Использование процесса фильтрования при производстве пива

Аппаратурно-технологическая  схема. Рисунок 2. 

Очищенный солод измельчается в вальцовой дробилке I в целях получения максимального количества мелкой однородной крупки и сохранения шелухи. Дробленый солод взвешивают весами 2 и ссыпают в бункер 3. Отлежавшийся дробленый солод проходит магнитную очистку в магнитоуловителе 4 и подается в заторный аппарат 5, где смешивается с теплой водой и перемешивается. По окончании перемешивания (затирания) часть заторной массы перекачивают в другой заторный аппарат 6, где нагревают до температуры осахаривания, а по окончании осахаривания—до кипения. При кипячении крупные частицы солода развариваются, после чего первую отварку возвращают в аппарат 5. При смешивании кипящей части затора с затором, оставшимся в аппарате 5, температура всей массы достигает 70°С. Затор оставляют в покое для осахаривания.

По окончании осахаривания часть затора снова перекачивают в аппарат 6 (вторая отварка) и нагревают до кипения для разваривания крупки. Вторую отварку возвращают в аппарат 5, где после смешивания обеих частей затора температура его повышается до 75...80 °С. Затем весь затор перекачивают в фильтрационный аппарат 7. Прозрачное сусло стекает в сусловарочный аппарат 8.

В аппарате 8 сусло кипятится с  хмелем. При кипячении сусла выпаривается некоторое количество воды, происходят частичная денатурация белков сусла  и его стерилизация. Горячее охмеленное сусло спускают в хмелеотделитель 9, где вываренные хмелевые лепестки задерживаются, а сусло перекачивается в сборник горячего сусла 10,

Горячее сусло из сборника 10 подается в центробежный тарельчатый сепаратор 11, в котором оно очищается  от взвешенных частиц коагулированных  белков. Из сепаратора 11 сусло нагнетается  в пластинчатый теплообменник 12, где  охлаждается до 5...6 °С. Охлажденное  сусло сливают в бродильный чан 13 вместе с дрожжами из чана 14. Брожение длится 6...8 сут. По окончании главного брожения молодое пиво отделяют от дрожжей и перекачивают в танк 15 для дображивания в течение 11...90 сут. По окончании дображивания пиво под давлением диоксида углерода нагнетается в сепаратор-осветлитель 16 и фильтр 17, где оно освобождается от взвешенных в нем дрожжей, других микроорганизмов и мелкодисперсных частиц. Осветленное пиво охлаждается рассолом в теплообменнике 18, насыщается (при необходимости) диоксидом углерода в карбонизаторе 19 и сливается в танк 20. Отфильтрованное пиво из танка 20 под давлением подается в отделение упаковывания в потребительскую и торговую тару.

Осахаренный затор представляет собой суспензию, состоящую их двух фаз: жидкой (пивное сусло) и твердое (пивная дробина). Цель фильтрования – отделение пивного сусла от дробины. Фильтрование затора подразделяется на две стадии: собственно фильтрование первого (основного) сусла и выщелачивание – вымывание экстракта, задерживаемого дробиной.

Фильтрование первого сусла  представляет собой в основном физический процесс. А при выщелачивании  дробины водой протекает конвективная диффузия, а также различные химические процессы, главным образом обменные реакции. С понижением концентрации сусла его pH возрастает от 5,7 до 6,2, что приводит к увеличению растворения кремниевой кислоты, полифенольных, дубильных, горьких и других веществ оболочки зернопродуктов. Это повышает ценность пива, что может служить причиной ухудшения его вкуса.

На скорость фильтрования влияют состав и высота фильтрующего слоя. При фильтровании на фильтр-аппарате фильтрующим слоем является слой дробины, образующийся при отстаивании затора. Солод хорошего растворения, имеющий рекомендуемый состав помола дает рыхлый, легкопроницаемый слой.

На скорость фильтрования существенно  влияет температура, которая должна быть не выше 78 во избежание инактивации α-амилазы. Последняя завершает доосахаривание остатков крахмала. Кроме того, более высокая температура способствует увеличению растворимости продуктов гидролиза белка, полифенольных и других веществ, что влияет на стойкость пива.

