Фильтрация в пивоварении с помощью сетки из нержавеющей стали: от фильтрования сусла до тонкой очистки

Фильтрация с использованием сетки из нержавеющей стали в пивоварении представляет собой использование пищевой тканой проволочной сетки 304/316L, спеченной проволочной сетки и перфорированных сит для отделения твердых частиц от сусла и пива на каждом этапе производства — от фальшдна заторно-фильтровального чана, которое удерживает слой дробины толщиной 30–40 см и собирает первое сусло через щели размером 0.7–1.2 мм или тканую сетку 20–60 mesh, до спеченных картриджей из нержавеющей стали, которые осуществляют тонкую фильтрацию готового пива до 1–5 микрон перед розливом. Поскольку фильтрующий материал металлический, его очищают на месте горячей щелочью и паром и используют повторно в течение сотен циклов CIP (безразборной мойки), вместо того чтобы выбрасывать после каждого цикла, как фильтр-картон или полимерные картриджи.

Возможность многократного использования меняет экономику пивоварни по мере ее масштабирования. От крафтовой системы объемом 20 гектолитров до крупного промышленного пивоваренного завода — линия фильтрации работает как на горячем, так и на холодном этапе, и сетка из нержавеющей стали играет важную роль на каждом шагу. Это то же семейство материалов, которое инженеры KAIFIL разрабатывают для более широкого применения в сфере переработки пищевых продуктов и напитков, а в пивоварении она обеспечивает те же три преимущества: очищаемый фильтрующий материал, воспроизводимую тонкость фильтрации в микронах и отсутствие необходимости покупать, хранить или утилизировать расходные вспомогательные фильтрующие материалы.

Линия фильтрации в пивоварении: от горячего этапа к холодному

Каждая партия пива проходит через одну и ту же последовательность задач по отделению твердых частиц, и их полезно сопоставить перед выбором фильтрующего материала. Еще до затирания большинство пивоварен фильтруют поступающую технологическую воду и воду для варки до 5 µm или тоньше — это защищает теплообменники, насосы и регулирующие клапаны, а также удаляет твердые частицы, которые могут вызвать нестабильность экстракта и появление посторонних привкусов. Затем в самом варочном цехе возникают три классические задачи: фильтрование затора (отделение сладкого сусла от слоя дробины), удаление труба (отделение коагулированного белка и остатков хмеля от кипящего сусла) и охлаждение сусла.

Брожение меняет характер задачи. Готовое пиво (на данном этапе называемое «зеленым» пивом) — это деликатный продукт, содержащий дрожжи и коллоиды, вызывающие помутнение, и в лагерном подвале возникают еще две задачи: грубая фильтрация для удаления дрожжей и тонкая фильтрация для придания пиву прозрачности и стабильности перед розливом.

Горячий и холодный этапы требуют разных инженерных решений. При температуре выше 80 °C микробиологический риск практически отсутствует, поэтому фильтрация представляет собой исключительно задачу отделения твердых частиц, и здесь преобладают грубые фильтрующие материалы с большой открытой площадью. На холодном этапе пиво находится при температуре от 0 до 10 °C, все оборудование должно быть гигиеничным, а главным врагом становится кислород: растворенный кислород (DO), попадающий в фильтр, ускоряет старение пива, поэтому предпочтение отдается закрытым системам, работающим под давлением. Сетка работает на обоих этапах — разница лишь в тонкости фильтрации и протоколе очистки.

Фильтрование затора: слой дробины и фальшдно

Фильтрование затора — это первая серьезная задача фильтрации в варочном цехе, и ее принцип часто понимают неправильно: фильтрующим материалом является не сталь, а сам слой дробины. Фальшдно просто удерживает уплотненный слой ячменной шелухи на месте и обеспечивает дренажный путь для прозрачного сусла. Слой глубиной 30–40 см действует как естественный глубинный фильтр: мелкие частицы крахмала и фрагменты шелухи задерживаются между зернами, пока сусло стекает. Именно поэтому фильтрование затора работает, даже несмотря на то, что отверстия в фальшдне намного больше удаляемых частиц.

