作者：刘光成
出版社：中国轻工业出版社
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高等职业教育酿酒技术专业系列教材·啤酒过滤技术试读：
前言
本书参考《啤酒酿造工国家职业标准》中啤酒过滤工的工作要求编写而成。书中系统地介绍了啤酒过滤的原理、方法和设备、过滤介质的选择与应用、工艺流程的控制和操作等内容，并对当今啤酒稳定化处理的方法以及高浓稀释酿造工艺等进行了详细的描述。
在本书编写过程中坚持以“基于啤酒过滤工作过程”为导向，以“理论实际一体化”为原则，注重实践与应用。本书内容简明实用，通俗易懂，图文并茂，可作为酿酒技术专业教学用书，也可作为高职高专发酵专业及其他相关专业的教学参考用书。
本书的编写工作得到了湖北轻工职业技术学院中德啤酒学院的大力支持与帮助，中德啤酒学院的熊志刚老师、谢恩润老师为本书的编写提供了大量的资料和技术支持。在此，谨向他们表示衷心的感谢。
本书全文由中德啤酒学院刘光成老师编写，由于时间仓促、水平有限，编写中难免有不当及疏漏之处，恳请专家和读者指正，以便在今后再版时加以更正。湖北轻工职业技术学院中德啤酒学院刘光成第一章啤酒过滤系统
知识目标
1.理解并掌握啤酒过滤的原理；
2.理解并掌握啤酒过滤的目的和要求；
3.理解并掌握影响啤酒可滤性的因素和处理方法；
4.了解啤酒过滤系统的组成；
5.掌握啤酒过滤设备的名称。
技能目标
1.能画出啤酒过滤系统组成图；
2.能描述啤酒过滤的原理。第一节 啤酒过滤的基本知识
啤酒发酵结束后，啤酒口味已经成熟，而且经过一段时间低温冷储后的酒液也逐渐澄清，但是这种自然的澄清不能满足消费者和生产者对啤酒外观的要求；同时，由于酒液中仍然存在的蛋白质和酵母细胞的影响，啤酒的生物稳定性和非生物稳定性很难令人满意，无法满足市场销售对啤酒质量的要求。因此，必须让啤酒进入过滤工序进行处理。
一、啤酒过滤的目的和要求（一）啤酒过滤的目的
过滤是一种机械分离过程，通过过滤可以将啤酒中还存在的酵母细胞和其他浑浊物从啤酒中分离出去，达到澄清透明的程度。总之，啤酒过滤的目的就是使啤酒能够保存，至少应使啤酒在“最低保存期限”内不出现外观变化，以保证啤酒外观的完美性。（二）啤酒过滤的要求
1.快速、彻底地分离浑浊物，达到啤酒国家标准对浊度方面的要求
啤酒经过低温冷贮后，虽然部分浑浊物由于低温的作用而凝聚下沉，酒液出现澄清，但是这种澄清度达不到酿造工艺上的要求；通过啤酒过滤设备，可以将酒液中仍然存在的浑浊物分离出去，如啤酒酵母、蛋白质、蛋白质-单宁复合物、多酚物质、β-葡聚糖及一些糊状物质，分离后，酒液变得清亮、透明、有光泽；同时，由于去除了对啤酒非生物稳定性不利的蛋白质类物质，啤酒的非生物稳定性得到了很大程度的提高，延长了保质期。
在啤酒理化分析中，主要通过测量啤酒的浊度来反映其清亮程度，也就是啤酒过滤的效果。啤酒国家标准（GB 4927—2008）中规定，优级啤酒的浊度为≤0.9 EBC。
2.尽可能地去除酒液中可能存在的细菌，提高啤酒的生物稳定性
酒液中除了含有以上所述的浑浊物外，可能还会存在少量的细菌；这些细菌如果不去除的话，在适宜的条件下就会大量繁殖，对啤酒的质量产生破坏性的影响，使啤酒出现酸败。通过精度更高的过滤系统，可以较为彻底地滤除这些细菌，从而避免了对啤酒质量的影响，提高了啤酒的生物稳定性。
3.过滤过程中，应杜绝或尽量避免氧气与酒液的接触
氧气，化学性质最为活泼的一种气体，在啤酒酿造中，它被视为啤酒老化的“催化剂”。一旦氧气和酒液发生接触，氧化就不可避免；氧化后的啤酒颜色会呈现加深的趋势、口味会变差、老化被提前。过滤后的啤酒，溶解氧的含量越低越好，一般不允许超过20μg/L。
4.消除铁离子、钙离子和铝离子对啤酒的影响，减少由于机械效应而导致的凝胶的出现
如今，啤酒过滤主要采用硅藻土作为粗过滤的过滤介质。铁离子、钙离子和铝离子主要来源于硅藻土，如果它们被过多地带入酒液中，就会导致啤酒的颜色和口感发生很大的变化，啤酒过滤应该尽可能地消除这些离子所带来的影响；在啤酒过滤过程中，如果操作不当就会导致酒液循环时间过长，由于机械效应而出现凝胶；一旦出现凝胶，酒液的黏度会上升，可滤性会下降。
5.过滤前后，酒液的各项指标不应出现太大的变化
首先，啤酒的原麦汁浓度不应因为啤酒过滤而出现升高或降低（高浓稀释酿造工艺除外），这一点在啤酒过滤过程中应该得到保证；其次，由于过滤介质的吸附效应，啤酒的色度会降低0.5～1.0EBC，啤酒的苦味质量会变得更加柔和，啤酒的整体口感也会变得更加协调；最后，由于过滤过程中，酒液始终处于流动状态，二氧化碳含量会有所降低，下降0.2～0.5g/L，泡沫性能变化不大。
二、啤酒过滤的原理
