錯(cuò)流過濾技術(shù)在中小工廠的應(yīng)用

硅藻土轉(zhuǎn)向錯(cuò)流過濾是發(fā)展趨勢。健康和環(huán)境因素是最初變革的主要原因，但如今，對(duì)高質(zhì)量和具有競爭力成本的需求促使越來越多的釀酒商主動(dòng)變革。多年經(jīng)驗(yàn)證明，錯(cuò)流過濾適用于所有規(guī)模啤酒工廠，以及所有類型的啤酒。本文論述其在中小規(guī)模工廠，包括精釀工廠的應(yīng)用。

1855 年，F(xiàn)ick 研發(fā)了第一種基于硝酸纖維素的合成膜，并用各種流體進(jìn)行測試。108 年后的1963 年，DuPont 引進(jìn)了第一套錯(cuò)流過濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用了Loeb和Sourirajan 研發(fā)的非對(duì)稱膜。

在啤酒過濾方面，首次錯(cuò)流過濾試驗(yàn)由Diethard Wagner 于1993 年公布，隨后德國賽茨過濾器公司Seitz Filterwerke 的Karl Duchek 于1994 年首 次提出了一套功能性系統(tǒng)概念，包括質(zhì)量數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)方面的對(duì)比。該方案將錯(cuò)流過濾技術(shù)與上游的離心過濾和下游的基于薄板的圓盤式過濾器相結(jié)合，按成本計(jì)算，產(chǎn)生了與傳統(tǒng)硅藻土過濾技術(shù)相媲美的啤酒質(zhì)量。

圖1：精釀工廠使用的錯(cuò)流過濾系統(tǒng)

首次應(yīng)用于精釀啤酒企業(yè)是于1995 年安裝在德國布滕漢姆的Meusel 啤酒工廠。在這里，賽茨公司安裝了一套全自動(dòng)的解決方案，將Westfalia 離心過濾與微流過濾系統(tǒng)結(jié)合在一起，隨后是盤式過濾器，過濾能力達(dá)30 hl/h。該過濾系統(tǒng)替代了硅藻土過濾器和板式過濾器，直至今天該系統(tǒng)仍順利運(yùn)行。Meusel 目前生產(chǎn)18 種不同的啤酒品牌，包括10 款金色啤酒和8 款黑啤酒，濃度從7.8°P ～21°P，其中一些采用后添加酒花工藝。Meusel 年啤酒產(chǎn)量為1755 kl。

8 年后，又一家精釀工廠將硅藻土過濾替換成錯(cuò)流膜過濾。在2003 年，德國厄爾德波特啤酒工廠安裝了首臺(tái)PROFi 過濾系統(tǒng)，其能力為100 hl/h。并聯(lián)運(yùn)行2 個(gè)月后，老系統(tǒng)被拆除。工廠年產(chǎn)量約7000kl，包括4 款金色啤酒和3 款黑色啤酒，濃度從11°P ～14°P。

看到這些開創(chuàng)性工作，大型跨國集團(tuán)意識(shí)到了這種趨勢。丹麥嘉士伯于2005 年安裝了400 hl/h 的系統(tǒng)，與硅藻土過濾機(jī)并排安裝，經(jīng)過短期測試后，所有品牌全部用新的錯(cuò)流過濾系統(tǒng)?？坡erbund 啤酒工廠也采用了同樣的做法。荷蘭Norit 公司安裝了一套錯(cuò)流過濾系統(tǒng)，用于過濾上面發(fā)酵的庫爾希啤酒Koelsch。原有硅藻土系統(tǒng)很快就停用了。

現(xiàn)在，全球每年約1.5 億千升啤酒采用錯(cuò)流過濾系統(tǒng)過濾，幾乎能過濾每一種類型。

錯(cuò)流過濾基本原理是在循環(huán)回路中使用中空纖維膜，既可以使用離心機(jī)進(jìn)行預(yù)澄清的直流原理，也可以帶有滯留罐和回流回路，該種情況通常不使用離心機(jī)。在這兩種設(shè)計(jì)中，啤酒通過聚合中空纖維在閉合回路中循環(huán)。取決于進(jìn)入過濾系統(tǒng)中啤酒的固體負(fù)荷，在沒有預(yù)澄清的系統(tǒng)中，循環(huán)流速要更高些。另外，在沒有離心機(jī)運(yùn)行的情況下，清洗和冷卻需求往往更高。

