Теоретические основы фильтрования

Фильтрование - это разделение затора на жидкую фазу (сусло) и твердую (дробину). Фильтрование подразделяется на две стадии: 1 - фильтрование основного сусла; 2 - выщелачивание дробины (вымывание из дробины горячей водой удерживаемых ею эктрактивных веществ).

Фильтрование осуществляется в фильтрационных аппаратах и на фильтр-прессах. В фильтрационном аппарате фильтрование протекает через фильтрующий слой дробины, состоящий из многочисленных лабиринтов и капиллярных канальцев, в которых могут оседать тонкие частицы с диаметром до 30 мкм. Крупные частицы с диаметром более 100 мкм не проникают внутрь капилляров и оседают на поверхности дробины в виде теста. Мелкие частицы задерживаются стенками капилляров благодаря адсорбции. Стенки капилляров имеют электрический потенциал, который появляется при перемещении жидкости внутри капилляров. Поверхность твердых частиц также заряжена. Если знаки потенциалов капилляров и частиц противоположны, то частицы оседают на поверхности благодаря электрическому притяжению. При сильном токе жидкости взаимное притяжение нарушается, и частицы уносятся через слой дробины. Поэтому хорошее качество фильтрования наблюдается лишь при умеренных скоростях движения сусла через дробину.

Производительность фильтрования характеризуется скоростью фильтрования. Скорость фильтрования - это количество фильтрата, проходящее через 1 м² фильтрующей перегородки в единицу времени. В общем виде скорость фильтрования через пористую перегородку можно представить следующим образом:

Скорость фильтрования =

= константа · (движущая сила / фильтрационное сопротивление).

Применительно к фильтрованию заторов уравнение принимает вид (уравнение Дарси):

υ = К_Д·Δρ / l · η, (2)

где К_Д - коэффициент проницаемости перегородки;

Δρ -разность давлений по обе стороны фильтрующей перегородки;

l - длина капилляра;

η - вязкость сусла.

Уравнение показывает, что повысить скорость фильтрования можно путем увеличения проницаемости фильтрующего слоя и повышения разности давления по обе его стороны, а также снижая высоту слоя и вязкость сусла.

Фильтрующий слой становится более рыхлым и проницаемым при укрупнении помола. Однако при этом снижается выход экстракта из зернопродуктов. Повысить проницаемость фильтрующего слоя без негативного влияния на выход экстракта позволяет предварительное увлажнение зерна перед дроблением.

С повышением разности давления по обе стороны фильтрующего слоя также увеличивается скорость фильтрования. Такие условия можно обеспечить путем создания в фильтрационном аппарате избыточного давления или вакуума в подситовом пространстве откачиванием сусла. Однако в данном случае фильтрующая перегородка - сжимаемый слой дробины, обладающий определенной степенью упругости. По мере увеличения разности давления осадок дробины сокращается в объеме, сечение капилляров уменьшается и возрастает сопротивление фильтрации.

Большое влияние на скорость фильтрования оказывает вязкость сусла, снизить которую позволяет повышение температуры затора. Однако температура затора не должна превышать 76-78 ºС и воды для промывания дробины - 80 ºС. При более высокой температуре набухают частицы непрогидролизованного крахмала и белка, что снижает проницаемость фильтрующего слоя. При этом также инактивируется α-амилаза, которая продолжает действовать и при фильтровании. Непрогидролизованный крахмал способствует появлению в пиве клейстерной мути. При высоких температурах усиливается также экстракция из оболочек горьких и дубильных веществ, что повышает цветность пива и делает его вкус более грубым.

Увеличить скорость фильтрования затора можно путем снижения вязкости с помощью цитолитических ферментных препаратов, таких как Целловиридин Г20Х, Биоглюканаза, Биоцеллюлаза и др.

На классическом оборудовании фильтрование проводят через слой дробины высотой 30-40 см при оптимальной скорости 4,5-6,0 дм³/мин. на 1 м² площади сита фильтрационного аппарата.

При фильтровании затора большое значение имеет рН среды. При высоких значениях рН повышается набухаемость коллоидных частиц, что снижает проницаемость фильтрующего слоя. При этом также усиливается экстракция нежелательных горьких и дубильных веществ.

При фильтровании следует избегать окисления затора. При окислении белков, содержащих тиоловые группы, образуются дисульфидные мостики, что приводит к формированию высокомолекулярных поперечносшитых белков, гелей и окисленных тестообразных субстанций. Эти агрегаты снижают не только скорость фильтрования, но и выход экстракта.

Фильтрование первого сусла - в основном физический процесс. При промывании дробины активно протекают и химические процессы: реакции между солями воды и веществами сусла, выщелачивание полифенольных веществ, окислительные процессы. По мере снижения доли сусла в промывной воде повышается ее рН и усиливается экстракция горьких, дубильных, азотистых веществ. Поэтому по химическому составу первое сусло значительно отличается от промывной воды. В таблице 5 приведен примерный состав экстракта первого сусла (концентрация 14,7 %) и промывной воды (концентрация 2,1 %).

Таблица 5

Химический состав первого сусла и промывной воды

Состав экстракта	Содержание компонентов в экстракте, %
первое сусло	промывная вода
Мальтоза	58,95	53,07
Белковые вещества	4,34	5,58
Зола	1,54	2,52

Для снижения экстракции нежелательных компонентов воду, идущую на промывку дробины, целесообразно подкислять. Для предотвращения окислительных процессов дробину необходимо постоянно держать под слоем воды.