Filtracja w browarnictwie za pomocą siatki ze stali nierdzewnej: Od klarowania brzeczki do filtracji końcowej

Filtracja za pomocą siatki ze stali nierdzewnej w piwowarstwie polega na zastosowaniu przeznaczonej do kontaktu z żywnością tkanej siatki drucianej 304/316L, spiekanej siatki drucianej oraz sit perforowanych do oddzielania ciał stałych od brzeczki i piwa na każdym etapie produkcji — od fałszywego dna kadzi filtracyjnej, które podtrzymuje złoże młóta o grubości 30–40 cm i zbiera pierwszą brzeczkę przez szczeliny 0,7–1,2 mm lub tkaninę siatkową o gęstości 20–60 mesh, aż po spiekane wkłady ze stali nierdzewnej, które klarują gotowe piwo do poziomu 1–5 mikronów przed rozlewem. Ponieważ materiał filtracyjny jest metalowy, może być czyszczony na miejscu za pomocą gorącego roztworu zasadowego i pary wodnej oraz ponownie używany przez setki cykli CIP (clean-in-place), zamiast być wyrzucanym po każdym cyklu, jak ma to miejsce w przypadku płyt filtracyjnych czy wkładów polimerowych.

Ta możliwość wielokrotnego użycia zmienia ekonomikę browaru w miarę jego rozwoju. Od rzemieślniczego systemu o wydajności 20 hektolitrów po wielowarkowy zakład komercyjny, linia filtracyjna działa zarówno po stronie gorącej, jak i zimnej, a siatka ze stali nierdzewnej odgrywa rolę na każdym etapie. Jest to ta sama rodzina materiałów, którą inżynierowie KAIFIL projektują dla szerszego zastosowania w przetwórstwie żywności i napojów, a w piwowarstwie zapewnia te same trzy korzyści: materiały filtracyjne nadające się do czyszczenia, powtarzalne dokładności filtracji w mikronach oraz brak konieczności zakupu, przechowywania i utylizacji zużywalnych pomocniczych środków filtracyjnych.

Linia filtracyjna w browarze: od strony gorącej do zimnej

Każda warka piwa przechodzi przez tę samą sekwencję wyzwań związanych z oddzielaniem ciał stałych, a ich zmapowanie ułatwia wybór odpowiedniego materiału filtracyjnego. Jeszcze przed zacieraniem większość browarów filtruje dopływającą wodę procesową i wodę warzelną do poziomu 5 µm lub drobniej — chroniąc wymienniki ciepła, pompy i zawory regulacyjne oraz usuwając cząstki stałe, które mogą powodować niestabilność ekstraktu i niepożądane smaki. Następnie sama warzelnia stawia trzy klasyczne zadania: filtrację zacieru (oddzielanie słodkiej brzeczki od złoża młóta), usuwanie osadów gorących (oddzielanie koagulowanego białka i osadów chmielowych od wrzącej brzeczki) oraz chłodzenie brzeczki.

Fermentacja zmienia charakter wyzwania. Gotowe piwo — nazywane teraz piwem zielonym — to delikatny produkt zawierający drożdże i koloidy powodujące zmętnienie, a piwnica stawia dwa kolejne zadania: filtrację zgrubną w celu usunięcia drożdży oraz filtrację klarującą, aby piwo było klarowne i stabilne przed rozlewem.

Strona gorąca i zimna wymagają innych rozwiązań inżynieryjnych. Powyżej 80 °C ryzyko mikrobiologiczne jest praktycznie zerowe, więc filtracja jest wyłącznie problemem oddzielania ciał stałych i dominują grube materiały filtracyjne o dużej powierzchni otwartej. Po stronie zimnej piwo ma temperaturę od 0 do 10 °C, każdy element wyposażenia musi być higieniczny, a tlen staje się wrogiem: tlen rozpuszczony (DO) pochłaniany w filtrze przyspiesza starzenie się piwa, dlatego preferowane są zamknięte systemy ciśnieniowe. Siatka sprawdza się po obu stronach — różnica tkwi w dokładności filtracji i protokole czyszczenia.

Filtracja zacieru: złoże młóta i fałszywe dno

Filtracja zacieru to pierwsze poważne zadanie filtracyjne w warzelni, a jego zasada działania jest często błędnie rozumiana: materiałem filtracyjnym nie jest stal — jest nim samo złoże młóta. Fałszywe dno po prostu utrzymuje ubitą warstwę łusek jęczmiennych na miejscu i zapewnia ścieżkę odpływu dla klarownej brzeczki. Złoże o głębokości 30–40 cm działa jak naturalny filtr głębinowy: drobne cząstki skrobi i fragmenty łusek są zatrzymywane między ziarnami, podczas gdy brzeczka odpływa. Dlatego filtracja zacieru działa, mimo że otwory w fałszywym dnie są znacznie większe niż usuwane cząstki.

