錯流過濾技術在中小工廠的應用

硅藻土轉向錯流過濾是發展趨勢。健康和環境因素是最初變革的主要原因，但如今，對高質量和具有競爭力成本的需求促使越來越多的釀酒商主動變革。多年經驗證明，錯流過濾適用于所有規模啤酒工廠，以及所有類型的啤酒。本文論述其在中小規模工廠，包括精釀工廠的應用。

1855 年，Fick 研發了第一種基于硝酸纖維素的合成膜，并用各種流體進行測試。108 年后的1963 年，DuPont 引進了第一套錯流過濾系統，該系統應用了Loeb和Sourirajan 研發的非對稱膜。

在啤酒過濾方面，首次錯流過濾試驗由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概念，包括質量數據和經濟方面的對比。該方案將錯流過濾技術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合，按成本計算，產生了與傳統硅藻土過濾技術相媲美的啤酒質量。

圖1：精釀工廠使用的錯流過濾系統

首次應用于精釀啤酒企業是于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的解決方案，將Westfalia 離心過濾與微流過濾系統結合在一起，隨后是盤式過濾器，過濾能力達30 hl/h。該過濾系統替代了硅藻土過濾器和板式過濾器，直至今天該系統仍順利運行。Meusel 目前生產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 年啤酒產量為1755 kl。

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

看到這些開創性工作，大型跨國集團意識到了這種趨勢。丹麥嘉士伯于2005 年安裝了400 hl/h 的系統，與硅藻土過濾機并排安裝，經過短期測試后，所有品牌全部用新的錯流過濾系統。科隆Verbund 啤酒工廠也采用了同樣的做法。荷蘭Norit 公司安裝了一套錯流過濾系統，用于過濾上面發酵的庫爾希啤酒Koelsch。原有硅藻土系統很快就停用了。

現在，全球每年約1.5 億千升啤酒采用錯流過濾系統過濾，幾乎能過濾每一種類型。

錯流過濾基本原理是在循環回路中使用中空纖維膜，既可以使用離心機進行預澄清的直流原理，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。在這兩種設計中，啤酒通過聚合中空纖維在閉合回路中循環。取決于進入過濾系統中啤酒的固體負荷，在沒有預澄清的系統中，循環流速要更高些。另外，在沒有離心機運行的情況下，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。不過試驗已經證明陶瓷膜具有更長的使用壽命，但該優勢無法彌補膜表面積所要求的高成本，也無法彌補足夠流速穿過陶瓷模塊所需的更高的能耗。

錯流過濾引入之初，硅藻土行業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啟動運行階段邀請一所獨立大學對硅藻土過濾和錯流過濾并行運行期間的直接成本進行了比對。結果表明錯流過濾更具有競爭性。Graf 和h?flinger 報告：“為了對成本進行對比，假設工廠特定折舊費用具有可比性，它們因此不包括在計算中。對成本、能耗、耗水量和工作時間進行了比較，可以很容易地評估。錯流過濾工藝成本取決于膜清洗完成后的過濾周期間隔，由這段時間的啤酒產量確定。錯流工藝可以連續大量過濾。兩種過濾工藝能耗和耗水量相似。由于自動化程度高，錯流過濾工藝對勞動力的要求大大降低”。

錯流過濾大大減少酒損失，這已經被嘉士伯和K?lner Verbund 工廠證實。目前，膜過濾在許多裝置上已證明相對于硅藻土過濾具有成本優勢。

保持啤酒質量和特性是重要的考慮因素。德國慕尼黑工業大學唯森科研中心對膜技術和硅藻土過濾進行了詳細對比。期間選用不同類型的啤酒（拉格型啤酒、黑啤酒）進行6 次不同的過濾過程，并對啤酒樣品進行了各種分析，品評人員進行了品評。除了感官分析和化學分析外，同樣也進行了微生物分析。

在感官測試中，從硅藻土過濾機和錯流過濾機中平行取樣。由慕尼黑工業大學品評小組人員對啤酒樣品公正地進行三點試驗法和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方面沒有明顯的差異。因此，感官特征沒有受到新型錯流過濾系統的影響。啤酒分析包含了標準的數據和對相關發酵副產物的分析。在第一個測試系列中，分析了未過濾、錯流過濾和硅藻土過濾的啤酒變化，見表1。對拉格型啤酒和黑啤酒做了進一步的對比分析，見表2 和表3。

結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現明顯差異。偏差均在特定分析的標準公差范圍內。因此未觀察到錯流過濾對啤酒質量的影響。

表1：分析對比

微生物還原性能是另一個關鍵因素。為了檢查系統的去除率，德國慕尼黑工業大學使用標準啤酒酵母和過氧化乳酸桿菌和微球菌進行了酵母和細菌的挑戰性測試，這些微生物在過濾系統的上游大量添加。考慮啤酒的微生物安全性，在灌裝生產線的上游直接安裝了一套CFS 膜過濾系統。在錯流過濾系統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、錯流過濾系統和最終的膜過濾CFS 系統的組合應用證實該系統具有最大的微生物安全性。因此，錯流過濾技術優于硅藻土過濾，當與膜過濾器結合在一起使用時，能在灌酒機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量上付出了很多努力，因此對口味活性物質影響因素總是討論的焦點。上述結果已經證明錯流過濾技術對啤酒像硅藻土過濾一樣溫和。目前已有許多類型啤酒用錯流過濾系統過濾，包括艾爾啤酒、苦味啤酒、世濤啤酒、濃啤酒、帶有特殊風味的黑啤酒，酒花強度增強的啤酒，如IPAs 啤酒、波特啤酒、無醇啤酒和小麥啤酒。另外，果味產品采用錯流過濾系統也非常成功，對啤酒質量無任何影響。

表3：黑啤酒分析

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

啤酒過濾系統是發酵和成熟后為澄清而設計的。包括一個中空纖維膜過濾裝置，位于啤酒工廠離心機的下游。組合適當的技術來分離不同的固體物要求過濾器設計具有溫和的啤酒過濾及良好的經濟性特征。離心機在過濾系統之前能分離固體，如酵母、膠體和穩定性物質。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。當膜系統中的固體含量較低時，用于控制污染層錯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：錯流過濾系統與最終的膜過濾系統CFS 微生物性能測試對比

錯流系統在沒有酵母罐的情況下運行，占地面積更小，過程控制更好。另外不會接觸鐵錳離子對啤酒風味和氧化味造成的負面影響。系統密閉，攝氧量低。

多年的實踐證明錯流過濾在經濟性、靈活性和啤酒質量等方面均優于硅藻土過濾。