Cross Flow Technology for Beer that can really Replace Kieselguhr Filtration

●孙韵强 秦少晖 秦勇 许政国

Using cross flow filtration system from this company, better biological stability and non-biological stability of finished beer can be achieved compared with traditional method. The new method achieves in one step the filtration effect that would be several steps for traditional filtration to achieve. It is the preferred equipment that can really replace kieselguhr filtration, sheet fine filtration and PVPP filter in future beer production.

作为21世纪新型十大高科技产业之一的膜分离技术，其大规模商业应用是从20世纪60年代开始，主要应用于食品、医药、生物、石油化工和环保等领域。在食品饮料的过滤中，传统的澄清方法是采用硅藻土过滤和纸板精滤系统，甚至再加PVPP过滤等。但随着科技的进步、对减少环境污染的重视及循环经济崛起，近十几年来，开始研发不用助滤剂的膜过滤系统。此文介绍啤酒错流系统原理和目前在国内实际成果等与业界共享。

一、 错流技术简介
过滤原理分为静态过滤和动态过滤两种，错流过滤是属动态过滤，硅藻土过滤和纸板精滤机以及PVPP过滤系统均为静态过滤。
1．静态过滤
* 以纸板和硅藻土作为过滤介质是最常见的静态过滤。在静态过滤过程中，随着过滤时间的延长，滤出物形成的滤饼逐渐增厚，过滤阻力增加，当进出口压差超出工作范围时，过程停止。
* 操作方式比较简单，但劳动强度高，环境污染严重，达不到精滤的要求。
2． 动态过滤（错流过滤）
又被称为cross-flow 错流过滤、TFF切线流过滤，由循环泵产生的切线力使未滤液在膜表面形成强烈的湍流效果，使滤液透过膜达到过滤目的。混浊颗粒物质被截流并冲走，防止其在膜表面的堆积，避免膜孔被阻塞，其特点如下：
* 与静态过滤相比，其孔径更小，可达到精滤甚至一定程度上的除菌目的，过滤效果更佳。其结垢倾向较低，通量下降的趋势相对小；
* 压差是过滤驱动力，而TMP(通膜平均压力)是优化工艺的关键参数；
* 使未滤液在膜表面剧烈的湍流，滤液透过膜，混浊颗粒物质被截流并冲走，因此可避免形成滤饼层；
* 被分离物或浓缩物是极微小粒子或分子。
3． 动态过滤的主要名词
* Feed 未过滤液
* Permeate 滤出液
* Retentate 浓缩液
* TMP平均通膜的压力
* Flow 过滤流速
* Flux 单位面积膜的过滤流速
* Concentration Factor 浓缩率，进料体积/过滤后的体积
* Loop 循环，内部循环通道
* Bleed ，浓缩液的部分分离

二、 目前啤酒过滤的情况
世界啤酒总产量中，各种不同澄清过滤占如下比例:
> 91%为硅藻土过滤澄清；
> 68%经过精滤机；
> 32%经过纸板精滤；
> 8% 经过膜过滤做终端无菌过滤以生产纯生啤酒。
所以整个市场的规模如下:
全球啤酒过滤的费用全年约7亿欧元。
> 硅藻土过滤约6.26亿欧元〔15.3亿百升啤酒×91%(91%的啤酒经过硅藻土)×0.45欧元/百升啤酒〕；
> 纸板精滤机约0.7亿欧元；
> 膜过滤做终端无菌过滤约0.3亿欧元；
> 漏土捕集约0.16亿欧元。

