啤酒粗濾是對較渾濁、含有大量渾濁顆粒和成分的啤酒進行過濾處理,是啤酒過濾處理中最主要的環節,目前廣泛使用的是預塗式矽藻土過濾機、離心機。對啤酒過濾設備要求如下:
(1)澄清效果好且過濾快而有效。
(2)未過濾啤酒和過濾清酒絕對分開。
(3)在頂酒和頂水時產生酒損小,能進行無酒頭、無酒尾、無氧操作。
(4)每小時的過濾能力和總過濾能力大。
(5)成本低,易清洗滅菌,清洗、準備所用時間短。
(6)較高的經濟性(手工工作量少,過濾輔助物質少,占地少)。
(7)廢矽藻土糟易排除且糟層較幹,對環境影響小。
一、啤酒的可濾性及預澄清處理
要達到良好的啤酒過濾效果,未過濾的啤酒應滿足一定的前提條件:最好能預測啤酒是否容易過濾,通常用在一定時間內采用膜過濾測定所通過的啤酒數量,來判斷啤酒的可濾性;其次能判斷或預測過濾啤酒的非生物穩定性,也就是在啤酒過濾處理後,啤酒的非生物穩定性能否達到要求,這樣可在過濾處理時進行適當的穩定化處理,保證啤酒非生物穩定性的要求,又降低生產成本,對啤酒的醇厚性和泡沫影響小。
1.影響啤酒可濾性的因素
①密度:取決於浸出物和酒精含量,成品啤酒發酵度高、原麥汁濃度低,則啤酒容易過濾。
②黏度:在過濾流量下黏度決定壓差,並不是導致壓力上升的原因。黏度高,則影響啤酒可濾性。啤酒原麥汁濃度高,高分子蛋白質、α-葡聚糖、β-葡聚糖、β-葡聚糖凝膠、戊聚糖的含量高,則啤酒黏度高。其原因如下。
a.啤酒中β-葡聚糖含量高的主要原因是采用溶解不良或不均勻的麥芽;大麥品種差,即冬大麥或混有冬大麥;投料溫度高,沒有添加耐溫的β-葡聚糖酶或木聚糖酶;因剪切力導致β-葡聚糖凝膠的形成;因使用過多的小麥麥芽導致麥汁中戊聚糖、戊聚糖凝膠的含量高。
b.啤酒中高分子糊精含量多或碘值高的主要原因是麥芽溶解差或不均勻,麥芽的α-澱粉酶活力低;原料粉碎過粗,麥皮上胚乳多,輔料比例大且糊化效果差,糖化工藝不合適導致澱粉水解不徹底;過濾麥汁中的固形物含量高,熱洗糟等因素。
c.啤酒中高分子蛋白質含量高的主要原因是生產全麥啤酒、使用小麥麥芽或可溶性氮高的麥芽、煮沸時蛋白質凝聚效果不好、使用多酚物質含量低的酒花製品、未使用或正確使用卡拉膠、釀造單寧,麥汁生產時醪液嚴重吸氧、啤酒酵母嚴重自溶、啤酒濃度高等因素,都會使啤酒中高分子含氮物質多,相對來說啤酒可濾性差。
③渾濁顆粒:啤酒渾濁是指啤酒含有較多酵母、較多冷凝固物等。
a.造成啤酒中含有較多酵母[酵母數大於(2~5)×106個/mL]的原因是啤酒酵母的凝集性差或酵母退化;低溫貯藏時間短,貯藏溫度也較高;錐形大罐容量大,酵母沉澱困難,最高懸浮酵母數多,定型麥汁中鈣離子含量少,不利於酵母凝聚沉降,低溫貯存時壓力、溫度波動大。
b.冷凝固物含量多的原因是沒有采用浮選法除去冷凝固物;滿罐溫度高,排除冷凝固物不夠;發酵周期短,低溫貯藏時間短,溫度高而過濾前采用激冷。
2.啤酒可濾性的要求
可濾性好的啤酒應具備酵母數小於2×106個/mL;β-葡聚糖小於150mg/L;碘值小於0.25;濁度至少小於60EBC;黏度小於1.85MPa·s(啤酒麥汁濃度12%)。