啤酒过滤是利用过滤介质，将酒液中悬浮的浑浊物分离出去，使啤酒澄清透明的一个机械分离过程。分离的动力基于过滤机进口与出口的压力差。啤酒穿过过滤介质的压力是在不断变化的，并且随着过滤介质通透度的变化而变化。过滤过程中，过滤机进口处的压力总是高于出口处的压力，压力差越大，说明过滤介质的阻力就越大，此阻力会影响过滤进程。一般情况下，啤酒过滤速度与啤酒可滤性和过滤机过滤面积成正比，与压力差、啤酒黏度和过滤介质厚度成反比。
酒液中的浑浊物能够被过滤介质分离出来，主要依赖于以下三种分离效应（图1-1）。图1-1 过滤分离效应
1.筛分或表面效应
啤酒中的颗粒物质不能穿过过滤介质的孔洞而被截留于不断增厚的滤层表面。随着过滤的不断进行，过滤精度越来越高，但是流量却越来越小。滤网过滤和薄膜过滤均利用此种分离效应，除此之外，错流过滤的过滤机理也与此类似。
2.深度效应
现在越来越多地应用这种分离效应。多孔性的材料由于其巨大的表面积和幽深曲折的路径而将酒液中的颗粒物质截留下来，过滤介质的孔洞会不断地被堵塞，过滤机的过滤效率也会不断下降。
3.吸附效应
由于过滤介质和酒液中的颗粒物质所带电荷不同，过滤时细小的颗粒物质会被过滤介质所吸附而截留下来。
在以上三种分离效应中，筛分效应和吸附效应往往会同时出现。
三、啤酒的可滤性
尽管啤酒酿造中生产工艺的改进以及新技术的应用层出不穷，并且生产原料的质量也能得到一定的保证，但仍然会存在啤酒的可滤性问题。如果啤酒的可滤性较差，则会导致过滤介质的使用量上升、成本增加以及延长过滤时间。具体表现在以下方面：（1）较高的水、能源和过滤介质消耗量。（2）时间及人员费用的增加。（3）单批酒液的过滤时间较长，设备利用率下降。（4）后过滤的负担增加。（5）可能会出现酒液的生物污染，啤酒的质量稳定性下降。（一）影响啤酒可滤性的因素及改善措施
导致啤酒可滤性较差的原因不仅仅来自于啤酒发酵控制，还来自于其他的各个方面，应该说贯穿于整个啤酒酿造过程。具体影响因素及相应的改善措施如下：
1.原料质量
没有好的原料很难酿造出优质的啤酒。这一点已经被业界所公认，尽管现在可以通过各种新技术的应用和新产品的使用来弥补原料的质量缺陷。如果原料质量尤其是麦芽质量较差，就会导致生产出的麦汁质量较差，如麦汁中可凝固性氮含量较高、碘值较高、黏度较高等。这些缺陷最终将会导致发酵结束后的酒液可滤性下降。
改善措施：确保原料质量尤其是麦芽质量至少达到一定的标准（表1-1）。表1-1 麦芽部分质量指标参考值
注：（1）MTrs表示麦芽干物质；（2）实践证明，使用具有以上指标的麦芽进行酿造不会对啤酒的可滤性产生影响；（3）由于各个企业原料配比不同，所以以上指标仅供参考。
2.原料粉碎度的控制
原料的粉碎除了要满足工艺上的要求外，还要充分考虑到粉碎度对啤酒可滤性的影响。如果在粉碎过程中，产生了很多的粗粒甚至是整粒，将会影响糖化时的溶解，会形成较多的高分子物质，结果就是麦汁的黏度较高，啤酒的可滤性下降。
改善措施：粉碎时，特别要注意麦皮组分和粗粒组分的含量。在进行粉碎物分级评价时，麦皮含量要控制在17%～19%（仅适用于麦汁过滤槽），粗粒含量应不高于10%。
3.糖化工艺的选择
糖化工艺的选择在很大程度上取决于原料的质量和啤酒的种类。煮出法糖化工艺虽然可以带来较高的糖化车间收得率，但是会导致醪液的氧含量上升；较高的氧气摄入量，会使蛋白质链之间氧化聚合，分子质量上升，最直观的表现就是麦汁的黏度升高，随之而来的就是啤酒的可滤性下降。
改善措施：在保证糖化效果和糖化车间收得率的前提下，尽量采用浸出法糖化工艺，并且在糖化过程中控制好搅拌、温度、时间等参数。
4.麦汁过滤的控制
糖化结束后，醪液将被泵入麦汁过滤设备，醪液进入的方式会影响到氧气的摄入量；在麦汁过滤过程中，麦汁的清亮度是控制的重点，如果麦汁中含有较多的颗粒物质，无疑会对麦汁的碘值产生影响。这些都会导致啤酒的可滤性下降。
改善措施：倒醪时，醪液从麦汁过滤设备底部或支撑筛板上2～4 cm 处进入；确保麦汁过滤过程中的清亮度，最好安装在线浊度测量装置进行实时监测；完善糖化过程中各阶段碘值测量及信息反馈。
5.麦汁煮沸设备及煮沸效果
麦汁煮沸过程中，设备的设计对煮沸质量的影响很大。如果设备产生的剪切力很大，就会导致麦汁中的蛋白质类物质凝聚效果不理想，甚至还会导致出现更不利的凝胶现象。这些将会导致发酵液浑浊不清，冷储时难以澄清，可滤性便会下降。
改善措施：改进煮沸设备的设计，最好能实现无剪切力；制定合理的酒花添加方案，确保麦汁煮沸时蛋白质的凝固和多酚蛋白复合物的聚合效果。
6.麦汁处理效果
麦汁煮沸结束后，将对麦汁进行一系列的处理。其中，热凝固物和冷凝固物的分离效果直接会影响啤酒的可滤性。
改善措施：通过在回旋沉淀槽添加卡拉胶或硅藻土来加强热凝固物的分离效果，确保热凝固物含量<20 mg/L；对于冷凝固物的分离，除了适时排放锥底外，也可以使用卡拉胶或硅藻土等助凝剂加速冷凝固物的沉降，以保证分离效果。
