食品工厂设计地下水处理成饮料用水工艺流程.docx

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食品工厂设计地下水处理成饮料用水工艺流程

食品工厂课程设计

地下水处理成饮料用水工艺流程

学院：

食品与生物工程学院

专业：

食品科学与工程

班级：

食品

学号：

XXXXXXX

姓名：

XXX

一地下水硬度（以CaCO3计）为500mg/L，拟处理成饮料用水工艺设计

引言

地下水是经过地层的渗透、过滤，进入地层并存积在地层的天然水，由于它经过地层的渗透和过滤而溶入了各种可溶性矿物质，其特点是水质较为澄清、水温较稳定，但矿物质含量较高，硬度较高。

水是饮料生产中的重要原料之一，水质的好坏，直接影响成品的质量。

因此，饮料用水的处理工作对饮料生产具有重要的意义。

饮料用水必须符合我国《生活饮用水卫生标准GB5749—85》。

水的处理的目的是除去水中固体的物质，降低硬度和含盐量，杀灭微生物和排除所含空气。

本课题主要论述了水处理的工艺流程以和按照工厂设计的相关要求对设计的工艺流程进行论证。

1概述

1.1设计思路

饮料用水的水源有地表水、地下水、自来水，三者的水质要求都打不到饮料用水的标准，所以必须进行水质改良，也就是所说的水处理。

各饮料厂对所用的水质要求不相同。

因此水处理程序与方法也就不相同。

一般水处理程序是先过滤后消毒。

1.2设计方案

将以地下水硬度（以CaCO3计）500mg/L，拟处理成饮料用水。

1.3处理规模

小时处理量2t/h

处理后硬度小于8.5度

1.4设计内容

确定水处理工艺，进行设备选型，绘制工艺流程图。

2工艺流程设计

2.1设计原则

（1）选用先进、成熟、可靠的新工艺、新技术、新设备，生产过程尽量连续化和机械化。

（2）采用先进可行的工艺指标，在能达到该工艺指标的前提下，尽量缩短工艺流程的线路，减少输送设备。

（3）考虑生产调度的许可性，估计到生产中可能发生的故障，是生产能正常进行。

（4）满足生产需求，符合质量安全控制体系标准。

（5）保证安全生产，工艺过程要配备完善的控制仪表和安全设施，如安全阀、报警器、阻火器、呼吸阀、压力表、温度计等。

2.2饮料用水水质标准

项目

饮料用水

浑浊度

小于1.6度

硬度（以CaCO3计）

小于8.5度

总碱度

<50mg/L

铁

<0.1mg/L

游离氯

低于0.2mg/L

色度

无色透明

致病菌

不得检出

细菌总数

≤100个/L

大肠菌群

≤3个/L

2.3设计原理

地下水处理成饮料用水主要就是利用物理或化学方法，将水中的各种悬浮物质、胶体物质、可溶性杂质以和微生物出去，以降低水的硬度、浊度、碱度和色度等理化指标，同时达到饮用水的卫生指标。

总之，经过处理的水必须符合饮用水的水质指标。

2.3.1过滤

过滤是使水流通过具有多孔隙介质和多孔隙结构的滤料层，水中的一些悬浮物和胶体杂质被滤料截留在孔隙中或介质表面上，以除去水中的不溶性物质，从而使原水得到净化。

1）石英砂过滤石英砂过滤器在一定的压力下，把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒的石英砂过滤，有效的截留除去水中的悬浮物、有机物、胶质颗粒、微生物、氯、嗅味和部分重金属离子等，最终达到降低水浊度、净化水质的效果。

2）活性炭过滤活性炭过滤器是一种内装填粗石英砂垫层和优质活性炭的压力容器。

在水质预处理系统中，活性炭过滤器能够吸附前级过滤中无法去除的余氯以防止后级反渗透膜受其氧化降解，同时还吸附从前级泄漏过来的小分子有机物等污染性物质，对水中异味、胶体和色素、重金属离子等有较明显的吸附去除作用。

3）精密过滤器精密过滤器（又称作保安过滤器），筒体外壳一般采用不锈钢材质制造，内部采用PP熔喷、线烧、折叠、钛滤芯、活性炭滤芯等管状滤芯作为过滤元件，根据不同的过滤介质和设计工艺选择不同的过滤元件，以达到出水水质的要求。

精密过滤器特点：

1、高效能去除水、油雾、固体颗粒，100%去除0.01μm和以上颗粒、油雾浓度控制在0.01ppm/wt；

2、结构合理，体积小、重量轻；

3、带有防护罩塑胶外壳和铝合金外壳可选择。

4、三级分段净化处理，使用寿命长。

2.3.2反渗透技术

反渗透技术原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。

反渗透膜的膜孔径非常小，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。

反渗透系统具有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。

反渗透膜是实现反渗透的核心元件，是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜。

一般用高分子材料制成。

如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。

表面微孔的直径一般在0.5～10nm之间，透过性的大小与膜本身的化学结构有关。

有的高分子材料对盐的排斥性好，而水的透过速度并不好。

有的高分子材料化学结构具有较多亲水基团，因而水的透过速度相对较快。

因此一种满意的反渗透膜应具有适当的渗透量或脱盐率。

反渗透膜能截留大于0.0001微米的物质，是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有溶解盐份和分子量大于100的有机物，同时允许水分子通过，因而能拦截钙镁离子，从而从根本上降低水的硬度。

