Производство и применение искусственного льда

Технология производства искусственного льда

По составу исходного сырья искусственный водный лёд разделяют на лёд из пресной воды (сырой, кипяченой, дистиллированной), лёд из морской воды и рассолов, лёд из воды с антисептиками и антибиотиками.

В технологии изготовления искусственного льда из пресной воды предъявляются специальные, в частности гигиенические (санитарные), требования к сырью (вода), продукту (лед), а также к оборудованию и процессу производства.

Лёд из питьевой водопроводной воды изготовляют матовым с плотностью 890-900 кг/м³ и прозрачным с 910-917 кг/м³ при температурах от -8 до -25° С (иногда для чешуйчатого льда). Матовый непрозрачный лед имеет белый цвет в основном благодаря наличию в нем пузырьков воздуха и солей; последние иногда требуется удалять. Известно, что в 1 см³ льда, полученного при скорости кристаллизации 0,5 мм/мин, содержится примерно 6 пузырьков воздуха, а при скорости 5 мм/мин число их достигает 300. Прозрачный лед в толстом слое имеет голубовато-зеленый оттенок, он мало смерзается и не дает осадка при растаивании.

Деаэрированная вода при нормальном давлении самонасыщается воздухом, но в отличие от него содержит на 1 часть кислорода не 3,75, а около 2 частей азота (при 10° С в 1 л воды содержится 7,87 см³ кислорода и 15,47 см³ азота). Обогащение воды кислородом имеет место при таянии льда.

Требования, предъявляемые к источникам воды для хозяйственно-бытовых целей, в общем виде регламентирует ГОСТ 2761-57 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения». Нормы качества водопроводной воды определяет ГОСТ 2874-73 «Вода питьевая».

ГОСТы предусматривают, что общее число бактерий в воде не должно превышать 100 при посеве в, 1 мл, количество кишечных палочек - не более 3 в 1 л воды. Допустимый сухой остаток - до 1 г/л. Общая жесткость воды - не более 7 мг-экв/л, а мутность по содержанию взвешенных частиц - не свыше 1,5 мг/л. Вода не должна содержать железа более 0,3 мг/л; допустимая концентрация водородных ионов в пределах 6,5-9,5.

Стандарты распространяются на воду, используемую и для технических целей, но не относятся к воде, забираемой из местных водоисточников, иногда используемых в производстве технического льда.

Если лед предназначается для употребления с напитками или для непосредственного охлаждения пищевых продуктов, не подлежащих горячей кулинарной обработке, то он должен быть пищевым. При его изготовлении и сбыте необходимо соблюдать санитарно-гигиенические правила, принятые для продуктов, непосредственно употребляемых в пищу. Вода, полученная при растаивании пищевого льда, должна быть питьевой. При производстве непищевого, технического льда, особенно если он продается на сторону, также соблюдаются основные санитарные условия.

Получать прозрачный лед можно в тех же льдоформах что и матовый лед. Если, например, в случае замораживания при -8° С московской водопроводной воды в льдоформах на 25 и 50 кг ее перемешивать, подавая 8 и 12 л/мин воздуха при давлении 0,015 МПа, то выделяющийся из воды воздух не успевает вмерзать в лед, а соли в основном концентрируются в 4-литровой незамерзшей сердцевине прозрачных льдоблоков, откуда их легко удалить, и лед получается прозрачным. Барботаж воды также ускоряет ее охлаждение.

Для получения из городской водопроводной воды (содержание солей 100-150 мг/л) прозрачного льда в оросительных льдогенераторах без льдоформ, но с насосной циркуляцией воды и с удалением маточного раствора требуемая кратность циркуляции воды 30-40 при температуре намораживания не ниже -15° С. Из водопроводной воды с содержанием солей 60 мг/л, железа 0,7 мг/л и окисляемостью 8 мг/л (по кислороду) до обработки квасцами и с содержанием железа 0,12 мг/л и окисляемостью 2,7 мг/л после такой обработки получался при -10° С качественный лед в 136-килограммовых льдоформах в случае подачи 5-6 л/мин воздуха с давлением 0,1 МПа.