Dominują dwie geometrie fałszywego dna. Sita szczelinowe (o profilu V) z otworami szczelinowymi 0,7–1,2 mm oferują dużą powierzchnię otwartą i są odporne na zatykanie, ponieważ profil szczeliny rozszerza się ku dołowi, co pozwala ciałom stałym opadać, zamiast się klinować. Alternatywnie, płaska tkana siatka nierdzewna o gęstości 20–60 mesh — o wielkości oczek od około 0,85 mm do 0,25 mm — jest układana na perforowanej płycie podporowej, co zapewnia gładką, łatwą do czyszczenia powierzchnię. KAIFIL dostarcza również perforowane rury filtracyjne ze stali nierdzewnej do kadzi filtracyjnych i kadzi zaciernych, gdzie kolektor rurowy jest preferowany nad płaską płytą.

Spływ brzeczki to sztuka równowagi. Pierwsza brzeczka jest mętna, dlatego jest recyrkulowana — vorlauf — przez 10–20 minut, aż zacznie lecieć klarowna; to „układanie się” złoża sprawia, że kolejna brzeczka jest czysta. Mechanizm rozluźniający okresowo nacina złoże, aby utrzymać równomierny przepływ i zapobiec powstawaniu kanałów. Typowe natężenia spływu wynoszą 5–10 hl/m²·h: zbyt szybki spływ powoduje zagęszczenie złoża, spadek wydajności ekstraktu i zmętnienie brzeczki; zbyt wolny powoduje, że filtracja przeciąga się do trzech godzin lub dłużej. Prawidłowo dobrane fałszywe dno równomiernie rozprowadza przepływ w całym zbiorniku, co wynika bardziej z geometrii szczelin i powierzchni otwartej niż z samej stali.

W przypadku bardzo dużych zakładów filtry zacierowe — prasy płytowo-ramowe wykorzystujące membranę i tkaninę filtracyjną — mogą przeprowadzić pełną filtrację zacieru w ciągu jednej do dwóch godzin i odzyskać do dwóch procent więcej ekstraktu niż kadź filtracyjna. Stanowią one realną alternatywę, ale zużywają jednorazową tkaninę, a kadź filtracyjna z fałszywym dnem pozostaje standardem w browarnictwie rzemieślniczym i średniej skali, z siatką ze stali nierdzewnej jako jej kluczowym elementem.

Klarowanie brzeczki: Oddzielanie osadów gorących (trub) w whirlpoolu

Po gotowaniu brzeczka wpada do whirlpoola stycznie z prędkością kilku metrów na sekundę, wprawiając w ruch obrotowy cały zbiornik i wywołując znany „efekt filiżanki herbaty”. Skoagulowane osady gorące (trub) — zdenaturowane kompleksy białkowo-polifenolowe, głównie w zakresie 20–100 µm — wraz z całymi szyszkami chmielu i osadami chmielowymi, gromadzą się w stożku na środku. Po trwającym 20–30 minut odpoczynku klarowna brzeczka jest odprowadzana przez wylot boczny, pozostawiając stożek osadów.

Whirlpool usuwa większość ciał stałych, ale nie jest to filtracja dokładna. Brzeczka opuszczająca whirlpool zazwyczaj nadal zawiera około 50–200 mg/l zawiesiny, a drobne cząstki osadów zimnych — o wielkości od poniżej mikrona do około 10 µm — tworzą się dopiero później, podczas chłodzenia brzeczki. Dlatego większość browarów instaluje sito lub filtr siatkowy między whirlpoolem a chłodnicą brzeczki. Kosz z siatki tkanej o gęstości 40–100 mesh zatrzymuje cząstki chmielu i grube osady (trub), które w przeciwnym razie mogłyby zanieczyścić płytowy wymiennik ciepła, napowietrzyć brzeczkę lub osadzić się w fermentorze — a sito o dużej powierzchni otwartej utrzymuje spadek ciśnienia poniżej 0,1 bara, dzięki czemu nie dławi odpływu. Jest to dokładnie to zadanie, które zostało opisane w naszym przewodniku po koszach sitowych z siatki metalowej w branży spożywczej i napojowej.

