膜过滤保持啤酒新鲜度及微生物稳定性

膜过滤技术在当今的啤酒生产应用中占有越来越大的份额。与传统的硅藻土过滤相比，错流过滤现在已日臻完善，啤酒的“无菌”膜过滤虽然还有一段路要走，但这种趋势正在变革。

与巴氏杀菌、瞬间杀菌等热处理技术相比，膜过滤啤酒的微生物稳定性一直面临着认知上的挑战。在酿酒工业，没有人喜欢热处理的啤酒，但是从安全角度讲却需要对啤酒进行热处理操作。最近，关于啤酒采用筒式膜“无菌”过滤成本昂贵且不安全的历史观点已经被证实是错误的。

膜过滤技术发展非常迅速，在许多领域优于巴氏杀菌。多年来，中国、日本、韩国、美国、欧洲的高端品牌不再采用热处理，而是采用膜过滤保持微生物稳定性。非巴氏杀菌啤酒创造了对啤酒新鲜度和自然品质的认知，符合消费趋势，也有市场竞争优势。

为推动这一趋势的发展，颇尔食品和饮料公司（Pall Food & Beverage）研发了新型的CFS Neo 过滤技术，该技术成功应用在全球250 多家公司。

一、基本知识

酿酒商们应用“无菌”这个术语是以实用主义的方式来表示一种微生物稳定的产品，而不是一种完全没有任何微生物的产品。无论是酿酒商们采用热处理技术还是膜过滤技术来保持啤酒的微生物稳定性，这个术语都适用。

国际食品法典委员会（WHO/FAO）CAC/RCP 40-1993 定义低酸食品的“商业无菌”是，在正常的非冷藏条件下，在啤酒的生产、分销和储存过程中，没有能够在啤酒中生长的微生物。因此，无菌过滤目的是去除可能在后期分销中引起产品质量变质的腐败菌。本文中“无菌”是指“商业无菌”。

图1：多个圆筒形外套 VS 集束式排列

二、集束式过滤系统

20 世纪80 年代，最早用于啤酒最终膜过滤的装置是基于一个大的多个圆筒形过滤器外套，与现有CIP 系统联结，安装在硅藻土和板式过滤器的下游。在最近的十年间，伴随着对啤酒的无菌过滤越来越感兴趣，设计逐渐改变，过滤系统设计现在更适合于具体的应用和过程。在1993年第一套集束式过滤系统引入酿酒工业，它通过在一个装置内安装多个滤芯克服了大的多个圆筒形外套安装的缺点，见图1。

采用集束式过滤技术，用于啤酒过滤的滤芯按数量分布排列，每七根过滤滤芯构成一束，在啤酒过滤期间一起运行，在清洗、再生和完整性测试期间则完全分离。

最初的集束式过滤器设计是基于一个大容器，它容纳了所有的滤芯，被分成几束，每一束携带7×40＂滤芯，每一束滤芯的开闭由单独的阀控制，见图2。这种设计可实现产量50 ～600 hl/h。

图2：最初的能力为400 hl/h 集束式过滤器系统及滤芯的排列

CFS Neo 设计通过应用小型集束式外套替代大型容器进一步优化集束式过滤技术，每一个小型集束式外套内容纳7×40＂滤芯，集束式过滤器并行排列，每个过滤器由独立的排出阀控制，见图3。这种新型设计使膜面积和系统容积的比率提高了25%～35%，与标准的多圆筒型容器和大型集束式容器设计相比，降低了水和清洗剂的消耗，减少酒损。模块化设计使生产能力非常灵活，可实现50 ～600 hl/h 的啤酒产量。

新型CFS Neo 过滤系统包括：带有外套的过滤器模块，每一个过滤器容纳7×40＂滤芯；用于啤酒进出和CIP 进出的联结模块；膜清洗模块（CIP），配有所有相关组件，用于冲洗、清洗和再生系统，独立于外围，与管道清洗平行；完整性测试装置；控制面板。可批量或连续运行。

图3：过滤能力为400 hl/h 的CFS Neo 14 系统

三、巴氏杀菌机替换滤芯PARE

为了使新型CFS Neo 系统设计更完美，颇尔公司研发了一种用于啤酒巴氏杀菌机替换滤芯（PARE）的特殊产品，包括一系列预过滤器和亲水膜过滤器，与CFS Neo 系统组合在一起，见图4。

