Lọc nấu bia bằng lưới thép không gỉ: Từ lọc bã dịch đường đến lọc tinh

Lọc bằng lưới thép không gỉ trong sản xuất bia là việc sử dụng lưới thép dệt, lưới thép thiêu kết và tấm lọc đục lỗ bằng vật liệu 304/316L cấp thực phẩm để tách chất rắn ra khỏi dịch đường và bia ở mọi giai đoạn sản xuất — từ đáy giả của thùng lọc lauter tun giúp đỡ lớp bã hèm dày 30–40 cm và thu hồi dịch đường đầu tiên qua các khe hở 0,7–1,2 mm hoặc lưới dệt 20–60 mesh, cho đến các lõi lọc bằng thép không gỉ thiêu kết giúp lọc tinh bia thành phẩm đạt độ mịn 1–5 micron trước khi đóng gói. Vì vật liệu lọc là kim loại, nó có thể được làm sạch tại chỗ bằng xút nóng và hơi nước, đồng thời tái sử dụng qua hàng trăm chu kỳ CIP (làm sạch tại chỗ), thay vì bị vứt bỏ sau mỗi lần chạy như các tấm lọc giấy hoặc lõi lọc polyme.

Khả năng tái sử dụng đó làm thay đổi bài toán kinh tế của một nhà máy bia khi mở rộng quy mô. Từ một hệ thống thủ công 20-hectolitre cho đến một nhà máy thương mại nấu nhiều mẻ, hệ thống lọc vận hành ở cả phía nóng và phía lạnh, và lưới thép không gỉ đóng vai trò quan trọng trong từng bước. Đây là cùng một nhóm vật liệu mà KAIFIL thiết kế cho phạm vi rộng hơn của ứng dụng chế biến thực phẩm và đồ uống, và trong ngành sản xuất bia, nó mang lại ba lợi ích tương tự: vật liệu lọc có thể làm sạch, cấp độ lọc micron có khả năng tái lập, và không cần mua, lưu trữ hoặc thải bỏ chất trợ lọc tiêu hao.

Hệ thống lọc bia: Từ phía nóng đến phía lạnh

Mỗi mẻ bia đều trải qua cùng một chuỗi thử thách tách chất rắn, và việc lập bản đồ quy trình này trước khi chọn vật liệu lọc là rất hữu ích. Ngay cả trước khi đường hóa, hầu hết các nhà máy bia đều lọc nước công nghệ đầu vào và nước nấu bia đến mức 5 µm hoặc mịn hơn — giúp bảo vệ bộ trao đổi nhiệt, bơm và van điều khiển, đồng thời loại bỏ các hạt mịn có thể gây ra hiện tượng trích ly không đồng đều và mùi vị lạ. Sau đó, chính nhà nấu bia sẽ thực hiện ba nhiệm vụ kinh điển: lọc bã (tách dịch đường ngọt ra khỏi lớp bã hèm), loại bỏ cặn trub (tách protein đông tụ và bã hoa bia ra khỏi dịch đường sôi), và làm lạnh dịch đường.

Quá trình lên men làm thay đổi thử thách. Bia thành phẩm — lúc này được gọi là bia non — là một sản phẩm nhạy cảm mang theo men bia và các chất keo gây đục, và khu vực hầm ủ đặt ra thêm hai nhiệm vụ nữa: lọc thô để loại bỏ men bia, và lọc tinh để làm cho bia trong suốt và ổn định trước khi đóng gói.

Phía nóng và phía lạnh yêu cầu các giải pháp kỹ thuật khác nhau. Trên 80 °C, rủi ro vi sinh về cơ bản là bằng không, vì vậy việc lọc hoàn toàn là vấn đề tách chất rắn và các vật liệu lọc thô có diện tích mở lớn sẽ chiếm ưu thế. Ở phía lạnh, bia được giữ ở nhiệt độ từ 0 đến 10 °C, mọi thiết bị phần cứng đều phải đảm bảo vệ sinh, và oxy trở thành kẻ thù: lượng oxy hòa tan (DO) hấp thụ trong bộ lọc sẽ đẩy nhanh quá trình giảm chất lượng bia, do đó các hệ thống kín, vận hành bằng áp suất được ưu tiên hơn. Lưới lọc hoạt động hiệu quả ở cả hai phía — sự khác biệt nằm ở cấp độ lọc và quy trình làm sạch.

