CN105873866A - 减少工业水使用的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于减少工业过程、特别是装瓶过程如啤酒或饮料制造中所需的水的量的方法和组合物。所述方法包括以下步骤：收集用于冲洗洁净的和/或脏的回收瓶的水，将所收集的水作为CIP冲洗的一部分喷洒在设备的食品接触部件上，以及将CIP第二冲洗水作为补充水通入冷却塔中。所述方法使得能够重新利用系统中已有的水，但要小心在各水流流经的地方，水不积累将损害冷却塔或者污染通过CIP方法冲洗的瓶装产品或容器的污染物。

Description

减少工业水使用的方法
背景技术
本发明涉及用于减少饮料制造操作的多个用水阶段所需的水量的组合物、方法和装置。
饮料制造操作(含酒精饮料和不含酒精饮料两种)在许多阶段都需要使用水。这些阶段可以包括但不限于巴氏杀菌、真空泵密封、发酵、罐酿造和瓶清洗。此外，设备和维护操作(例如，冷却塔、换热器、锅炉、地板清洗和板条箱清洗)也需要水。
在饮料制造操作中使用如此多的水导致水成本成为操作的(如果不是主要成本)主要成本之一。因此，一直期望减少饮料制造操作中水的使用。理想地，为了减少水使用，将从一个这样的操作获取用过的水并将其用作另一个用途的进给源。然而，在实践中这通常是不可能的，因为在饮料制造操作的阶段中的多次使用致使水不适合作为进给原料。因此，减少饮料制造操作中水的使用的新方法具有明确的实用性。
在本节中描述的技术无意于承认本文提及的任何专利、公开或其他信息是本发明的“现有技术”，除非特别地如此指明。此外，本节不应理解为意味着已进行了检索或不存在37CFR§1.56(a)所限定的其他有关信息。
发明内容
为了满足上述长期存在但未解决的需求，本发明的至少一个实施方案涉及减少工业过程中所需的处理流体的量的方法。所述方法包括以下步骤：收集用于冲洗洁净的和/或脏的回收瓶的流体；向设备的食品接触部件应用CIP冲洗过程，所述CIP冲洗过程包括至少一次第一冲洗和至少一次第二冲洗；将所收集的流体作为用于CIP第一冲洗的流体的至少一部分喷洒在设备的食品接触部件上；以及将CIP第二冲洗流体作为补充流体通入冷却塔中。
设备的部件可以是在啤酒制造过程的糖化间中使用的罐。流体可以是水。在收集流体之后，可通过粗颗粒去除步骤和/或细颗粒去除步骤对其进行调制。用于颗粒去除步骤的装置可包括旋风分离器、离心机、筛滤器、袋式过滤器、纸滤器、MMF、砂滤器、MF、UF，及其任意组合。所述方法还可包括在颗粒去除步骤之前将絮凝剂添加到流体中。可在颗粒去除步骤之前将吸附剂添加到流体中。可在颗粒去除步骤之前将酸添加到流体中。流体可通过换热器以使所述流体的温度降低至室温。换热器可通过冷却塔的水冷却。流体可以是用于第一冲洗的所有冲洗水，其是来自洗瓶机步骤的流体。所有冷却塔补充水可以是来自CIP第二冲洗步骤的流体。
本发明的至少一个实施方案涉及回收洗瓶水以供工业过程使用的方法。所述方法包括以下步骤：收集用于冲洗洁净的和/或脏的回收瓶的流体；应用适于除去足量的胶质污染物和可溶性污染物的处理过程，从而使得流体能够用于需要比所收集的流体更洁净的水的工业过程。所述方法还可以包括：使流体降低至环境温度，添加吸附剂以吸附流体中的一些表面活性剂，通过将pH降低到6.5至7.0使铝沉淀，使流体澄清以除去沉淀的固体，通过选自以下的方法除去残留固体：MMF、MF、离心及其任意组合，通过UF除去胶体，以及通过RO除去溶解的物质。然后可将流体通到工业处理流体流。工业处理流体流包括但不限于CIP、巴氏杀菌、冷却塔、锅炉、板条箱清洗、带润滑、真空泵密封、地板冲洗及其任意组合。可将新鲜水源也送入工业处理流体流，如果不存在所述流体，则新鲜水的量不足以工业过程顺利完成。
本文描述了另外的特征和优点，并且将由以下具体实施方式而显见。
附图说明
下文中具体参照附图对本发明的详细说明进行描述，其中：
