PL221378B1 - Sposób uzdatniania skroplin z procesów zatężania soków i przetworów owocowo-warzywnych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób uzdatniania skroplin powstałych z procesów zatężania soków i przetworów owocowych jak dżemy, marmolady, miazgi warzywne i proszków owocowych i warzywnych odzyskanych w celu przygotowania wody procesowej mającej dalsze zastosowanie do mycia urządzeń technologicznych, zasilania kotłowni parowej, zasilania układów chłodzenia.

Powstałe w procesach wyparnych skropliny są cennym źródłem wody i energii dla zakładu owocowo-warzywnego i mogą być wykorzystane po odpowiednim uzdatnieniu. Nieuzdatnione skropliny stanowią w przypadku dłuższego ich przetrzymania źródło zakażeń mikrobiologicznych i co najwyżej nadają się do mycia posadzek i transportu hydraulicznego owoców i warzyw.

W celu odzyskania wody istnieje duże zainteresowanie uzdatnieniem tych skroplin na cele mycia urządzeń technologicznych, zasilania kotłów parowych a także urządzeń chłodniczych jak skraplacze natryskowo-wyparne i wieże chłodnicze. Wymagane jest oczyszczenie skroplin z zawartych tam: alkoholi (alkohol metylowy i etylowy), aldehydów, ketonów, kwasów organicznych: jabłkowego, cytrynowego, mrówkowego, winowego, askorbinowego, bursztynowego a także węglowodanów, głównie fruktozy a także lotnych olejków eterycznych. Mineralne sole i kwasy stanowią mniejszy problem. Zanieczyszczenia w skroplinach powodują obniżenie odczynu skroplin nawet do pH 4 i powodują, że chemiczne zapotrzebowanie tlenu ChZT skroplin wynosi przeciętnie od 800 do 3000 mg O2 /I, a ich przewodnictwo wynosi od 350 do 1500 μS/cm, pomimo, że wszystkich zanieczyszczeń w skroplinach jest zwykle poniżej 1% wag. Jednym z najtrudniejszych problemów jest oddzielenie alkoholi od skroplin, które następnie w niewielkich ilościach przedostają się do permeatu po instalacji odwróconej osmozy (RO).

Znane z literatury technicznej i patentowej metody oczyszczania skroplin ze związków organicznych i nieorganicznych z wyparek soków owocowych i podobnych jak z wyparek mleka i serwatki sprowadzają się do rozdziału nadawy w instalacjach membranowych nanofiltracji lub odwróconej osmozy na dwa strumienie: permeat zawierający mało zanieczyszczeń i koncentrat zawierający ponad 90% zanieczyszczeń. Następnie stopniowo doczyszcza się permeat w instalacjach jonowymiennych zawierających anionity i/lub kationity oraz w filtrach z węglem aktywnym.

W znanym opisie patentowym WO/2004/022788 opisany jest sposób oczyszczania roztworów między innymi z procesów produkcji cukru, serwatki zanieczyszczonej węglowodanami, kationami metalicznymi jedno i wielowartościowymi, jedno i wielowartościowymi anionami kwasów mineralnych, anionami kwasów organicznych. Przedstawiono redukcję zanieczyszczeń poprzez wymianę jonową na złożu jonowymiennym kationitowym, złożu jonowymiennym amonitowym, w instalacji nanofiltracji lub odwróconej osmozy, gdzie następuje zagęszczanie koncentratu serwatki do produkcji laktozy lub cukru w przypadku produkcji cukru. W każdym przypadku permeat stanowi wodę procesową. Wymienniki kationitowy i anionitowy służą odwapnieniu i odmineralizowaniu nadawy przed instalacją membranową. W ww. opisie powstają duże ilości ścieków, które są nie do zaakceptowania dla zakładów owocowo-warzywnych. Ścieki powstają w procesie regeneracji wymienników kationitowego i anionitowego. W wymiennikach jonitowych zatrzymywane są przede wszystkim związki polarne a niepolarne przechodzą do nadawy instalacji membranowej. Ze względu na zatężanie stężonych roztworów serwatki lub soku buraczanego do permeatu przechodzi od jednego do kilku procent zanieczyszczeń wyjściowych jakie są w nadawie, co zależy od specyfiki membrany. Powoduje to dalszą konieczność doczyszczania permeatu w następnych instalacjach. Niedogodnością tego sposobu w przypadku oczyszczania wód poprocesowych jest to, że ukierunkowany jest on na produkcję cukru, czy też laktozy a oczyszczanie wody procesowej jest ubocznym procesem, stąd sposób doczyszczania wody według tego patentu pozostawia w wodzie zanieczyszczenia głównie organiczne na poziomie wyższym niż oczekiwany.