7.接种酵母的性能和发酵工艺的控制
接种时，啤酒酵母的性能至关重要。如果啤酒酵母的性能较差，发酵时起发慢、降糖速度慢，最终会导致发酵周期过长，酒液难以澄清，从而影响啤酒的可滤性。在发酵控制中，除了温度控制至关重要外，压力控制和冷却控制也扮演了越来越重要的角色。尤其是冷却控制，如果冷却带的选择不合理，就会导致酒液在规定的时间内难以澄清，啤酒的可滤性也就会下降。
改善措施：接种时，选择活力高、起发速度快的酵母；发酵控制时，根据发酵的不同阶段，严格按照生产工艺要求选择合适的冷却带进行降温。（二）对未过滤酒液的要求
毫无疑问，未过滤酒液越清亮，啤酒过滤就越容易。也就是说，可滤性较好的酒液始终是啤酒过滤工作者所希望碰到的。那么，未过滤酒液要达到哪些方面的要求，才能说它的可滤性较好呢?6（1）悬浮酵母细胞数<2×10个/mL。（2）黏度<1.85mPa·s。（3）β-葡聚糖的含量<200mg/L。（4）碘值<0.25。（5）浊度<60EBC单位（<25°）。（6）pH在4.1～4.4。（三）酒液预澄清的方法及过程
如果未过滤酒液没有达到以上的要求，也就是说酒液的可滤性较差的时候，就要想办法让酒液在进入过滤之前尽可能地澄清。目前，很多企业针对这种情况采用离心机对酒液进行预澄清。
1.离心机的工作原理
离心就是利用离心机转鼓高速旋转产生的强大的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把液体中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开。
根据下列公式，可以计算出旋转方向的离心力：
式中 F——离心力，Nz
m——物体质量，kg2
a——离心加速度，m/sz
v——物体线速度，m/s
r——旋转半径，m
ω——物体角速度，s
从上述公式可以得知：物体旋转速度越快，质量越大，离旋转轴越远，产生的离心力就越大。如果离心机的箱室直径为600mm，旋2转速度为6000r/min，那么产生的离心加速度约为118315m/s，比较离心加速度与重力加速度（9.81m/s）即可发现，离心加速度是重力加速度的10000倍以上。所以，在离心机中产生作用的是一种不可想象的巨大力量。
2.离心机的类型及特点
离心机可以分为室式离心机和碟式离心机。目前，用于啤酒酿造行业的主要是碟式离心机（图1-2）。图1-2 碟式离心机
1—进口 2—出口 3—抓手 4—带液体探头的澄清碟片 5—碟片 6—带液体探头的分离碟片
7—固体物室 8—固体物出口 9—环阀 10—排出喷头 11—贮存室 12—喷头
13—柱塞滑板 14—封闭室 15—调节阀 16—控制抓手 17—流量监控器
18—控制器 19—封闭水阀 20—用于预选排空量的控制水阀 21—打开水阀
碟式离心机是一种带有完整转鼓夹套的设备，转鼓直径在800 mm以内，转速为2500～10000r/min，转鼓的直径与转速有关。离心力不能无限制扩大，因为离心力越大，对钢材的抗拉强度要求也就越高，所以要限制离心力。转鼓中安装的锥形碟片最多可以达到200个，碟片的安装倾角为50°～60°，倾角的大小取决于碟片表面的粗糙程度和固定部件的滑动摩擦系数。碟片厚0.4～0.6mm，彼此间距为0.3～0.4mm，此间距由铆接的间隔条确定，碟片的中间有一个开口，即上升孔洞，它们连在一起就形成了用于分配分离物的上升通道。碟式离心机备有用于排除浑浊物的自卸装置，排放方式分为间歇式和连续式两种。
3.使用离心机对酒液进行预澄清的过程（图1-3）图1-3 使用离心机对酒液进行预澄清处理流程图（1）准备工作 根据离心机使用说明以及CIP 清洗杀菌标准程序（SOP）对离心机进行清洗和杀菌，使离心机达到工作状态；然后，对预澄清流程所涉及的管道和设备进行严格的清洗和杀菌处理，满足生产要求；最后，将所有设备连接，准备进行预澄清处理。（2）预澄清处理 首先，使用无菌水将离心机彻底排空，并充满离心机；其次，打开酒液输送泵，将酒液送入薄板冷却器进行急冷处理，将其冷却至0～1℃后进入离心机将无菌水顶出；最后，开启离心机，酒液沿着上升通道向上流动，此时较重的颗粒物质压向碟壁，并沿着碟片内侧向外滑动，而较轻的酒液则与此相反，沿着碟片的上部向内流动，通过清酒管路被甩出离心机进入缓冲罐，颗粒物质聚集在转鼓四周，达到一定量后，排泄阀自动打开进行间歇式排放。（3）收尾工作 酒液预澄清处理结束后，使用无菌水将离心机转鼓内的残余酒液顶出送入收集罐内，关闭离心机，参照CIP清洗杀菌标准程序进行后清洗。第二节 啤酒过滤的方法和设备
一、啤酒过滤的方法