Warto zwrócić uwagę na pewien kompromis: agresywne usuwanie osadów (trub) poprawia fermentację i klarowność piwa, ale usuwa również część kwasów tłuszczowych i składników odżywczych potrzebnych drożdżom, dlatego wiele browarów celowo pozostawia kontrolowaną ilość drobnych osadów w brzeczce. Sito powinno być zatem dobierane pod kątem zatrzymywania ciał stałych, a nie maksymalnej czystości — co ma duże znaczenie, gdy ta sama siatka jest określana dla całego zakładu.

Filtracja po stronie zimnej: Filtracja zgrubna i dokładna piwa

Po zakończeniu fermentacji młode piwo zawiera komórki drożdży (około 5–10 µm) oraz białka i polifenole powodujące zmętnienie, które w przeciwnym razie wywołałyby zmętnienie na zimno w gotowym opakowaniu. To właśnie tutaj filtracja wkładami filtracyjnymi udowadnia swoją wartość.

Filtracja zgrubna to pierwszy etap, który usuwa większość drożdży i grubego zmętnienia. Plisowany wkład ze stali nierdzewnej o dokładności 5–10 µm doskonale się do tego nadaje: plisowana konstrukcja mieści dużą powierzchnię filtracyjną w krótkiej obudowie, dzięki czemu mały zestaw filtracyjny obsługuje wysoki przepływ, a ponieważ medium jest metalowe, można je płukać wstecznie i czyścić, zamiast wyrzucać. W przypadku browarów, które nadal korzystają z filtrów namywowych z ziemią okrzemkową (kieselguhr), przejście na siatkę wielokrotnego użytku eliminuje konieczność pracy z pyłem krystalicznej krzemionki, utylizację zużytej ziemi filtracyjnej oraz pracochłonne namywanie i zeskrobywanie. Oferowane przez KAIFIL plisowane wkłady filtracyjne są zaprojektowane dokładnie do tego zadania.

Filtracja polerująca to ostatni etap, który pozwala uzyskać klarowność piwa na poziomie 1–5 µm, zapewniając klarowny i stabilny produkt. Spiekane wkłady ze stali nierdzewnej są tutaj głównym elementem roboczym: pięciowarstwowa spiekana siatka tworzy sztywną strukturę do filtracji głębokiej o określonej wielkości porów, która nie ugina się ani nie przemieszcza pod wpływem ciśnienia, a ten sam wkład może być sterylizowany parą wodną w temperaturze 121 °C, płukany wstecznie i eksploatowany przez lata. Wiele z oferowanych przez KAIFIL wkładów filtracyjnych ze spiekanej siatki metalowej jest produkowanych jako bezpośrednie zamienniki dla elementów importowanych — ta sama długość, te same powierzchnie uszczelniające, ta sama obudowa — dzięki czemu browar nigdy nie jest uzależniony od jednego producenta OEM. Klarowane piwo zazwyczaj opuszcza filtr z mętnością poniżej 1 EBC, a niektórzy producenci dodają etap filtracji sterylnej 0,45–0,65 µm przed pakowaniem w celu wydłużenia okresu trwałości.

Dobór wielkości jest prosty. Spiekany wkład o długości 20 cali (508 mm) i dokładności filtracji 5 µm zazwyczaj obsługuje przepływ rzędu 1–2 m³/h piwa po filtracji wstępnej przy roboczym spadku ciśnienia wynoszącym 0,5–1,0 bar, więc całkowita liczba wkładów jest określana przez maksymalną wydajność browaru. Ponieważ przepływ przez dowolny ośrodek porowaty jest odwrotnie proporcjonalny do lepkości cieczy — a piwo w temperaturze 8–10 °C ma znacznie niższą lepkość niż piwo w temperaturze 1–2 °C — prowadzenie filtracji polerującej w temperaturze o kilka stopni wyższej może zwiększyć przepustowość o około 20 procent, kosztem akceptacji nieco większego zmętnienia. Z tego powodu większość browarów produkujących lagery nadal filtruje na zimno, w temperaturze 0–4 °C.

Siatka tkana, spiekana czy plisowana? Wybór materiału filtracyjnego w zależności od etapu

Wybór odpowiedniego materiału filtracyjnego sprowadza się do trzech pytań: jak dużego prześwitu wymaga dany proces, jak wysoka musi być dokładność filtracji oraz w jaki sposób element będzie czyszczony.