Znany jest wg patentu LIS 6 709 585 sposób oczyszczania ścieków pochodzących z przemysłu owocowo-warzywnego i jego dezynfekcja końcowa. Ściek przemysłowy z procesów przeróbki owoców i warzyw dekantuje się w dekanterze po zadaniu flokulanta i wymieszaniu. Błoto dekantacyjne odwadnia się w filtrze workowym a podczyszczony ściek łączy się ze strumieniem zdekantowanej i podczyszczonej cieczy z dekantera w zbiorniku retencyjnym. Całość cieczy pompowana przez filtr bezpieczeństwa o zgrubnych oczkach na układ filtrów workowych zawierających węgiel aktywny lub ziemię okrzemkową. Tak podczyszczona ciecz jest następnie dezynfekowana poprzez naświetlenie lampą UV i dalej jest ozonowana przed skierowaniem do procesów produkcyjnych. Jest to bardzo pracochłonny i kosztowny proces oczyszczania wody ze ścieków. Niedogodnością tego sposobu oczyszPL 221 378 B1 czania jest stosowanie węgla aktywnego do doczyszczania ścieku w wymiennych filtrach workowych (worki z polipropylenu), które co kilka godzin są wymieniane na nowe. Ponadto użycie do dezynfekcji końcowej ozonu czyni ten proces niebezpiecznym dla obsługi i wymaga końcowej absorpcji wolnego ozonu na węglu aktywnym co podraża stosowanie tego sposobu.

Znany jest z amerykańskiego sposobu podczyszczania ścieku produkcyjnego w przemyśle ziemniaczanym sposób wg patentu US 6 555 003. Sposób polega na uzyskiwaniu wody procesowej z oczyszczania ścieku poprodukcyjnego między innymi w instalacji ultrafiltracji z zawiesin przed instalacją odwróconej osmozy, która ma za zadanie oczyszczenie jej ze związków chemicznych. Woda procesowa stanowi permeat z procesu odwróconej osmozy. Niedogodnością tego sposobu jest użycie dwóch instalacji membranowych tj. ultrafiltracji i odwróconej osmozy co powoduje wysoki koszt inwestycyjny instalacji a ponadto ze względu na wysoki ładunek ChZT jaki zawierają ścieki łatwo może nastąpić zakażenie mikrobiologiczne membran, szczególnie odwróconej osmozy, co wymaga ciągłych jej chemicznych płukań w roztworach alkaliów, kwasów i w dezynfektantach.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US 3 408 289 opis sposobu oczyszczania ścieków w celu obniżenia ładunku ChZT poprzez flokulację i filtrację, następnie zmiękczanie w wymienniku jonitowym kationitowym, absorpcji zanieczyszczeń w filtrach z węglem aktywnym, absorpcji anionów mineralnych w amonitowym wymienniku ze złożem jonowymiennym słabo zasadowym, a następnie demineralizacji już wstępnie podczyszczonego roztworu w wymienniku kationitowym i anionitowym. W wyniku tak mocno rozbudowanego procesu uzyskuje się wysoką redukcję zanieczyszczeń mineralnych i organicznych. Niestety taka pełna i poprawna technologicznie linia do podczyszczania ścieków jest kosztowna a ponadto z każdego wymiennika jonitowego powstają ścieki poregeneracyjne, których ilość może być szacowana 5-8% podczyszczanych ścieków i które nie mogą być łączone ze ściekami pierwotnymi, co stanowi podstawową niedogodność metody.

Znany jest z polskiego opisu zgłoszenia patentowego P-389710 sposób uzdatniania wód odwarowych z procesów wyparnych zatężania soków owocowych i warzywnych, gdzie uprzednio schłodzone wody w wymienniku ciepła uzdatnia się w anionitowym wymienniku ciepła regenerowanym roztworami: wodorotlenków lub chlorków lub też ich mieszaniną z kationem sodowym lub potasowym po czym wodę wstępnie uzdatnioną kieruje się do zbiornika retencyjnego, skąd jest pobierana do kotłowni, mycia technologicznego lub do dalszego doczyszczania w instalacji odwróconej osmozy. Ten sposób uzdatniania prawidłowy pod względem technologicznym, z wymiennikiem anionitowym usytuowanym na początku linii technologicznej uzdatniana wód odwarowych posiada niedogodność w postaci generowania większej ilości stężonych ścieków poregeneracyjnych zawierających prawie wszystkie organiczne zanieczyszczenia a więc z wysokim ładunkiem ChZT ścieków, kierowanym do zakładowej kanalizacji. Alkohole alifatyczne jak metanol i etanol nie są zatrzymywane na amonicie wskutek czego filtrat zawiera podwyższony ładunek ChZT, co zmniejsza zakres zastosowania wody procesowej głównie do mycia urządzeń technologicznych.

