При каком давлении газируют воду
«ГАЗИРОВКА» ИЗ-ПОД ЗЕМЛИ: КАК ПОЛУЧАЕТСЯ ВОДА ПРИРОДНОЙ ГАЗАЦИИ
Чтобы минеральная вода не портилась и надолго сохраняла свои лечебные и вкусовые качества, ее перед розливом в бутылки подвергают газации – то есть газируют. Но оказывается, что на свете есть такие минеральные источники, которые выходят из-под земли уже сразу «газированными». Как это получается и где найти такие источники?
Наша справка:
Газация – насыщение воды углекислым газом. Различают минеральные воды искусственной и природной газации. К минеральным водам природной газации, в частности, относятся: Нарзан (Кисловодск, Россия), Selterwasser – или Сельтерская вода (Германия) и Badoit (Франция).
Газация – это консервация
Если вы бывали на питьевых бальнеологических курортах, то наверняка замечали такую особенность: набираешь утром воду из источника в бутылку, а уже к вечеру она теряет свои вкусовые свойства, а то и вовсе мутнеет и становится коричневой. Это происходит потому, что содержащиеся в воде соли и минералы выпадают в осадок. В воде нарушается минеральный баланс и она теряет свои целебные свойства. Поэтому минеральную воду лучше пить прямо у источника или в течение часа после того, как вы ее набрали.
Но что делать, если доктор прописал вам минеральную воду определенного типа (скажем, Ессентуки-4), а поехать на курорт вы не можете? В этом случае на помощь приходит бутилированная вода, прошедшая газацию.
Газация для воды – это та же консервация. Она помогает подготовить воду к долгой транспортировке и при этом сохранить все ее полезные качества. А также – не допускать выпадения осадка при сохранении герметичности бутылки.
Воду можно газировать двумя способами: механическим – путем насыщения углекислым газом, и химическим – путем добавления соды. Для сохранения минеральной воды, как правило, используется первый способ. Второй способ, придуманный швейцарским предпринимателем Швеппом (основателем марки «Швепс») чаще используется для сладких «газировок» и столовых вод.
Но существует еще третий способ газации – природный, когда минеральная вода выходит на поверхность земли уже насыщенная углекислым газом. Об этой воде мы и хотим рассказать.
Как вода становится газированной от природы?
Минеральные воды природной газации не очень распространены в Европе (их можно буквально пересчитать по пальцам!), хотя целебные свойства таких источников известны с древнейших времен. Чтобы стать «газированной», минеральная вода должна пройти длинный путь через множество горных пород, прежде чем выйти наружу. При этом, чем глубже под землей зарождается вода, чем более толстый слой горных пород она проходит – тем сильнее она насыщается углекислым газом. Как правило, минеральная вода насыщается углекислотой, проходя через вулканические горные породы. Этим и обусловлена ее редкость в Европе.
Природная газация помогает минеральной воде сохранять свои лечебные качества даже в случае загрязнения источника, поскольку углекислый газ предупреждает развитие бактерий в воде. Минеральные воды природной газации не следует путать с углекислыми водами в целом, потому что содержание в воде углекислоты – конечно, необходимое, но не достаточное условие для того, чтобы вода стала «газированной».
Нарзан: путь длиною в 6 лет
В России наиболее известной (и фактически единственной) минеральной водой природной газации является кисловодский Нарзан. Иногда «нарзаном» ошибочно называют все минеральные воды Кавказа. На самом деле Нарзан – сугубо кисловодский «бренд». Само слово происходит от кабардинского «нарт-сана», то есть вода Нартов – былинных богатырей, которые приходили к источнику после тяжелых сражений, чтобы залечить раны и восстановить силы.
Лермонтов называл Нарзан «холодным кипятком» — за то, что тот бурлит, выходя из-под земли. А доктор Паллас, первым изучивший лечебные свойства Нарзана, сравнил его воздушные пузырьки с пузырьками дорогого шампанского. Посмотреть, как нарзан выходит из-под земли, можно и сегодня – в главной нарзанной галерее Кисловодска. Здесь, накрытый стеклянным куполом, стоит так называемый «Кипящий колодец» — первый оборудованный каптаж Нарзана в Кисловодске.
