膜過(guò)濾保持啤酒新鮮度及微生物穩(wěn)定性

膜過(guò)濾技術(shù)在當(dāng)今的啤酒生產(chǎn)應(yīng)用中占有越來(lái)越大的份額。與傳統(tǒng)的硅藻土過(guò)濾相比，錯(cuò)流過(guò)濾現(xiàn)在已日臻完善，啤酒的“無(wú)菌”膜過(guò)濾雖然還有一段路要走，但這種趨勢(shì)正在變革。

與巴氏殺菌、瞬間殺菌等熱處理技術(shù)相比，膜過(guò)濾啤酒的微生物穩(wěn)定性一直面臨著認(rèn)知上的挑戰(zhàn)。在釀酒工業(yè)，沒(méi)有人喜歡熱處理的啤酒，但是從安全角度講卻需要對(duì)啤酒進(jìn)行熱處理操作。最近，關(guān)于啤酒采用筒式膜“無(wú)菌”過(guò)濾成本昂貴且不安全的歷史觀點(diǎn)已經(jīng)被證實(shí)是錯(cuò)誤的。

膜過(guò)濾技術(shù)發(fā)展非常迅速，在許多領(lǐng)域優(yōu)于巴氏殺菌。多年來(lái)，中國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、歐洲的高端品牌不再采用熱處理，而是采用膜過(guò)濾保持微生物穩(wěn)定性。非巴氏殺菌啤酒創(chuàng)造了對(duì)啤酒新鮮度和自然品質(zhì)的認(rèn)知，符合消費(fèi)趨勢(shì)，也有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

為推動(dòng)這一趨勢(shì)的發(fā)展，頗爾食品和飲料公司（Pall Food & Beverage）研發(fā)了新型的CFS Neo 過(guò)濾技術(shù)，該技術(shù)成功應(yīng)用在全球250 多家公司。

一、基本知識(shí)

釀酒商們應(yīng)用“無(wú)菌”這個(gè)術(shù)語(yǔ)是以實(shí)用主義的方式來(lái)表示一種微生物穩(wěn)定的產(chǎn)品，而不是一種完全沒(méi)有任何微生物的產(chǎn)品。無(wú)論是釀酒商們采用熱處理技術(shù)還是膜過(guò)濾技術(shù)來(lái)保持啤酒的微生物穩(wěn)定性，這個(gè)術(shù)語(yǔ)都適用。

國(guó)際食品法典委員會(huì)（WHO/FAO）CAC/RCP 40-1993 定義低酸食品的“商業(yè)無(wú)菌”是，在正常的非冷藏條件下，在啤酒的生產(chǎn)、分銷和儲(chǔ)存過(guò)程中，沒(méi)有能夠在啤酒中生長(zhǎng)的微生物。因此，無(wú)菌過(guò)濾目的是去除可能在后期分銷中引起產(chǎn)品質(zhì)量變質(zhì)的腐敗菌。本文中“無(wú)菌”是指“商業(yè)無(wú)菌”。

圖1：多個(gè)圓筒形外套 VS 集束式排列

二、集束式過(guò)濾系統(tǒng)

20 世紀(jì)80 年代，最早用于啤酒最終膜過(guò)濾的裝置是基于一個(gè)大的多個(gè)圓筒形過(guò)濾器外套，與現(xiàn)有CIP 系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，安裝在硅藻土和板式過(guò)濾器的下游。在最近的十年間，伴隨著對(duì)啤酒的無(wú)菌過(guò)濾越來(lái)越感興趣，設(shè)計(jì)逐漸改變，過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)在更適合于具體的應(yīng)用和過(guò)程。在1993年第一套集束式過(guò)濾系統(tǒng)引入釀酒工業(yè)，它通過(guò)在一個(gè)裝置內(nèi)安裝多個(gè)濾芯克服了大的多個(gè)圓筒形外套安裝的缺點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