Преобладают две геометрии фальшдна. Щелевые сита (с V-образным профилем) с размером щелей 0.7–1.2 мм обеспечивают большую открытую площадь и устойчивы к засорению, поскольку профиль щели расширяется книзу, позволяя твердым частицам проваливаться, а не застревать. В качестве альтернативы плоская тканая сетка из нержавеющей стали размером 20–60 mesh (с размером ячеек примерно от 0.85 мм до 0.25 мм) укладывается на перфорированную опорную плиту, обеспечивая гладкую, легко очищаемую поверхность. KAIFIL также поставляет перфорированные фильтровальные трубы из нержавеющей стали для фильтр-чанов и заторных смесителей, где трубчатый коллектор предпочтительнее плоской пластины.

Фильтрование сусла — это процесс, требующий тонкого баланса. Первое сусло идет мутным, поэтому его направляют на рециркуляцию (форлауф) в течение 10–20 минут, пока оно не станет прозрачным; именно это «формирование» слоя дробины обеспечивает прозрачность последующего сусла. Разрыхлительный механизм периодически прорезает слой для поддержания равномерности потока и предотвращения образования каналов. Типичная скорость фильтрования составляет 5–10 hl/m²·h: слишком высокая скорость приводит к уплотнению слоя, снижению выхода экстракта и помутнению сусла; слишком низкая — затягивает фильтрование на три часа и более. Правильно подобранное фальшдно также равномерно распределяет поток по всему объему емкости, что в большей степени зависит от геометрии щелей и живого сечения, чем от самой стали.

Для очень крупных заводов заторные фильтры — рамные пресс-фильтры с использованием мембраны и фильтровальной ткани — позволяют провести полное фильтрование затора за один-два часа и извлечь до двух процентов больше экстракта, чем фильтр-чан. Они представляют собой реальную альтернативу, но расходуют одноразовую ткань, поэтому фильтр-чан с фальшдном остается стандартом для крафтового и среднемасштабного пивоварения, а его ключевым компонентом является нержавеющая сетка.

Осветление сусла: отделение труба в вирпуле

После кипячения сусло поступает в вирпул тангенциально со скоростью несколько метров в секунду, закручивая всю емкость и создавая известный «эффект чашки чая». Скоагулированный горячий труб — денатурированные белково-полифенольные комплексы, в основном в диапазоне 20–100 µm, — а также цельный хмель и хмелевой осадок собираются в виде конуса в центре. После 20–30-минутного отстаивания прозрачное сусло отводится через боковой выпускной патрубок, оставляя конус труба внутри.

Вирпул удаляет большую часть взвешенных частиц, но не обеспечивает тонкую очистку. Сусло на выходе из вирпула обычно все еще содержит порядка 50–200 mg/L взвешенных веществ, а мелкие частицы холодного отстоя — размером от менее микрона до примерно 10 µm — образуются только позже, при охлаждении сусла. Поэтому большинство пивоварен устанавливают сито или сетчатый фильтр между вирпулом и охладителем сусла. Корзина из тканой сетки с размером ячеек 40–100 mesh задерживает хмелевой осадок и грубый труб, которые в противном случае засорили бы пластинчатый теплообменник, вызвали бы нежелательную аэрацию сусла или осели бы в ферментере, а сито с большой площадью живого сечения удерживает перепад давления ниже 0.1 bar, чтобы не ограничивать слив. Именно этой задаче посвящен наше руководство по сетчатым фильтровальным корзинам в пищевой промышленности и производстве напитков.

Здесь стоит отметить важный компромисс: слишком интенсивное удаление труба улучшает брожение и прозрачность пива, но при этом удаляет часть жирных кислот и питательных веществ, необходимых дрожжам, поэтому многие пивоварни намеренно оставляют контролируемое количество тонкого труба в сусле. Поэтому размер ячеек сита следует подбирать исходя из удержания взвешенных частиц, а не максимальной степени очистки — этот нюанс важен, когда одна и та же сетка выбирается для всего завода.

