Вода - основа нашего будущего пива. Невозможно произвести качественное пиво из плохой воды. В настоящей статье речь идет в основном о фильтрации - процессе, направленном на удаление нерастворенных включений и микроорганизмов без изменения химического состава воды.

Водоподготовка и фильтрация

Эти процессы часто путают. К водоподготовке относятся те способы исправления воды, которые меняют ее химический состав. При фильтрации химический состав не изменяется, удаляются только нерастворимые вещества. Исключением является фильтрация через угольсодержащие элементы. Также часто к фильтрации можно отнести засыпные колонны, например, с кварцевым песком. Засыпные фильтры, обладающие большой грязеемкостью, хороши для предварительной фильтрации сильно загрязненной воды, особенно с высоким содержанием органики, глины, коллоидов и гелей. Минусом этих фильтров является нестабильность структуры, из-за чего при перепаде давления они пропускают загрязнения. Корпуса таких фильтров весьма громоздки, занимают много места, проблематична их санитарная обработка. Пивоваров часто сбивают с толку засыпные материалы, эти установки часто называют ионообменными фильтрами, а угольные колонны - угольными фильтрами, это, мягко говоря, некорректно. Ведь после каждого из этих, с позволения сказать, «фильтров» тянется шлейф мелкой угольной пыли или пыль ионообменных смол.

Типы фильтрации, характеристики фильтров

На рынке представлено огромное количество различных фильтров и фильтрующих материалов. Рассмотрим три основных типа фильтров, использующихся в соответствующих типах фильтрации:
• глубинные;
• мембранные (они же стерилизующие);
• тангенциальные. На рисунке приведено полученное в результате фильтрации распределение содержания примесей с частицами разных размеров, анализируя которое можно сделать вывод о целесообразности применения разных типов фильтрации. Наша задача - найти оптимальное соотношение требуемого качества и возможных финансовых затрат. Например, из рисунка видно, что мембранные фильтры в одиночку малопригодны для решения задачи фильтрации исходной воды. Прежде чем принимать решение о покупке мембранного фильтра, надо понять, насколько он нужен в данной конкретной точке. Как же сделать правильный выбор? Работник предприятия чаще всего выбирает наиболее дешевый вариант из ряда «аналогичных» фильтров. «Аналогичных» — это имеющих одинаковую производительность, рейтинг или удерживающую способность. Но разве достаточно этих данных для оптимального выбора? Очевидно, нет. Ведь нельзя игнорировать сравнение ресурсов, сравнение по сопротивлению потоку, сравнение по режимам санобработки и по стойкости к химическим реактивам, а также по другим характеристикам. Важным показателем при выборе фильтра является удерживающая способность, или отношение количества частиц до фильтра к количеству после фильтра, которое выражают коэффициентом β; ее эффективность должна и может быть измерена в цифрах (табл. 1). Ответственные производители указывают эту характеристику в проспектах/паспортах на свою продукцию.

Сравнение фильтров по эффективной удерживающей способности

Фильтр А показал уменьшение исходного числа частиц в 5000 раз, а фильтр С - только в 100 раз (см. табл. 1). Иначе говоря, количество «грязи», пропущенной фильтром С, оказалось в 50 раз больше, чем фильтром А. При этом эффективность фильтра С (99,00%) «всего лишь» на 0,98% ниже, чем эффективность фильтра А. Человеческое зрение различает частицы размером не менее 30-40 мкм. Поэтому, если для каких-то задач требование по качеству заключается исключительно в устранении видимых частиц, то достаточно установить фильтры с абсолютным рейтингом 20 мкм либо с номинальным рейтингом 5 мкм. На рынке представлены также фильтры из нержавеющей стали. Для очистки воды от коллоидов и гелей они неэффективны и практического применения не имеют. Металлические картриджи могут быть использованы для удаления твердых механических частиц размером 100 мкм и более. Картриджи из спеченного порошка нержавеющей стали весьма успешно используются как спаржеры для аэрации воды. Для удаления самых грубых механических частиц - камней, песка, и т. д. - применяются так называемые грязеуловители или стрейнеры. Это, как правило, фильтры с крупной стальной сеткой с размером ячеек от 0,5 до 2,0 мм.