采用集束式過(guò)濾技術(shù)，用于啤酒過(guò)濾的濾芯按數(shù)量分布排列，每七根過(guò)濾濾芯構(gòu)成一束，在啤酒過(guò)濾期間一起運(yùn)行，在清洗、再生和完整性測(cè)試期間則完全分離。

最初的集束式過(guò)濾器設(shè)計(jì)是基于一個(gè)大容器，它容納了所有的濾芯，被分成幾束，每一束攜帶7×40＂濾芯，每一束濾芯的開閉由單獨(dú)的閥控制，見(jiàn)圖2。這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量50 ～600 hl/h。

圖2：最初的能力為400 hl/h 集束式過(guò)濾器系統(tǒng)及濾芯的排列

CFS Neo 設(shè)計(jì)通過(guò)應(yīng)用小型集束式外套替代大型容器進(jìn)一步優(yōu)化集束式過(guò)濾技術(shù)，每一個(gè)小型集束式外套內(nèi)容納7×40＂濾芯，集束式過(guò)濾器并行排列，每個(gè)過(guò)濾器由獨(dú)立的排出閥控制，見(jiàn)圖3。這種新型設(shè)計(jì)使膜面積和系統(tǒng)容積的比率提高了25%～35%，與標(biāo)準(zhǔn)的多圓筒型容器和大型集束式容器設(shè)計(jì)相比，降低了水和清洗劑的消耗，減少酒損。模塊化設(shè)計(jì)使生產(chǎn)能力非常靈活，可實(shí)現(xiàn)50 ～600 hl/h 的啤酒產(chǎn)量。

新型CFS Neo 過(guò)濾系統(tǒng)包括：帶有外套的過(guò)濾器模塊，每一個(gè)過(guò)濾器容納7×40＂濾芯；用于啤酒進(jìn)出和CIP 進(jìn)出的聯(lián)結(jié)模塊；膜清洗模塊（CIP），配有所有相關(guān)組件，用于沖洗、清洗和再生系統(tǒng)，獨(dú)立于外圍，與管道清洗平行；完整性測(cè)試裝置；控制面板?？膳炕蜻B續(xù)運(yùn)行。

圖3：過(guò)濾能力為400 hl/h 的CFS Neo 14 系統(tǒng)

三、巴氏殺菌機(jī)替換濾芯PARE

為了使新型CFS Neo 系統(tǒng)設(shè)計(jì)更完美，頗爾公司研發(fā)了一種用于啤酒巴氏殺菌機(jī)替換濾芯（PARE）的特殊產(chǎn)品，包括一系列預(yù)過(guò)濾器和親水膜過(guò)濾器，與CFS Neo 系統(tǒng)組合在一起，見(jiàn)圖4。

無(wú)菌過(guò)濾濾芯適用于反復(fù)的熱水消毒和現(xiàn)場(chǎng)的蒸汽滅菌循環(huán)，以延長(zhǎng)其在CFS Neo 系統(tǒng)的使用壽命。它們也適合去除啤酒中特有的微生物。支架和排水材料經(jīng)過(guò)優(yōu)化，有更高的機(jī)械強(qiáng)度。反復(fù)的熱水、化學(xué)和蒸汽消毒的應(yīng)用，提高了啤酒過(guò)濾量，降低了啤酒商的運(yùn)營(yíng)成本。

圖4：新型PARE 過(guò)濾家族

四、微生物安全性

公司研發(fā)的用于啤酒過(guò)濾的PARE 濾芯對(duì)主要的啤酒腐敗菌和酵母菌有微生物方面的要求，描述了過(guò)濾機(jī)運(yùn)行中的微生物性能。該要求通常在特定條件下，對(duì)在啤酒特定生長(zhǎng)介質(zhì)中已生長(zhǎng)的微生物進(jìn)行定期評(píng)價(jià)。過(guò)濾器孔徑本身就表明微生物的去除，但不受任何國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的指導(dǎo)，因此不是真正代表安全水平的評(píng)價(jià)。

