ИЗМЕНЕНИЕ КАЧЕСТВА ФИЛЬТРАЦИИ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ СИСТЕМ
Ральф Вайблингер, дипломированный инженер компании "Begerow GmbH&Co" ( Лангенлонсхайм, Германия)
Changing filtration quality by using various filtering systems
An article by our German colleague examines lunctioning capabilities of various filtration systems, and various technical difficulties that may arise in the process of their maintenance.
На производстве часто встречается неуверенность специалистов в возможностях имеющихся фильтрационных систем и чрезмерная надежда на конечный фильтр, Это выражается в распространенных высказываниях типа «в конце концов, у нас есть еще и конечный фильтр». Вместе е тем для многих практиков расплывчаты такие понятия, как, например, мембранный фильтровальный картридж и глубинный фильтровальный картридж, и не каждому известно, что значит траппфильтр. Важно понимать, насколько различные системы фильтрации могут влиять на качество фильтрата.
Общие задачи фильтрации и различия систем фильтрации
Если не брать во внимание аспект консервирования пива в процессе фильтрации с помошыо стабилизирующих средств (кизельгель или поли- винилполипирролидон), то качество фильтрата обеспечивается путем выполнения следующих задач:
- удаление мути и ее частиц для получения прозрачного фильтрата;
- удаление/сокращеиие количества микроорганизмов (дрожжей/бак- терий).
Что касается последующих систем фильтрации, это:
- задержание частиц (например, частиц кизельгура от кизельгурового фильтра);
- улучшение блеска, например путем адсорбции коллоидов (белков);
- оптимальное удаление дрожжей и бактерий, которые прошли через кизельгуровый фильтр.
Фильтрационные системы различаются по принципу используемого средства фильтрации (см. таблицу):
- Кизельгуровая фильтрация (основная).
- Последующие системы фильтрации:
- пластинчатые фильтры или глубинные фильтровальные модули;
- глубинные фильтровальные картриджи из полипропилена;
- мембранные фильтровальные картриджи.
Механизмы действия определяются следующим образом:
- поверхностная фильтрация: частицы или вещества мути благодаря своей величине удерживаются уже на поверхности фильтровальной среды;
- глубинная фильтрация: частицы и муть остаются внутри структуры или в глубине фильтровальной среды (сужение фильтровального канала к выходу);
- адсорбция: частицы или муть задерживаются внутри фильтровальной среды благодаря своему заряду.
Итак, фильтровальные системы различаются по механизму действия. По логике, системы адсорбционного действия лучше удерживают заряженные частицы, чем системы, построенные по другому принципу и не имеющие заряда. Системы глубинного действия больше подходят для удержания частиц или мути, чем поверхностные фильтры, предполагается, что у первых обеспечена бесперебойная работа даже при изменении давления (отсутствие преждевременной закупорки). На практике, как только происходит потеря глубинной эффективности, фильтровальная система закупоривается, фильтр обеспечивает только поверхностную очистку и свободные норы забиваются «мягкими» частицами. По этой причине при изменении давления поверхностные фильтры часто реагируют непредсказуемо и внезапно блокируются.
С точки зрения степени задержки, которая характеризует фильтровальную среду, сначала только мембрана (в идеальном случае - сетка с порами определенной величины) была принята в качестве «абсолютного фильтра» (см. таблицу). Для определения биологической степени задержки мембраны и глубинный фильтр-картон проверяются согласно стандарту DIN 58355 с помощью логарифмического показателя сокращения или инактивации микроорганизмов LRV (Logarithmic Reduction Value). Фильтровальные среды заполняются суспензией определенных тестовых микроорганизмов, после этого определяется количество микроорганизмов, которые прошли через среду. Если показатель LRV достигает 7, то фильтр определяется как стерильный [1J. Глубинные фильтровальные картриджи проверяются иа улавливание не микроорганизмов, а частиц (например, латексных). Картридж со степенью задержки более 99,98% (пропускает 1 частицу из 5000) может быть оценен как обеспечивающий абсолютную очистку. На практике микроорганизмы и частицы ведут себя по- разному (твердые/мягкие частицы, микроорганизмы способны деформироваться), следовательно, это нужно учитывать при решении проблемы фильтрации. В дальнейшем мы подробнее расскажем о различиях систем фильтрации.