按照啤酒过滤时酒液的流动方向不同，可以将啤酒过滤的方法分为两种：静态过滤和动态过滤。（一）静态过滤
静态过滤属于传统的啤酒过滤方法。在过滤过程中，酒液以与过滤介质垂直的方向流动，由于过滤介质的拦截和吸附作用，酒液中的固形物不断积淀在过滤介质表面，穿过过滤介质的酒液变得清亮透明；随着过滤的不断进行，过滤层越来越厚，过滤压差越来越大，过滤速度也就越来越慢，直至无法过滤。因此，这种过滤方法的有效过滤时间总是有限的。目前，绝大多数啤酒过滤设备都是采用静态过滤方法来对啤酒进行过滤处理。（二）动态过滤
动态过滤也称错流过滤技术（cross-flow microfiltration，CMF），是20 世纪90年代开发的新技术。动态过滤与静态过滤相比（图1-4），最成功之处在于使用膜或微孔陶瓷材料替代硅藻土，使啤酒过滤不再依靠助滤剂。在动态过滤过程中，酒液以与过滤介质（膜或微孔陶瓷材料）平行的方向流动并且进行循环，在流体湍流的作用下，不断冲洗过滤介质表面，始终只会有少量的固形物停留在过滤介质上，从而实现澄清酒液的目的。
由于动态过滤采用孔径更小的膜或陶瓷材料作为过滤介质，同时再加上在流体湍流作用下体现出的“自清洗”功能，从而使啤酒过滤一次性完成，并且过滤的有效时间基本上没有限制。图1-4 动态过滤和静态过滤对比图
目前，动态过滤已经在国外的一些啤酒厂中被应用；相信在不久的将来，动态过滤将取代静态过滤被广泛地应用于啤酒行业。
二、啤酒过滤的设备
根据啤酒过滤方法的不同，可以将啤酒过滤设备分为两大类，即，静态过滤设备和动态过滤设备。（一）静态过滤设备
1.棉饼过滤机
棉饼过滤机（图1-5）是世界上第一台用于啤酒过滤处理的设备，于1960年左右投入生产使用。它主要以由纤维素、棉绒和石棉压缩而成的棉饼作为过滤介质，由于操作繁琐、劳动强度大等缺点，目前已经被啤酒生产企业所淘汰。图1-5 棉饼过滤机一览
2.预涂式硅藻土过滤机
预涂式硅藻土过滤机主要采用硅藻土作为过滤介质，对啤酒进行粗过滤处理。使用时，首先将硅藻土预涂在过滤机的支撑材料上形成过滤层，然后再对啤酒进行粗过滤。目前，在啤酒行业中最常见的有三种硅藻土过滤机（图1-6）。即，板框式硅藻土过滤机、叶片式硅藻土过滤机和烛式硅藻土过滤机。图1-6 预涂式硅藻土过滤机一览
3.纸板过滤机
纸板过滤机（图1-7）以由纤维素以及其他辅助材料压缩而成的纸板作为过滤介质，主要用于硅藻土过滤后的精过滤处理。使用时，一般将其安装在硅藻土过滤机的后面；根据纸板的孔径及材料组成不同，纸板过滤机又有不同的作用。如，精滤处理、无菌化处理以及稳定化处理等。图1-7 纸板过滤机一览（二）动态过滤设备
1.膜过滤机
膜过滤机（图1-8）是最近使用最为广泛的一种用于啤酒无菌化处理的过滤方式，被作为啤酒过滤的终端设备。它主要以微孔膜作为过滤介质，多用于纯生啤酒的无菌化处理，从而提高啤酒的生物稳定性。膜过滤机除了用于啤酒处理外，还应用于水处理、气体无菌化处理等方面。图1-8 膜过滤机一览
2.错流过滤机
错流过滤机（图1-9）采用膜或微孔陶瓷材料作为过滤介质。由于过滤介质的孔径很小以及动态过滤的特有优势，错流过滤机可以实现啤酒的一次性过滤，即，粗过滤、精过滤和无菌化处理一次完成。图1-9 错流过滤机一览第三节 啤酒过滤系统的组建
一、啤酒过滤系统（一）定义
啤酒过滤系统是指为了达到啤酒过滤的目的，由啤酒过滤设备和附属设备及装置而组成的一个集合体。（二）组成
1.缓冲罐
缓冲罐主要起到避免压力冲击以及保证过滤流出液的绝对均匀性的作用。通常情况下，在过滤机前后分别连接一个立式带喷头以便于清洗的缓冲罐。
2.用于预澄清处理的前置离心机
为了降低硅藻土的消耗及废土处理的高额费用，大型啤酒厂越来越多地使用前置离心机对酒液进行预澄清处理。离心机能分离掉大部分酵母细胞，使酒液中的酵母负荷保持在一个恒定值，同时也能避免在过滤过程中出现酵母冲击的现象。一般情况下，前置离心机的设置可以使硅藻土的消耗量降低20%～50%，同时使过滤机的有效过滤时间延长一倍。尽管离心机的购置和运行成本较高，但是随着它的不断使用，很多啤酒厂很快就收回了投资。如果避免了二氧化碳损失和氧气摄入，那么离心处理几乎不会对啤酒质量产生影响。
3.相互串联、过滤精度越来越高的过滤机
这是啤酒过滤系统的核心部分。它主要由硅藻土过滤机、纸板过滤机以及膜过滤机组成，这些设备可以完成啤酒的粗过滤、精过滤以及无菌化的处理。过滤机设置的根本原则始终是按照设备的过滤精度，由“粗到细”排列，随着过滤精度的不断提高，过滤流速（表1-2）会越来越低，所以过滤面积应越来越大。表1-2 不同类型的过滤机的作用及过滤流速一览表
4.对水进行脱氧处理的装置
对水进行脱氧处理的装置主要是对过滤机预涂用水以及高浓稀释用水进行脱氧处理，从而降低啤酒在过滤过程中的吸氧可能性，提高碳酸化处理时的气体饱和度。目前，啤酒厂中使用较多的脱氧装置是真空脱氧罐。