Lọc bã hèm: Lớp bã và đáy giả

Lọc bã hèm là nhiệm vụ lọc nghiêm ngặt đầu tiên trong nhà nấu bia, và nguyên lý của nó thường bị hiểu lầm: vật liệu lọc không phải là thép — mà chính là lớp bã hèm. Đáy giả chỉ đơn giản là giữ cố định lớp vỏ trấu lúa mạch được nén chặt và tạo đường thoát cho dịch đường trong. Một lớp bã dày 30–40 cm hoạt động như một bộ lọc sâu tự nhiên: các hạt tinh bột mịn và mảnh vụn vỏ trấu bị giữ lại giữa các hạt bã trong khi dịch đường chảy qua. Đó là lý do tại sao quá trình lọc bã vẫn hiệu quả ngay cả khi các lỗ hở trên đáy giả lớn hơn nhiều so với các hạt được loại bỏ.

Hai dạng hình học đáy giả phổ biến nhất. Sàng khe (dạng sợi chữ V) với khe hở 0,7–1,2 mm mang lại diện tích mở lớn và chống tắc nghẽn, vì biên dạng khe rộng dần xuống dưới giúp chất rắn rơi qua thay vì bị kẹt lại. Ngoài ra, một tấm lưới dệt phẳng bằng thép không gỉ từ 20–60 mesh — tương đương với kích thước lỗ lọc từ khoảng 0,85 mm xuống 0,25 mm — được đặt lên trên một tấm đỡ đục lỗ, tạo ra một bề mặt nhẵn mịn, dễ làm sạch. KAIFIL cũng cung cấp ống lọc đục lỗ bằng thép không gỉ dành cho các thùng lọc bã (lauter tun) và nồi trộn malt (mash mixer) nơi bộ thu dạng ống được ưu tiên hơn dạng tấm phẳng.

Quá trình rút dịch đường (run-off) là một sự cân bằng tinh tế. Dịch đường đầu tiên thường bị đục, vì vậy nó được tuần hoàn lại — gọi là vorlauf — trong 10–20 phút cho đến khi chảy ra trong suốt; việc "ổn định" lớp bã này là yếu tố giúp dịch đường tiếp theo được trong. Cơ cấu cào định kỳ cắt lớp bã để giữ cho dòng chảy đồng đều và ngăn chặn hiện tượng tạo rãnh dòng chảy (channeling). Tốc độ rút dịch tiêu chuẩn là 5–10 hl/m²·h: nếu quá nhanh, lớp bã sẽ bị nén chặt, lượng chất chiết giảm và dịch đường bị đục; nếu quá chậm, quá trình lọc bã (lautering) sẽ kéo dài đến ba giờ hoặc hơn. Một đáy giả được thiết kế đúng quy cách cũng giúp phân phối dòng chảy đều khắp toàn bộ bồn chứa, điều này phụ thuộc nhiều vào hình học khe hở và diện tích mở hơn là bản thân chất liệu thép.

Đối với các nhà máy rất lớn, máy lọc bã (mash filter) — loại máy ép khung bản sử dụng màng và vải lọc — có thể hoàn thành toàn bộ quá trình lọc bã trong một đến hai giờ và thu hồi thêm tới 2% chất chiết so với thùng lọc bã (lauter tun). Chúng là một giải pháp thay thế thực sự hiệu quả, nhưng chúng tiêu tốn vải lọc dùng một lần, và thùng lọc bã đáy giả vẫn là tiêu chuẩn trong các nhà máy bia thủ công và quy mô vừa, với lưới inox là thành phần cốt lõi.