Фильтрующий материал, выбор фильтра

При фильтрации важен и тип фильтрующего материала. Относительно крупные частицы удерживаются на его поверхности, так как их размер больше размера пор материала. Частицы же, которые по своему размеру меньше пор, а также трудноудаляемые коллоиды и гели могут застревать в толще материала, если он способен их поглотить и удержать. Чем толще слой фильтрующего материала, тем больше протяженность (или длина) каналов и более эффективным и грязеемким будет фильтр. Не только толщина материала, но и количество каналов определяет пористость материала. В то же время есть фильтры, обладающие и адсорбционной способностью за счет положительного заряда фильтрующего материала (Z-потенциал). Если информацию о Z-потенциале мы можем узнать только от производителя, то понять, какой фильтр более пористый и, следовательно, имеет большую грязеемкость, мы можем и сами с помощью графика сопротивления фильтра потоку жидкости. Чем более пористый материал использован при производстве картриджа, тем меньше сопротивление он создает потоку жидкости, тем ниже значение начального перепада давления. Очевидно, что фильтр с меньшим начальным перепадом давления будет служить дольше, так как он более пористый, и, значит, более длительное время понадобится для полной его блокировки загрязнениями. Итак, при выборе фильтра необходимо обращать внимание на следующие параметры: начальный перепад давления, коэффициент β, наличие Z-потенциала.

Материалы и показатели глубинных и мембранных фильтров

Другим глубинным фильтрующим материалом является фильтр-картон. Он обладает большой грязеемкостью и хорошо подходит для фильтрации воды с высоким содержанием ржавчины, органики, глины, коллоидов и гелей. Листы фильтр-картона устанавливают в фильтр-прессы. Это оборудование очень громоздкое, но позволяет иметь большую фильтрующую поверхность. Также фильтр-картон может быть представлен в виде различных модулей. Здесь мы ограничены в фильтрующей поверхности, но получаем и ряд преимуществ по сравнению с фильтр-прессом: уменьшение снимаемого места на производстве, быстрота и удобство при установке модулей, закрытая система и др. Для получения стерильной воды используют мембранные картриджи. Принципиальная разница между механическими (глубинными) фильтрами для удаления частиц и мембранными заключается в следующем: глубинные фильтры характеризуются рейтингом, выраженным в микронах, и эффективностью удерживающей способности, выраженной значением β или в процентах). Мембранные фильтры всегда имеют рейтинг меньше 1 мкм. Но это вовсе не значит, что все фильтры рейтингом меньше 1 мкм могут называться микробиологическими. Для стерильной фильтрации используют микробиологические мембранные картриджи рейтингом 0,65; 0,45; 0,2 мкм. Микробиологические фильтры подразделяются на стерилизующие и редуцирующие (сокращающие микробиологическую нагрузку). От стерилизующих фильтров требуется следующее:

• обеспечивать гарантированное отсутствие (0 КОЕ) в фильтрате тестовых микроорганизмов при нагрузке фильтра бактериальной суспензией в концентрации 107 КОЕ на 1 см² его площади;
• предоставлять возможность проверки на целостность.

Редуцирующие фильтры имеют следующие свойства:

• обеспечивают определенное снижение бактериальной нагрузки на каждые 10 дюймов длины фильтра или на единицу площади фильтрующего картона;
• могут тестироваться на целостность, но не обязательно;
• часто дают 0 КОЕ в фильтрате, но проход нескольких КОЕ является допустимым.

Показатель редукции титра Tr по смыслу аналогичен коэффициенту β для механических фильтров. Для нормальной и надежной работы стерилизующих картриджей необходима процедура систематического тестирования на целостность. Применение редуцирующих и стерилизующих фильтров требует регулярных санитарных обработок. Обработка фильтра производится, как правило, в линии. Вода и дезинфицирующий раствор для санобработки должны быть предварительно отфильтрованы при рейтинге фильтра не более 3 мкм. Промывать и стерилизовать фильтры следует отдельно от общей системы во избежание их засорения посторонними включениями. Производитель фильтров должен указывать предельное гарантированное суммарное время стерилизации при максимально допустимой температуре и концентрации моющих растворов. 

Критерии выбора фильтра

Подытожим все вышесказанное и ниже представим основные критерии выбора фильтра. Факторы, влияющие на качество:

• тонкость фильтра, выраженная в микронах; эффективность, при которой указана данная тонкость, - коэффициент β или эффективность, выраженная в процентах, для механических фильтров, либо тип организма и сокращение титра для микробиологических фильтров;
• эффективность (Э), выраженная в процентах, вычисляемая по формуле Э = (1 - 1/β) × 100, или β = 100/(100 - Э), где Э - в процентах; фильтр по своему классу - механический, микробиологический (стерилизующий либо сокращающий микробиологическую нагрузку; наличие результатов теста на целостность - обязательно для стерилизующих фильтров!).