2.3.3臭氧杀菌

目前臭氧杀菌在水处理方面应用广泛，不只是由于其有效的去杂与杀菌能力，而且在于经它处理后在水中不产生二次污染（残毒），多余的臭氧也会较快分解为氧气而不似氯剂在水中形成氯氨、氯仿等致癌物质，被认为是最安全的消毒剂。

臭氧杀菌机理：

⑴臭氧很容易同细菌的细胞壁中的脂蛋白或细胞膜中的磷脂质、蛋白质发生化学反应，从而使细菌的细胞壁和细胞受到破坏（即所谓的溶菌作用），细胞膜的通透性增加，细胞内物质外流，使其失去活性。

   ⑵臭氧破坏或分解细胞壁，迅速扩散进入细胞里，氧化了细胞内酶或RNA、DNA，从而致死菌原体。

在高压强电场作用下，气体在电介质表面产生脉冲电晕放电，产生高浓度等离子体，电子和离子被强大电场力作用加速与气体分子碰撞，在10S内使氧分子分解成单原子氧，在数10S内原子氧和分子氧结合成臭氧：

         O2+e→2O+2O2→2O3 

   臭氧在水中是不稳定的，时刻发生还原反应，产生十分活泼的、具有强烈氧化作用的单元子氧（O），在产生瞬时，对水中细菌、微生物有机物质进行分解作用。

       O3→O2+（O）（O）+H2O→2HO 

   臭氧在水中的“半衰期”为20min（PH7.6时41min，PH10.4时为0.5min）。

人们把含有臭氧的水叫做臭氧水。

臭氧水对各种致病微生物均有极强的灭菌作用，臭氧在水中不稳定，发生强烈氧化还原反应，产生极活泼、具有强烈的氧化作用的单元子氧（O）、羟基（OH）。

羟基氧化还原电位为2.8V，相当于氟的氧化能力。

2.4工艺流程

地下水→增压泵→原水箱→砂滤棒过滤→电渗析过滤→活性炭过滤→精密过滤器→反渗透系统→臭氧杀菌→纯水箱→出水

2.5工序关键控制点和分析

利用HACCP的基本原理和方法，对饮料生产中用水过程进行危害分析，找出关键控制点，建立控制措施，以提高和稳定产品质量。

2.5.1原水处理

根据水质的情况，选择相应的水处理方法。

地下水含有较多的矿物质，如铁、镁、钙等，硬度和碱度都比较高，但泥沙、悬浮物和细菌含量较少，相对来说比较澄清。

再调用地下水的工程中，应防止水温和水中气体的散失，并防止周围地表水的深入，防止空气的冷却和氧化作用，防止污染引起水变质。

饮水工程在自然条件允许的情况下，得到最大可能的流量，防止水由出露口到利用处发生物理化学变化，同时水露出设备对水的涌出和使用要方便。

经过水泵抽出的地下水一般先贮存在水槽内，放置时间过长，有害微生物就会繁殖，给后续操作带来困难。

2.5.2水的消毒

臭氧杀菌的效果主要受其浓度、微生物种类、作用时间、温度、PH值、水的理化性质、杂质等因素影响。

⑴臭氧对各种微生物杀灭效果不同。

实验表明，臭氧对人和动物的致病菌和病毒如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、乙肝病毒、沙门式菌等具有很强的杀灭性，即使对化学消毒剂有着较强耐受力的霉菌也有较强的杀灭性； 

 ⑵温度、湿度也影响其杀菌灭毒效果。

通常，温度低、湿度大杀菌效果好。

实验证明：

当环境相对湿度小于45％，臭氧对空气中的悬浮物几乎没有杀灭性，在同样温度下，相对湿度超过60％时，杀灭效果逐渐增强，在相对湿度为90％时，达到最佳灭菌效果； 

 ⑶臭氧的浓度也影响其灭菌能力，浓度在0.2mg/L以下，几乎没有杀灭作用。

一般通过调整功率、控制臭氧浓度，合理调节臭氧与水的流量，接触面积，流速和灭菌时间等因素，使水灭菌。

2.5.3CIP清洗

地下水的硬度较高，在水处理的整个系统中会产生水垢，影响管道中液体的流速和流量。

同时活性炭过滤器是通过其极丰富的孔隙构造和巨大的比表面积，来达到高效的吸附作用的。

水处理一段时间后由于水中的钙镁离子的沉淀，形成水垢，堵塞活性炭的空隙，降低吸附效果，降低吸附效率，影响生产进度。

反渗透系统是通过反渗透膜的孔径很小，极易被堵塞，导致渗透水流量下降。

CIP清洗对整个生产流程来说很重要。

就地清洗是不用拆开或移动装置，即采用高温、高浓度的洗净液，对设备装置加以强力作用，把与食品的接触面洗净,对卫生级别要求较严格的生产设备的清洗、净化。

CIP清洗系统能保证一定的清洗效果，提高产品的安全性；节约操作时间，提高效率；节约劳动力，保障操作安全；节约水、蒸汽等能源，减少洗涤剂用量；生产设备可实现大型化，自动化水平高；延长生产设备的使用寿命。