Частицы
В данном случае под частицами подразумеваются твердые частицы вспомогательных фильтровальных средств, например кизельгура. На практике их необходимо детектировать методом измерения мутности под углом 25° ЕВС. На одной из пивоварен при измерении мути в процессе фильтрации были выявлены многочисленные кратковременные всплески мутности более 0,7 ЕВС после фильтровального трапп-картриджа (глубинный фильтровальный картридж для фильтрации частиц с размером пор 20 мкм, степень задержки неизвестна). В биологической пробе дрожжи не обнаружены, таким образом, рассматривается возможность наличия частиц кизельгура, прошедших через картридж.
Системы фильтрации
| Характеристика | Кизельгуровый фильтр | Пластинчатый фильтр/модуль | Глубинный фильрованный картридж | Мембранный фильтровальный картридж |
|---|---|---|---|---|
| Структура |
Трехмерная структура Постоянное обновление фильтровальной поверхности |
Трехмерная структура Статическая фильтровальная среда |
Трехмерная структура Статическая фильтровальная среда |
Двухмерная структура с порами определенной величины Статическая фильтровальная среда |
| Механизмы фильтрации |
Поверхностная фильтрация Глубинная фильтрация Абсорбция |
Поверхностная фильтрация Глубинная фильтрация Абсорбция |
Поверхностная фильтрация Глубинная фильтрация |
Поверхностная фильтрация |
| Степень задержки | Относительная | Относительная | Относительная | Абсолютная |
На основе этих результатов компания «Begerow GmbH&Co» провела эксперимент: глубинные фильтровальные картриджи с различной пористостью и степенями задержки и нестерильный фильтр-картон В ECO нагружались суспензией кизельгура {«Becogur 200») в количестве 150 г на 100 л. Пробы были взяты на выходе фильтра с интервалом 10 минут и отфильтрованы через черную мембрану (0,45 мкм). Скорость потока была обычной примерно 500 л/ч на 10-дюймовый элемент или 150 л/ч на 1 м² для фильтр-картона. Уже при визуальном осмотре мембраны можно заметить различия фильтровальных сред (рис. 1). Если фильтр-картон и картриджи со степенью задержки >99,98% хорошо задержали кизельгур, то на мембранах других фильтровальных картриджей (степень задержки <99,98%) были видны явные отложения кизельгура. Имитация перепадов давления (путем частичного закрывания и открывания клапанов) привела к образованию массивных от ложений на мембранах после этих картриджей.
Немеханические (коллоидные) помутнения 
Параллельно с указанными исследованиями было форсировано пиво для симуляции белковых помутнений 7,65 NTU (соответствует 1,91 ЕВС). Попытка сокращения помутнений с помощью различных фильтровальных сред повторена с использован нем стерильного фильтркартона ВЕСО и глубинного фильтровального картриджа ВЕСО (0,30 мкм, степень задержки >99,98%). Скорость потока составляла 100 л/ч на 10-дюймовый свечевой элемент и 100 л/ч на 1 м² для фильтр-картона. Результаты сокращения белковых помутнений фильтровальными, средами показывают, что сначала оба фильтровальных средства уменьшают помутнения; однако в процессе фильтрации показатель помутнений на выходе фильтра увеличился, что указывает на насыщение в местах соединений. Фильтр-картон уменьшает количество помутнений (адсорбционное действие) значительно эффективнее, чем глубинный фильтровальный картридж, Описанный выше метод определения помутнений нсидеа- лен, но тем не менее тенденции фильтровальных средств очевидны. Таким образом, показаны практические возможности влияния на подобные помутнения с использованием кизельгурового фильтра и стерильного фильтр-картона.
На рис. 3 приводятся данные по методу определения мутности по методу ЕВС при 90° после комбинированного кизельгурового и пластинчатого фильтров. В середине фильтрации, между 9:30-11:30, пластинчатый фильтр сократил помутнения примерно на ОД-0,2 ЕВС. В основном в емкости 2 показатели помутнений значительно увеличились (применение 100%-го тонкого кизельгура и ксерогеля), и уменьшить их нс удалось далее с помощью пластинчатого фильтра. В результате лабораторных исследований эти помутнения были дентифицированы как белковые. Следовательно, в этом случае пользователь мог успешно локализовать помутнения путем применения кизель- золя*. По имеющимся на сегодня данным, альфа-глюкановые помутнения, в отличие от белковых, нс могут быть удалены в процессе фильтрации и практически беспрепятственно проходят через фильтровальные системы предварительной и окончательной фильтрации.