Фильтрация на «холодной» стадии: грубая и тонкая фильтрация пива

После завершения брожения молодое пиво содержит дрожжевые клетки (примерно 5–10 µm), а также мутеобразующие белки и полифенолы, которые в противном случае вызовут «холодное помутнение» в готовой упаковке. Именно здесь патронная фильтрация доказывает свою эффективность.

Грубая фильтрация — это первый этап, на котором удаляется основная масса дрожжей и грубой мути. Гофрированный картридж из нержавеющей стали с тонкостью фильтрации 5–10 µm является отличным решением: гофрированная конструкция позволяет разместить большую площадь фильтрации в коротком корпусе, благодаря чему компактная установка справляется с высоким расходом, а поскольку фильтрующий материал металлический, его можно промывать обратным током и очищать, а не выбрасывать. Для пивоварен, все еще использующих намывные кизельгуровые фильтры, переход на многоразовую сетку избавляет от необходимости работы с пылью кристаллического кремния, утилизации отработанного фильтровального порошка, а также от трудоемких процессов намыва и очистки скребками. Разработанные KAIFIL гофрированные фильтрующие картриджи созданы именно для этой задачи.

Полирующая фильтрация — это финальный этап, который доводит пиво до тонкости 1–5 µm для получения прозрачного и стабильного продукта. Спеченные картриджи из нержавеющей стали являются здесь основной рабочей силой: пятислойная спеченная сетка образует жесткую структуру глубинной фильтрации с определенным размером пор, которая не деформируется и не смещается под давлением, при этом один и тот же картридж можно стерилизовать паром при температуре 121 °C, промывать обратным током и эксплуатировать годами. Многие из предлагаемых KAIFIL спеченных сетчатых фильтрующих картриджей производятся в качестве точных аналогов для замены импортных элементов — та же длина, те же уплотнительные поверхности, тот же корпус — поэтому пивоварня никогда не оказывается привязанной к одному OEM. Отфильтрованное пиво обычно выходит из фильтра с мутностью ниже 1 EBC, а некоторые производители добавляют этап стерильной фильтрации 0.45–0.65 µm перед розливом для увеличения срока годности.

Расчет размеров прост. Спеченный картридж размером 20-inch (508 mm) с тонкостью фильтрации 5 µm обычно пропускает порядка 1–2 m³/h пива грубой фильтрации при рабочем перепаде давления 0.5–1.0 bar, поэтому общее количество картриджей определяется пиковой производительностью пивоварни. Поскольку поток через любую пористую среду обратно пропорционален вязкости жидкости — а пиво при температуре 8–10 °C заметно менее вязкое, чем пиво при 1–2 °C — проведение полирующей фильтрации при чуть более высокой температуре может увеличить пропускную способность примерно на 20 процентов, ценой некоторого увеличения мутности. Вот почему большинство лагерных пивоварен по-прежнему фильтруют в холодном состоянии, при температуре 0–4 °C.

Тканая, спеченная или гофрированная? Выбор фильтрующего материала по этапам

Выбор подходящего фильтрующего материала сводится к трем вопросам: какая площадь живого сечения требуется для данной задачи, насколько тонкой должна быть фильтрация и как будет очищаться элемент.

Сетки полотняного и голландского переплетения являются базовыми элементами. Полотняное переплетение с квадратными ячейками обеспечивает наибольшую площадь живого сечения и является естественным выбором для сит вирпулов и сетчатых фильтров. Голландское переплетение — саржевая голландская конструкция с плотно уложенной тонкой проволокой — обеспечивает фильтрацию до нескольких микрон, оставаясь при этом гораздо более прочным и пригодным для обратной промывки, чем аналогичный тканевый фильтр, поэтому оно часто используется в качестве рабочего слоя в спеченных ламинатах и в качестве фильтра предварительной очистки перед полирующими картриджами.

