错流过滤技术在中小工厂的应用

硅藻土转向错流过滤是发展趋势。健康和环境因素是最初变革的主要原因，但如今，对高质量和具有竞争力成本的需求促使越来越多的酿酒商主动变革。多年经验证明，错流过滤适用于所有规模啤酒工厂，以及所有类型的啤酒。本文论述其在中小规模工厂，包括精酿工厂的应用。

1855 年，Fick 研发了第一种基于硝酸纤维素的合成膜，并用各种流体进行测试。108 年后的1963 年，DuPont 引进了第一套错流过滤系统，该系统应用了Loeb和Sourirajan 研发的非对称膜。

在啤酒过滤方面，首次错流过滤试验由Diethard Wagner 于1993 年公布，随后德国赛茨过滤器公司Seitz Filterwerke 的Karl Duchek 于1994 年首 次提出了一套功能性系统概念，包括质量数据和经济方面的对比。该方案将错流过滤技术与上游的离心过滤和下游的基于薄板的圆盘式过滤器相结合，按成本计算，产生了与传统硅藻土过滤技术相媲美的啤酒质量。

图1：精酿工厂使用的错流过滤系统

首次应用于精酿啤酒企业是于1995 年安装在德国布滕汉姆的Meusel 啤酒工厂。在这里，赛茨公司安装了一套全自动的解决方案，将Westfalia 离心过滤与微流过滤系统结合在一起，随后是盘式过滤器，过滤能力达30 hl/h。该过滤系统替代了硅藻土过滤器和板式过滤器，直至今天该系统仍顺利运行。Meusel 目前生产18 种不同的啤酒品牌，包括10 款金色啤酒和8 款黑啤酒，浓度从7.8°P ～21°P，其中一些采用后添加酒花工艺。Meusel 年啤酒产量为1755 kl。

8 年后，又一家精酿工厂将硅藻土过滤替换成错流膜过滤。在2003 年，德国厄尔德波特啤酒工厂安装了首台PROFi 过滤系统，其能力为100 hl/h。并联运行2 个月后，老系统被拆除。工厂年产量约7000kl，包括4 款金色啤酒和3 款黑色啤酒，浓度从11°P ～14°P。

看到这些开创性工作，大型跨国集团意识到了这种趋势。丹麦嘉士伯于2005 年安装了400 hl/h 的系统，与硅藻土过滤机并排安装，经过短期测试后，所有品牌全部用新的错流过滤系统。科隆Verbund 啤酒工厂也采用了同样的做法。荷兰Norit 公司安装了一套错流过滤系统，用于过滤上面发酵的库尔希啤酒Koelsch。原有硅藻土系统很快就停用了。

现在，全球每年约1.5 亿千升啤酒采用错流过滤系统过滤，几乎能过滤每一种类型。

错流过滤基本原理是在循环回路中使用中空纤维膜，既可以使用离心机进行预澄清的直流原理，也可以带有滞留罐和回流回路，该种情况通常不使用离心机。在这两种设计中，啤酒通过聚合中空纤维在闭合回路中循环。取决于进入过滤系统中啤酒的固体负荷，在没有预澄清的系统中，循环流速要更高些。另外，在没有离心机运行的情况下，清洗和冷却需求往往更高。

陶瓷膜在近年来才用于啤酒的过滤。不过试验已经证明陶瓷膜具有更长的使用寿命，但该优势无法弥补膜表面积所要求的高成本，也无法弥补足够流速穿过陶瓷模块所需的更高的能耗。

错流过滤引入之初，硅藻土行业就提出二者消耗的成本的争议。因此，波特精酿啤酒工厂在系统启动运行阶段邀请一所独立大学对硅藻土过滤和错流过滤并行运行期间的直接成本进行了比对。结果表明错流过滤更具有竞争性。Graf 和höflinger 报告：“为了对成本进行对比，假设工厂特定折旧费用具有可比性，它们因此不包括在计算中。对成本、能耗、耗水量和工作时间进行了比较，可以很容易地评估。错流过滤工艺成本取决于膜清洗完成后的过滤周期间隔，由这段时间的啤酒产量确定。错流工艺可以连续大量过滤。两种过滤工艺能耗和耗水量相似。由于自动化程度高，错流过滤工艺对劳动力的要求大大降低”。