5.酒头和酒尾储存罐
酒头和酒尾储存罐主要用来存放啤酒过滤过程中收集到的酒头和酒尾。储存罐一般为具有保温功能的立式罐，并带有喷头以便于清洗。
6.在线测量装置
在线测量装置主要是对过滤过程中的酒液进行各项指标的在线测量，实现实时监测，便于自动化控制的实现。一般情况下，在线测量的指标包括酒液的浊度、浓度、溶解氧含量及二氧化碳含量。
7.各个设备的控制部分
各个设备的控制部分主要包括电路控制部分、气电转换控制部分及可编程控制部分等。
8.清酒罐
过滤后的啤酒进入作为灌装缓冲罐的清酒罐中，并在清酒罐中最多储藏72 h。清酒罐是过滤机和灌装机之间的缓冲容器，可以很好地保证灌装质量的稳定性。清酒罐大多为立式的镍铬钢罐，里面配有便于清洗的喷头，外部加装保温层。清酒罐不配备冷却装置，一般安装在室温为0～2℃的清酒间。
二、啤酒过滤系统的组建
使用何种类型的过滤机以及如何连接是很多啤酒生产企业在组建啤酒过滤系统时要面对的一个关键问题。在组建啤酒过滤系统时，主要考虑以下几个方面：
1.未过滤酒液的特点
啤酒发酵结束以后，在过滤以前需要对未过滤酒液进行取样分析，然后根据分析指标得出未过滤酒液的特点，也就是酒液的可滤性如何。如果未过滤酒液的可滤性较差，如，黏度过高、悬浮酵母细胞数过多等，在组建过滤系统时就要考虑增加前置离心机对酒液进行预澄清处理。另一方面，如果未过滤酒液的非生物稳定性较差，那么就要考虑增加稳定化处理设备或使用稳定剂，如，使用PVPP过滤机或添加非生物稳定剂（硅胶或一次性PVPP）。
2.过滤设备的排列原则
根据过滤设备的过滤精度，始终按照由粗到细的原则进行设备的排列。即，先使用硅藻土过滤机进行粗过滤，然后再使用纸板过滤机进行精滤，最后使用膜过滤机进行无菌化处理。
3.啤酒的品种
生产熟啤酒时，由于啤酒灌装后还要进行巴氏杀菌的处理，所以在组建过滤系统时，就不需要考虑啤酒的无菌化处理；相反，在生产纯生啤酒时，就要考虑对啤酒进行无菌化的处理。如，使用膜过滤机或无菌纸板过滤机进行冷无菌过滤。【例】 某啤酒厂拟生产浅色纯生啤酒，现在啤酒的发酵酒龄为10d，无低温储酒阶段，请你根据上述情况设计并组建一套适用于该啤酒厂的过滤系统，并用图示的方法画出需要使用到的设备流程图，简单说明你的设计理由。【分析】 ①生产浅色纯生啤酒：需要对啤酒进行无菌化处理；
②发酵酒龄为10d，无低温储酒阶段：由于酒液没有进行低温冷储，所以酒液中会含有较多的悬浮物质，冷凝固物析出不够，非生物稳定性较差；针对以上情况，需要对酒液进行预澄清处理以及稳定化处理。【解答】 综上所述，适合该啤酒厂的啤酒过滤系统中至少应该含有以下设备或装置：第四节 啤酒过滤车间的安全和卫生规范
一、啤酒过滤车间安全规范（1）严格按照各设备操作规程执行操作，注意用电安全，避免发生安全事故。（2）生产现场要做好安全标识及警示标志，做到防患于未然。（3）过滤介质（如，硅藻土）应单独存放在干燥、通风的地方，不要同其他物品混放。（4）添加硅藻土时应佩戴相应劳保用品，如，口罩、手套等，以免出现粉尘危害。（5）在清洗时，勿用热碱清洗带CO的容器。2（6）生产过程中，要注意各设备和容器的最高工作压力，严禁设备或容器在过压下工作。（7）定期校正压力表和温度探头，并检查过滤机罐体和清酒罐上的真空、安全阀门是否正常。（8）在硅藻土计量罐运行时，严禁添加生产规定之外的其他物品。（9）注意车间的CO浓度，保证正常通风。2（10）加强巡检，发现问题及时处理。
二、啤酒过滤车间卫生规范（参照GB 8952—1988《啤酒厂卫生规范》中有关规定）（1）生产现场无泄漏物、垃圾、油污、积水，墙面无积尘、污垢、蜘蛛网，门窗、玻璃、窗台无积尘、杂物。（2）设备、管道及容器表面无油污、积尘。（3）各设备和容器要严格按照CIP标准操作程序执行操作，做到“清洗无残留、清洗无死角、杀菌要彻底”。（4）排水地沟要保持畅通无阻，定期进行清洗和杀菌处理。（5）生产辅助用具要定点存放，摆放整齐。（6）硅藻土及助滤剂存放区域，要做好防尘处理，定期进行清理。（7）过滤产生的废弃硅藻土不能直接排入地沟，要集中存放在指定的容器内，按照相关规定进行处理。（8）板框式硅藻土过滤机和纸板过滤机在清洗杀菌结束后，要注意纸板的防霉处理。（9）生产现场墙面和空间要定期进行消毒处理。（10）生产现场要配备洗手更衣间，操作者要做好个人卫生。
复习思考题
1.啤酒过滤的目的和要求是什么?
2.列举过滤的三大效应。
3.什么是啤酒的可滤性?
4.哪些因素会影响啤酒的可滤性?
5.哪些措施可以改进啤酒的可滤性?
6.可滤性较好的啤酒要具备哪些特点?
7.如何对未过滤酒液进行预澄清处理?
8.静态过滤和动态过滤的区别是什么?