Siatki o splocie gładkim oraz siatki o splocie holenderskim stanowią podstawowe elementy konstrukcyjne. Splot gładki, z kwadratowymi oczkami, zapewnia największy prześwit i jest naturalnym wyborem dla sit whirlpooli oraz filtrów siatkowych. Splot holenderski — konstrukcja o splocie skośnym holenderskim z gęsto ułożonymi cienkimi drutami — zapewnia dokładność filtracji do kilku mikronów, pozostając jednocześnie znacznie mocniejszym i łatwiejszym do płukania wstecznego niż porównywalny filtr tkaninowy, dlatego często stosuje się go jako warstwę roboczą w laminatach spiekanych oraz jako filtr wstępny przed wkładami polerującymi.

Siatka spiekana powstaje poprzez połączenie warstw tkaniny metalowej w sztywną płytę: wiele warstw jest łączonych dyfuzyjnie pod wpływem temperatury i ciśnienia, tworząc solidny element o określonej wielkości porów, który może być poddawany agresywnemu czyszczeniu, płukaniu wstecznemu i sterylizacji bez ryzyka odkształcenia. Z kolei plisowane wkłady ze stali nierdzewnej składają pojedynczy arkusz siatki w celu zwielokrotnienia powierzchni filtracyjnej, co zapewnia wysoki przepływ przy średnich dokładnościach filtracji w kompaktowym elemencie.

Ogólna zasada brzmi: im wcześniejszy i gorętszy etap procesu, tym grubszy i bardziej otwarty materiał filtracyjny; im bliżej pakowania, tym drobniejszy i sztywniejszy. Browarnik, który wybierze odpowiedni element dla każdego etapu, uzyskuje większą wydajność, rzadszą wymianę filtrów i krótszy proces CIP.

Stal 304 a 316L i zgodność z wymaganiami dotyczącymi kontaktu z żywnością

Cała stal nierdzewna dopuszczona do kontaktu z żywnością stosowana w browarnictwie pochodzi z serii 300. Typ 304 jest standardem w przypadku sit i filtrów siatkowych po stronie gorącej, gdzie narażenie na chlorki jest niskie, a oszczędność kosztów realna. Typ 316L zawiera dodatkowo 2–3 procent molibdenu, co drastycznie zwiększa odporność na korozję wżerową w zawierających chlorki roztworach CIP oraz na agresywne, naprzemienne cykle zasadowo-kwasowe podczas mycia browaru — dlatego jest on preferowany w przypadku wkładów po stronie zimnej oraz wszelkich komponentów mających kontakt z produktem, które są narażone na działanie kwasu fosforowego lub cytrynowego w podwyższonej temperaturze.

Litera „L” w oznaczeniu 316L jest równie ważna jak molibden. Stal niskowęglowa (maks. 0,03 procent) zapobiega wydzielaniu się węglików chromu w strefie spoiny, dzięki czemu spawany wkład zachowuje odporność na korozję wzdłuż szwów, zamiast ulegać uwrażliwieniu i podatności na korozję międzykrystaliczną. Oba gatunki są zgodne z wymogami FDA dotyczącymi kontaktu z żywnością w przypadku urządzeń wielokrotnego użytku zgodnie z przepisami USA, a praktyczna zasada dla browarników jest prosta: jeśli piwo ma z tym kontakt, a zakup ma służyć przez długie lata, należy wybrać 316L.

Podatność na czyszczenie CIP i higieniczna konstrukcja

Siatka ze stali nierdzewnej udowadnia swoją wartość podczas czyszczenia. Typowy cykl CIP w browarze wykorzystuje 1–3 procentowy wodorotlenek sodu w temperaturze 75–85 °C, po czym następuje płukanie kwasem i gorącą wodą; spiekane wkłady mogą być dodatkowo sterylizowane parą wodną w temperaturze 121 °C i płukane wstecznie w celu usunięcia osadu drożdżowego. Metal wytrzymuje tysiące takich cykli. Media polimerowe — nawet PVDF — ulegają degradacji pod wpływem gorących roztworów zasadowych, ulegają zmęczeniu materiałowemu pod wpływem powtarzającego się ciśnienia wstecznego i ostatecznie uwalniają cząstki materiału do piwa. W perspektywie pięciu lat element ze stali nierdzewnej zazwyczaj wygrywa pod względem całkowitych kosztów, pomimo ceny zakupu kilkukrotnie wyższej niż w przypadku wkładu jednorazowego. Wybory konstrukcyjne, które sprawiają, że filtr naprawdę nadaje się do czyszczenia CIP — spoiny wolne od szczelin, obudowy z pełnym odpływem, brak martwych stref, przyłącza sanitarne — zostały szczegółowo omówione w naszym Projekt filtra ze stali nierdzewnej czyszczonego w systemie CIP – przewodnik.