陶瓷膜在近年來才用于啤酒的過濾。不過試驗(yàn)已經(jīng)證明陶瓷膜具有更長的使用壽命，但該優(yōu)勢無法彌補(bǔ)膜表面積所要求的高成本，也無法彌補(bǔ)足夠流速穿過陶瓷模塊所需的更高的能耗。

錯(cuò)流過濾引入之初，硅藻土行業(yè)就提出二者消耗的成本的爭議。因此，波特精釀啤酒工廠在系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行階段邀請一所獨(dú)立大學(xué)對(duì)硅藻土過濾和錯(cuò)流過濾并行運(yùn)行期間的直接成本進(jìn)行了比對(duì)。結(jié)果表明錯(cuò)流過濾更具有競爭性。Graf 和h?flinger 報(bào)告：“為了對(duì)成本進(jìn)行對(duì)比，假設(shè)工廠特定折舊費(fèi)用具有可比性，它們因此不包括在計(jì)算中。對(duì)成本、能耗、耗水量和工作時(shí)間進(jìn)行了比較，可以很容易地評(píng)估。錯(cuò)流過濾工藝成本取決于膜清洗完成后的過濾周期間隔，由這段時(shí)間的啤酒產(chǎn)量確定。錯(cuò)流工藝可以連續(xù)大量過濾。兩種過濾工藝能耗和耗水量相似。由于自動(dòng)化程度高，錯(cuò)流過濾工藝對(duì)勞動(dòng)力的要求大大降低”。

錯(cuò)流過濾大大減少酒損失，這已經(jīng)被嘉士伯和K?lner Verbund 工廠證實(shí)。目前，膜過濾在許多裝置上已證明相對(duì)于硅藻土過濾具有成本優(yōu)勢。

保持啤酒質(zhì)量和特性是重要的考慮因素。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)唯森科研中心對(duì)膜技術(shù)和硅藻土過濾進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。期間選用不同類型的啤酒（拉格型啤酒、黑啤酒）進(jìn)行6 次不同的過濾過程，并對(duì)啤酒樣品進(jìn)行了各種分析，品評(píng)人員進(jìn)行了品評(píng)。除了感官分析和化學(xué)分析外，同樣也進(jìn)行了微生物分析。

在感官測試中，從硅藻土過濾機(jī)和錯(cuò)流過濾機(jī)中平行取樣。由慕尼黑工業(yè)大學(xué)品評(píng)小組人員對(duì)啤酒樣品公正地進(jìn)行三點(diǎn)試驗(yàn)法和DLG 感官測試。在所有測試的樣品中，在口感和值得注意的事項(xiàng)方面沒有明顯的差異。因此，感官特征沒有受到新型錯(cuò)流過濾系統(tǒng)的影響。啤酒分析包含了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和對(duì)相關(guān)發(fā)酵副產(chǎn)物的分析。在第一個(gè)測試系列中，分析了未過濾、錯(cuò)流過濾和硅藻土過濾的啤酒變化，見表1。對(duì)拉格型啤酒和黑啤酒做了進(jìn)一步的對(duì)比分析，見表2 和表3。

結(jié)果表明考慮硅藻土添加用水稀釋的影響，在所有啤酒樣品中未發(fā)現(xiàn)明顯差異。偏差均在特定分析的標(biāo)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)。因此未觀察到錯(cuò)流過濾對(duì)啤酒質(zhì)量的影響。