Прежде чем попасть в бутылки или Нарзанную галерею, Нарзан проделывает долгий путь в 100 км — он зарождается у подножья Эльбруса, затем проходит сквозь толщи вулканических пород, где и насыщается углекислотой, и только после этого выходит на поверхность. Ученые рассчитали, что весь путь – от Эльбруса до Кисловодска – занимает у Нарзана около 6 лет.
Бутылочку сельтерской
В русской классической литературе герои часто заказывают в ресторанах «бутылочку сельтерской». Это популярная в 19 веке минеральная вода из немецкого источника Нидерзельтерс. В России Сельтерская вода природной газации считалась напитком аристократов: ее часто ставили на стол на званых обедах вместо шампанского. Газированная вода в принципе была тогда в новинку (искусственно насыщать воду углекислым газом в России еще не научились, а кисловодский Нарзан еще не разливали по бутылкам).
Как и в случае с Нарзаном, Сельтерская вода со временем стала именем нарицательным: «сельтерской» еще очень долго называли любую газированную воду в бутылках. Поэтому упоминание «сельтерской воды» в литературе не означает, что герои пили именно немецкую Selterwasser. Любопытно, что слово «зельцер» вошло не только в название «газировок», но и в название некоторых лекарств – если это лекарство представляет собой растворимую «шипуку».
Еще одна природная «газировка» — это французская вода Badoit (Бадуа), добываемая из источников Сен-Гельмье.Она не очень популярна в России, но в Европе ее очень любят. У нее высокая степень природной газации и при этом низкая степень минерализации. Это значит, что ее можно употреблять как столовую воду – просто для утоления жажды.
«Минералка» или «газировка»?
Многие до сих пор путают такие понятия, как минеральная и газированная вода. Минеральная вода – это вода, насыщенная биологически активными минеральными веществами, такими как кальций, натрий, магний и т.д. Именно такая вода используется на бальнеологических курортах для внутреннего и наружного применения. О различных видах минеральных вод вы можете прочесть в нашей статье Курортология для всех, Часть I.
Газированная вода – это просто любая вода, искусственно насыщенная углекислым газом. Минеральная вода может быть газированной или нет (если вы пьете ее прямо из источника, и если этот источник – не Нарзан). Так же и «газировка» может быть и минеральной водой, и сладкой десертной, и самой обычной – вроде той, что разливалась раньше в автоматах по 1 копейке за стакан. Лечебными же качествами обладает именно минеральная газированная вода, а не просто газированная.
Текст: Екатерина Маслова
Источник
НАСЫЩЕНИЕ ВОДЫ ИЛИ НАПИТКОВ ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА (КАРБОНИЗАЦИЯ)
Под насыщением (карбонизацией, или сатурацией*) понимают смешивание воды с диоксидом углерода. От степени насыщения воды или напитка диоксидом углерода зависят вкусовые качества, освежающие свойства и стойкость продукта.
Первый напиток, насыщенный СО, искусственно, был создан в 1767 г. английским ученым Джозефом Пристли. Ученого заинтересовало, какого рода пузырьки выделяются при брожении пива, и он провел эксперимент, поместив над варящимся пивом два контейнера с водой. Спустя некоторое время вода насытилась СО,. Попробовав ее, Пристли поразился неожиданно резкому и одновременно приятному вкусу этой воды.
Первый прибор, с помощью которого можно было производить газированную воду в достаточно больших количествах, получивший название сатуратор, был изобретен в 1770 г. химиком Торберном Бергманом (Швеция).
В дальнейшем разработки Бергмана продолжил немец Иоганн Швепп. Созданная им в 1783 г. промышленная установка для производства газированной воды, позволила ему открыть собственную фирму, существующую до сих пор.