无菌过滤滤芯适用于反复的热水消毒和现场的蒸汽灭菌循环，以延长其在CFS Neo 系统的使用寿命。它们也适合去除啤酒中特有的微生物。支架和排水材料经过优化，有更高的机械强度。反复的热水、化学和蒸汽消毒的应用，提高了啤酒过滤量，降低了啤酒商的运营成本。

图4：新型PARE 过滤家族

四、微生物安全性

公司研发的用于啤酒过滤的PARE 滤芯对主要的啤酒腐败菌和酵母菌有微生物方面的要求，描述了过滤机运行中的微生物性能。该要求通常在特定条件下，对在啤酒特定生长介质中已生长的微生物进行定期评价。过滤器孔径本身就表明微生物的去除，但不受任何国际公认标准或规范的指导，因此不是真正代表安全水平的评价。

对比通常情况下膜过滤和热处理的微生物效果有利于支持啤酒的冷过滤，见图5。在正常的巴氏杀菌下（15 ～25 PU），与啤酒热处理相比，无论是啤酒瞬间杀菌还是隧道式杀菌，膜过滤的微生物效果都要高出103 ～104 log。

一个重要的优势就是膜过滤去除了细胞和孢子，而热处理仅仅是使细胞失活。这样会在啤酒中留下死细胞，限制了基于DNA 分析的有效性，如PCR 分析。

图5：CFS Neo 膜过滤系统 VS 热处理技术微生物性能对比

五、完整性测试

完整性测试用于测试和记录过滤器在实际操作中去除微生物的能力，这种完整性测试必须满足以下标准：

（1）快速、简捷和可重复性程序，有明确的标准和可记录的测试结果；

（2）在使用中有用于表征过滤器材料和滤芯的具体参数；

（3）对过滤器材料不产生影响，可重复进行无损检测，通常在每次清洗和消毒后进行；

（4）与活细菌相关的挑战--代表着过滤器过滤过程中去除微生物的能力。

完整性测试测量的灵敏度是所被测膜表面积的直接函数。随着被测试滤芯数量的增加，一旦达到了分辨的极限，完整性测试本身就变得不那么精确，不能再提供测试值与过滤器中实际滞留微生物之间的直接关系。这个分辨问题可能会导致错误的传递结果，可能潜在地引起微生物意外地通过过滤器的渗透而进入已包装的啤酒中。这个问题可以采用CFS 过滤技术消除，在这方面最多同时能测试7 根滤芯。

如果完整性测试结果为阴性，CFS Neo 系统自动分离特殊的滤筒，并在整个过程中应用其余的滤筒过滤。因此一旦遇到滤筒损坏的情况，啤酒生产仍能继续。大约有25%的已安装滤筒可以关停，而不会对过滤安全和性能造成任何影响。在下一个生产停止期间，对已识别出的滤筒外套打开，找出发生故障的滤筒并更换。

六、啤酒的预处理

上游的澄清过程对“无菌”过滤很重要，影响着无菌过滤工艺的经济性。错流膜系统通常能提供充分的预澄清功能，因此不需要进一步的精细过滤工序。颇尔公司Profi技术表明无菌过滤器滤筒在最大使用寿命的情况下仍可获得很好预过滤结果。硅藻土过滤器与板式过滤器结合在一起也能给膜过滤器提供好的预过滤，不过，硅藻土过滤影响膜的使用寿命，从而引起胶状或颗粒状浑浊。因此，建议在膜过滤上游应用深度过滤。为了安全和可靠地分离啤酒中的颗粒和胶状物，CFS Neo 系统也带有集成的预过滤器（升级版）。PARE 筒式过滤家族包括两种预过滤器，它们主要处理来自硅藻土过滤中高的胶状负荷和高颗粒状负荷。

七、膜的清洗

冲洗和清洗程序和频次决定了经济性。清洗的频次与啤酒过滤产量和压差有直接的关系。过滤一定数量后，即使压差没有显著提高，也必须热水冲洗。过滤产品的特定数量取决于啤酒的预澄清和过滤能力。拉格比黑啤和浓啤允许更长的使用周期。主要影响过滤能力的因素是各种葡聚糖组分、蛋白含量、碘值和浊度。

