CC BY
82
Продолжаем публикацию цикла статей, посвященных инженерному обеспечению новейшей прогрессивной пивоваренной технологии. Предыдущие статьи опубликованы в № 4, 5, 6 за 2008 г. и в № 1, 2, 3, 4 и 6 за 2009 г.
УДК 663.441
Новое поколение намывных фильтров для пива
|Б. Н. Федоренко, д-р техн. наук, проф.
Московский государственный университет пищевых производств
Ключевые слова: фильтрование пива; намывной слой; свечевой фильтр; патронный фильтр; кизельгур.
Kew words: Filtration of beer; alluviar layer; candle filter; cartridge filter; kieselguhr.
Основная проблема фильтрования пива на традиционных намывных фильтрах — неоднородность структуры фильтрующего слоя, что обусловлено неравномерностью распределения на опорных элементах частиц, как формирующих намывной слой, так и образующих на нем слой отложений (кизельгур, дрожжевые клетки, белки и пр.). Подробнее проблемы фильтрования пива рассмотрены в [1].
В свою очередь, неравномерность намыва фильтрующего слоя вызвана неравномерностью потока вдоль наружной поверхности опорных элемен-
тов. Так, например, теоретически у нижней их части (в начале движения) скорость потока максимальна, а у верхней части, где элементы крепятся в трубной решетке, скорость потока практически падает до нуля (рис. 1, б), поскольку на пути его возникает глухое препятствие — решетка. На самом деле гидродинамические условия в фильтре более сложные и непредсказуемые, поскольку в нем образуются нерегулируемые и нестабильные «блуждающие» потоки (рис. 1, а). А гранулометрический состав намывного слоя в значительной степени зависит от гидродинамики по-
тока в корпусе фильтра, поскольку при неоднородности потока наблюдается различная скорость осаждения частиц на поверхности опорных элементов. Более крупные частицы осаждаются быстрее, чем мелкие. Вследствие этого крупные и более тяжелые частицы намываются преимущественно в нижней части фильтровальных элементов, а мелкие и более легкие — в верхней. При этом более крупная и тяжелая фракция сползает с элемента, образуя «грушевидность» фильтровального слоя.
Этим обстоятельством вызвана потребность в большем расходе кизельгура, поскольку для обеспечения качественного фильтрования необходимо, чтобы наименьшая толщина намывного слоя вдоль патронного элемента гарантированно обеспечивала регламентируемое качество фильтрования пива.
Таким образом, очевидно, что техническое развитие фильтровальных намывных систем и повышение их технологической эффективности и экономичности следует осуществлять за счет обеспечения однородности структуры всей площади поверхности фильтрующего слоя.
Пример решения этой проблемы — создание в 2002 г. компанией Krones нового поколения патронных (свече-вых) намывных фильтров для пива, получивших название TFS (Twin Flow
Отфильтрованное пиво
3
L, м
^ v = 0
Нефильтрованное пиво а
Рис. 1. Традиционный патронный фильтр: а — нерегулируемые нестабильные потоки продукта между патронными элементами; б — эпюра теоретического распределения линейных скоростей потока вдоль длины патронного элемента: 1 — корпус; 2 — патронный элемент; 3 — трубная решетка
ПИ
НАПИТКИ
3^2010
8
Рис. 2. Патронный фильтр TFS: а — общий вид; б — принципиальное устройство; в — эпюра распределения линейных скоростей потока вдоль длины патронного элемента: 1 — корпус; 2 — патронный элемент; 3 — регистр (трубчатый коллектор); 4 — распределитель потока
System — двухпоточная фильтровальная система).
Принципиальная отличительная особенность патронного фильтра TFS — отсутствие в нем трубной решетки (перфорированной плиты), предназначенной для крепления патронных элементов и разделяющей внутреннее пространство фильтра на зоны фильтрованного и нефильтрованного пива. При этом патронные опорные элементы крепят внутри корпуса c помощью резьбовых соединений на специальном трубчатом коллекторе — регистре (рис. 2). Благодаря такому инженерному решению процесс фильтрования через намывной слой осуществляют в поперечном потоке, причем оба потока (фильтрованного и нефильтрованного пива) можно регулировать и настраивать независимо друг от друга. Это способствует равномерному нанесению намывного слоя на всей площади поверхности патронного элемента, более эффективному (экономному) использованию вспомогательного фильтровального материала и оптимальной гидродинамике потока пива в фильтре.