Спеченная сетка объединяет слои тканой сетки в жесткую пластину: несколько слоев диффузионно спекаются под воздействием высокой температуры и давления, образуя цельный элемент с определенным размером пор, который можно подвергать агрессивной очистке, обратной промывке и стерилизации без деформации. Гофрированные картриджи из нержавеющей стали, напротив, представляют собой сложенный в гофры одиночный лист сетки для многократного увеличения площади фильтрации, обеспечивая высокую пропускную способность при средней тонкости очистки в компактном исполнении.

Общее правило: чем раньше и горячее технологический этап, тем крупнее и более открытым должен быть фильтрующий материал; чем ближе к розливу, тем он тоньше и жестче. Пивовар, который выбирает правильный элемент для каждого этапа, получает более высокую пропускную способность, меньшее количество замен фильтров и сокращение времени безразборной мойки (CIP).

Сравнение 304 и 316L и соответствие требованиям к контакту с пищевыми продуктами

Вся нержавеющая сталь, контактирующая с пищевыми продуктами в пивоварении, относится к 300-й серии. Марка 304 является стандартным выбором для сит и фильтров на горячем участке, где воздействие хлоридов невелико, а экономия средств вполне реальна. Марка 316L содержит дополнительно 2–3 процента молибдена, что резко повышает устойчивость к питтинговой коррозии в хлоридсодержащих растворах CIP и к агрессивным чередующимся циклам воздействия щелочи и кислоты при мойке пивоваренного оборудования — именно поэтому ее предпочитают для картриджей на холодном участке и для любых контактирующих с продуктом компонентов, подвергающихся воздействию фосфорной или лимонной кислоты при высоких температурах.

Буква «L» в марке 316L важна так же, как и молибден. Низкоуглеродистая сталь (макс. 0.03 процента) препятствует выделению карбидов хрома в зоне сварного шва, благодаря чему сварной картридж сохраняет коррозионную стойкость вдоль швов, не подвергаясь сенсибилизации и межкристаллитной коррозии. Обе марки соответствуют требованиям FDA по контакту с пищевыми продуктами для многоразового пищевого оборудования согласно правилам США, и практическое правило для пивоваров простое: если пиво соприкасается с деталью и вы покупаете ее один раз на долгий срок службы, выбирайте 316L.

Пригодность к безразборной мойке (CIP) и гигиеническое исполнение

Сетка из нержавеющей стали полностью оправдывает себя во время мойки. Типичный цикл CIP на пивоварне включает циркуляцию 1–3-процентного раствора гидроксида натрия при температуре 75–85 °C, за которой следуют кислотное ополаскивание и промывка горячей водой; спеченные картриджи можно дополнительно стерилизовать паром при температуре 121 °C и подвергать обратной промывке для удаления дрожжевого осадка. Металл выдерживает тысячи таких циклов. Полимерные материалы — даже PVDF — разрушаются под воздействием горячей щелочи, изнашиваются от усталости при многократном обратном давлении и в конечном итоге начинают выделять частицы материала в пиво. В пятилетней перспективе фильтрующий элемент из нержавеющей стали обычно выигрывает по общей стоимости владения, несмотря на первоначальную цену покупки, которая в несколько раз выше, чем у одноразового картриджа. Конструктивные решения, которые делают фильтр действительно пригодным для CIP — сварные швы без зазоров, полностью дренируемые корпуса, отсутствие застойных зон, санитарные соединения — подробно описаны в нашем Конструкция фильтров из нержавеющей стали с возможностью CIP-мойки руководство.