错流过滤大大减少酒损失，这已经被嘉士伯和Kölner Verbund 工厂证实。目前，膜过滤在许多装置上已证明相对于硅藻土过滤具有成本优势。

保持啤酒质量和特性是重要的考虑因素。德国慕尼黑工业大学唯森科研中心对膜技术和硅藻土过滤进行了详细对比。期间选用不同类型的啤酒（拉格型啤酒、黑啤酒）进行6 次不同的过滤过程，并对啤酒样品进行了各种分析，品评人员进行了品评。除了感官分析和化学分析外，同样也进行了微生物分析。

在感官测试中，从硅藻土过滤机和错流过滤机中平行取样。由慕尼黑工业大学品评小组人员对啤酒样品公正地进行三点试验法和DLG 感官测试。在所有测试的样品中，在口感和值得注意的事项方面没有明显的差异。因此，感官特征没有受到新型错流过滤系统的影响。啤酒分析包含了标准的数据和对相关发酵副产物的分析。在第一个测试系列中，分析了未过滤、错流过滤和硅藻土过滤的啤酒变化，见表1。对拉格型啤酒和黑啤酒做了进一步的对比分析，见表2 和表3。

结果表明考虑硅藻土添加用水稀释的影响，在所有啤酒样品中未发现明显差异。偏差均在特定分析的标准公差范围内。因此未观察到错流过滤对啤酒质量的影响。

表1：分析对比

微生物还原性能是另一个关键因素。为了检查系统的去除率，德国慕尼黑工业大学使用标准啤酒酵母和过氧化乳酸杆菌和微球菌进行了酵母和细菌的挑战性测试，这些微生物在过滤系统的上游大量添加。考虑啤酒的微生物安全性，在灌装生产线的上游直接安装了一套CFS 膜过滤系统。在错流过滤系统的下游和最终的膜过滤器之后取样，见表4。

即使上游啤酒腐败微生物的添加剂量异常地高，离心机、错流过滤系统和最终的膜过滤CFS 系统的组合应用证实该系统具有最大的微生物安全性。因此，错流过滤技术优于硅藻土过滤，当与膜过滤器结合在一起使用时，能在灌酒机入口提供无腐败微生物的啤酒。

表2：拉格型啤酒分析

精酿啤酒商在啤酒口味和质量上付出了很多努力，因此对口味活性物质影响因素总是讨论的焦点。上述结果已经证明错流过滤技术对啤酒像硅藻土过滤一样温和。目前已有许多类型啤酒用错流过滤系统过滤，包括艾尔啤酒、苦味啤酒、世涛啤酒、浓啤酒、带有特殊风味的黑啤酒，酒花强度增强的啤酒，如IPAs 啤酒、波特啤酒、无醇啤酒和小麦啤酒。另外，果味产品采用错流过滤系统也非常成功，对啤酒质量无任何影响。

表3：黑啤酒分析

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微酿、精酿啤酒商的持续成功促使他们的啤酒应用新的途经进入市场。进入零售店和更长的分销路线要求产品在口感、浊度和微生物含量方面更稳定。过滤是满足这些要求的一种方法。采用PROFi 错流过滤系统，啤酒特性保持不变，微生物质量优良，与硅藻土过滤相比，成本相当或偏低。目前，错流过滤系统是可用的，特别满足精酿啤酒商的要求。图1 显示了常用的错流过滤系统，过滤能力30 ～120 hl/h。

啤酒过滤系统是发酵和成熟后为澄清而设计的。包括一个中空纤维膜过滤装置，位于啤酒工厂离心机的下游。组合适当的技术来分离不同的固体物要求过滤器设计具有温和的啤酒过滤及良好的经济性特征。离心机在过滤系统之前能分离固体，如酵母、胶体和稳定性物质。膜过滤块MBL 去除胶状微粒、残余的酵母和易形成浑浊的物质。当膜系统中的固体含量较低时，用于控制污染层错流过滤速度或能量需求是最小的。这使得啤酒处理变得非常温和。

表4：错流过滤系统与最终的膜过滤系统CFS 微生物性能测试对比

错流系统在没有酵母罐的情况下运行，占地面积更小，过程控制更好。另外不会接触铁锰离子对啤酒风味和氧化味造成的负面影响。系统密闭，摄氧量低。

多年的实践证明错流过滤在经济性、灵活性和啤酒质量等方面均优于硅藻土过滤。