图1是减少饮料制造操作中水的使用的第一可能实例的图示。
图2是减少饮料制造操作中水的使用的第二可能实例的图示。
出于本公开内容的目的，除非另有说明，否则附图中相同的附图标记指相同特征。附图仅是本发明原理的例示，并且不旨在将本发明限制为所示的特定实施方案。
具体实施方式
提供以下定义以确定在本申请中术语如何使用，特别是如何解读权利要求书。定义的目的仅是为了方便，而无意于将任何定义限于任何特定的类别。
“凝结剂”意指常常用于固液分离阶段以中和悬浮的固体/颗粒的电荷使其可凝聚的水处理化学品，凝结剂通常分为无机凝结剂、有机凝结剂以及无机凝结剂和有机凝结剂的共混物，无机凝结剂通常包括铝或铁的盐，例如硫酸铝/氯化铝、氯化铁/硫酸铁、聚氯化铝、和/或氯化铝水合物，有机凝结剂通常为具有低分子量的带正电聚合物，包括但不限于聚胺、聚季铵、聚DADMAC、Epi-DMA，凝结剂通常具有比絮凝剂更高的电荷密度和更低的分子量，当将凝结剂添加到包含细微悬浮颗粒的液体中时，其常常通过离子电荷中和机制使固体失稳并聚集，Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，第5版，(2005)，(由Wiley，John&Sons，Inc.出版)中记载了凝结剂的另外的性质和实例。
“再循环换热器”意指设备和/或系统的一个或更多个部件，其被构造和布置成促进至通过所述设备/系统循环或再循环的流体的加热或冷却热传递或者促进来自通过所述设备/系统循环或再循环的流体的加热或冷却热传递，出于本申请的目的，行话术语“冷却塔”将涵盖所有形式的再循环换热器，Daniel Flynn，McGrawHill(2009)的The Nalco Water Handbook(第三版)中提供了再循环换热器的附加细节和描述，一般地并且特别是pp.14.1-17.23中。
“卸料”意指这样的流体，通常是水，其已反复流经冷却塔并经历反复蒸发并因此已积累了如此过量的不期望污染物使得其不能用作冷却塔中的热交换介质。
“补充”意指添加到冷却塔中的流体中以补偿蒸发损失的流体、稀释再循环流体和/或补偿除去的卸料的流体，通常是水。
“冷却塔”意指用于将过程废热传递至大气的除热装置，其通常利用水蒸发以除去过程热并使工作流体冷却至接近湿球的空气温度，其包括蒸发式冷却塔和蒸发式冷凝器二者。
“CIP”意指原位冲洗。
“CIP第一冲洗或预冲洗或预冲刷”指在用酸/碱/清洁剂进行实际CIP之前通过另一种流体(通常是水)从设备和管线中除去松散沉积的处理流体和固体的步骤。
“CIP第二冲洗或最终冲洗”指从设备和管线中除去残留的CIP组分(例如酸、碱和清洁剂)的步骤，通常使用新鲜的水或同等品质的水来进行。该步骤可包括或不包括另外的消毒步骤。
“瓶”包括塑料、金属或玻璃瓶、罐、桶或其组合。
“小滴”意指被连续相液体包围的一定量的分散相物质，其可以是悬浮固体或分散的液体。
“有效量”意指当与未加入添加剂的对照样品相比时能够增加三个分位数之一的任何添加剂的用量。
“絮凝剂”意指这样的物质组合物：当将其添加到其中某些颗粒热力学上倾向于分散的液体载体相中时，由于弱的物理力(例如表面张力和吸附作用)而引起这些颗粒聚集，絮凝常常涉及形成与介于聚集小球之间的液体载体膜聚集在一起的离散颗粒小球，如本文中使用的，絮凝包括ASTME 20-85中记载的那些描述以及Kirk-Othmer Encyclopedia ofChemical Technology，第5版，(由Wiley，John&Sons，Inc.出版)中记载的那些，絮凝剂通常具有低的电荷密度和高的分子量(超过1,000,000)，当将其添加到包含细微悬浮颗粒的液体中时，其通过颗粒间的桥接机制使固体失稳并聚集。
“絮聚剂”意指当将其添加到液体中时使液体中的胶质和细微悬浮颗粒失稳并聚集的物质组合物，絮凝剂和凝结剂可为絮聚剂。