Контроль содержания кислорода — еще одна причина, по которой «холодная» сторона процесса требует деликатного обращения. Растворенный кислород в концентрации выше примерно 50 ppb при упаковке заметно ускоряет старение готового пива, и каждый фильтр является потенциальной точкой проникновения кислорода. Закрытая сетчатая фильтрация под давлением имеет здесь конструктивное преимущество перед намывными фильтрами: нет необходимости смешивать порошковую суспензию, предварительно наносить вспомогательное фильтрующее вещество и открывать емкость во время замены. Благодаря продувке корпусов газом и надлежащему удалению воздуха современная фильтрационная установка из нержавеющей стали удерживает поглощение DO значительно ниже целевого уровня для упаковки — от партии к партии.

Часто задаваемые вопросы

Какой размер ячеек сетки или щелей используется для фальшдна фильтр-чана? Для фальшдна из шпальтовой сетки обычно используются щелевые отверстия размером 0,7–1,2 мм; для фальшдна из тканой нержавеющей сетки применяется размер 20–60 mesh, что соответствует размеру ячеек в свету примерно 0,25–0,85 мм. Саму фильтрацию осуществляет слой дробины — сито лишь поддерживает его и обеспечивает дренаж.

Может ли сетка из нержавеющей стали заменить фильтрацию с использованием диатомитовой земли (кизельгура)? Да. Фильтр грубой очистки на 5–10 мкм, за которым следует полирующий фильтр на 1–5 мкм, удаляет дрожжи и мутность без использования DE, исключая необходимость работы с пылью кристаллического кремния, утилизации отработанного вспомогательного фильтрующего вещества и трудозатраты на предварительное намывание. Элементы из нержавеющей стали пригодны для обратной промывки и многократного использования, что и окупает более высокие первоначальные затраты.

Какая тонкость фильтрации в микронах делает пиво прозрачным? В большинстве случаев тонкая фильтрация выполняется при 1–5 мкм, а некоторые производители добавляют ступень стерильной фильтрации на 0,45–0,65 мкм перед упаковкой. При тонкости очистки 1–5 мкм картриджи из спеченной нержавеющей стали задерживают вызывающие мутность коллоиды и остаточные дрожжи, в результате чего мутность упакованного пива обычно составляет менее 1 EBC.

Каков срок службы картриджей из спеченной нержавеющей стали? При надлежащей CIP-мойке и обратной промывке они могут служить несколько лет в непрерывном режиме работы пивоварни — сотни циклов фильтрации — до того, как потребуется замена. Возможность многократного использования является главным экономическим аргументом в пользу фильтрующих материалов из нержавеющей стали по сравнению с одноразовыми картриджами.

Какая нержавеющая сталь лучше подходит для фильтрации пива — 304 или 316L? Марка 316L предпочтительна для контакта с продуктом и работы на холодной стороне, поскольку содержание молибдена обеспечивает устойчивость к хлоридной питтинговой коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением при воздействии щелочных/кислых растворов CIP; марка 304 является допустимым и более экономичным выбором для фильтрующих сеток горячей стороны с низким содержанием хлоридов. При возникновении сомнений выбирайте 316L.

Нет двух пивоварен с абсолютно одинаковыми линиями фильтрации — геометрия емкостей, профиль мутности и скорость линии розлива всегда различаются — поэтому стандартные готовые элементы редко подходят идеально. Именно такую продукцию производит KAIFIL: изготовленные по индивидуальному заказу тканые сетки, спеченные картриджи, гофрированные элементы и перфорированные трубы по вашим размерам и требованиям к тонкости фильтрации в микронах, включая прямые аналоги для замены импортных картриджей, чтобы вы никогда не зависели от одного поставщика. Независимо от того, являетесь ли вы пивоварней, модернизирующей свой погреб, или OEM-производителем пивоваренного оборудования, подбирающим систему фильтрации для нового варочного цеха, отправьте нам данные о расходе среды, требуемой тонкости фильтрации в микронах и размере соединения, и мы порекомендуем подходящий фильтрующий материал, а также рассчитаем стоимость полного комплекта элементов или фильтрационной установки. Свяжитесь с KAIFIL сегодня, чтобы получить спецификацию сетки под ваши требования и расчет стоимости.