Технические документы по производству напитков в Российской Федерации допускают содержание СО, в напитках не более 10 г/л (1 %). Как правило, напитки насыщают двуокисью углерода до концентрации 0,3-0,6%. Сладкие безалкогольные и слабоалкогольные напитки газируют при помощи миксер-сатураторов (сатурационные установки), где вода не только насыщается диоксидом углерода, но еще и смешивается с сиропом.
Содержание диоксида углерода (норма) в газированных безалкогольных напитках (массовая доля диоксида углерода, %) следующее:
’ От лат. saluralio насыщение.
Сильногазированные………………………Более 0,40
Среднегазированные…………………..Более 0,30 до 0,40
включительно
Слабогазированные…………………….Более 0,20 до 0,30
включительно
Высокое содержание диоксида углерода обеспечивает продолжительность сохранения вкуса и аромата напитка и предохраняет его от порчи. Одновременно с повышением содержания углекислого газа в воде, в ней понижается содержание кислорода, что положительно влияет на качество и сохранность напитков, так как растворенный в воде кислород способен вызывать образование нежелательных продуктов окисления, ухудшающих внешний вид или вкус продукта. Кроме того, растворенный в воде воздух и кислород препятствуют растворению углекислого газа, поэтому карбонизации предшествует деаэрация воды на специальных аппаратах — деаэраторах.
Таким образом, процесс газирования включает в себя предварительное охлаждение воды, удаление из нее растворенного воздуха (деаэрация) и насыщение диоксидом углерода.
Растворение углекислого газа в воде происходит с образованием слабой угольной кислоты, которая медленно диссоциирует на ионы Н и НСО,:
Теплота растворения углекислого газа в воде составляет 5,9 ккал/г-моль. Так как процесс экзотермический, то в соответствии с принципом Ле- Шателье нагревание будет сдвигать равновесие в сторону процесса, который сопровождается поглощением тепла, — выделение углекислого газа из раствора. Поэтому растворимость диоксида углерода увеличивается с понижением температуры воды и повышением давления (рис. 53). В связи с этим перед сатурацией воду необходимо предварительно охлаждать до температуры 2-4 °С. При карбонизации смеси воды и сиропа на синхронно-смесительных установках смесь охлаждают до 4-10 °С.
Связь между объемом, температурой и давлением углекислого газа выражается уравнением
где V — объем 1 кг газа; Т — температура газа в градусах Кельвина; Р — давление газа; R — универсальная газовая постоянная; А — дополнительная величина, учитывающая отклонение от уравнения идеального газа.
Рис. 53. Растворение углекислого газа в воде при различной температуре при 760 мм рт. ст. в 1 л воды
Охлажденная вода должна проходить от холодильника до сатуратора наиболее коротким путем, а во избежание нагревания трубопроводы и сборники для охлажденной воды необходимо изолировать от окружающей среды теплоизолирующими материалами.
Насыщение диоксидом углерода напитков производится на синхронно-смесительных установках и в акратофорах через специальное барбо- тируюшее устройство, а насыщение воды — на сатураторах различной конструкции.
В зависимости от используемых способов сатурации различают сатураторы смесительные, распылительные, комбинированные. Сатураторы, в которых насыщение воды производится смешиванием ее с поступающим через барботер газом, называют смесительными. Распылительными, или колончатыми, называют сатураторы, в которых распыленная до мельчайших частиц вода пропускается через сатурационную колонку, заполненную керамической насадкой, и движется навстречу углекислому газу. Сатураторы, к которым применяются два или несколько из описанных способов карбонизации, называются комбинированными.
Рабочее давление в сатураторах и синхронно-смесительных установках не должно превышать 0,4 МПа, а эксплуатация, порядок работы и обслуживание этих аппаратов должны осуществляться в соответствии с инструкциями по эксплуатации, разработанными применительно к каждому типу оборудования.