9.列举常用的啤酒过滤设备。
10.在组建啤酒过滤系统时，要考虑哪些因素?第二章啤酒过滤介质
知识目标
1.掌握啤酒过滤介质的种类；
2.了解硅藻土的加工流程；
3.理解并掌握硅藻土的存放要求；
4.理解并掌握硅藻土的分类及区别；
5.理解硅藻土的过滤效应；
6.掌握纸板和膜的类型及用途。
技能目标
1.能辨别硅藻土的种类；
2.能根据设备的参数，进行硅藻土使用量的计算。
在对啤酒进行过滤处理时，过滤介质必须被涂在过滤支撑材料上。没有过滤支撑材料，就无法使用过滤介质进行过滤。目前，使用较多的过滤支撑材料有以下两种：
1.金属过滤筛或纺织物
有不同种类的金属筛、裂缝筛或平行安装于烛式硅藻土过滤机上的异型金属丝和金属编织物，由于其清洗和灭菌的效果较好，所以被广泛地应用于啤酒过滤设备中。纺织编织物是近几年才出现的一种材料，但由于它不好灭菌，所以在啤酒过滤中很少采用，主要用于麦汁压滤机中作为过滤介质。
2.过滤板
过滤板主要由纤维、棉花、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维和其他材料组成。过滤板的种类很多，作为支撑材料的过滤板被称为“支撑纸板”。第一节 硅藻土
一、硅藻土的来源
硅藻土是单细胞藻类的化石，主要成分为二氧化硅，在海洋中有15000多种。几百万年前，这些藻类随时间的流逝而沉积于海底，形成了厚厚的硅藻化石。
通过地表的移动，硅藻土矿床能有数百米厚，如美国加利福尼亚的Lompoc，但由于经济方面的原因，许多矿床都未能开发。如今，硅藻土矿床的开采地主要有：美国的Lompoc、墨西哥的Jalisko、法国的Murat、智利的Arica以及中国吉林的长白山和云南的腾冲。使用具有一定装载能力的推车以及大型载重汽车来完成硅藻土的露天开采，将开采出的矿物质按质量分类并输送至天然的料仓中等待加工。
二、硅藻土的加工流程及分类
天然硅藻土中含有有机物、砂石、黏土、可溶性碳酸盐及铁等杂质，这些杂质，尤其是重金属必须在加工时被去除，否则会在啤酒过滤时对酒液质量产生不良的影响。通常的硅藻土加工流程为（图2-1）：图2-1 硅藻土加工流程图
根据硅藻土的加工形式，可以将加工处理后的硅藻土分为以下三种类型：
1.细硅藻土
首先将天然硅藻土（原土）研磨压碎，然后将其置于旋转管炉中，在400℃下进行干燥处理。在这种状态下，硅藻土的天然结构及其孔径得以保留，这样形成的硅藻土为细硅藻土 [图2-2（1）]。
2.中硅藻土
将干燥过的硅藻土加热到800℃，硅藻土颗粒的上表面在此过程中烧结在一起而形成较大的颗粒，内部的孔洞结构和硅藻土的过滤活性则得以保留。和细硅藻土相比，中硅藻土的通透性更好，过滤速度有所提高。
3.粗硅藻土
天然硅藻土经过研磨压碎后，加入旋转管炉中，然后加入氯化钠或碳酸钠作为流体材料，以此来降低二氧化硅的熔点；打开加热，在800～900℃下进行煅烧处理，通过烧结作用形成更大的混合物。硅藻土中的氧化铁和氧化铝在此过程中转化成难溶解的混合硅酸盐，使得与流体材料一起煅烧的硅藻土看上去几乎呈白色，这就是粗硅藻土 [图2-2（2）]。由于粗硅藻土颗粒比前两种都大，通透性最好，所以主要用于对过滤设备进行预涂处理。图2-2 硅藻土显微图片（以上图片放大约1000倍，由德国Schenk过滤机制造有限公司提供）
加工后的硅藻土颗粒大小一般为1～200μm，颗粒越小，则酒液被过滤得越清亮，但过滤速度也就越慢。粗硅藻土与细硅藻土正好相反。过滤量和过滤精度是一对互为矛盾的因素，表2-1列出了各种型号的硅藻土的过滤量和过滤精度的对比。表2-1 各种型号的硅藻土分析结果一览表
三、硅藻土的检验及相关标准（一）硅藻土的检验
1.感官检验（1）呈粉末状，不应有结块，无杂质；（2）颜色均匀，不应有色差，粗硅藻土为白色、细硅藻土为棕红色；（3）手感不应有滑腻感、粘连感；（4）无异味。
2.理化分析（1）水含量 <0.5%。（2）砂土含量 <2%。（3）硅酸含量 >90%。（4）铁含量 <1.5%。
若硅藻土中铁离子含量过高，在啤酒过滤时就会被带入酒液中，很容易导致成品啤酒中铁离子含量增加；一旦铁离子含量超过0.4mg/L，啤酒就会具有一种金属味，与氧化合还会导致口味过早老化、颜色加深以及出现喷涌等现象。为了降低硅藻土中铁离子对啤酒的不良影响，可以在用无菌水进行预涂时添加乳酸或柠檬酸，将硅藻土中的铁溶解出来。（5）渗透率 是指滤液黏度为0.001Pa·S，滤饼上压力为0.1MPa 时，单位滤饼面积、单位滤饼厚度、单位时间内所通过的滤液量，单-122位为达西（Darcy，1darcy=1.019×10m）。其计算公式如下：
式中 k——换算系数1.013253
V——过滤量，m
H——滤饼厚度，m2
A——过滤面积，m
P——滤饼上的压力，MPa
从上式可以看出，渗透率高，说明滤饼的通透性好，过滤速度快，从而反映出硅藻土颗粒较大；反之，则反映出硅藻土颗粒较小。因此，可以通过硅藻土的渗透率来确定其颗粒大小，即硅藻土类型，如表2-2所示。（6）湿密度 是指在一定压力下硅藻土质量与体积之比，以 g/L 表示。最适合过滤的硅藻土的湿密度应小于300 g/L。如果湿密度较高，则在相同过滤效果和相同过滤能力的情况下，硅藻土的使用量及压差上升速度就会增大。表2-2 渗透率和硅藻土类型的关系