В щелочной воде легко растворяются дубильные и горькие вещества оболочек. Но при длительном экстрагировании  даже вода нормального состава извлекает  из оболочек вещества, обуславливающие  неприятный вкус пива.

2. Механизм протекания процесса фильтрования

Фильтрованием называется процесс  разделения суспензий, пылей и туманов через пористую, так называемую фильтровальную перегородку, способную пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в них частицы (фильтрация в отличие от фильтрования — это движение жидкости или газа сквозь пористую среду, например просачивание воды сквозь грунт основания плотины). Фильтрование осуществляется под действием разности давлений перед фильтрующей перегородкой и после нее или в поле центробежных сил.

Интенсивность фильтрования зависит от качества суспензий, полученных на предыдущих стадиях технологического процесса: дисперсной системы с пониженным сопротивлением осадка, без смолистых, слизистых и коллоидных веществ.

При разделении неоднородных систем фильтрованием возникает необходимость выбора конструкции фильтра или фильтрующей центрифуги, фильтровальной перегородки, режима фильтрования.

В качестве фильтрующих материалов применяют зернистые материалы — песок, гравий для фильтрования воды, различные ткани, картон, сетки, пористые полимерные материалы, керамику и т.д.

По целевому назначению процесс  фильтрования может быть очистным или  продуктовым.

Очистное фильтрование применяют  для разделения суспензий, очистки  растворов от различного рода включений. В этом случае целевым продуктом является фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование используют при осветлении вина, виноматериалов, молока, пива и других продуктов.

Назначение продуктового фильтрования — выделение из суспензии диспергированных в них продуктов в виде осадка. Целевым продуктом является осадок. Примером такого фильтрования является разделение дрожжевых суспензий.

3. Оборудование для проведения процесса фильтрования пива

 

Фильтрование пива применяется в промышленном пивоварении и используется для увеличения срока хранения продукта.

Пиво  фильтруют от остатков дрожжевых  и бактериальных клеток, взвешенных частиц, различных мутеобразующих примесей.  При этом используются намывные кизельгуровые фильтры, фильтр-прессы, сепараторы, а также фильтрующие элементы патронного типа (картриджи).

Рамный  фильтр-пресс (рис. 3) используется для осветления виноматерйалов, вина, молока и пива. Фильтрующий блок состоит из чередующихся рам и плит с зажатой между ними фильтровальной тканью или картоном. Рамы и плиты зажимаются в направляющих 6 зажимным винтом 7. Фильтр монтируют на металлической станине.

1 — упорная плита; 2 — рама; 3 — плита; 4 — фильтровальная перегородка; 5 — подвижная плита; 6 — горизонтальная направляющая; 7 — винт; 8 — станина; 9 — желоб

Рисунок 3. Рамный фильтр-пресс

Каждая  рама и плита (рис. 4) имеют каналы для ввода суспензии и промывной жидкости. На поверхности плит с обеих сторон расположены сборные каналы 4, ограниченные сверху дренажными каналами, а снизу отводным каналом.

1,2 — каналы для ввода суспензии и промывной жидкости; 5—дренажный канал; 4—сборный канал; 5 — отводной канал

Рисунок 4. Рама (а) и плита (б) фильтр-пресса

При фильтровании (рис. 4а) суспензия под давлением подается через каналы в рамах и плитах и распределяется по всем рамам. Фильтрат стекает по дренажным и сборным каналам в плитах и удаляется через отводные каналы. При промывке осадка (рис. 4б) промывная жидкость под давлением вводится через соответствующие каналы, распределяется по рамам и проходит обратным током через фильтровальную перегородку, промывает осадок, а затем удаляется из фильтра через отводные каналы. При промывке отводные каналы всех нечетных плит блока должны быть закрыты. Основной недостаток рамных фильтр-прессов — трудоемкость выгрузки осадка и замены фильтровальной перегородки. Для выгрузки осадка необходимы разборка вручную фильтровального блока и промывка плит и рам.