Предельно допустимое содержание примесей в воде для прозрачного льда, получаемого при температуре около -10° С:

Примеси	Максимально допустимое содержание в воде
Общее содержание солей, мг/л	250
Сульфатов + 0,75 хлоридов + 1,25 углекислого натрия, мг/л	170
Соли временной жесткости, мг/л	70
Железо, мг/л	0,04
Окисляемость, О2 мг/л	3
Концентрация водородных ионов (рН)	7

Данные Эренфельда и Джибса и других исследователей о влиянии примесей на качество льда указаны в таблице:

Примеси в воде	Влияние на качество льда	Результат обработки воды
Углекислый кальций	Образует грязный осадок обычно в нижней части и центре блока. Вызывает растрескивание при низких температурах	Практически удаляется
Углекислый магний	Образует грязный осадок и пузырьки. Вызывает растрескивание при низких температурах	То же
Окись железа	Дает желтые или коричневые осадки и окрашивает кальциевый и магниевый осадки	Удаляется
Окись алюминия и кремний	Дают грязный осадок	Практически удаляется
Взвешенные вещества	Дают грязный осадок	Устраняются
Сернокислый натрий, хлористый натрий и сернокислый кальций	Создают белые пятна, концентрируются в сердцевине. Дают большие непрозрачные сердцевины и задерживают замерзание. Не дают осадков	Не изменяются
Хлористый кальций и сернокислый магний	Дают зеленоватый или сероватый налет; концентрируются в сердцевине; задерживают замерзание и дают большие непрозрачные сердцевины	Изменяются в сернокислый кальций
Хлористый магний	Часто проявляется в виде белых пятен. Не дает осадка	Изменяется в хлористый кальций
Двууглекислый натрий (углекислый натрий)	Даже в небольших количествах при температурах ниже -9° С часто вызывает растрескивание. Создает белые пятна, концентрируется в сердцевине, задерживает замерзание. Дает большую непрозрачную сердцевину. Осадка не образуется	Изменяется в углекислый натрий. Вид льда улучшается немного

При рН>7 и преобладании в воде углекислых солей кальция и магния и особенно натрия блочный лед получается хрупким и потому его желательно намораживать при -8° и оттаивать при 20° С вместо обычных -10° и 35° С.

Для получения качественного льда из воды с большим содержанием примесей целесообразно усилить интенсивность движения воды в 2-3 раза против обычной; повысить температуру намораживания льда до -6 -8° С (еще лучше очищает лед медленная кристаллизация при -2 -4°С); чаще удалять осадок из маточного раствора в середине замораживаемого объема воды.

Если эти меры недостаточны или нежелательны, то прибегают к умягчению воды ионообменными смолами в ионитовых фильтрах, очищающих воду с содержанием солей до 30 г/л. Обычное удаление из воды известью углекислого кальция и магния, железа и алюминия является простым химическим процессом, соответствующим для кальция реакции: Са(ОН)₂+Са(СНО₃)₂=2СаСО₃+2Н₂О; органические вещества при этом осаждаются вместе с углекислыми соединениями. Далее воду, обработанную известью в сатураторе, пропускают через фильтр с кварцевым песком. В воду с хорошими общими показателями, но содержащую железо, достаточно добавить перед фильтрацией немного извести; при аэрации воды железо, обычно соединённое с СО₂, выпадает в виде осадка, легко задерживаемого фильтром.

Очень удобна обработка воды квасцами или сернокислым алюминием, обеспечивающая не только некоторое умягчение и коагуляцию органических веществ и взвесей, но и перевод бикарбонатов в сульфаты. Это уменьшает хрупкость льда и потому позволяет снижать температуру намораживания льда в льдоформах с -8 -10° до -12 -14° С. При этом необходимо поддерживать в воде рН на уровне 7, что уменьшает хрупкость льда. Во избежание появления трещин следует оттаивать лед от льдоформ при 20° С вместо обычных 35-40° С. Возможно оттаивание льда при температуре и выше 40° С.

Простейшим оборудованием для водоподготовки служат спаренные песочные фильтры с бачками для обработки воды квасцами. Фильтрование производится через слой гравия и кварцевого песка, скорость фильтрации 1-1,5 л/м² в минуту. Падение давления в чистом фильтре обычно составляет 0,015-0,035 МПа, в засоренном фильтре падение давления увеличивается в 2-3 раза. При попеременной промывке фильтров обратным током воды слой песка перемешивается и выпавшие из воды в результате квасцевания и фильтрации осадки удаляются. Скорость промывки принимают такой, чтобы с промывной водой удалялись осадки без песка.