Факторы, влияющие на экономичность:

• рабочий диапазон давлений (Δp_max- Δp₀);
• эффективная площадь фильтрующей поверхности (увеличение площади в 2 раза увеличивает срок службы фильтра в 3-4 раза);
• пористость материала, определяемая его проницаемостью, которая имеет размерность [л/м²/мин/мбар];
• допустимое кумулятивное время санитарной обработки и ее условия (температура, концентрация моющих средств, Δp).

Варианты и точки фильтрации воды на производстве

Рассмотрим варианты фильтрации воды на пивоваренном производстве.
1. Тангенциальный фильтр. Это автоматическая и компактная система, которая справится с большим объемом воды, не потребует большого вмешательства оператора в случае изменения параметров воды. Но из-за высокой инвестиционной стоимости не каждый завод может себе ее позволить.
2. Классический картриджный фильтр. Если варка небольшая, он может быть оптимальным решением. Но если объем воды составляет 20, 40, 100 м³, то потребуется около 15-30 картриджей и более в зависимости от производителя. Корпуса с таким количеством гнезд очень громоздкие и занимают большие площади. Как правило, чтобы снять колпак такого корпуса, нужно использовать электроталь либо задействовать труд нескольких человек. Колпаки многопатронных фильтров обычно имеют более 10 точек фиксации по периметру, что часто требует применения инструмента и много времени, поэтому в таких корпусах значительно реже проводят визуальный осмотр из-за трудоемкости сборки-разборки. При извлечении картриджей из гнезд остатки воды с внешней загрязненной стороны вместе с загрязнениями попадают внутрь выходного коллектора, то есть на чистую сторону корпуса, что требует потом дополнительной очистки.
3. Картриджи для больших потоков. Они являются новым современным решением. Один такой картридж имеет производительность до 40 тыс. л/ч, которая становится возможной в результате применения специальной технологии плиссированной укладки фильтрующего материала. Также есть и мембранные (микробиологические) фильтры для фильтрации больших потоков. (Один картридж может заменить до шести обычных.) Точек фильтрации на пивоваренном производстве хватает — это варочный и дрожжевой цеха, естественно, фильтрационное отделение пива, цех розлива. Какие еще точки фильтрации нужно учесть наряду с этапом водоподготовки? Надо предусматривать наличие механических фильтров после засыпных колонн. При их отсутствии нередко в буферных емкостях с водой, обработанной активированным углем или ионообменными смолами, образуется слизь. А перед угольными и ионообменными колоннами также желательно установить фильтр, чтобы входящая вода не загрязняла засыпку колонн, снижая их эффективность. Как правило, для этих целей используют глубинные картриджи с абсолютным рейтингом 40 мкм перед колоннами и 20 мкм после них. Широкой практикой должно быть использование предфильтрации как способа защиты мембран обратного осмоса. Оптимальным для данного применения является фильтр с рейтингом, равным 5 мкм, и с коэффициентом β = 5000.

Обработка воды ультрафиолетом и озонирование

Для стерилизации воды часто используют обучение ультрафиолетом, но для получения эффективного результата необходимо установить фильтр с рейтингом 1 мкм, так как иначе микроорганизмы (бактерии) могут оставаться в тени частиц и не погибать, другими словами, ультрафиолет не будет оказывать на них свое действие. При применении озонирования воды частой ошибкой является ее грубая фильтрация перед обработкой озоном) с использованием картриджей с абсолютным рейтингом больше 1 мкм. Это чревато образованием ряда нежелательных побочных продуктов (тригалометанов, альдегидов, кетонов и т. д.), количество которых тем больше, чем больше неотфильтрованных примесей попадает под действие озона. Ошибкой является и установка полимерных картриджей на этапе после озонирования, так как они разрушаются и еще больше загрязняют воду продуктами распада полимеров.