Удаление растворенных газов из воды перед сатурацией углекислотой позволяет избежать следующих проблем:
- • без предварительной деаэрации возможны сбои в процессе сатурации и розлива напитков, вызванные спонтанным выделением углекислого газа;
- • присутствующий в воде кислород способствует развитию колоний дрожжевых микроорганизмов;
- • кислород, растворенный в воде, вызывает окисление и разрушение витамина С;
- • окислительные реакции в присутствии кислорода приводят к помутнению напитков;
- • кислород вызывает разрушение ароматических веществ в напитках и изменение их вкуса;
- • кислород вызывает обесцвечивание напитков.
Скорость растворения диоксида углерода в воде весьма существенно сказывается на степени ее насыщения и связывания с водой. Медленное повышение рабочего давления в колонке насыщения сатурационной установки позволяет увеличить степень насыщения воды или напитка диоксидом углерода, а главное — увеличить в растворе прочность его молекулярной связи с водой или напитком.
На степень поглощения углекислого газа оказывает влияние и продолжительность контакта газа с водой. Максимальная скорость растворения наблюдается в первый час — содержание растворенного СО, достигает 0,3 %, в последующие несколько часов количество СО, в воде очень медленно повышается до 0,46% (рис. 54). Поскольку нормируемое содержание в воде СО, достигается за один час увеличивать продолжительность этого процесса экономически нецелесообразно.
При постоянных значениях давления, температуры и продолжительности карбонизации на степень насыщения воды углекислым газом оказывает влияние площадь контакта газа с жидкой фазой, что в свою очередь определяет скорость проникновения газа в воду, и эта зависимость выражается следующим уравнением:
где D — константа диффузии; S — поверхность контакта, м!; Ар — разница в парциальном давлении СО, в воде и над ней, Па; т — продолжительность процесса.
Поэтому в конструкциях большинства сатураторов применяют различные насадки, позволяющие увеличить площадь соприкосновения углекислого газа с водой. Это могут быть кольца Рашита, тарельчатые пластины или другие устройства.
Рис. 54. Зависимость количества растворенного в воде СО, от продолжительности карбонизации
В соответствии с действующими нормативами максимально допустимый расход диоксида углерода на 100 дал сильногазированного напитка составляет 19 кг. С учетом того, что в таких напитках содержание диоксида углерода должно составлять не менее 0,4 % мае., то есть 4 кг в 100 дал напитка, потери диоксида углерода достигают практически 70-80 %.
В целях повышения эффективности процесса насыщения напитков или воды диоксидом углерода и снижения потерь углекислого газа следует избегать перекачек газированной воды или напитков по коммуникациям большой протяженности для передачи газированной воды от места насыщения до разливочной машины, не производить перекачек с большим напором и большой скоростью, так как это приводит к дегазации напитков.
Дегазация происходит также в момент отрыва колокольчика нали- вателя от горлышка бутылки после налива идо момента укупоривания бутылки.
Практикой установлено, что наименьшие потери диоксида углерода происходят при перекачках насыщенной жидкости со скоростью, не превышающей 1 дм3/с. Следует учесть, что содержащиеся в воде соли снижают растворимость диоксида углерода в ней, поэтому перед насыщением вода должна быть подвергнута умягчению. Однако с учетом того, что катионитовые фильтры удаляют лишь ионы жесткости, установки обратного осмоса являются более предпочтительными, так как они способны не только умягчать воду, но и снижать в ней общее содержание минеральных солей.
Рис. 55. Влияние объема газового пространства Pj и К, в горлышке бутылки на содержание СО, в напитке
Важно также то, какой объем газового пространства находится в горлышке бутылки между зеркалом жидкости и пробкой. Для сохранения максимального количества растворенного в напитке углекислого газа необходимо обеспечить минимальный объем этого пространства. Например, при объеме Vt незаполненного напитком пространства горлышка бутылки равном 18—22 мл и давлении газа 9,8 Па содержание СО, в пустом пространстве бутылки будет достигать 0,142%. При увеличении пустого объема К2 до 53—57 мл содержание углекислого газа между поверхностью напитка и пробкой будет уже 0,157% [1] (рис. 55).