保證啤酒過濾順利的前提是啤酒的可濾性好。反之,啤酒可濾性差,會導致過濾時進出口壓差上升快,過濾周期縮短,影響旺季啤酒產量,並導致較高的水、能源、清洗劑、殺菌劑、助濾劑的消耗,使支撐介質或精濾過濾介質的壽命縮短,過濾成本上升。過濾後啤酒濁度高、氧含量高、啤酒非生物穩定性下降;過濾酒損大。
3.離心機
離心機應用範圍廣,可用於分離熱麥汁中的熱凝固物,回收渾濁物中的麥汁,分離冷麥汁中的冷凝固物,分離嫩啤酒中的酵母,矽藻土過濾前啤酒的預澄清,從凝固物、廢酵母中回收啤酒等。
在啤酒過濾處理中很少單獨使用離心機。隨著不斷增強的環保意識以及矽藻土資源枯竭的可能性,人們又開始重視離心機的使用。
離心機的工作原理是使渾濁物具有高的離心速度代替自然沉降速度,能在較短時間內將一定大小的顆粒進行分離。一般分為室式離心機和盤式離心機,廣泛采用自排渣的盤式離心機。這種盤式離心機由大量的、兩盤間距為0.5mm、壁厚為0.5~0.7mm的錐形盤組成,轉速為6000r/min。
為了避免打碎渾濁顆粒、不產生剪切力,啤酒被保護性地進入到離心機,並達到很高的離心速度,斜向上進入兩個錐形盤中並發生渾濁顆粒與啤酒的分離。由於兩個錐形盤之間的距離很小,渾濁顆粒與啤酒的分離路徑短,這樣分離細小顆粒的效果好。渾濁顆粒沿錐形盤滑下,沉積在渾濁物室。通過定時開關或掃描技術短時自動排渣,可不中斷離心分離過程。為了避免啤酒吸氧,需要用脫氧水起密封作用。
經過離心處理後的酒液中酵母基本被除去了,啤酒濁度明顯下降,可大大改善啤酒可濾性。但啤酒溫度會上升,可能會使析出的冷凝固物複溶。
如果未過濾啤酒濁度高,在矽藻土過濾時耗土可達到100g/hL、矽藻土過濾周期短即預塗後濾酒產量低,那麼在啤酒進行矽藻土過濾之前,采用離心機對啤酒進行預澄清,可降低矽藻土消耗,延長工作時間,過濾清酒質量好。一般在離心機的後麵應安裝一個緩衝罐,以保證自動排空時形成的壓力波動小,不影響後麵的過濾機係統。
現代化的離心分離技術具有以下特征:
①澄清率高,可去除95%以上的酵母。
②密閉性能好,啤酒增氧量低、噪聲低,通過保護性進口係統形成剪切力低,使渾濁顆粒未受破壞,對酵母擠壓作用小,確保澄清效果好。
③具有自動排渣係統,自動控製離心分離過程,可配合廠內現有的CIP係統,操作簡單、維修保養成本低。
由於使用離心分離技術後,表現為高效率和高經濟效益,並帶來以下優點:
①由於能分離95%以上的酵母,大大提高了啤酒可濾性,平衡了啤酒可濾性的波動,過濾時壓差上升慢,減少過濾介質的消耗,降低酒損,延長過濾機工作時間,也降低清洗、滅菌次數和成本。
②降低廢料體積(凝固物和酵母)和過濾廢料體積(矽藻土),從而降低環保負荷。
③由於可濾性很差的啤酒通過離心機處理後,過濾成本低、質量好。就意味著啤酒低溫貯存時間可縮短,或使用更大容量的發酵罐,降低發酵設備的投資、發酵生產成本。
④采用離心機與錯流過濾技術,可實現無矽藻土、無菌的啤酒過濾。
二、預塗式矽藻土過濾機
依據過濾機的外形、支撐介質的不同,可分為:板框式矽藻土過濾機,支撐介質為支撐紙板;罐式矽藻土過濾機。罐式矽藻土過濾機又分為:葉片式過濾機,支撐介質為水平葉片式或垂直葉片式;燭式過濾機,支撐介質為燭棒。