Поскольку регистр объединяет все патронные элементы (рис. 3), то именно в нем образуется пространство для фильтрата, а все остальное пространство фильтра заполнено нефильтрованным пивом.
В нижней части фильтра, непосредственно за входным патрубком, закреплен распределитель входящего потока нефильтрованного пива. Благодаря направленному вертикальному потоку, параллельному поверхности патронных элементов, частицы кизельгура перемещаются вдоль элементов и осаждаются на их поверхности.
В наивысшей точке корпуса из фильтра выводится байпасный поток нефильтрованного пива и направляется к всасывающему патрубку насоса для возвращения в фильтр. Объемный поток в байпасе настраивают в соответствии с фракционным составом применяемого фильтровального материала. При этом, учитывая скорость осаждения отдельных частиц различной величины, скорость потока устанавливают такой, что более тяжелые частицы также достигают верхней части патронного элемента. Таким образом обеспечивают равномерный намыв по всей длине патронного элемента независимо от производительности фильтра.
Благодаря отсутствию трубной решетки и конусообразной нижней части патронных элементов под ними
не скапливаются газовые пузырьки, что (как показали специальные исследования) имеет место в патронных фильтрах традиционной конструкции. Помимо этого патронные элементы (рис. 4) фильтра TFS также конструктивно отличаются от элементов, используемых в традиционных фильтрах, в частности они устроены по принципу «труба в трубе» — внутри элемента размещен полый глухой сердечник, вследствие чего их внутренний канал для фильтрованного пива имеет не круглое, а кольцеобразное сечение.
Благодаря этому конструктивному изменению патронные фильтры
N ✓ >
Рис. 3. Размещение патронных элементов на трубчатом коллекторе в фильтре TFS
«Почти превосходно» нас не устраивает
Итак, Вы хотите непрерывной работы Вашей линии розлива, 24 ч каждый день. Но такого результата можно достичь только при функционировании каждой детали оборудования. Поэтому, чтобы Ваша линия работала безупречно, мы всегда вкладываем в нее одни и те же составляющие: усовершенствованную технику и нашу заботу о деталях. В итоге всё, что Вам необходимо -расположиться удобнее и наслаждаться работой линии. www.krones.com
We do more.
)(kron es
а б
Рис. 4. Принципиальное устройство (в разрезе) патронного элемента фильтра TFS: а — фильтрование; б — промывка обратным током
обладают следующими преимуществами:
• меньшей потребностью воды для вывода отработанного вспомогательного фильтровального материала;
• большей механической жесткостью патронов, что позволяет увеличить их максимальную длину (до 2400 мм) и обеспечить оптимальную геометрию корпуса фильтра, в результате чего получать меньшее количество пива, смешанного с водой;
• предотвращением осаждения частиц кизельгура, проникших внутрь патрона, благодаря повышенной скорости потока в канале кольцеобразного сечения;
• меньшей вместимостью гидросистемы;
• повышенной эффективностью промывки обратным током жидкости благодаря более высокой скорости и целенаправленному распределению промывной жидкости.
Еще одна конструктивная особенность патронного элемента фильтра TFS состоит в том, что профильная проволока трапециевидного сечения намотана на его остов под небольшим углом к продольной оси. При этом благодаря выступам витков поверхность фильтровального элемента остается «шершавой», что обеспечивает лучшее сцепление фильтровального материала с поверхностью патронного элемента. Это обеспечивает повышенную устойчивость намывного слоя на элементах такой конструкции. Зазор между витками проволоки составляет около 50 мкм.
Типовые патронные элементы для фильтра TFS изготовляют длиной 1800, 2000, 2200 и 2400 мм.