CIP清洗的作用机理化学能主要是加入其中的化学试剂产生的，它是决定洗涤效果最主要的因素。

根据清洗对象污染性质和程度、构成材质、水质、所选清洗方法、成本和安全性等方面来选用洗涤剂。

常用的洗涤剂有酸、碱洗涤剂和灭菌洗涤剂。

该工艺流程中主要是对水垢的清洗，清洗程序如下：

1．洗涤3—5分钟，常温或60℃以上的热水；碱洗10—20分钟，1%—2%溶液，60℃—80℃；中间洗涤5—10分钟，60℃以下的清水；最后洗涤3—5分钟，清水。

2．洗涤3—5分钟，常温或60℃以上的热水；碱洗5—10分钟，1%—2%溶液，60℃—80℃，中间洗涤5—10分钟，60℃以下的清水，杀菌10—20分钟，90℃以上的热水。

3主要设备和型号

序号

设备名称

设备型号

生产能力

数量

1

砂棒过滤器

101型铝合金滤水器

1.5t/h

2台

2

电渗析过滤器

LD系列

3t/h

1台

3

活性碳过滤器

∮800

5t/h

1台

4

反渗透装置

FS-4.0

4t/h

1台

5

精滤装置

MFuF-3.0

3t/h

1台

6

泵

QW25-8-22-1.1

8t/h

1台

7

CIP清洗系统

1套

8

臭氧杀菌设备

BLSW-10

10g/h

1台

4工艺论证

工艺设计完毕后需要说明在工艺设计中所确定的生产工艺流程和其生产条件是最合理的、最科学的。

工艺论证主要包括三方面的内容：

①某一单元操作在整个工艺流程中的作用和必要性，它将会对前后工段所产生的影响，并从工艺、设备以和对原料的加工利用角度，从理化、生化、微生物以和工艺技术的原理进行阐述；②论述采用何种方法或手段来实现其工艺目的，即采用哪种类型的设备？

先进程度如何？

加工过程中对物料的影响如何？

③当设备形式选定后，要对工艺参数的确定进行论证，论证不同形式的设备，不同的工艺方法，将会执行不同的工艺参数，论述选定的工艺参数对原料、成品品质的影响，可操作性如何？

加工过程中的安全性如何？

连续性和稳定性如何？

④还要进行安全性方面的论证。

该设计工艺主要通过过滤、软化和消毒方面对地下水进行处理，使其达到饮料用水的标准。

饮料用水对硬度、浊度、细菌数量等要求较高，先通过过滤除去水中的悬浮物质和胶体物质，虽然地下水比较澄清，但是还是存在少量悬浮物质和胶体物质，过滤步骤是不可缺少的。

经过砂棒过滤、电渗析过滤和活性炭过滤，水中的浊度、色度等都符合标准，接下来就要降低水的硬度。

地下水最大的特点就是硬度较高，而饮料用水要求硬度在8.5度以下，还有水的硬度过高会产生水垢，腐蚀设备，影响整个生产的进度。

通过反渗透系统和精滤，降低水中的离子，在前面的离子交换中也除去了一部分，两者结合降低水的硬度。

杀菌消毒是必要的环节，因为水中含有大量肉眼看不见的细菌和微生物，它们的存在会破坏水质，影响饮料的质量。

采用臭氧杀菌是因为臭氧具有强烈的氧化性，所以它对细菌、霉菌、病毒具有强烈的杀灭性，这种作用通常是物理、化学、生物学方面的综合效果。

而且臭氧杀菌 高效、快速，臭氧仅在1min内就可以100％杀死细菌、酵母和黑曲霉菌。

臭氧的分解产物是氧气，不会产生残留污染，用在食品行业安全。

还有臭氧价格便宜 生产1吨0.5～1.5ppm浓度的臭氧水仅需0.8元。

硬水在生产工艺中必定会产生水垢，所以需要对设备进行定期清洗。

采用CIP清洗系统的优点如下：

1）就地清洗，操作简便，工作安全，劳动强度低，工作效率高。

2）清洗彻底，并能同时达到消毒杀菌目的，保证卫生要求，有利于制品质量提高。

3）清洗采用管道化，可少占车间面积。

4）洗涤剂可循环使用，利用率高，蒸汽和水也比较节省。

5）易损件少，该设备使用寿命长。

6）适用于大、中、小型各类设备清洗。

7）清洗工作可实现程序化和自动化。

总之，整个工艺流程安全高效，是最合理、最科学的。

同时该工艺流程理论和生产上都是可行的。

参考文献

[1]张国农食品工厂设计与环境保护中国轻工业出版社2005.9

[2]无锡轻工业学院轻工业部上海轻工业设计院编食品工厂设计基础轻工业出版社1999.5

[3]GB/T50001-2001《房屋建筑制图统一标准》

[4]朱蓓薇饮料生产工艺与设备选用手册化学工业出版社2003.1