根据硅藻土的湿密度，可以反推出硅藻土的湿体积约为3.4 L/kg。（二）相关标准
根据硅藻土助滤剂标准（GB 24265—2009）和硅藻土卫生指标（GB 14936—1994）中的相关规定，好的硅藻土在显微镜下观察，应为圆盘状、棒状、枝状、块状等形状复杂、多孔隙和独立的颗粒，这样才能形成高渗透率、稳定的滤饼；除此之外，硅藻土还应有良好的烧结度，也就是要具有一定的刚性，这样形成的滤饼才能耐压、不容易出现裂痕；硅藻土的化学性质要稳定，对被滤液体不能产生任何影响。表2-3中列举了硅藻土的质量标准，仅供参考。表2-3 硅藻土质量标准
四、硅藻土的使用
由于硅藻土具有颗粒细小、疏松多孔、表面积大、吸附能力强等优点，所以被广泛地应用于啤酒粗过滤中作为过滤介质。（一）使用范围
在啤酒粗过滤处理中，硅藻土主要用于以下两个方面：
1.预涂
预涂是指将硅藻土涂在过滤支撑材料上面形成过滤介质的过程。预涂时，一般采用两次预涂的方法，即：首先使用粗硅藻土形成架桥层，然后再使用粗、细硅藻土混合的形式形成过滤层。预涂后，会在过滤支撑材料形成厚度为2～4 mm的过滤层。
2.补料
仅仅依靠预涂所形成的过滤层是很难完成啤酒过滤过程的，为了使过滤过程保持相对稳定和快速，必须在过滤开始后不断地往过滤设备中追加硅藻土，以形成新的过滤层。（二）使用量
硅藻土不仅是一种非常昂贵的过滤介质，而且还会造成一定的排污费用。因此，必须在保证过滤质量不受影响的前提下，尽量降低其使用量。硅藻土的使用量在80～200 g/hL啤酒之间波动，一般为150～180 g/hL啤酒。
预涂时，硅藻土的使用量主要取决于过滤支撑材料的表面积，即：2过滤面积。一般情况下，按照1000g/m计量添加；连续补料时，使用量取决于待过滤酒液的体积和啤酒的可滤性，为60～120 g/hL。【例】 某啤酒生产企业拥有一套400 hL/h的硅藻土过滤系统，其22过滤面积为80m、浊酒室容积为1224L。若预涂时按照1000g/m、补料时按照100g/hL来计量添加硅藻土，并且所用硅藻土的湿体积为3.4 L/kg。请计算：①硅藻土的最大使用量；②预涂时硅藻土的使用量；③补料时硅藻土的使用量；④最大的过滤能力及时间。【分析】 由于已知过滤设备浊酒室的容积和硅藻土的湿体积，所以可以计算出硅藻土的最大使用量；然后再根据其他已知参数和计算公式求出各项值。【解答】 ①硅藻土的最大使用量：
1224÷3.4=360kg
②预涂时硅藻土的使用量：
1000×80=80000g=80kg
③补料时硅藻土的使用量：
360-80=280kg
④最大的过滤能力及时间：
280÷100（g/hL）=280÷0.1（kg/hL）=2800hL
2800÷400=7h（三）使用方法及注意事项
目前，啤酒过滤已经离不开硅藻土。使用硅藻土时会产生不利于人体健康的硅凝胶粉末，人体通过呼吸道吸入硅凝胶粉末，其中大部分又从肺中被带出体外，而一小部分细小的粉末会在肺部储存下来。随着时间的推移，这些吸入的粉尘最后会导致在呼吸道和肺部器官范围内形成硬结和变形，最终发展为矽肺和矽肺结核。因此，长期在硅凝胶粉尘下工作的人员应定期找专业医生进行检查。图2-3 配有倒袋机的硅藻土添加设备
基于以上原因，在使用硅藻土时应避免形成粉尘，建议采用以下措施或方法：（1）利用水射泵来吸走硅藻土计量泵旁的粉尘。（2）利用倒袋机实现硅藻土的无尘添加（图2-3）。（3）用绞龙压缩无尘排走空袋。（4）操作人员应佩戴配有P2颗粒过滤器的呼吸保护器。（5）硅藻土应以罐车形式运输，以立仓形式、在通风良好的条件下储存。
五、硅藻土的助滤剂
为了降低硅藻土的使用成本以及排污费用，改善啤酒粗过滤的效果，在啤酒过滤时可以使用以下物质作为硅藻土的助滤剂：珍珠岩、石棉纤维、α-纤维素、活性炭、硅胶或一次性PVPP。（一）珍珠岩
珍珠岩是一种由火山喷发形成的物质，主要由硅酸铝组成。原珍珠岩在800℃高温下被加热，其中的水分汽化，导致颗粒急剧膨胀破裂，再将所形成的玻璃状结构磨碎就形成了珍珠岩（图2-4）。图2-4 珍珠岩（此图片放大约1000倍，由德国Schenk过滤机制造有限公司提供）
加工处理后的珍珠岩是质量很轻（比硅藻土要轻20%～40%）、颗粒松散的粉末，具有吸附性能强、流动性好、过滤流量大和过滤速度快等优点；但是在预涂分布、滤层稳定性方面却不如硅藻土，并且滤液澄清度相对较差。所以，珍珠岩仅能替代部分的硅藻土作为助滤剂来使用。一般情况下，在第一次预涂时，将其和硅藻土按照1∶3的比例混合使用。（二）石棉纤维
石棉纤维（图2-5）是一种纤维状硅酸盐，用于啤酒过滤处理作为助滤剂的是硅酸镁。石棉纤维越细，过滤效果越好；在预涂中添加3%～5%的石棉纤维，可以增强硅藻土的架桥作用，提高过滤层的机械强度，从而改善啤酒的过滤效果。图2-5 石棉纤维（此图片放大约1000倍，由德国Schenk过滤机制造有限公司提供）
石棉纤维过去是过滤纸板的主要成分。因有研究表明，石棉纤维可能会导致癌症，所以现在禁止在食品行业中使用，转而使用其替代产品α-纤维素。（三）α-纤维素图2-6 α-纤维素（此图片放大约1000倍，由德国Schenk过滤机制造有限公司提供）