對(duì)比通常情況下膜過(guò)濾和熱處理的微生物效果有利于支持啤酒的冷過(guò)濾，見(jiàn)圖5。在正常的巴氏殺菌下（15 ～25 PU），與啤酒熱處理相比，無(wú)論是啤酒瞬間殺菌還是隧道式殺菌，膜過(guò)濾的微生物效果都要高出103 ～104 log。

一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)就是膜過(guò)濾去除了細(xì)胞和孢子，而熱處理僅僅是使細(xì)胞失活。這樣會(huì)在啤酒中留下死細(xì)胞，限制了基于DNA 分析的有效性，如PCR 分析。

圖5：CFS Neo 膜過(guò)濾系統(tǒng) VS 熱處理技術(shù)微生物性能對(duì)比

五、完整性測(cè)試

完整性測(cè)試用于測(cè)試和記錄過(guò)濾器在實(shí)際操作中去除微生物的能力，這種完整性測(cè)試必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）快速、簡(jiǎn)捷和可重復(fù)性程序，有明確的標(biāo)準(zhǔn)和可記錄的測(cè)試結(jié)果；

（2）在使用中有用于表征過(guò)濾器材料和濾芯的具體參數(shù)；

（3）對(duì)過(guò)濾器材料不產(chǎn)生影響，可重復(fù)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，通常在每次清洗和消毒后進(jìn)行；

（4）與活細(xì)菌相關(guān)的挑戰(zhàn)--代表著過(guò)濾器過(guò)濾過(guò)程中去除微生物的能力。

完整性測(cè)試測(cè)量的靈敏度是所被測(cè)膜表面積的直接函數(shù)。隨著被測(cè)試濾芯數(shù)量的增加，一旦達(dá)到了分辨的極限，完整性測(cè)試本身就變得不那么精確，不能再提供測(cè)試值與過(guò)濾器中實(shí)際滯留微生物之間的直接關(guān)系。這個(gè)分辨問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的傳遞結(jié)果，可能潛在地引起微生物意外地通過(guò)過(guò)濾器的滲透而進(jìn)入已包裝的啤酒中。這個(gè)問(wèn)題可以采用CFS 過(guò)濾技術(shù)消除，在這方面最多同時(shí)能測(cè)試7 根濾芯。

如果完整性測(cè)試結(jié)果為陰性，CFS Neo 系統(tǒng)自動(dòng)分離特殊的濾筒，并在整個(gè)過(guò)程中應(yīng)用其余的濾筒過(guò)濾。因此一旦遇到濾筒損壞的情況，啤酒生產(chǎn)仍能繼續(xù)。大約有25%的已安裝濾筒可以關(guān)停，而不會(huì)對(duì)過(guò)濾安全和性能造成任何影響。在下一個(gè)生產(chǎn)停止期間，對(duì)已識(shí)別出的濾筒外套打開，找出發(fā)生故障的濾筒并更換。

六、啤酒的預(yù)處理

上游的澄清過(guò)程對(duì)“無(wú)菌”過(guò)濾很重要，影響著無(wú)菌過(guò)濾工藝的經(jīng)濟(jì)性。錯(cuò)流膜系統(tǒng)通常能提供充分的預(yù)澄清功能，因此不需要進(jìn)一步的精細(xì)過(guò)濾工序。頗爾公司Profi技術(shù)表明無(wú)菌過(guò)濾器濾筒在最大使用壽命的情況下仍可獲得很好預(yù)過(guò)濾結(jié)果。硅藻土過(guò)濾器與板式過(guò)濾器結(jié)合在一起也能給膜過(guò)濾器提供好的預(yù)過(guò)濾，不過(guò)，硅藻土過(guò)濾影響膜的使用壽命，從而引起膠狀或顆粒狀渾濁。因此，建議在膜過(guò)濾上游應(yīng)用深度過(guò)濾。為了安全和可靠地分離啤酒中的顆粒和膠狀物，CFS Neo 系統(tǒng)也帶有集成的預(yù)過(guò)濾器（升級(jí)版）。PARE 筒式過(guò)濾家族包括兩種預(yù)過(guò)濾器，它們主要處理來(lái)自硅藻土過(guò)濾中高的膠狀負(fù)荷和高顆粒狀負(fù)荷。