Làm trong dịch đường: Tách cặn lắng Whirlpool

Sau khi đun sôi, dịch đường đi vào bồn whirlpool theo phương tiếp tuyến với tốc độ vài mét trên giây, làm xoáy toàn bộ bồn chứa và tạo ra "hiệu ứng tách trà" quen thuộc. Cặn nóng đông tụ — các phức hợp protein-polyphenol biến tính chủ yếu trong khoảng 20–100 µm — cùng với hoa bia nguyên bông và vụn hoa bia, sẽ tích tụ thành một hình nón ở tâm. Sau khi để lắng từ 20–30 phút, dịch đường trong được rút ra từ cửa xả bên hông, để lại hình nón cặn phía sau.

Bồn whirlpool loại bỏ phần lớn chất rắn, nhưng không phải là thiết bị lọc tinh. Dịch đường rời khỏi bồn whirlpool thường vẫn mang theo khoảng 50–200 mg/L chất rắn lơ lửng, và các hạt cặn lạnh (cold-break) mịn — có kích thước từ dưới 1 micron đến khoảng 10 µm — chỉ hình thành sau đó, khi dịch đường được làm lạnh. Vì vậy, hầu hết các nhà máy bia đều lắp đặt một lưới lọc hoặc bộ lọc giữa bồn whirlpool và bộ làm lạnh dịch đường. Một giỏ lưới dệt có mật độ 40–100 mesh sẽ giữ lại các mảnh hoa bia và cặn thô, những chất vốn có thể làm tắc nghẽn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, gây sục khí dịch đường hoặc lắng đọng trong bồn lên men — và một lưới lọc có diện tích mở cao sẽ giữ cho độ sụt áp dưới 0.1 bar để không làm nghẽn dòng xả. Đây chính xác là nhiệm vụ được đề cập trong hướng dẫn của chúng tôi về giỏ lọc lưới thép trong ngành thực phẩm và đồ uống.

Có một sự đánh đổi đáng lưu ý: việc loại bỏ cặn triệt để giúp cải thiện quá trình lên men và độ trong của bia, nhưng nó cũng loại bỏ một số axit béo và chất dinh dưỡng mà nấm men cần, vì vậy nhiều nhà máy bia cố tình để lại một lượng cặn mịn được kiểm soát trong dịch đường. Do đó, lưới lọc nên được tính toán kích thước để giữ lại chất rắn phù hợp chứ không phải để đạt độ sạch tối đa — một điểm quan trọng khi cùng một loại lưới được chỉ định sử dụng cho toàn bộ nhà máy.

Lọc phía lạnh: Lọc thô và lọc tinh bia

Sau khi quá trình lên men hoàn tất, bia non chứa các tế bào nấm men (khoảng 5–10 µm) cùng các protein và polyphenol gây đục, những chất vốn sẽ tạo ra hiện tượng đục lạnh trong sản phẩm đóng gói. Đây là lúc hệ thống lọc lõi (cartridge) phát huy tối đa vai trò của mình.

Lọc thô là bước lọc đầu tiên, giúp loại bỏ phần lớn nấm men và các chất gây đục thô. Lõi lọc inox xếp nếp có cấp độ lọc 5–10 µm là một lựa chọn rất phù hợp: cấu trúc xếp nếp giúp tích hợp diện tích lọc lớn vào một vỏ lọc ngắn, nhờ đó một hệ thống khung đế (skid) nhỏ gọn vẫn xử lý được lưu lượng lớn, và vì vật liệu lọc là kim loại nên nó có thể được sục rửa ngược và làm sạch thay vì phải vứt bỏ. Đối với các nhà máy bia vẫn đang vận hành bộ lọc phủ nền đất diatomite (kieselguhr), việc chuyển sang sử dụng lưới lọc tái sử dụng sẽ loại bỏ việc xử lý bụi silica kết tinh, thải bỏ chất trợ lọc đã qua sử dụng, cũng như công sức phủ nền và cạo bỏ bã lọc. Sản phẩm của KAIFIL lõi lọc xếp nếp được chế tạo chính xác cho nhiệm vụ này.