α-纤维素（图2-6），也称微晶纤维素，是经过单独提纯、部分解聚了的纤维素。呈白色干燥粉末状，具有一定的吸附能力。预涂时，2可以按照100～300g/m的标准来替代部分的硅藻土，通过α-纤维素的使用，可以使预涂形成的过滤层更加牢固、更加耐用；过滤补料时，按照3%～5%的比例添加，可以改善过滤效果、提高过滤速度并延长过滤的有效时间。（四）活性炭图2-7 活性炭加工流程图
活性炭是以优质木材为原料，首先在缺氧及300～500℃的高温下进行炭化处理 [图2-7（1）]，将原料热解形成多裂孔性的炭结构体，在炭化期间，大部分的非炭元素，例如氢气，借助热解作用而发生气化，冲击炭结构体形成一些不规则的裂隙；然后，利用蒸气或化学物质对炭结构体进行活化处理 [图2-7（2）]，来清除炭化过程中积蓄在裂隙结构中的焦油等物质，从而扩大炭化料裂隙及创造微孔以提高孔洞体积或比表面积，产生具有高吸附性能的活性炭。
由于活性炭（图2-8）是一种很细小的炭粒，具有很大的比表面2积（500～1400m/g），并且在加工处理过程中形成了很多不规则的毛细孔，从而赋予了活性炭超强的吸附性能。主要用于食品、酒类、饮料、自来水净化等领域进行脱色去味的处理。啤酒过滤过程中，可以在连续补料时添加活性炭来改善啤酒的色泽和口味，能减轻啤酒中的酵母味等异味。一般情况下，其使用量为5～30 g/hL。图2-8 活性炭颗粒表面的多孔结构（五）硅胶或一次性PVPP
硅胶或一次性PVPP均为白色粉末状，具有一定的吸附能力。硅胶可以吸附高分子蛋白质，PVPP可以吸附多酚物质，通过它们的使用可以提高啤酒的非生物稳定性（即，胶体稳定性）。两者的具体使用详见本书第六章“啤酒的稳定化处理及高浓稀释工艺”。第二节 纸板
1917年，德国首先发明了“无菌过滤纸板”。一开始，只是用于对水进行过滤处理；而后，逐渐推广应用于葡萄酒和果汁的生产中。直到1930年以后，才开始大规模地使用纸板来过滤啤酒。
一、纸板的用途及分类
纸板主要由精制棉、木浆以及纸用湿强剂，经特殊工艺生产制造而成。除此以外，在纸板的加工过程中，还可以添加硅藻土、珍珠岩以及啤酒稳定剂（如，PVPP-聚乙烯吡咯烷酮）来赋予纸板一些特殊的功能，以满足啤酒过滤时的特殊要求。总的来讲，纸板在啤酒过滤中的用途主要体现在以下两个方面：（1）支撑作用 作为支撑材料，主要用于板框式硅藻土过滤机。（2）过滤作用 作为过滤介质，主要用于硅藻土过滤后精过滤处理。
根据纸板的孔径、组成材料等的不同，可以将纸板分为以下几种类型：（1）支撑纸板。（2）精细过滤纸板 澄清过滤纸板、细过滤纸板、部分除菌过滤纸板、除菌过滤纸板。
二、纸板的相关标准（一）支撑纸板
支撑纸板一般为平板纸板，其尺寸为1000 mm×2020 mm、800 mm×1620 mm、600mm×1220mm、400mm×820mm、200mm×420mm，尺寸偏差应不超过mm，偏斜度应不大于5 mm。支撑纸板的表面应平整，厚薄应均匀，应无孔眼、裂口、沙子、纤维脱落、起层、起皮等纸病。
支撑纸板国家标准GB/T 25437—2010中对其技术指标方面的要求见表2-4。表2-4 支撑纸板的技术要求
支撑纸板卫生方面的要求应符合GB 11680—1989中的规定。（二）精细过滤纸板
精细过滤纸板为平板纸板，其尺寸为600 mm×600 mm、800 mm×800 mm、1000 mm×1000 mm、1220 mm×2420 mm。精细过滤纸板板面应洁净，不应有残缺、沙子、硬质块、纤维脱落、起层、起皮等纸病；应切边整齐，不应有裂口、缺角、毛边等现象。
精细过滤纸板国家标准GB/T 25435—2010中对其技术指标方面的要求见表2-5。表2-5 精细过滤纸板的技术要求
精细过滤纸板卫生方面的要求应符合GB 11680—1989中的规定。第三节 膜
过去生产无菌生啤酒多采用硅藻土粗滤和纸板精滤相结合的办法，但是这种方法很难达到较长时间的生物安全性，因为上述两种过滤介质无法实现对酵母和一些啤酒微生物的绝对过滤，很难达到无菌状态。
20世纪60年代后，国际上常采用醋酸纤维薄膜将其作为最后一道过滤，以除去残留在酒液中的酵母和细菌；80 年代后期，欧美国家开始使用尼龙66制作薄膜滤芯，用于截留精滤后的微粒；随着多种形式和多种功能的薄膜滤芯的问世，再加上在线薄膜完整性检测手段的完善，使啤酒无菌过滤变为现实。
一、膜的用途及形式
膜主要由聚氨酯、聚丙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯、醋酸纤维等材料通过浸渍、喷洒或涂层等方法加工而成。膜很薄，厚度一般在0.10 mm左右，孔径大小从0.22μm到3.0μm不等，故也将其称为“微孔滤膜”。由于膜的孔径很小，所以主要将其作为啤酒过滤系统中的终端过滤介质，对啤酒进行无菌化处理。为了避免膜在使用过程中由于流体的冲击作用被击破，生产中常采用膜的再加工形式，主要有以下两种（图2-9）：折叠筒式微孔膜滤芯（薄膜滤芯）、层叠纸板滤芯（深层滤芯）。
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