men chết cặn lơ lửng bia) Ngoài ra, nước thải nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát chứa thành phần như: bã men, bã đại mạch, bột trợ lọc, bã nho, muối kim loại, hồ tinh bột… Các thành phần thường xuất thành thiết bị, góc khuất thiết bị, rơi vãi sàn nhà rửa trôi hệ thống nước thải Do thành phần 15 lượng nước thải thường xuyên biến đổi vậy, nên để đạt hiệu xử lý nước thải, người ta thường dùng hệ thống xử lý nước có bể phối trộn cân thành phần nước thải Lượng nước thải thời điểm sản xuất khu vực sản xuất khác phối trộn lại để đạt mức độ ổn định tương đối trước đem xử lý Với việc sử dụng bể phối trộn tạo cân bằng, nước thải trước xử lý đồng số đặc điểm sau: − Các acid kiềm nước thải tự trung hòa với đưa pH nước thải vùng trung tính − Các nguồn nước thải nhiệt độ cao kết hợp với nguồn nước thải nhiệt độ thấp đưa nhiệt độ chung nước thải điều kiện tương đối thích hợp cho q trình xử lý − Trung hòa màu sắc nước thải từ nguồn khác − Lưu lượng nước thải điều phù hợp với công suất nhà máy thời điểm khác Bên cạnh nước thải, chất thải từ trình sản xuất tạo bao gồm nhóm sau: − − − − − − − Bã malt hoa houblon Cặn nóng cặn lạnh Nấm men thừa Bã chất trợ lọc Nhãn mác Các loại bao bì Các loại bụi bẩn tạp chất khác Các chất thải cần xử lý đạt tiêu ô nhiễm theo quy định trước xả thải môi trường 1.2.4 Phương pháp xử lý nước thải nhà máy rượu, bia, nước giải khát Nước thải từ nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát thông thường xử lý theo phương pháp xử lý hiếu khí xử lý kỵ khí 1.2.4.1 Phương pháp xử lý hiếu khí Trong nước thải có nhiều thành phần bị phân hủy vi sinh vật Để thực trình cần có diện oxy Và vậy, nước thải làm hồn tồn cách hịa trộn với khơng khí (sục khí) Sản phẩm q trình xử lý bùn hoạt hóa có chứa vi sinh vật hiếu khí Đây gọi trình xử lý nước theo phương pháp hiếu khí Các hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí Trong nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát, có nhiều hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí khác chia thành nhóm chính: a Hệ thống bể chứa sử dụng bùn hoạt tính Đây phương pháp sử dụng bể chứa có diện tích lớn nước thải cung cấp oxy qua thiết bị sục khí Sự sục khí ngồi tác dụng cung cấp oxy cho vi 16 sinh vật hiếu khí phân hủy chất thải, sục khí cịn có tác dụng khấy trộn, hạn chế lắng bùn hoạt tính b Thiết bị phản ứng Xử lý nước thải theo phương pháp hiếu khí sử dụng thiết bị phản ứng dùng thiết bị để tạo thơng thống tăng khả tiếp xúc nước thải với oxy c Thiết bị phản ứng cố định sinh khối Trong thiết bị phản ứng, sinh khối vi sinh vật thường xuyên tiếp xúc với nước thải lúc cung cấp oxy Một dạng thiết bị tiêu biểu hệ thống lên men kiểu sàng quay bao gồm nhiều đĩa plastic, đường kính 2-3cm, gắn trục nằm ngang khoảng cách ngắn khoảng 40% số đĩa nhúng chìm nước thải Các đĩa quay cách học từ từ vi sinh vật hiếu khí lớn lên từ từ phân hủy chất nước thải Sơ đồ xử lý nước thải tổng qt theo phương pháp hiếu khí mơ tả hình 1.9 Hình 1.9 Sơ đồ xử lý nước thải hiếu khí tổng quát 1.2.4.2 Phương pháp xử lý kỵ khí Là phương pháp xử lý nước thải khơng có mặt oxy khơng khí Trong điều kiện này, nước thải bị phân hủy vi sinh vật gây thối rữa Trước tiên, acid hữu tạo nhờ thủy phân, sau khí metan So với q trình xử lý nước hiếu khí, hiệu phương pháp xử lý yếm khí thấp lượng bùn tạo sau xử lý thấp hơn, đồng thời khí metan sinh sử dụng làm nhiên liệu Hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp yếm khí Đây hệ thống xử lý nước thải môi trường khơng có diện oxy nên khơng cần sử dụng lượng cho việc sục khí phương pháp xử lý hiếu khí Ngồi ra, với phương pháp yếm khí, nhà máy thu hồi nguồn lượng từ khí metan 17 Thiết bị xử lý yếm khí thường thiết bị thủy phân hình trụ hình trụ đáy lớn, q trình thủy phân xảy nhiệt độ khơng đổi Quá trình chia thành nhiều giai đoạn (hình 1.10), sản phẩm cuối trình khí metan Trong nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát thường sử dụng hệ thống xử lý nước thải hiếu khí Tuy nhiên, hệ thống xử lý kỵ khí nên áp dụng để xử lý triệt để tiêu ô nhiễm từ nguồn nước thải nhà máy tận dụng nguồn lượng đáng kể từ hệ thống Hình 1.10 Sơ đồ xử lý nước thải kỵ khí tổng quát Với thành phần trên, xả nước thải môi trường không qua xử lý gây ô nhiễm nguồn nước mặt ảnh hưởng trực tiếp đến mơi trường sống người Do đó, nước thải cần xử lý trước xả thải môi trường phải xử lý phù hợp với quy định hành nhà nước (bảng 1.3) Bảng 1.3 Giới hạn thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp Thông số TT Nhiệt độ Màu pH Đơn vị o Giá trị thông số (*) C 40 Pt/Co 50 - đến BOD5 (20oC) mg/l 30 COD mg/l 75 Chất rắn lơ lửng mg/l 50 18 Asen mg/l 0,05 Thuỷ ngân mg/l 0,005 Chì mg/l 0,1 10 Cadimi mg/l 0,05 11 Crom (VI) mg/l 0,05 12 Crom (III) mg/l 0,2 13 Đồng mg/l 14 Kẽm mg/l 15 Niken mg/l 0,2 16 Mangan mg/l 0,5 17 Sắt mg/l 18 Tổng xianua mg/l 0,07 19 Tổng phenol mg/l 0,1 20 Tổng dầu mỡ mg/l 21 Sunfua mg/l 0,2 22 Florua mg/l 23 Amoni (tính theo N) mg/l 24 Tổng nitơ mg/l 20 25 Tổng phốt (tính theo P ) mg/l 26 Clorua (không áp dụng xả vào nguồn nước mặn, nước lợ) mg/l 500 27 Clo dư mg/l 28 Tổng hoá chất bảo vệ thực vật clo hữu mg/l 0,05 29 Tổng hoá chất bảo vệ thực vật phốt hữu mg/l 0,3 30 Tổng PCB mg/l 0,003 31 Coliform vi khuẩn/100ml 3000 32 Tổng hoạt độ phóng xạ α Bq/l 0,1 33 Tổng hoạt độ phóng xạ β Bq/l 1,0 (Nguồn: QCVN 40:2011) (*) : nước thải xả vào nguồn nước dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt 19 Câu hỏi ôn tập chương 1 Trình bày chế phương pháp xử lý nước keo tụ phèn nhơm Trình bày chế phương pháp xử lý nước keo tụ phèn sắt So sánh cấp độ lọc màng xử lý nước cấp cho nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát Nêu đặc điểm phương pháp lắng tuyển Phân tích chế phương khử sắt mangan xử lý nước Phân loại nước cứng nêu phương pháp xử lý cho loại nước cứng Hãy trình bày phương pháp khử trùng nước thường áp dụng nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát Nêu đặc điểm chung nước thải từ nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát Trình bày hai phương pháp xử lý nước áp dụng nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát 20 ... thải công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát 1.2.1 Đặc điểm chung nước thải công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát Trong nhà máy sản xuất rượu, bia, nước giải khát, nước thải sản sinh... XUẤT RƯỢU, BIA VÀ NƯỚC GIẢI KHÁT 1.1 Xử lý nước cấp công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát 1.1.1 Các nguồn nước cấp thường sử dụng công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát. .. TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU, BIA VÀ NƯỚC GIẢI KHÁT 1.1 Xử lý nước cấp công nghệ sản xuất rượu, bia, nước giải khát Trong công nghệ sản xuất rượu, bia nước giải khát, nước sử dụng với mục đích khác