“表面活性剂”为包括阴离子、非离子、阳离子和两性离子表面活性剂的广义术语。Kirk-Othmer，Encyclopedia of Chemical Technology，第三版，卷8，第900至912页和McCutcheon′s Emulsifiers and Detergents中陈述了表面活性剂的详细说明，两者均通过引用并入本文。
“过滤器”意指构造并布置成从流经其的液体中除去悬浮物质的结构，Daniel Flynn，McGraw Hill(2009)的The Nalco Water Handbook(第3版)中描述了过滤器和过滤的更详细说明，一般地并且特别是pp.6.1-8.30中。
“MMF”意指多介质过滤器，Daniel Flynn，McGraw Hill(2009)的The Nalco Water Handbook(第3版)中描述了其更详细的说明，一般地并且特别是pp.6.1-8.30中。
“膜”意指通过其可发生质量传递的横向尺寸远大于其厚度的结构，膜可用于过滤液体。
“MF”意指微滤，其中大于0.1μm的颗粒和溶解的大分子不穿过膜的基于膜的分离过程，MF可以是压力驱动的。
“NF”意指纳滤，其中大于1nm的颗粒和溶解的大分子不通过膜的基于膜的分离过程，NF可以是压力驱动的。
“RO”意指反渗透净水技术，其使用静水压力(热力学参数)来克服水中的渗透压(依数性)以从水中除去一种或更多种不期望物质，RO可以是其中通过静水压力克服渗透压的基于膜的分离过程，其可以通过化学势驱动，RO可以是压力驱动的，RO可从溶液中除去多种类型的分子和离子并用于工业过程和生产饮用水二者，在加压RO过程中，溶质保留在膜的加压侧而使纯溶剂穿过到另一侧，是“选择性的”，RO膜的尺寸可设置成不允许大分子或离子通过孔(洞)，而常常只允许溶液的较小组分(如溶剂)自由通过，在一些情况下，大于0.5nm的溶解分子不穿过膜。
“分离”意指这样的传质过程：其将物质的混合物转变成两种或更多种不同的产物混合物，其中的至少一种富集在一种或更多种混合物成分中，其包括但不限于这样的过程：吸附、离心、旋风分离、基于密度的分离、色谱法、结晶、倾析、蒸馏、干燥、电泳、淘析、蒸发、萃取、浸出萃取、液-液萃取、固相萃取、浮选、溶气浮选、泡沫浮选、絮凝、过滤、网孔过滤、膜过滤、微滤、超滤、纳滤、反渗透、分馏、分级冷冻、磁性分离、沉淀、重结晶、沉降、重力分离、筛分、汽提、升华、汽-液分离、漂选、区域精炼及其任意组合。
“UF或超滤”意指这样的过滤过程：其中静水压力迫使滤液抵靠着可半透膜，悬浮固体和高分子量的溶质被保留下来，而水和低分子量的溶质穿过膜，其被用于工业和研究中以纯化和浓缩大分子(103-106Da)溶液。其可以以错流或死端模式应用，并且超滤中的分离可经历浓差极化。科学参考：Munir Cheryan的Ultrafiltration and Microfiltration Handbook，第二版，由CRC Press LLC出版，(1998)中阐述了超滤应用和分类确切的公认范围和协议。
如果在本申请中的上述定义或其他地方所述的说明与在字典中通常使用的或在通过引用并入本申请的来源中所述的含义(明示或暗示)不一致，那么本申请并且特别是权利要求术语应理解为根据本申请的定义或说明而不是根据常见定义、字典定义或通过引用并入的定义来解释。鉴于上述内容，在术语仅在由字典解释时才可以被理解的情况下，如果该术语由Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，第5版，(2005)(Wiley，John&Sons，Inc.出版)定义，那么该定义将决定在权利要求中如何定义该术语。
本发明的至少一个实施方案涉及减少工业过程中水的使用的方法。所述方法涉及在CIP过程中利用洗瓶流体并将CIP第二冲洗流体作为补充通入冷却塔中。