Микроорганизмы
Для оценки биологической безопасности компания «Begerow» провела дополнительные исследования. Суспензия (более 1000 живых дрожжевых клеток на 180 мл) была приготовлена с помощью сухих дрожжей верхового брожения SiHA-HiFerm и отфильтрована через тонкий фильтркартон ВЕСО и глубинный фильтровальный картридж ВЕСО (0,5 мкм, степень задержки >99,98%). Скорость потока была такой же. как и при исследованиях белковых помутнений. Затем пробы (180 мл) были инкубированы на агаре сусла. Оба фильтровальных средства могли удерживать дрожжи (рис. 4, 5).
Тест повторялся на пробном растворе микроорганизмов Lactococcus lactis (примерно 4500 образующих колонии единиц/180 мл) с использованием стерильного фильтр-картона ВЕСО и глубинного фильтровального картриджа ВЕСО 0,3 мкм (степень задержки >99,98%), инкубация проб проводилась на агаре NBB, При имитации перепадов давления стерильный фильтр-картон показал наличие микроорганизмов на выходе фильтра. Все другие пробы, взятые через определенный промежуток времени, имели отрицательный результат. Глубинный фильтровальный картридж показал сокращение количества тестируемых микроорганизмов, однако их полное отделение достигнуто не было. После глубинного картриджа был подключен мембранный фильтровальный картридж (0,45 мкм, абсолютный), в результате удалось получить стерильный фильтрат (даже после симуляции перепадов давления).
Выводы
Представленные фильтровальные системы различаются по результативности своей работы в зависимости от механизмов действия и возможных проблем, которые могут возникнуть в условиях практического применения. В процессе исследований показано, что глубинный фильтр-картон и подходящие глубинные фильтровальные картриджи хорошо удерживают частицы. Поэтому среди трапп-картриджей следует выбрать глубинные фильтровальные картриджи (10 мкм, степень задержки >99,98%). Эти заданные величины на основании опыта пивоварен описал Ян Шнайдер в своем докладе на 3. VLB (непонятное название семинара) семинаре в 2004 году [2].
Для корректировки коллоидных помутнений глубинные фильтровальные картриджи (отсутствие или незначительное адсорбционное действие) оказались менее эффективны, чем глубинный фильтр-картон с высоким адсорбционным действием, хотя и здесь степень сокращения количества микроорганизмов ограничивалась насыщением фильтр-материала. На практике при фильтрации (прежде всего* через кизельгуровый фильтр) можно регулировать более интенсивные белковые помутнения путем применения добавок.
Задержка микроорганизмов всегда зависит от нагрузки на выходе глубинных фильтров. Во время исследований дрожжи хорошо удерживались различными системами окончательной фильтрации. При тестировании на сокращение количества бактерий глубинный фильтр-картон был значительно надежнее, чем глубинные фильтровальные картриджи. Самыми надежными можно считать мембраны. Несмотря па имитацию перепадов давления, дрожжи на выходе фильтра отсутствовали. Безопасность фильтрата гарантировалась и при других возможных перепадах давления.
Основным способом фильтрации является кизельгуровая фильтрация (сокращение микроорганизмов, веществ мути и частиц насколько это возможно, возможности корректировки, решение проблем коллоидных помутнений), и здесь следует вести себя так, словно окончательная фильтрация отсутствует. Важно управление процессом до и во время фильтрации (например, избегать перепадов давления). Получение качественного фильтрата возможно только при соблюдении правил эксплуатации фильтровальной системы и тщательном контроле процесса фильтрации.
Библиографический список
- Гайгер, А, Буркгардт, Т. Большая экономичность при фильтрации пива // Брошюра менеджеров пивной отрасли. 2006. №. 11. С. 30-32.
- Шнайдер Я. Доклад но поводу 3. VLB Семинара 2004 г. // Информационный бюллетень DBMB. 2004. №. 3.