在化学清洗过程中，0.5 ～1%的标准碱液，温度65℃最为常见。如果水硬度偏高，结垢可能是一个问题，在这种特定情况下，可适当提高碱性清洗剂的浓度和温度。

通过使用酶再生可明显延长滤芯的使用寿命。常用和有效的是纤维素型酶，它水解纤维素和其它β-D-葡聚糖中的（1,4）-β-D-葡萄糖苷键，激发β-葡聚糖酶的活性。少数情况下，可选择其它的酶，这取决于阻塞物。需要与过滤膜供应商密切合作，逐个评估。

按照推荐的程序要求，应用酶再生，结合碱性清洗和冲洗，可以延长筒式过滤器使用寿命，降低过滤成本，见图6。

八、膜的规格

正确的膜规格对滤芯寿命有很大影响。安装的过滤器面积与过滤器的过滤产量呈指数函数关系。将过滤面积加倍可使滤芯寿命延长四倍。理想的啤酒过滤工艺是在啤酒过滤过程中实现以低流量成就最大的啤酒过滤产量，以及以高速清洗成就最大再生能力之间取得平衡。

理想的过滤条件是，一是在啤酒过滤期间采用低的和温和的流量（0.5 ～1 hl/10＂＊h）；二是在冲洗和清洗期间采用高强度流量（3 ～8 hl/10＂＊h）。

用于啤酒过滤的膜规格太小（＞1.5 hl/10＂模块＊h）直接影响滤芯的使用寿命，因此直接影响总拥有成本。在整个系统生命周期内，资本支出的节约很快被较高的运营成本所抵消。冲洗和清洗过程中流量不足会导致部分膜堵塞，从而再次影响过滤产量和运营成本。

单个过滤器外套装置总是在这两个要求之间寻求折中，因此集束式过滤技术已经被研发来满足这两个标准。

九、安装

冷无菌过滤的主要优势是在灌装生产线的上游直接安装过滤器，中间不设缓冲罐。具有稳定基质的膜在不同流速和压差（包括启动/停止情况）下保持其分离特性。在过滤过程中，CFS Neo 的作用因此就像一段管路。在啤酒品牌改变和启动/停止操作过程中，提供了最大的微生物安全性，最小的啤酒损失，实现了真正的灵活性。

消除了灌装设备上游的缓冲罐，避免了关键的再污染点，在生产启动和品牌变化时实现了啤酒损失最小化，降低了CO2消耗成本。

图6：筒式过滤器使用寿命受酶清洗的影响

十、运行成本

由于采用了单个的集束外套设计，水、清洗剂、酶的消耗与大容器的集束式过滤系统相比，降低25 ～30%；与标准的多圆柱形外套设计相比，降低45%。冲洗过程中流量的增高缩短了清洗时间，从每根多圆柱形外套的20 ～30 min 缩短到单个集束外壳的30 ～60 秒。

与热处理装置相比，水和能源的节约是非常明显的。瞬间杀菌水的消耗高达75%，在热和电方面消耗高达80%的能量。与CFS Neo 过滤系统相比，隧道式巴氏杀菌机消耗更高。伴随着酶促再生技术的引入，过滤膜生命周期提高了3 ～5 倍，明显降低了过滤成本，从0.5 ～0.9 USD/hl 降至0.1 ～0.3 USD/hl。

系统是全自动运行，由灌酒机操作人员操作，因此人力成本和膜更换费用是可以忽略的。

考虑所有财务方面的因素，总体成本明显低于隧道式巴氏杀菌，在多数情况下也低于瞬间巴氏杀菌。

十一、口感和质量

消除了啤酒在高温下的暴露，在啤酒过滤过程中保持较低的流量，采用最小的氧摄入设计，CFS Neo 系统没有对啤酒新鲜度和口感稳定性产生任何负面影响。对比作为啤酒氧化风味稳定性指标的内源抗氧化活力EAP 值，冷过滤啤酒显现出比直接巴氏热处理啤酒更好的EAP 值。采用冷过滤啤酒，瓶装后很长一段时期内口感几乎没有变化，而巴氏杀菌的啤酒在热处理后恰恰对啤酒的新鲜度产生负面影响。

十二、结论

在啤酒无菌过滤中采用最新研发的技术，CFS Neo 为酿酒商替代灌装线上游最终产品的热处理技术设定了新的标准。除了更高的微生物安全性外，就经济学而言，现在其与采用冷无菌膜过滤技术相当或更好，而且还优化了清洗。对啤酒口感的稳定性产生了积极影响，还提高了消费者的认可度，使酿酒商们有机会来增强他们的品牌定位，改善货架期，产生经济效益，最终成就更高的客户满意度。