七、膜的清洗

沖洗和清洗程序和頻次決定了經(jīng)濟(jì)性。清洗的頻次與啤酒過(guò)濾產(chǎn)量和壓差有直接的關(guān)系。過(guò)濾一定數(shù)量后，即使壓差沒(méi)有顯著提高，也必須熱水沖洗。過(guò)濾產(chǎn)品的特定數(shù)量取決于啤酒的預(yù)澄清和過(guò)濾能力。拉格比黑啤和濃啤允許更長(zhǎng)的使用周期。主要影響過(guò)濾能力的因素是各種葡聚糖組分、蛋白含量、碘值和濁度。

在化學(xué)清洗過(guò)程中，0.5 ～1%的標(biāo)準(zhǔn)堿液，溫度65℃最為常見(jiàn)。如果水硬度偏高，結(jié)垢可能是一個(gè)問(wèn)題，在這種特定情況下，可適當(dāng)提高堿性清洗劑的濃度和溫度。

通過(guò)使用酶再生可明顯延長(zhǎng)濾芯的使用壽命。常用和有效的是纖維素型酶，它水解纖維素和其它β-D-葡聚糖中的（1,4）-β-D-葡萄糖苷鍵，激發(fā)β-葡聚糖酶的活性。少數(shù)情況下，可選擇其它的酶，這取決于阻塞物。需要與過(guò)濾膜供應(yīng)商密切合作，逐個(gè)評(píng)估。

按照推薦的程序要求，應(yīng)用酶再生，結(jié)合堿性清洗和沖洗，可以延長(zhǎng)筒式過(guò)濾器使用壽命，降低過(guò)濾成本，見(jiàn)圖6。

八、膜的規(guī)格

正確的膜規(guī)格對(duì)濾芯壽命有很大影響。安裝的過(guò)濾器面積與過(guò)濾器的過(guò)濾產(chǎn)量呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。將過(guò)濾面積加倍可使濾芯壽命延長(zhǎng)四倍。理想的啤酒過(guò)濾工藝是在啤酒過(guò)濾過(guò)程中實(shí)現(xiàn)以低流量成就最大的啤酒過(guò)濾產(chǎn)量，以及以高速清洗成就最大再生能力之間取得平衡。

理想的過(guò)濾條件是，一是在啤酒過(guò)濾期間采用低的和溫和的流量（0.5 ～1 hl/10＂＊h）；二是在沖洗和清洗期間采用高強(qiáng)度流量（3 ～8 hl/10＂＊h）。

用于啤酒過(guò)濾的膜規(guī)格太小（＞1.5 hl/10＂模塊＊h）直接影響濾芯的使用壽命，因此直接影響總擁有成本。在整個(gè)系統(tǒng)生命周期內(nèi)，資本支出的節(jié)約很快被較高的運(yùn)營(yíng)成本所抵消。沖洗和清洗過(guò)程中流量不足會(huì)導(dǎo)致部分膜堵塞，從而再次影響過(guò)濾產(chǎn)量和運(yùn)營(yíng)成本。

單個(gè)過(guò)濾器外套裝置總是在這兩個(gè)要求之間尋求折中，因此集束式過(guò)濾技術(shù)已經(jīng)被研發(fā)來(lái)滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