Типичный технологический цикл осветления пива на фильтровальной установке с патронным фильтром TFS осуществляют следующим образом (рис. 5):
• нанесение фильтрующего слоя: намыв слоя кизельгура осуществля-
ют деаэрированной водой, при этом байпасный поток устанавливают на 10 %, а поток фильтрата на 150 % от общего потока (160 %), подаваемого в фильтр;
• вытеснение воды через байпас: намывную воду преимущественно (100 %) вытесняют пивом через байпас, а через патронные элементы поддерживают поток в 10 % от общего потока (110 %), подаваемого в фильтр. Таким образом, благодаря поршневому вытеснению жидкости из корпуса фильтра в нем происходит лишь незначительное смешивание различных сред. При этом, во-первых, вода вытесняется из внутреннего пространства патронного элемента, а во-вторых, обеспечивается прилипание частиц вспомогательного фильтровального материала к поверхности патронных элементов;
• вытеснение воды через патронные элементы: при перекрытом байпасе остатки воды вытесняют через патронные элементы, при этом пиво для выдавливания воды подают через верхний и нижний патрубки, что способствует существенному уменьшению (почти в 10 раз) смешивания воды с пивом;
• фильтрование: поток через байпас настраивают в соответствии со свойствами вспомогательного фильтро-
Е*
160 % О
Байпас 10 %
-а), ► е
Я
110 %
Байпас 100 % (Г в
-О
0 %
ш
I
« о
110 %
Байпас 10 %
-аь—►—в-
Фильтрованное пиво
Байпас 0 % ■©л-О-
Байпас 0 %
Рис. 5. Основные этапы фильтрования пива с применением патронного фильтра TFS:
а — нанесение фильтрующего слоя; б — вытеснение воды через байпас; в — фильтрование; г — вытеснение пива водой; д — промывка фильтрующих элементов и корпуса фильтра
.................
3^2010
б
а
в
д
г
10
б 5 4 3 2 1 0 0,01
0,1
1 10 Размер частиц, цм
б
100
1000 3000
> *
// *
*А А [
/ V
-1 тт /
0,1
100
1000 3000
1 10 Размер частиц, цм — верх элемента; — середина элемента; — низ элемента
Рис. б. Гранулометрический состав кизельгурового намывного слоя: а — на патронном
элементе в традиционном фильтре с трубной решеткой (в связи с неустойчивостью кизельгурового слоя взятие образцов в нижней части невозможно); б — на патронном элементе в фильтре TFS с трубным коллектором (регистром)
Рис. 7. Место отбора одного из образцов для гранулометрического анализа
Байпас 10 %
О —►—®
Пар 4X1—Й
Конденсат (
Фильтрованное пиво
Стабилизированное
пиво ф
Рис. 8. Принципиальная схема фильтровальной установки для коллоидной стабилизации пива с применением ПВПП на основе фильтра ТЁБ: 1 — обратный клапан; 2 — конденсатоотводчик; 3 — сборник для регенерации ПВПП; 4 — насос для ПВПП; 5 — насос для пива; 6 — фильтр ГО
а
вального материала. Отфильтрованное пиво, прошедшее через патронные элементы и регистр, отводят из фильтра при ориентировочном соотношении потоков байпас — фильтрат как 10 % к 100 % относительно общего потока (110 %);
• вытеснение остатков продукта водой: при перекрытом байпасе остатки пива вытесняют через патронные элементы, при этом воду для выдавливания продукта подают через верхний и нижний патрубки, что способствует уменьшению (почти вдвое) смешивания пива с водой;
• выгрузка отработанного кизельгура и мойка фильтра: удаление из фильтра отработанного кизельгура осуществляют водой и сжатым воздухом в направлении, противоположном направлению фильтрования, т.е. обратным током воды и сжатого воздуха. Регистр и внутреннюю поверхность фильтра промывают с помощью моющих головок, обеспечивая при минимальном потреблении воды очень высокую эффективность мойки. Патронные фильтры TFS эксплуатируются в пивоваренной отрасли с 2002 г. и за этот период подтвердили свои функциональные преимущества, к которым относят:
• экономию расхода кизельгура благодаря равномерному намыву его слоя по всей длине патронного элемента (рис. 6, 7);
• минимизацию поглощения кислорода, благодаря конструктивным осо-
бенностям патронных элементов и отсутствию трубной решетки;
• более медленное повышение сопротивления;
• гибкость благодаря возможности управления потоком байпаса в зависимости от свойств применяемого фильтровального материала;
• уменьшение количества некондиционного пива (смарки), образующегося при пуске и остановке фильтра;
• снижение расхода промывной воды;
• меньшую продолжительность подготовительного и заключительного периода;
• быстроту стабилизации процесса фильтрования (по мутности) благо-
даря равномерному распределению частиц кизельгура по величине. Результаты гранулометрических исследований (рис. 6) убедительно свидетельствуют о равномерности образования намывного фильтрующего слоя кизельгура и об однородности его структуры.
Фильтры TFS используют также для коллоидной стабилизации пива с применением ПВПП. Принципиальная схема такой фильтровальной установки приведена на рис. 8.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоренко Б. Н. Пивоваренная инженерия. — СПб.: Профессия, 2009. ®