а — фильтрование; б — промывка осадка; 1 — рама; 2 — плита

Рисунок 5. Схема работы рамного фильтр-пресса

Для извлечения пива и дрожжей из дрожжевой суспензии, образующейся при седиментации в бродильных чанах и танках, применяют барабанный вакуум-фильтр, изображенный на рис.6. Фильтровальный элемент состоит из крупноячеистой сетки, на которую накладывается мелкоячеистая сетка. Для улучшения условий фильтрования на мелкоячеистую сетку намывается слой вспомогательного материала — кизельгура либо картофельного крахмала. Пивная или дрожжевая суспензия, подаваемая из бака, при вращении барабана равномерно распределяется по фильтровальной поверхности, а дрожжевой осадок (лепешка) срезается ножом, установленным над баком. Содержание сухих веществ в дрожжевой лепешке достигает 25...28 %. Обрызгивание подсыхающей лепешки водой способствует увеличению выхода пива примерно на 20 %.

Детали  фильтра, находящиеся в контакте с фильтрующей средой, выполнены из нержавеющей стали. Все детали фильтра легко очищаются.

1 — насос для фильтрата; 2 — вакуум-насос; 3 — пеногаситель; 4 — фильтровальный элемент; 5 — барабан; 6 — труба для фильтрата

Рисунок 6. Барабанный вакуум-фильтр

 

4. Основные кинетические закономерности процесса фильтрования пива

 

При фильтровании поток жидкости проходит через пористую перегородку из твердого или волокнистого материала, которая может быть представлена как слой зернистого материала (рис. 7). Поры между частицами образуют каналы неправильной формы, по которым движется поток V фильтруемой жидкости.

Рисунок 7. Схема движения жидкости через фильтрующую перегородку

Критериальное уравнение, описывающее движение потока фильтруемой жидкости через пористый слой, записывают в следующем виде:

где Eu – критерий Эйлера, характеризующий отношение сил давления к инерционным силам;

         Re – критерий Рейнольдса;

        l — толщина осадка или фильтрующей перегородки, м;

       d_эк — эквивалентный диаметр каналов, м (диаметр каналов круглого поперечного сечения, обладающей той же пропускной способностью, что и рассматриваемый канал неправильной формы), м.

Коэффициент А и показатели степеней m и n определяются экспериментально.

При фильтровании критерии Эйлера и Рейнольдса определяются по следующим выражениям:

Критерий Эйлера

где Δр – перепад давлений по обе стороны фильтровальной перегородки, Па;

    ρ_ж – плотность фильтруемой жидкости, кг/м³;

       – скорость фильтрования, м/с.

Критерий Рейнольдса

Для характеристики геометрических особенностей рассматриваемой системы в критериальное уравнение введен параметрический критерий

При малом  диаметре каналов фильтрующей перегородки  или каналов в осадке на фильтрующей  перегородке ламинарный режим фильтрования имеет место при Re <70.

Для ламинарного  режима фильтрования зависимость (1) имеет вид

            (2)

Для турбулентной области при 70 ≤Re ≤7000

         (3)

В уравнениях (2) и (3) определяющим размером является эквивалентный диаметр каналов в слое зернистого материала, а скорость потока отнесена к свободному сечению каналов.

Эквивалентный диаметр каналов в слое зернистого материала определяется по формуле:

                                             (4)

 где ε — доля пустот в слое зернистого материала, или коэффициент свободного объема;

      σ—удельная площадь поверхности зерен, т, е. площадь поверхности зерен, находящихся в единице объема слоя (в м²/м³):

                    (5)

                 (6)

где V— общий объем, занимаемый зернистым слоем, м³;

 V_o— объем, занимаемый частицами, образующими слой, м³;

 V-V_o—свободный объем (объем каналов в слое), м³;

F, — поверхность зерна, м²;

V₃ — объем зерна, м³.

Эквивалентный диаметр каналов в слое может  быть выражен через диаметр частиц (зерен) d₃.

Для частиц правильной сферической формы

        (7)

для частиц неправильной формы

      (8)

где Ф — фактор формы частиц;

где F_ш — площадь поверхности шара, имеющего тот же объем, что и рассматриваемая частица площадью поверхности F. Например, для куба Ф=0,806, для цилиндра Ф=0,69, для диска Ф=0,32. Значения фактора формы частиц приводятся в справочниках.

Фактор  формы частиц связан с коэффициентом  формы частиц соотношением

 

Сопротивление фильтрующего слоя