Обработка воды квасцами часто бывает связана с необходимостью подщелачивания ее до оптимального значения рН 7. С этой целью применимы легкое известкование воды или фильтрование ее через доломитовую крошку. Особого подхода требует вода с большим содержанием водорастворимых солей: по зарубежным данным, при температурах замораживания воды -10°, -8° и -7° С предельно допустимые концентрации водорастворимых солей при получении прозрачного льда необходимого качества соответственно будут 100, 200 и 400 мг/л.

В ряде случаев промышленного производства льда возможно применение для обработки воды обычного цеолита (алюминиево-натриевый силикат).

Реакция с ним идет следующим образом (Ze-цеолит): NaZe+MgCl₂=MgZe+2NaCl, в результате жесткость воды понижается практически до нуля.

При обработке воды водородным цеолитом (H₂Ze) протекает следующая реакция:

2NaHCО₃ + H₂Ze = Na₂Ze + 2Н₂СО₃

(удаляется путем аэрации). При содержании в воде NaCl и Na₂SО₄ будем иметь следующие реакции:

2NaCl + H₂Ze = Na₂Ze + 2НС1;

Na₂SО₄ + H₂Ze = Na₂Ze + H₂SО₄.

Для нейтрализации свободных кислот можно употреблять Na₂CО₃, тогда получаем:

Na₂CО₃ + 2НС1 = 2NaCl + Н₂СО₃.

В некоторых случаях содержащегося в воде бикарбоната натрия и карбоната натрия бывает достаточно для нейтрализации кислотности.

Восстановление цеолита производится посредством обработки серной кислотой

Na₂Ze + H₂SO₄ = Н₂Ze + Na₂SО₄.

Установки с цеолитом в принципе просты. Цеолит закладывают в бак на слой гравия, под которым находится фильтр. Система трубопроводов обеспечивает пропуск соответствующего количества обрабатываемой воды и серной кислоты для периодической регенерации цеолита.

Так, на одном льдозаводе через цеолит проходило воды 26,4 л/мин и мимо него 7,5 л/мин; после реакции оба потока соединялись, происходила нейтрализация кислоты. Далее вода направлялась через аэратор в сборный резервуар. Состав воды до и после обработки приведен в таблиц:

Примеси	Содержание в воде, мг/л
	до обработки	после обработки H2Ze
NaHCО3	705	0
Na2CО3	42	0
NaCl	90	90
Na2SО4	62	62
Общее количество солей	899	152

Специальная технология применяется при изготовлении матового льда с антибиотиками, предназначаемого в основном для более длительного хранения рыбы.

Главное требование к антибиотикам, добавляемым в замораживаемую воду или в лед, - их разрушение при тепловой кулинарной обработке пищевых продуктов, сохранявшихся в этом льду.

Для применения со льдом в рыбной промышленности антибиотик биомицин (хлортетрациклин) добавляют в воду из расчета 5 г на 1 т льда. Если вода содержит 0,8 мг/л и более активного хлора, то ее предварительно дехлорируют гипосульфитом. Для лучшего сохранения биомицина во льду воду подкисляют до рН 4 лимонной кислотой (не менее 25 г на 1 т льда).

Равномерность распределения биомицина в случае изготовления блочного льда обеспечивается желированием воды смесью из 100 г карбоксиметилцеллюлозы и 400 г поваренной соли на 1 т льда. Для промышленного производства блочного биомицинового льда исследователями была предложена смесительная установка производительностью 4,5 м³ раствора в час.

Известен также лёд с антисептиками из воды, обработанной хлором и серебряным песком.

Во избежание концентрирования примесей и по другим причинам все эти виды льда, а также соленый (морской и рассольный), целесообразно изготовлять в интенсивных роторных льдогенераторах с тонкослойным намораживанием. Производство соленого льда ведут при температуре на 10-15° С ниже криоскопической. Хранить такой лед следует также при температуре ниже криоскопической. Однако только при эвтектической температуре во льду не будет рассола.

В некоторых случаях необходимые технологические примеси можно добавлять непосредственно в рассыпной снежный чешуйчатый или мелкодробленый лед. При этом следует иметь в виду, что рассыпной лед может адсорбировать 15-25% воды.

Лед от льдогенераторов хранят при -5° С в льдохранилищах, иногда дополнительно перерабатывают (разрезают, дробят или прессуют посредством соответствующих машин) и упаковывают.