三、 啤酒错流过滤系统技术
1. 设备组成
设备由瑞典ALFALAVAL公司(阿法拉伐公司)制造，膜组由德国SARTORIUS公司(沙多利斯公司)提供。整机由膜组、阀阵及CIP三部分组成，辅助部分由一套2吨/时反渗透水制备装置。 整机生产能力为12吨/时啤酒，可根据未来需求，扩展为40吨/时～60吨/时。
2. 膜组性质和规格
(1) 膜组是0.45mm平板膜，单个膜组过滤面积0.7m2，具有流道短、可反冲的优点；材质是聚醚砜，具有亲水性好，耐酸碱及机械冲击力的优点。本机总过滤面积202m2，设计流量12吨/时，实际运行流量13.5吨/时。
这种膜组的通道只有200mm长，因此在过滤后再生时，有较恰当的压力参数、较高的过滤通量和再生效率，因此可以节约能源。
另一个特点是膜组的结构，使它承受的机械应力最小，因此膜组可以有较长的使用寿命。
(2) 全部膜组可进行完整性测试。即生产前先进行膜组的完好性测试，只有当膜组完整性测试通过即没有泄漏点时才开始生产。
3． 工艺的流程
工艺流程为先将发酵液进行离心分离，离心后酒液进入缓冲罐，然后进入错流过滤设备进行过滤，过滤液直接进入清酒罐待灌装（如下图）。
4. 哪些参数决定是否需要离心机？
未滤液的酵母数、酒体稳定的方式、浓缩液处理的方式、现存的设备等，决定了是否需要在啤酒错流系统之前加装离心机。
* 若是未滤液的酵母数太高，譬如说超过了100万/ml，为了降低啤酒错流系统的负担，则需要考虑选用离心机。
* 某些啤酒稳定剂，添加在错流过滤之前，则需要以离心机来除掉稳定剂，避免它的颗粒阻塞啤酒错流系统的膜组，但有些则没有这些顾忌。
* 若未滤液的颗粒杂质较多，则有可能在过滤结束或过滤中需要将浓缩液送回离心机以回收酒液，排除杂质。但是此方式在国内不太需要，主要原因是原料以及制酒工艺的不同。
* 我们知道离心机对后段的过滤系统是有辅助的作用。如果工厂内有现存的离心机设备，则就应该加以使用，以减少啤酒错流系统过滤的负担，而得以延长其过滤寿命。
5. 啤酒错流过程工艺的优化
(1) 膜工艺的优化：
膜组是整个系统的心脏，它的好坏决定了过滤系统能否成功使用。它的优化必须考虑到下列几点：
> 是否可以安全除去啤酒有害菌及酵母；
> 是否可以供应不同孔径、通膜量的膜组；
> 是否为永久性的亲水性膜；
> 是否可以高通膜量，而且可以维持较长时间的稳定；
> 是否可以短时间的中间清洗方式获得有效的再生；
> 是否有较高的机械及化学强度和耐热性，以利于频繁杀菌；
> 是否有较低的吸附性，不影响啤酒品质；
> 必须要有适当的在线的膜完整性测试方式而且可以对照于澄清酒液的酵母数；
> 膜组的安排如何来防止过滤时beta-glucan gel的形成，以避免过滤时间的缩短。
（2） 过滤工艺的优化
如图所示，在正常过滤过程中，膜组未滤液进口的压力比较高，单位时间的膜通量比较高。
同时滤饼层也比较厚、扎实，如果不去做有效的、及时的改善，则整个系统的膜通量会在短时间内降低，达到必须再生的阶段。所以优化过滤工艺是绝对必要的。
在这个系统中，为了避免以上现象的发生，通常我们有所谓的逆向过滤以及膜反冲，并且寻找出最恰当的频率以及动作的秒数。这是过滤工艺优化的重点。
当一个好的优化工艺完成之后，我们会根据实际的过滤流速要求将啤酒错流过滤系统设计成几个过滤膜组（block），并做出一个适当的过滤程序，这个程序里面会包括了下面几个重点：
> 每一个过滤膜组在一定的时段，进行中间清洗，是否清洗的决定参数是平均通膜压力；
> 为了达到24小时不间断的过滤，可以将多个过滤膜组作轮流性的中间清洗。
四、 过滤结果
1. 对风味的影响
将未滤啤酒液、硅藻土过滤后啤酒错流过滤后的啤酒液三者做一个比较，如图表所示。
在这个图表中，我们发现硅藻土过滤后的啤酒液以及啤酒错流过滤后的啤酒液成分并没有显著改变，只有在啤酒可滤性、色度以及浊度方面有显著的差别。
在色度方面，由于硅藻土过滤是以吸附来达到过滤的效果，所以色度为6.7。而啤酒错流过滤为纯粹的物理性筛选过滤，所以色度为7.0，与未滤液的色度7.2相比，损失较少。
在啤酒的可滤性方面，硅藻土过滤的过滤精度约为6m～20m，啤酒错流过滤的过滤精度远高于此数，经过硅藻土过滤的可滤性为1,830ml，经过啤酒过滤为6,940ml，两者差距为3倍～4倍，也就是说，对于后续的纯生膜过滤系统来讲，经过啤酒错流过滤系统后的啤酒有较好的可滤性，可以使滤芯有较长的使用寿命。
2. 过滤成本
啤酒错流过滤的成本可分成三个部份，第一个是硬件的成本比例为30%；第二个是膜组的成本比例为48%；第三个是运行成本比例为22%。
而22%的啤酒错流过滤系统运转成本经过了多年的运转经验以后，各占的比例如下:
> 电力30%
> 水25%
> 冷却18%
> 蒸气13%
> 碱液13%
> 其它再生化学药品3.5%
> 酒损0.5%