在至少一个实施方案中，洗涤流体是清洗洗瓶机中的回收瓶的过程中使用的洗涤水。如欧洲专利申请EP 1160019中所述，在回收瓶时，其经历可包括浸泡、擦洗、煮沸和滤清(polishing)的强烈洗涤过程。所述强烈洗涤过程的最后一步为用基本上洁净的水喷洒基本上洁净的瓶的内部。这最后一步不从瓶中除去污垢沉积物，因为它们已被除去。更确切地，这最后一步仅是为了除去残留的清洁化学品的目的。
然后将洗涤流体用作用于CIP过程中第一冲洗的流体源。例如，如在美国专利6,326,340、6,454,871、6,027,572、7,247,210和8,398,781以及欧洲专利申请0 490 117 A1中所述，CIP清洗技术是适于从罐、管线、泵和通常用于处理液体产品流(例如饮料、牛奶、果汁等)的其他工艺设备的内部组件中除去污垢的具体清洗方案。CIP清洗涉及使清洗溶液通过系统而无需拆卸任何系统组件。最低限度的CIP技术涉及使清洗溶液通过设备，然后恢复正常处理。任何被清洁剂残留物污染的产品可被弃去。通常，CIP方法涉及第一冲洗-应用清洗溶液，用饮用水进行第二冲洗，然后恢复操作。该过程还可包括任何其他接触步骤，其中冲洗物、酸性或碱性功能流体、溶剂或其他冲洗组分(例如热水、冷水等)可在过程期间的任何步骤中与设备接触。
在至少一个实施方案中，CIP过程用于清洗在饮料制造中使用的设备的一个或更多个部件。在至少一个实施方案中，CIP过程用于清洗位于啤酒制造操作的糖化间中的罐。在啤酒制造操作中，将大麦粒浸泡在糖化间罐中，在其中从过量水中除去醇。然后使产物经过发酵阶段、过滤阶段，然后装瓶/包装。
在至少一个实施方案中，然后将用作CIP第二冲洗流体的流体作为补充添加到冷却塔中。如美国专利6,280,635和7,632,412以及美国公开的专利申请2013/0056413中所述，当冷却塔运行时，其再循环的传热流体因蒸发和卸料不断损失。因此，需要定期向冷却塔中添加补充流体。
尽管来自一个过程的废水在理论上可以用作另一个过程的给水在工业中通常是已知的，但是现有技术的教导远离如上所述的水/流体的具体使用。这是因为水的每次使用都增加了水中污染物的积累，并且补充水的整个目的是消除积累的污染物的影响。由于CIP冲洗使用将增加冷却塔流体需要作为卸料被除去的可能性的试剂，因而用于清洗与食品接触的表面的流体(例如CIP中使用的那些)尤其成问题。
现参照图1，其示出了调制洗瓶水以用于通向冷却塔的CIP第一冲洗和CIP第二冲洗水中的方法。洗瓶水的一些或全部通过粗孔筛。粗孔筛通过包括但不限于作为筛孔过滤或离心的这样的机制除去/过滤大的悬浮固体(尺寸高达1微米或更大)。然后可将流出物存储在罐中。然后使其通过除去细颗粒浊度(尺寸高达1至0.01微米或更大)的颗粒去除阶段。颗粒去除阶段可包括旋风分离器、离心机、筛滤器、袋式过滤器、纸滤器、多介质过滤、微滤、超滤或其组合。当使用UF或MF时，粗颗粒去除和细颗粒去除可在一个步骤中完成。可在将其应用于CIP过程的第一冲洗之前将其存储在罐或盛装容器中。过滤之后，在将该流体用于CIP冲洗步骤之前可使用以下化学方式任选地对其进行消毒：过氧化氢、过乙酸、漂白、次氯酸钠或次氯酸钙、二氧化氯、亚氯酸、氯胺、臭氧，或使用紫外线(UV)照射或其组合。在CIP过程之后，可将应用的第二冲洗水的一些或全部送至冷却塔和/或排水管。
在至少一个实施方案中，在CIP第二冲洗之后，在用于冷却塔之前调制流体以除去仍然在流体中的任何残留消毒剂(包括但不限于过酸、次氯酸盐和/或过氧化物)。
在至少一个实施方案中，使用监测和控制装置及方法(包括但不限于IMCA仪器、监测、控制和自动化)来确定流体流在流体的数量和品质方面均适合用于CIP或作为冷却塔补充。参考文献Noam Lior的Advances in Water Desalination，第1版，John Wiley和Sons，(2013)中描述了IMCA方法的代表性实例。