Kontrola zawartości tlenu to kolejny powód, dla którego strona zimna jest tak wrażliwa. Rozpuszczony tlen na poziomie powyżej około 50 ppb podczas pakowania zauważalnie przyspiesza starzenie się gotowego piwa, a każdy filtr stanowi potencjalny punkt wnikania tlenu. Zamknięta filtracja siatkowa ciśnieniowa ma pod tym względem strukturalną przewagę nad filtrami namywowymi: nie ma tu zawiesiny proszkowej do wymieszania, środka pomocniczego do namywania ani otwartego zbiornika podczas wymiany. Dzięki obudowom przedmuchiwanym gazem i odpowiedniemu odpowietrzaniu nowoczesna stacja filtracyjna ze stali nierdzewnej utrzymuje przyrost DO znacznie poniżej wartości docelowej dla pakowania – partia po partii.

FAQ

Jaki rozmiar oczek lub szczelin stosuje się w fałszywym dnie kadzi filtracyjnej? Fałszywe dna szczelinowe zazwyczaj wykorzystują szczeliny o szerokości 0,7–1,2 mm; fałszywe dna z tkanej siatki nierdzewnej mają gęstość 20–60 mesh, co odpowiada prześwitowi wynoszącemu około 0,25–0,85 mm. Właściwą filtrację zapewnia złoże młóta – sito jedynie je podtrzymuje i zapewnia drenaż.

Czy siatka ze stali nierdzewnej może zastąpić filtrację ziemią okrzemkową (krzemionkową)? Tak. Filtr zgrubny 5–10 µm, a następnie filtr polerujący 1–5 µm usuwają drożdże i zmętnienie bez użycia DE, eliminując konieczność pracy z pyłem krystalicznej krzemionki, utylizację zużytego środka pomocniczego oraz nakład pracy związany z namywaniem. Elementy ze stali nierdzewnej nadają się do płukania wstecznego i są wielokrotnego użytku, co rekompensuje wyższy koszt początkowy.

Jaka dokładność filtracji w mikronach zapewnia klarowność piwa? Większość filtracji polerującej odbywa się w zakresie 1–5 µm, a niektórzy producenci dodają etap filtracji sterylnej 0,45–0,65 µm przed pakowaniem. W zakresie 1–5 µm spiekane wkłady ze stali nierdzewnej usuwają koloidy powodujące zmętnienie oraz resztki drożdży, zazwyczaj pozostawiając zmętnienie pakowanego piwa poniżej 1 EBC.

Jak długa jest żywotność spiekanych wkładów ze stali nierdzewnej? Przy odpowiednim czyszczeniu CIP i płukaniu wstecznym – kilka lat ciągłej pracy w browarze (setki cykli filtracji), zanim konieczna będzie wymiana. Ta możliwość wielokrotnego użycia stanowi główny argument ekonomiczny przemawiający za mediami ze stali nierdzewnej w porównaniu z wkładami jednorazowymi.

Czy stal nierdzewna 304 czy 316L jest lepsza do filtracji piwa? Stal 316L jest preferowana do zastosowań mających kontakt z produktem oraz do pracy po stronie zimnej, ponieważ zawartość molibdenu zapewnia odporność na wżery chlorkowe oraz korozję naprężeniową wywołaną przez zasadowe/kwaśne procesy CIP; stal 304 to odpowiedni, tańszy wybór do sit po stronie gorącej o niskiej zawartości chlorków. W razie wątpliwości należy wybrać 316L.

Nie ma dwóch browarów korzystających z identycznych układów filtracyjnych — geometria zbiorników, profil zmętnienia oraz prędkość linii pakującej różnią się między sobą — dlatego gotowe elementy rzadko pasują idealnie. Właśnie to produkuje KAIFIL: niestandardowe siatki tkane, spiekane wkłady filtracyjne, elementy plisowane oraz rury perforowane, wykonane zgodnie z Państwa wymiarami i specyfikacją mikronową, w tym bezpośrednie zamienniki importowanych wkładów, dzięki czemu nie są Państwo zależni od jednego dostawcy. Niezależnie od tego, czy są Państwo browarem modernizującym swoją leżakownię, czy producentem OEM urządzeń browarniczych określającym parametry filtracji dla nowej warzelni, prosimy o przesłanie natężenia przepływu, docelowej dokładności filtracji (mikronażu) oraz rozmiaru przyłącza, a my zarekomendujemy odpowiednie media filtracyjne i przedstawimy ofertę na kompletny zestaw elementów lub stację filtracyjną. Skontaktuj się z KAIFIL już dziś, aby otrzymać niestandardową specyfikację siatki oraz wycenę.