发酵液 硅藻土过滤后 错流过滤后
原麦汁浓度(%) 11.40 11.37 11.39
表观麦汁浓度 2.21 2.21 2.21
真麦汁浓度(%) 3.93 3.91 3.92
酒精度(%) 3.84 3.83 3.84
发酵度(%) 80.60 80.60 80.60
色度(EBC) 7.2 6.7 7.0
V-max可滤性 116 1830 6940
粘度(mPas) 1.62 1.57 1.56
苦味值(BE) 27.8 27.2 27.6
总氮(mg/l) 870.2 868.9 868.1
多酚(mg/l) 113.4 110.7 112.8
花色苷(mg/l) 36.7 36.2 36.4
b-葡聚糖(mg/l) 242.3 228.0 203.8
泡沫稳定性R&C (mg/l) 未检出 112 111
浊度(EBC) 16 0.43 0.41

五、 在国内的经验
自2000年以来，瑞典ALFALAVAL公司微滤膜技术部门致力于研发啤酒行业所使用的无硅藻土过滤方式，分别在西班牙、英国、芬兰、瑞典等有长期的过程及参数优化。在国内，瑞典ALFALAVAL公司与珠江啤酒集团有限公司科技中心共同致力于此项目的研究，其过程也可分为几个阶段，2003年6月开始合作研究，2005年3月完成小试研究，错流膜过滤后的啤酒质量完全达到要求，2005年10月开始中试研究。现已完成工艺的设计研究，至今成功地每天执行24小时不间断的过滤出优质啤酒。
六、 结论
1. 啤酒错流目前为止有较好的过滤成本（比硅藻土一样或较低）。
2. 过滤以后的啤酒品质成分不变，在色度、可滤性、浊度，这三种参数上甚至比硅藻土过滤加上纸板精滤(或者加上PVPP过滤机)还好。在感官品评中两种酒样从外观、口感上无明显差别。
3. 经错流过滤的酒，理化指标无显著差异，且由于其封闭的系统，成品啤酒中的氧含量明显在较低水平。
4. 由于其截流效率高，错流过滤后的成品酒的生物和非生物的稳定性均优于传统方法滤出的啤酒，增强成品酒的清亮度和冷稳定性。错流过滤一步就可达到且优于传统过滤几步才能达到的过滤效果。甚至可取代PVPP处理的酒液。
5. 不需要助滤层，从而省去了硅藻土，对环境没有污染。浓缩液可回收利用， 实现清洁生产。
6. 错流系统过程全自动，适应大规模生产的要求，节约人力，且酒损低。
7. 它应该是未来在啤酒生产工业上真正可以取代硅藻土过滤加上纸板精滤(或者加上PVPP过滤机)的明日之星。
作者单位：瑞典ALFALAVAL(阿法拉伐)公司