Вода для высокоплотного пивоварения

При высокоплотном пивоварении, как правило, вода добавляется после брожения на участке от ЦКТ до фильтрации. Это самая сложная часть всего процесса высокоплотного пивоварения, поскольку вода должна удовлетворять следующим требованиям:

• соответствовать пиву по химическому составу (по pH, содержанию солей);
• иметь температуру -1 °C;
• быть полностью дегазованной (вакуум, промывка углекислотой);
• быть карбонизированной до уровня со держания углекислоты в пиве;
• точно дозироваться;
• быть обеспложенной на стерилизующем фильтре.

Для получения стерильной воды необходимо использовать микробиологические фильтры. Про выбор этих фильтров мы уже говорили. Перед их применением надо обязательно провести предварительную фильтрацию в целях защиты мембраны. Рекомендации в данном случае таковы: рейтинг 1,0-1,5 мкм с β равным 5000, и в дополнение желательно использовать картридж с Z-потенциалом (способствует удержанию меньшего размера частиц, чем указанный рейтинг). Это необходимо потому, что микробиологические фильтры решают самые ответственные задачи в фильтрации технологической воды. Стерильная вода, помимо использования при высокоплотном пивоварении, может применяться и в дрожжевом отделении.

Индекс плотности осадка воды

Как уже неоднократно говорилось, для оптимального подбора фильтрующего материала по рейтингу и грязеемкости надо обратиться к результатам анализа воды. Показатель мутности недостаточен для принятия решения, так как это оптическая характеристика, а причиной мутности воды может быть наличие в ней частиц совершенно разной природы и размера. Для того чтобы это установить, воду проверяют на индекс плотности взвешенных частиц или индекс плотности осадка воды SDI (Silt Density Index Test, индекс фильтруемости воды). Данный тест используется для определения процесса обработки воды. Тест необходимо проводить на месте, на самом производстве. Задача данного исследования - присвоить номер плотности осадка, показывающий степень качества воды в условиях коллоидных загрязнений и наличия твердых частиц. SDI может использоваться для определения эффективности различных процессов, таких как фильтрация или водоподготовка. Номинальные значения SDI-теста представлены в табл. 2. Цвет мембраны и ее внешний вид могут свидетельствовать о составе и возможном источнике загрязнения (табл. 3).

Мы рассмотрели основные виды фильтров с расходными материалами, с определенным сроком службы. Но есть и фильтрационные установки без сменных элементов, работающие по принципу тангенциальной фильтрации (cross flow). Фильтрующим модулем в них является половолоконная мембрана. Как правило, эти установки автоматизированы и работают без постоянного участия оператора. Подходят для различных типов исходной воды, производя очищенную воду высокого качества.

Интерпретация значений индекса плотности осадка воды SDI

Интерпретация результатов наблюдения за цветом и внешним видом мембраны

Альтернатива угольным засыпным колоннам

До этого момента мы рассматривали фильтрацию как процесс удаления частиц и микроорганизмов без изменения химического состава воды. Но есть фильтры, которые являются альтернативой угольным засыпным колоннам, имея ряд преимуществ:

• Совмещение трех задач в одном фильтрующем элементе - угольном картридже. В его состав входит внешний слой толщиной 3 мкм, защищающий уголь от механических примесей (чтобы дольше сохранялась адсорбционная эффективность), непосредственно слой угля из кокосовой стружки и трап-слой толщиной 3 мкм, предотвращающий проскоки частиц угля.
• Меньшие габариты: размер угольных колонн вы представляете, а угольный фильтр устанавливается в обычный фильтродержатель для картриджных фильтров.
• Более эффективная санитарная обработка угля горячей водой, так как ей нужно будет преодолеть лишь несколько миллиметров толщины картриджа, а не десятки сантиметров, как в засыпной колонне. Следовательно, на обработку придется тратить меньше времени и энергии, а прогрев будет более равномерным и эффективным. Кроме того, в засыпных колоннах всегда образуются каналы, куда устремляется основной поток, поэтому контакт угля с водой неравномерный и появляются «мертвые» зоны, которые невозможно полностью продезинфицировать. А с картриджами такой проблемы вообще не существует.
• Легкое удаление хлора, запахов, возможность корректировки цветности воды.

Возможно, в настоящей статье мы не рассмотрели все грани фильтрации воды и выбора фильтра, но постарались, чтобы она помогла вам понять важность и многофакторность этих задач. На каждой пивоварне есть точки фильтрации воды. Может быть, прочитав статью, вы отметили существующие недостатки фильтрации воды на своем производстве, или проблема уже возникала, но вы не знали ее решения. Надеемся, что данный материал окажет вам помощь в ее устранении.