Znany jest z polskiego opisu patentowego P-384760 sposób uzdatniania permeatów poserwatkowych z procesów odwróconej osmozy serwatki lub nanofiltracji serwatki, polegający na zalkalizowaniu permeatów i rozdziale nadawy w instalacji odwróconej osmozy, przy czym tak otrzymany pod₃ czyszczony permeat traktuje się nadtlenkiem wodoru w ilości od 5 do 150 g na 1 m³ permeatu, a następnie w przepływie naświetla się lampą UV w paśmie promieniowania UV o długości fali od 180 do 270 nm, korzystnie 254 nm. Permeat przed zadozowaniem nadtlenku wodoru i naświetleniem lampą UV może być filtrowany w wymienniku jonitowym ze złożem anionitowym, regenerowanym roztworem o stężeniu od 1 do 10% wodorotlenku sodowego lub potasowego w celu dodatkowego doczyszczenia. Sposób ten w całej technologii zbliżony do wymogów oczyszczania skroplin z aparatów wyparnych soków i przetworów owocowo-warzywnych zawiera praktycznie jedną niedogodność w postaci niskiej skuteczności zatrzymywania lekkich, lotnych alkoholi w instalacji odwróconej osmozy oraz w wymienniku anionitowym. Redukcja alkoholi w permeacie po instalacji odwróconej osmozy jest niewielka, natomiast po wymienniku jonitowym nie obserwuje się już żadnej ich redukcji i tym samym dalszej redukcji chemicznego zapotrzebowania tlenu ChZT.

Niedogodności jak wyżej pozbawiony jest sposób wg wynalazku. W trakcie badań skuteczności oczyszczania skroplin wg technologii objętej opisem zgłoszenia patentowego P389710 pt. „Sposób uzdatniania wód odwarowych z procesów wyparnych zatężania soków owocowych i warzywnych”, nieoczekiwanie okazało się, że w pozostawionej przypadkiem do następnego dnia zlewce do dalszych badań ze skroplinami pod dygestorium, w którym był włączony wentylator wyciągowy nastąpiła samo4

PL 221 378 B1 czynna, znaczna redukcja zawartości związków organicznych ChZT, co dało pomysł opracowania sposobu wg wynalazku.

Istotą wynalazku jest sposób uzdatniania skroplin powstałych z procesów zatężania soków i przetworów owocowo-warzywnych, w tym proszków owocowo-warzywnych na cele odzysku wody procesowej polegający na wstępnym schłodzeniu skroplin w wymienniku ciepła (1) do temperatury od 40 do 20°C, korzystnie od 30 do 25°C a następnie ich wprowadzeniu na wieżę desorpcyjną wypełnioną pierścieniami (2), gdzie w przeciwprądzie przepuszcza się powietrze, przy czym stosunek strumienia przepływu wody w stosunku do strumienia przepływającego powietrza wynosi od 1:12 do 1:2, korzystnie od 1:5 do 1:7 a czas poddawania skroplin procesowi desorpcji wynosi od 20 do 480 s, po czym skropliny za pomocą pompy wysokiego ciśnienia RO od 8 do 22 barów (3) przetłacza się jako nadawę na instalację odwróconej osmozy RO (4) skąd permeat w ilości powyżej 75% nadawy przetłaczany jest na kolumnę z sorbentem jonowymiennym stanowiącym makroporowatą żywicę na bazie polistyrenu i poliakrylu sieciowanego dwuwinylobenzenem z prędkością liniową do 30 m/h (5), a następnie jako wodę procesową gromadzi się w zbiorniku retencyjnym (6), natomiast koncentrat w ilości do 25% nadawy kierowany jest do transportu hydraulicznego owoców i warzyw. Jonowymienny sorbent stanowiący makroporowatą żywicę na bazie polistyrenu i poliakrylu sieciowanego dwuwinylobenzenem po całkowitym podstawieniu zanieczyszczeń jest utylizowany w miejscach do tego przeznaczonych lub też jest regenerowany za pomocą roztworu od 1 do 4% wag. wodorotlenku sodu lub potasu. W przypadku kierowania wody procesowej na cele chłodnicze stabilizuje się ją mikrobiologicznie poprzez dodatek biocydu stanowiącego mieszaninę związków 5-chloro-2-metylo-2H-izotiazol-3-onu i 2-metylo-2H-izotiazol-3-onu podawanych w stosunku 2:1 w ilości od 0,05 do 1 mg/l.