Lọc tinh là công đoạn cuối cùng, giúp đưa bia về mức 1–5 µm để có một sản phẩm trong suốt, ổn định. Lõi lọc thép không gỉ thiêu kết là thiết bị chủ lực ở đây: lưới thiêu kết năm lớp tạo thành một cấu trúc lọc sâu cứng cáp với kích thước lỗ lọc xác định, không bị biến dạng hoặc lệch vị trí dưới áp suất, và chính lõi lọc này có thể được tiệt trùng bằng hơi nước ở 121 °C, rửa ngược và vận hành trong nhiều năm. Nhiều loại lõi lọc lưới thép thiêu kết được sản xuất dưới dạng phụ tùng thay thế tương thích trực tiếp cho các lõi lọc nhập khẩu — cùng chiều dài, cùng bề mặt gioăng đệm, cùng vỏ bộ lọc — nhờ đó nhà máy bia không bao giờ bị ràng buộc vào một OEM duy nhất. Bia sau khi lọc tinh thường ra khỏi bộ lọc với độ đục dưới 1 EBC, và một số nhà sản xuất bổ sung thêm một bước tiệt trùng 0.45–0.65 µm trước khi đóng gói để kéo dài hạn sử dụng.

Việc tính toán kích thước rất đơn giản. Một lõi lọc thiêu kết 20 inch (508 mm) với cấp độ lọc 5 µm thường xử lý khoảng 1–2 m³/h bia đã qua lọc thô ở mức sụt áp vận hành 0.5–1.0 bar, do đó tổng số lượng lõi lọc được quyết định bởi công suất đỉnh của nhà máy bia. Vì lưu lượng đi qua bất kỳ môi chất xốp nào cũng tỷ lệ nghịch với độ nhớt của chất lỏng — và bia ở 8–10 °C ít nhớt hơn rõ rệt so với bia ở 1–2 °C — việc vận hành bộ lọc tinh ở nhiệt độ cao hơn vài độ có thể tăng năng suất lên khoảng 20 phần trăm, với sự đánh đổi là phải chấp nhận độ đục cao hơn một chút. Đó là lý do tại sao hầu hết các nhà máy bia lager vẫn lọc lạnh ở 0–4 °C.

Dệt, Thiêu kết, hay Xếp nếp? Lựa chọn vật liệu lọc theo từng giai đoạn

Việc lựa chọn vật liệu lọc phù hợp phụ thuộc vào ba câu hỏi: yêu cầu vận hành cần bao nhiêu diện tích mở, cấp độ lọc cần mịn đến mức nào, và phần tử lọc sẽ được làm sạch như thế nào.

Kiểu dệt trơn và lưới thép dệt Hà Lan là những thành phần cơ bản. Kiểu dệt trơn, với các lỗ lưới hình vuông, mang lại diện tích mở cao nhất và là lựa chọn tự nhiên cho lưới lọc whirlpool và bộ lọc thô. Kiểu dệt Hà Lan — một cấu trúc dệt chéo Hà Lan với các sợi dây mịn được xếp khít nhau — mang lại khả năng lọc xuống đến vài micron trong khi vẫn chắc chắn hơn nhiều và dễ rửa ngược hơn so với vải lọc tương đương, đó là lý do tại sao nó thường xuất hiện dưới dạng lớp lọc chính trong các tấm lưới thiêu kết nhiều lớp và làm bộ tiền lọc trước các lõi lọc tinh.

Lưới thiêu kết sử dụng lưới dệt và liên kết các lớp thành một tấm cứng cáp: nhiều lớp được liên kết khuếch tán dưới nhiệt độ và áp suất, tạo ra một phần tử lọc nguyên khối với kích thước lỗ lọc xác định, có thể được làm sạch mạnh mẽ, rửa ngược và tiệt trùng mà không bị biến dạng. Trong khi đó, lõi lọc xếp nếp bằng thép không gỉ gấp nếp một tấm lưới duy nhất để nhân lên diện tích lọc, mang lại lưu lượng cao ở các cấp độ lọc trung bình trong một phần tử lọc nhỏ gọn.

Quy tắc chung: công đoạn càng sớm và càng nóng thì vật liệu lọc càng thô và có độ mở lớn hơn; càng gần đến khâu đóng gói thì vật liệu lọc càng mịn và cứng hơn. Nhà nấu bia chọn mua đúng lõi lọc cho từng giai đoạn sẽ đạt được năng suất cao hơn, ít phải thay thế bộ lọc hơn và rút ngắn thời gian CIP.