现参照图2，其示出了调制流体的第二种方法。该方法可应用于用过的洗瓶水、用过的CIP冲洗物，和/或任何其他工业流体流。该过程的流出物可作为进给流体应用于任何需要高纯度液体的过程流。
首先任选地通过换热器将投入流体(如洗瓶水)的温度降低至环境温度。然后添加一种或更多种吸附剂以吸附一些表面活性剂和其他有机物。吸附剂的实例包括但不限于天然或化学改性粘土、活性炭、聚合物吸附剂、改性二氧化硅、无机-有机复合纳米颗粒或其组合。然后将pH降低到6.5至7.5以使铝沉淀。然后使流体通过澄清器以除去沉淀的固体。任选地通过多介质过滤器(MMF)、砂滤器、袋式过滤器、筛滤器、微滤(MF)或离心除去任何残留的悬浮固体。然后通过超滤(UF)除去任何胶质物质。最后通过纳滤(NF)和/或反渗透(RO)除去溶解固体。
该方法允许产生不同品质的水，并因此可再循环到CIP、巴氏灭菌器、冷却塔、锅炉、板条箱清洗、带润滑、真空泵密封、地板清洗、聚合物稀释等(全都主要使用新鲜水)中。数量和品质可以通过IMCA方法来监测和控制。
实施例
参照以下实施例可更好地理解上述内容，示出所述实施例的目的在于举例说明，而非旨在限制本发明的范围。特别地，所述实施例示出了本发明固有原理的代表性实施例并且这些原理并不严格限于这些实施例中所记载的具体条件。因此，应理解，本发明涵盖对本文所述实施例的各种改变和修改并且可进行这样的改变和修改而不偏离本发明的精神和范围并且不会减少其所预期的优点。因此，预期这样的改变和修改包括在所附的权利要求书中。
收集啤酒厂中洗瓶中使用的水样以进行处理，然后引入CIP中。表1和2示出了在经本发明的第一种(图1)和第二种(图2)方法处理后获得的水质。
表1：用本发明的第一种方法处理后获得的水质
如表1所见，在自然pH下用多种孔径的纸对洗瓶水进行过滤，可以使显著水平的污染物如铁、TVC、钙和浊度降低，同时保持该pH。这种水可用于CIP过程的第一冲洗。
表2：通过本发明的第二种方法处理后的水质
化学预处理和超滤后的水质可用于板条箱和地板清洗，而RO之后的水质适合于工厂中的大多数目的，包括冷却塔、锅炉、巴氏灭菌器、真空泵密封、CIP等，从而为使用者根据所需的品质生产水提供了灵活性，净结果是新鲜水使用减少。
尽管本发明可以体现为许多不同的形式，但本文详细描述了本发明的特定优选实施方案。本公开内容是本发明的原理的示例，并且无意将本发明限于所述的特定实施方案。本文提及的所有专利、专利申请、科学论文和任何其他参考材料均通过引用整体并入。此外，本发明涵盖本文所提及的、本文所述的和/或并入本文的各种实施方案中的一些或全部的任何可能组合。此外，本发明涵盖还特别排除了本文所提及的、本文所述的和/或并入本文的各种实施方案中任何一个或一些的任何可能组合。
上述公开内容旨在说明而非穷举。本说明书将对本领域普通技术人员建议很多改变和替代方案。所有这些替代方案和修改旨在被包括于权利要求书的范围内，其中术语“包含”意指“包括但不限于”。熟悉本领域的人员可以认识到本文所述的具体实施方案的其他等效方案，所述等效方案也旨在涵盖于权利要求书中。
本文所公开的所有范围和参数要理解为涵盖其中所包含的任何和所有子范围，和在端点之间的每个数。例如，指定范围“1至10”应当被认为包括介于(且包含)最小值1和最大值10之间的任何和所有子范围；即，以最小值1或更大开始(例如1至6.1)并以最大值10或更小结束(例如2.3至9.4、3至8、4至7)的所有子范围，最后是包含在该范围内的各个数1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。除非另行指出，否则本文中所有百分比、比率和比例是按重量计的。
这就完成了对本发明的优选和替代实施方案的说明。本领域技术人员可以认识到本文所述的特定实施方案的其他等效方案，所述等效方案旨在涵盖于所附的权利要求书中。

Claims (19)

1.一种减少工业过程中所需的处理流体的量的方法，所述方法包括以下步骤：