九、安裝

冷無(wú)菌過(guò)濾的主要優(yōu)勢(shì)是在灌裝生產(chǎn)線的上游直接安裝過(guò)濾器，中間不設(shè)緩沖罐。具有穩(wěn)定基質(zhì)的膜在不同流速和壓差（包括啟動(dòng)/停止情況）下保持其分離特性。在過(guò)濾過(guò)程中，CFS Neo 的作用因此就像一段管路。在啤酒品牌改變和啟動(dòng)/停止操作過(guò)程中，提供了最大的微生物安全性，最小的啤酒損失，實(shí)現(xiàn)了真正的靈活性。

消除了灌裝設(shè)備上游的緩沖罐，避免了關(guān)鍵的再污染點(diǎn)，在生產(chǎn)啟動(dòng)和品牌變化時(shí)實(shí)現(xiàn)了啤酒損失最小化，降低了CO2消耗成本。

圖6：筒式過(guò)濾器使用壽命受酶清洗的影響

十、運(yùn)行成本

由于采用了單個(gè)的集束外套設(shè)計(jì)，水、清洗劑、酶的消耗與大容器的集束式過(guò)濾系統(tǒng)相比，降低25 ～30%；與標(biāo)準(zhǔn)的多圓柱形外套設(shè)計(jì)相比，降低45%。沖洗過(guò)程中流量的增高縮短了清洗時(shí)間，從每根多圓柱形外套的20 ～30 min 縮短到單個(gè)集束外殼的30 ～60 秒。

與熱處理裝置相比，水和能源的節(jié)約是非常明顯的。瞬間殺菌水的消耗高達(dá)75%，在熱和電方面消耗高達(dá)80%的能量。與CFS Neo 過(guò)濾系統(tǒng)相比，隧道式巴氏殺菌機(jī)消耗更高。伴隨著酶促再生技術(shù)的引入，過(guò)濾膜生命周期提高了3 ～5 倍，明顯降低了過(guò)濾成本，從0.5 ～0.9 USD/hl 降至0.1 ～0.3 USD/hl。

系統(tǒng)是全自動(dòng)運(yùn)行，由灌酒機(jī)操作人員操作，因此人力成本和膜更換費(fèi)用是可以忽略的。

考慮所有財(cái)務(wù)方面的因素，總體成本明顯低于隧道式巴氏殺菌，在多數(shù)情況下也低于瞬間巴氏殺菌。

十一、口感和質(zhì)量

消除了啤酒在高溫下的暴露，在啤酒過(guò)濾過(guò)程中保持較低的流量，采用最小的氧攝入設(shè)計(jì)，CFS Neo 系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)啤酒新鮮度和口感穩(wěn)定性產(chǎn)生任何負(fù)面影響。對(duì)比作為啤酒氧化風(fēng)味穩(wěn)定性指標(biāo)的內(nèi)源抗氧化活力EAP 值，冷過(guò)濾啤酒顯現(xiàn)出比直接巴氏熱處理啤酒更好的EAP 值。采用冷過(guò)濾啤酒，瓶裝后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)口感幾乎沒(méi)有變化，而巴氏殺菌的啤酒在熱處理后恰恰對(duì)啤酒的新鮮度產(chǎn)生負(fù)面影響。

十二、結(jié)論

在啤酒無(wú)菌過(guò)濾中采用最新研發(fā)的技術(shù)，CFS Neo 為釀酒商替代灌裝線上游最終產(chǎn)品的熱處理技術(shù)設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。除了更高的微生物安全性外，就經(jīng)濟(jì)學(xué)而言，現(xiàn)在其與采用冷無(wú)菌膜過(guò)濾技術(shù)相當(dāng)或更好，而且還優(yōu)化了清洗。對(duì)啤酒口感的穩(wěn)定性產(chǎn)生了積極影響，還提高了消費(fèi)者的認(rèn)可度，使釀酒商們有機(jī)會(huì)來(lái)增強(qiáng)他們的品牌定位，改善貨架期，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，最終成就更高的客戶滿意度。