Korzystnym skutkiem zastosowania sposobu wg wynalazku do oczyszczania skroplin z ładunków organicznych jest istotne zmniejszenie ładunku chemicznego skroplin poprzez prostą fizyczną desorpcję części lotnych zanieczyszczeń w wieży desorpcyjnej, takich jak alkohol metylowy i etylowy, olejki eteryczne, których obecność w minimalnych ilościach powoduje istotny wzrost ChZT skroplin. Po desorpcji w wieży skropliny zawierają mniej związków organicznych przez co bardziej jest oczyszczony ze związków organicznych permeat po odwróconej osmozie a także wzrasta czas pracy wymiennika z sorbentem. W przypadku regeneracji sorbentu, czas między regeneracjami wydłuża się i powstaje mniej ścieku poregeneracyjnego. Jednocześnie w przypadku zaimpregnowania wody procesowej na cele chłodnicze biocydem zużywa się mniej biocydu na dezynfekcję wody, ponieważ zawiera ona mniej związków organicznych jako potencjalnych nośników rozwoju życia mikrobiologicznego. Sposób uzdatniania wg wynalazku zapewnia uzyskanie wody częściowo zdemineralizowanej lub zdemineralizowanej i praktycznie pozbawionej związków organicznych. Uzdatnione skropliny jako woda procesowa nadają się do procesów mycia urządzeń technologicznych, zasilania kotłowni parowej i zasilania obiegów chłodzenia wieży wyparnej i skraplaczy natryskowych. Woda przygotowana w sposób wg wynalazku spełnia wszystkie wymagania wody procesowej odzyskanej z procesów przetwórczych zgodnie z zasadami najlepszych dostępnych technik dla przemysłu owocowo-warzywnego.

Przedmiot wynalazku wyjaśnia przykład wykonania sposobu oczyszczania skroplin z wyparki zatężającej sok jabłkowy. Został on uwidoczniony na rysunku, fig. 1 przedstawiającym schemat procesu oczyszczania skroplin powstałych z zatężania soków i przetworów owocowo-warzywnych. Zakład owocowo-warzywny produkuje zatężony sok jabłkowy w wyparce próżniowej. Temperatura skroplin na wyjściu z wyparek wynosi 62°C. Pompa skroplin gorących przepompowuje skropliny ze zbiornika spod ₃ skraplacza z wydajnością 12 m³/h do płytowego wymiennika ciepła (1), gdzie skropliny zostają schłodzone do temperatury 25°C podgrzewając wstępnie sok rzadki przed skierowaniem go na wyparkę. Schłodzone skropliny wpływają następnie od góry do wieży desorpcyjnej (2) zawierającej w swoim wnętrzu pierścienie Białeckiego i grawitacyjnie opadają w dół stykając się w przeciwprądzie z powie₃ trzem kierowanym ku górze z wentylatora o wydajności 60 m³/h tracąc ok. 1,5% swojej masy na odparowanie oraz wynoszenie kropel. Czas zatrzymania skroplin w wieży wynosi ok. 50 s. Następnie skro₃ pliny swobodnie spadają do zbiornika pod wieżą desorpcyjną o objętości 5 m³, skąd pompą odwróco₃ nej osmozy RO (3) o wydajności ok. 12 m³/h przy ciśnieniu 14 barów wtłaczane są do instalacji od₃ wróconej osmozy RO (4) i rozdzielane na permeat i koncentrat, który w ilości 2,5 m³/h wykorzystywa₃ ny jest jako uzupełnienia transportu hydraulicznego owoców i warzyw. Permeat w ilości ok. 9,5 m³/h przepływa do wymiennika jonitowego z żywicą sorpcyjną firmy Lewatit (5) okresowo regenerowaną

2,5% roztworem wodorotlenku sodowego a stamtąd wpływa do zbiornika retencyjnego (6) już jako ₃ woda procesowa. Ze zbiornika (6) woda procesowa jest przepompowywana w ilości 3 m³/h jako woda ₃ uzupełniająca do kotłów parowych oraz w ilości 4 m³/h na cele mycia urządzeń w centralnych stacjach