收集用于冲洗洁净的和/或脏的回收瓶的流体，
向设备的食品接触部件应用CIP冲洗过程，所述CIP冲洗过程包括至少一次第一冲洗和至少一次第二冲洗，
将所收集的流体作为用于CIP第一冲洗的流体的至少一部分喷洒在设备的食品接触部件处，
将CIP第二冲洗流体作为补充流体通入冷却塔中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述设备的部件是在啤酒制造过程的糖化间中使用的罐。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体是水。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在收集所述流体之后通过粗颗粒去除步骤和/或细颗粒去除步骤对所述流体进行调制。
5.根据权利要求4所述的方法，其中用于颗粒去除步骤的装置包括旋风分离器、离心机、筛滤器、袋式过滤器、纸滤器、MMF、砂滤器、MF、UF，或其组合。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括在颗粒去除步骤之前将絮凝剂添加到所述流体中。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括在颗粒去除步骤之前将吸附剂添加到所述流体中。
8.根据权利要求4所述的方法，还包括在颗粒去除步骤之前将酸添加到所述流体中。
9.根据权利要求4所述的方法，还包括使所述流体通过换热器以使所述流体的温度降低至环境温度。
10.根据权利要求10所述的方法，其中所述换热器通过所述冷却塔的水冷却。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述冲洗是CIP过程的所述第一冲洗。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所有用于第一冲洗的冲洗水是来自洗瓶机步骤的流体。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所有的补充水是来自CIP第二冲洗步骤的流体。
14.一种回收洗瓶水以用于工业过程的方法，所述方法包括以下步骤：
收集用于冲洗洁净的和/或脏的回收瓶的流体，
应用适于除去足量的胶质污染物和可溶性污染物的处理过程，从而使得所述流体能够用于需要比所收集的流体更洁净的水的工业过程。
15.根据权利要求15所述的方法，还包括：
使所述流体降低至环境温度，
添加吸附剂以吸附所述流体中的一些表面活性剂，
通过将pH降低到6.5至7.5使铝沉淀，
使所述流体澄清以除去沉淀的固体，
通过选自以下的方法除去残留固体：MMF、MF、离心及其任意组合，
通过UF除去胶体，以及
通过NF/RO除去溶解的物质。
16.根据权利要求16所述的方法，其中随后将所述流体通到选自以下的工业处理流体流：CIP、巴氏杀菌、冷却塔、锅炉、板条箱清洗、带润滑、真空泵密封、地板清洗，及其任意组合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将新鲜水源也通到所述工业处理流体流中，如果不存在所述流体，则新鲜水的量不足以使所述工业过程顺利完成。
18.根据权利要求1所述的方法，其中在将所收集的流体喷洒在所述设备的食品接触部件上之前任选地对所述流体进行消毒。
19.根据权利要求4所述的方法，其中在调制所述流体之后，在将所收集的流体喷洒在所述设备的食品接触部件上之前任选地对所述流体进行消毒，并且其中所述消毒通过包括如下的化学方式进行：过氧化氢、过乙酸、漂白剂、次氯酸钠或次氯酸钙、二氧化氯、亚氯酸、氯胺和臭氧，或使用紫外线(UV)照射进行，或使用其组合进行。
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