Диоксид углерода в напитки можно вводить двумя способами: насыщением охлажденной и деаэрированной воды с последующим введением ее в бутылки, залитые определенной дозой купажного сиропа, или насыщением смеси деаэрированной воды и купажного сиропа с последующим розливом уже насыщенного напитка. Однако сатурация напитка, содержащего сироп, сильно затрудняет мойку и поддержание санитарного благополучия оборудования, поэтому предпочитают карбонизировать воду до смешения с сиропом.
Насыщение воды производят в аппаратах непрерывного действия — сатураторах (рис. 56), а напитков — на непрерывнодействующих синхронно-смесительных установках. На рис. 57 представлена принципиальная схема действия сатуратора непрерывного действия. Вода под давлением подается через электромагнитный клапан в деаэрационную колонну /, где, стекая по полусферам в виде тонкой пленки за счет большой поверхности контакта с газовой фазой, освобождается от растворенных в ней газов и накапливается в нижней части колонны.
По мере наполнения нижней части колонны 1 поэтапно включаются форсунки для подачи углекислого газа. Процесс удаления растворенных газов атмосферы в деаэраторе 1 может рассматриваться как первая ступень сатурации, так как атмосферные газы из воды вытесняются с помощью СО,, подаваемого снизу колонны и движущегося вверх. Диоксид углерода проходит через воду и вытесняет более легкий воздух в верхнюю
Рис. 56. Внешний вид сатуратора
часть башни, откуда он периодически сбрасывается в атмосферу, одновременно часть СО, растворяется в воде.
В пространстве над полусферами создается разрежение за счет откачки газов посредством эжекторного насоса в накопитель 5. Насос и колонна для накопления воды 5 работают совместно для создания вакуума посредством струйной насадки, которая через трубопровод подключена к колонне деаэрации 1.
Сатурационная колонна 2 представляет собой стальной цилиндрический сосуд с сетчатыми перегородками. Верхняя часть колонны полая и является ее газовым пространством. В верхней части сатурационной колонны расположены два эжектора 34,ъ которые подается под давлением деаэрированная вода из колонны /. В эжекторе вода сильно диспергируется и одновременно создается разрежение, засасывающее воду с пузырьками СО, из верхней части колонны.
На самом верху колонны эжектор 4 всасывает СО, из верхней газовой полости колонны и впрыскивает водно-газовую смесь в зону распыления эжектора 3. Этим достигается высокая степень насыщения воды диоксидом углерода. Одновременно из коллектора, расположенного в нижней части колонны 2, барботируется диоксид углерода, движущийся навстречу потоку воды, создаваемому эжекторами 3 и 4. Колонны соединены между собой газовыми трубопроводами, тем самым образующими систе-
Рис. 57. Принципиальная схема действия сатураторов:
1 — деаэрационная колонна; 2 — сатуранионная колонна; 3,4 — эжекторы; 5 — колонна накопления сатурированной воды му сообщающихся сосудов, вследствие чего скачки давления в колоннах не влияют на эффективность работы установки.
Карбонизированная вода собирается в сборнике 5. Использование многостадийного насыщения позволяет проводить карбонизацию при пониженных давлениях. Уменьшение рабочего давления сатураторов, при котором происходит насыщение жидкости, способствует более прочному связыванию угольной кислоты и воды, что особенно ощутимо в напитках, содержащих сахарозу.
Вопросы для самопроверки
- 1. Какие три основные цели преследует карбонизация безалкогольных напитков?
- 2. Для чего проводят деаэрацию воды перед ее карбонизацией?
- 3. Оказывает ли влияние карбонизация на сохранность напитков?
- 4. Как влияет температура карбонизации на степень насыщения воды диоксидом углерода?
- 5. Влияет ли площадь соприкосновения газа и жидкости на степень и скорость ее насыщения диоксидом углерода?
- 6. Опишите принципиальную схему работы современной установки карбонизации воды.
Источник