304 so với 316L và Tuân thủ Tiếp xúc Thực phẩm

Tất cả các loại inox tiếp xúc với thực phẩm được sử dụng trong nấu bia đều thuộc dòng 300. Loại 304 là lựa chọn mặc định cho các lưới lọc và bộ lọc thô ở phía nóng, nơi mức độ tiếp xúc với chloride thấp và tiết kiệm chi phí thực tế. Loại 316L được bổ sung thêm 2–3% molybdenum, giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ trong các dung dịch CIP chứa chloride và chống lại các chu kỳ luân phiên xút-axit mạnh mẽ khi vệ sinh nhà máy bia — đây là lý do tại sao nó được ưu tiên cho các lõi lọc ở phía lạnh và cho bất kỳ bộ phận tiếp xúc với sản phẩm nào tiếp xúc với axit phosphoric hoặc axit citric ở nhiệt độ cao.

Chữ "L" trong 316L cũng quan trọng như molybdenum. Thép carbon thấp (tối đa 0,03%) giúp chống lại sự kết tủa chromium carbide tại mối hàn, nhờ đó lõi lọc hàn giữ được khả năng chống ăn mòn dọc theo các đường hàn thay vì bị nhạy cảm hóa và dễ bị ăn mòn ranh giới hạt. Cả hai mác thép đều tuân thủ quy định tiếp xúc thực phẩm của FDA đối với thiết bị thực phẩm sử dụng nhiều lần theo quy định của Hoa Kỳ, và quy tắc thực tế cho các nhà nấu bia rất đơn giản: nếu bia tiếp xúc với nó và bạn muốn mua một lần để sử dụng lâu dài, hãy chỉ định 316L.

Khả năng làm sạch CIP và Thiết kế Vệ sinh

Lưới inox chứng minh giá trị vượt trội của mình khi đến thời điểm làm sạch. Một chu kỳ CIP điển hình của nhà máy bia sử dụng dung dịch natri hydroxit 1–3% ở nhiệt độ 75–85 °C, tiếp theo là rửa bằng axit và xả bằng nước nóng; lõi lọc thiêu kết còn có thể được tiệt trùng bằng hơi nước ở 121 °C và rửa ngược để loại bỏ bã men bám. Kim loại có thể chịu được hàng nghìn chu kỳ như vậy. Vật liệu lọc polymer — ngay cả PVDF — sẽ bị biến tính dưới tác động của xút nóng, bị mỏi dưới áp suất ngược lặp đi lặp lại và cuối cùng làm lẫn các sợi vật liệu lọc vào bia. Xét trong khoảng thời gian 5 năm, lõi lọc inox thường chiến thắng về tổng chi phí mặc dù giá mua ban đầu cao hơn gấp nhiều lần so với lõi lọc dùng một lần. Các lựa chọn thiết kế giúp bộ lọc thực sự có khả năng CIP — mối hàn không có khe hở, vỏ lọc thoát nước hoàn toàn, không có điểm chết, các kết nối vi sinh — được trình bày chi tiết trong Thiết kế bộ lọc thép không gỉ có thể làm sạch bằng CIP hướng dẫn.

Kiểm soát oxy là lý do khác khiến phân đoạn lạnh trở nên nhạy cảm. Oxy hòa tan trên khoảng 50 ppb khi đóng gói làm tăng nhanh đáng kể quá trình giảm chất lượng của bia thành phẩm, và mỗi bộ lọc đều là một điểm xâm nhập oxy tiềm ẩn. Hệ thống lọc lưới kín, vận hành bằng áp suất có ưu thế về mặt cấu trúc so với bộ lọc phủ sơ bộ ở điểm này: không có hỗn hợp bột để trộn, không có chất trợ lọc để phủ sơ bộ và không có bình hở trong quá trình chuyển đổi. Với vỏ bộ lọc được xả khí và thông gió đúng cách, một hệ thống lọc bằng thép không gỉ hiện đại giữ lượng DO hấp thụ ở mức thấp hơn nhiều so với mục tiêu đóng gói — hết mẻ này đến mẻ khác.