PL 221 378 B1 ₃ mycia CIP oraz około 1,5 m³/h jest kierowane jako uzupełnienie odparowania w wieżach chłodniczych i skraplaczach natryskowo-wyparnych. Przed wejściem do urządzeń chłodniczych pompa dozująca (7) dozuje proporcjonalnie do przepływu roztwór handlowy biocydu o stężeniu 1,7% mieszaniny związków

5-chloro-2-metylo-2H-izotiazol-3-onu i 2-metylo-2H-izotiazol-3-onu podawanych w stosunku 2:1, tak aby stężenie biocydu wynosiło 0,10 mg/l. Sprawdzono, że z wody chłodniczej nie wytrącają się charakterystyczne żele jak w przypadku, gdy wody chłodnicze były uzupełniane wcześniej nieuzdatnionymi skroplinami. Wykonano analizy fizykochemiczne skroplin po każdym punkcie jej uzdatniania, zostały one umieszczone poniżej w tabeli.

Lp.	Miejsce pomiaru	Odczyn (pH)	Przewodnictwo (pS/cm)	Chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT) (mg O2/l)
1.	Przed wieżą desorpcyjną	4,3	685	1520
2.	Po wieży desorpcyjnej	4,8	512	715
3.	Po instalacji RO (permeat)	6,6	48	78
4.	Po sorbencie - zbiornik procesowej	7,1	56	21

Jak widać z tabeli znaczne oczyszczenie skroplin uzyskuje się wskutek procesu fizycznego jakim jest desorpcja skroplin w wieży przy niskiej stracie strumienia na odparowanie i wynoszenie, co potania technologię oczyszczania. Dzieje się tak wskutek możliwości usunięcia w procesie desorpcji łatwo desorbujących alifatycznych alkoholi i aromatycznych olejków, co jest procesem łatwym i dość tanim. Kolejne stopnie doczyszczania skroplin nie są już tak proste jak i tanie w porównaniu z desorpcją. Całość sposobu oczyszczania skroplin wg wynalazku jest korzystna i atrakcyjna dla użytkownika, głównie wskutek zastosowanej desorpcji, co znacznie obniża nakłady na instalację i jej koszty eksploatacyjne.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób uzdatniania skroplin powstałych z procesów zatężania soków i przetworów owocowo-warzywnych w tym proszków owocowych i warzywnych na cele produkcji wody procesowej polegający na schłodzeniu gorących skroplin w wymienniku ciepła i rozdziale zanieczyszczeń roztworów wodnych od czystej wody w instalacji odwróconej osmozy RO, znamienny tym, że skropliny z wyparki po wstępnym schłodzeniu w wymienniku ciepła (1) do temperatury od 50 do 20°C, korzystnie od 30 do 25°C wprowadza się na wieżę desorpcyjną wypełnioną pierścieniami (2) i w przeciwprądzie przepuszcza się powietrze, przy czym stosunek strumienia przepływu wody w stosunku do strumienia przepływającego powietrza wynosi od 1:12 do 1:2, korzystnie od 1:5 do 1:7 a czas poddawania skroplin procesowi desorpcji wynosi od 20 do 480 s, po czym skropliny przetłacza się pompą z instalacji odwróconej osmozy RO (3) jako nadawę na instalację odwróconej osmozy RO (4) skąd permeat w ilości powyżej 75% nadawy przetłaczany jest na kolumnę z sorbentem jonowymiennym (5) stanowiącym makroporowatą żywicę na bazie polistyrenu i poliakrylu sieciowanego dwuwinylobenzenem z prędkością liniową do 30 m/h, po czym jako woda procesowa wpływa do zbiornika retencyjnego (6), a koncentrat w ilości do 25% nadawy kierowany jest do transportu hydraulicznego owoców i warzyw.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sorbent jonowymienny stanowiący makroporowatą żywicę na bazie polistyrenu i poliakrylu sieciowanego dwuwinylobenzenem po całkowitym podstawieniu jest utylizowany w miejscach do tego przeznaczonych lub też jest regenerowany za pomocą od 1 do 4% roztworu wodorotlenku sodu lub potasu.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku kierowania wody procesowej na cele chłodnicze stabilizuje się ją mikrobiologicznie poprzez dodatek biocydu stanowiącego mieszaninę związków 5-chloro-2-metylo-2H-izotiazol-3-onu i 2-metylo-2H-izotiazol-3-onu podawanych w stosunku 2:1 w ilości od 0,05 do 1 mg/l.