由於矽藻土過濾機中支撐介質孔徑大,必須在真正過濾之前,首先將一部分過濾助濾劑預塗在支撐介質上並形成預塗層,在形成穩定的預塗層後,又將矽藻土按計量加入到待過濾的啤酒中並形成更新的過濾層,才能進行啤酒過濾。所以矽藻土過濾也稱預塗式過濾。預塗過濾機是各種矽藻土過濾機係統的總稱,適合比較渾濁的啤酒過濾。
(一)板框式矽藻土過濾機
板框式矽藻土過濾機主要由許多過濾單元濾框、濾板、支撐紙板組成,並放置在兩根相同高度的支撐杆上,兩端由固定頂板、活動頂板組成。在固定頂板和活動頂板之間,由許多濾板、支撐紙板、濾框交替排列。濾板是容納清酒的空間,用於放置並撐起支撐紙板,濾框有一定寬度,用於容納渾濁物和矽藻土,未過濾啤酒首先進入濾框,經過矽藻土濾層和支撐性紙板,穿過濾板後成為清酒。每一對濾板、支撐紙板、濾框構成一個過濾單元,所以過濾機是由許多過濾單元組成的,借助可以活動的活動頂板,將過濾裝置用機械或液力壓緊和密封。在過濾裝置的上部或下部有呈水平的啤酒通道,上部通道可確保快速徹底排除過濾機中的空氣。新型濾板的自由流通麵積大,有利於板框式矽藻土的啤酒過濾。
1.支撐型紙板
主要由矽藻土和添加合成樹脂的棉花纖維組成,不具備過濾效果,一般可使用15~25次。紙板的兩麵分為粗麵和細麵,細麵應朝向濾板,平整、潮濕放置紙板,保證密封好,應定期對板框式矽藻土過濾機進行清洗、紙板再生、殺菌,但不能進行反衝。
2.板框式矽藻土過濾操作以及工藝
(1)預塗傳統的支撐紙板或篩板的開孔在50~100μm,比矽藻土的顆粒大些。由於支撐性紙板不具備過濾效果,必須先在支撐型紙板上通過預塗形成濾層。
①預塗的目的:
a.在支撐介質上首先通過架橋現象形成過濾層,避免細矽藻土堵住支撐紙板,並隨啤酒流出;便於過濾結束後,廢矽藻土的排除。
b.使首先流入的啤酒能有一個有效、穩定、均勻的過濾層,避免啤酒中的渾濁物進入到支撐介質中。
②預塗時使用矽藻土的類型及添加量:預塗一般分為兩次,總預塗量為800~1200g/m2過濾麵積(難過濾的啤酒可達2000g/m2)。
a.第一次預塗。
目的:采用粗矽藻土,有利於形成架橋現象並在支撐介質上形成濾層,盡管它不具備過濾效果,但形成的流體通道的孔徑比支撐介質的孔徑小,有利於細土在第一層粗矽藻土濾層上形成有效濾層,能阻止細矽藻土進入酒中,並保護支撐紙板,也有利於廢土的排除,以及支撐介質的清洗。
第一次預塗量400~600g/m2,采用通透值為1000~1200mDarcy的粗矽藻土或珍珠岩。添加α-纖維素100~300g/m2,則有利於形成架橋及穩定的預塗層(使用前應用水先浸漬纖維使其分散開來)。
要求:第一次預塗矽藻土的顆粒大小均勻,其中細小矽藻土所占的比例不能過多,否則不利於形成架橋、不利於形成穩定的濾層。
第一次預塗不是為了形成有過濾效果的濾層,而是為了支撐以後的過濾層。所以第一次預塗層必須保證抗壓穩定性好,矽藻土顆粒和纖維素必須均勻分布在篩板上。第一次預塗量過低,不利於形成架橋、穩定的濾層。但同時要盡量不影響滲透性。