Câu hỏi thường gặp

Kích thước lưới hoặc khe hở nào được sử dụng cho đáy giả của thùng lauter tun? Đáy giả dạng lưới khe (wedge-wire) thường sử dụng các khe hở 0.7–1.2 mm; đáy giả bằng lưới thép không gỉ dệt sử dụng cỡ lưới 20–60 mesh, tương đương với khoảng kích thước lỗ rỗng khoảng 0.25–0.85 mm. Lớp bã hèm thực hiện quá trình lọc thực tế — lưới lọc chỉ hỗ trợ lớp bã này và giúp thoát nước.

Lưới thép không gỉ có thể thay thế lọc bằng đất tảo cát (kieselguhr) không? Có. Một bộ lọc thô 5–10 µm tiếp theo là bộ lọc tinh 1–5 µm giúp loại bỏ nấm men và độ đục mà không cần DE, loại bỏ việc xử lý bụi silica kết tinh, thải bỏ chất trợ lọc đã qua sử dụng và nhân công phủ sơ bộ. Các lõi lọc bằng thép không gỉ có thể sục rửa ngược và tái sử dụng, đây chính là yếu tố giúp bù đắp chi phí đầu tư ban đầu cao hơn.

Cấp độ lọc micron nào giúp làm trong bia? Hầu hết các quá trình lọc tinh hoạt động ở mức 1–5 µm, và một số nhà sản xuất thêm một bước lọc vô trùng 0.45–0.65 µm trước khi đóng gói. Ở mức 1–5 µm, các lõi lọc bằng thép không gỉ thiêu kết loại bỏ các chất keo gây đục và nấm men còn sót lại, thường giữ cho bia đóng gói có độ đục dưới 1 EBC.

Các lõi lọc bằng thép không gỉ thiêu kết có tuổi thọ bao lâu? Nếu được CIP và sục rửa ngược đúng cách, tuổi thọ có thể kéo dài vài năm hoạt động liên tục trong nhà máy bia — hàng trăm chu kỳ lọc — trước khi cần thay thế. Khả năng tái sử dụng đó là lợi ích kinh tế cốt lõi của vật liệu lọc bằng thép không gỉ so với các lõi lọc dùng một lần.

Thép không gỉ 304 hay 316L tốt hơn cho quá trình lọc bia? 316L được ưu tiên cho các ứng dụng tiếp xúc với sản phẩm và phía lạnh vì hàm lượng molybdenum của nó giúp chống ăn mòn rỗ do chloride và ăn mòn do ứng suất bởi hóa chất CIP kiềm/axit; 304 là một lựa chọn hợp lý, chi phí thấp hơn cho các lưới lọc phía nóng có hàm lượng chloride thấp. Khi còn phân vân, hãy chọn 316L.

Không có hai nhà máy bia nào vận hành các hệ thống lọc giống hệt nhau — hình học bồn chứa, đặc tính độ đục và tốc độ dây chuyền đóng gói đều khác nhau — vì vậy các lõi lọc có sẵn trên thị trường hiếm khi vừa vặn hoàn hảo. Đó chính xác là những gì KAIFIL sản xuất: lưới dệt tùy chỉnh, lõi lọc thiêu kết, lõi lọc xếp nếp và ống đục lỗ được chế tạo theo kích thước và thông số micron của bạn, bao gồm cả các lõi lọc thay thế tương thích trực tiếp (drop-in) cho các lõi lọc nhập khẩu để bạn không bao giờ bị phụ thuộc vào một nhà cung cấp duy nhất. Cho dù bạn là một nhà máy bia đang nâng cấp hầm bia của mình hay một OEM thiết bị nấu bia đang thiết kế hệ thống lọc cho một nhà nấu bia mới, hãy gửi cho chúng tôi lưu lượng, cấp độ lọc micron mục tiêu và kích thước kết nối của bạn, chúng tôi sẽ đề xuất vật liệu lọc phù hợp và báo giá trọn bộ lõi lọc hoặc hệ thống lọc (filter skid). Hãy liên hệ với KAIFIL ngay hôm nay để nhận thông số kỹ thuật lưới tùy chỉnh và báo giá.