表1：分析對(duì)比

微生物還原性能是另一個(gè)關(guān)鍵因素。為了檢查系統(tǒng)的去除率，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)使用標(biāo)準(zhǔn)啤酒酵母和過氧化乳酸桿菌和微球菌進(jìn)行了酵母和細(xì)菌的挑戰(zhàn)性測試，這些微生物在過濾系統(tǒng)的上游大量添加?？紤]啤酒的微生物安全性，在灌裝生產(chǎn)線的上游直接安裝了一套CFS 膜過濾系統(tǒng)。在錯(cuò)流過濾系統(tǒng)的下游和最終的膜過濾器之后取樣，見表4。

即使上游啤酒腐敗微生物的添加劑量異常地高，離心機(jī)、錯(cuò)流過濾系統(tǒng)和最終的膜過濾CFS 系統(tǒng)的組合應(yīng)用證實(shí)該系統(tǒng)具有最大的微生物安全性。因此，錯(cuò)流過濾技術(shù)優(yōu)于硅藻土過濾，當(dāng)與膜過濾器結(jié)合在一起使用時(shí)，能在灌酒機(jī)入口提供無腐敗微生物的啤酒。

表2：拉格型啤酒分析

精釀啤酒商在啤酒口味和質(zhì)量上付出了很多努力，因此對(duì)口味活性物質(zhì)影響因素總是討論的焦點(diǎn)。上述結(jié)果已經(jīng)證明錯(cuò)流過濾技術(shù)對(duì)啤酒像硅藻土過濾一樣溫和。目前已有許多類型啤酒用錯(cuò)流過濾系統(tǒng)過濾，包括艾爾啤酒、苦味啤酒、世濤啤酒、濃啤酒、帶有特殊風(fēng)味的黑啤酒，酒花強(qiáng)度增強(qiáng)的啤酒，如IPAs 啤酒、波特啤酒、無醇啤酒和小麥啤酒。另外，果味產(chǎn)品采用錯(cuò)流過濾系統(tǒng)也非常成功，對(duì)啤酒質(zhì)量無任何影響。

表3：黑啤酒分析

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微釀、精釀啤酒商的持續(xù)成功促使他們的啤酒應(yīng)用新的途經(jīng)進(jìn)入市場。進(jìn)入零售店和更長的分銷路線要求產(chǎn)品在口感、濁度和微生物含量方面更穩(wěn)定。過濾是滿足這些要求的一種方法。采用PROFi 錯(cuò)流過濾系統(tǒng)，啤酒特性保持不變，微生物質(zhì)量優(yōu)良，與硅藻土過濾相比，成本相當(dāng)或偏低。目前，錯(cuò)流過濾系統(tǒng)是可用的，特別滿足精釀啤酒商的要求。圖1 顯示了常用的錯(cuò)流過濾系統(tǒng)，過濾能力30 ～120 hl/h。

啤酒過濾系統(tǒng)是發(fā)酵和成熟后為澄清而設(shè)計(jì)的。包括一個(gè)中空纖維膜過濾裝置，位于啤酒工廠離心機(jī)的下游。組合適當(dāng)?shù)募夹g(shù)來分離不同的固體物要求過濾器設(shè)計(jì)具有溫和的啤酒過濾及良好的經(jīng)濟(jì)性特征。離心機(jī)在過濾系統(tǒng)之前能分離固體，如酵母、膠體和穩(wěn)定性物質(zhì)。膜過濾塊MBL 去除膠狀微粒、殘余的酵母和易形成渾濁的物質(zhì)。當(dāng)膜系統(tǒng)中的固體含量較低時(shí)，用于控制污染層錯(cuò)流過濾速度或能量需求是最小的。這使得啤酒處理變得非常溫和。

表4：錯(cuò)流過濾系統(tǒng)與最終的膜過濾系統(tǒng)CFS 微生物性能測試對(duì)比

錯(cuò)流系統(tǒng)在沒有酵母罐的情況下運(yùn)行，占地面積更小，過程控制更好。另外不會(huì)接觸鐵錳離子對(duì)啤酒風(fēng)味和氧化味造成的負(fù)面影響。系統(tǒng)密閉，攝氧量低。

多年的實(shí)踐證明錯(cuò)流過濾在經(jīng)濟(jì)性、靈活性和啤酒質(zhì)量等方面均優(yōu)于硅藻土過濾。