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Crossflow-Filtration von Bier

Eine echte Alternative zu Kieselgur
Crossflow-Filtration von Bier

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Im Zuge sich verschärfender Kontrollen in der Lebensmittelherstellung und eines zunehmenden Kostendrucks, der auf Lebensmittel produzierenden Betrieben lastet, wird auch die bisherige Verfahrensweise bei der Bierfiltration diskutiert und nach möglichen Alternativen gesucht. Zur Zeit arbeiten Wissenschaftler fieberhaft daran, Alternativen zur Kieselgurfiltration zu entwickeln. Eine dieser Alternativen stellt die Crossflow-Technologie dar.

Dirk Weber, Alexander Modrok

Etwa 82 % der 500 Mio. $, die weltweit für die Bierfiltration aufgewendet werden, entfallen auf die Kieselgurfiltration. Die Verwendung von Kieselgur birgt jedoch einige Nachteile in sich, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Den wohl am kontroversesten diskutierten Punkt stellen die gesundheitlichen Bedenken im Zusammenhang mit Kieselgur dar. In ihrem ursprünglichen Zustand enthält die Kieselgur kristalline Siliziumsäure in Konzentrationen unter 1 %. Durch die – für den Einsatz in Filtrationsprozessen notwendige – Calzinierung der Kieselgur (= Erhitzung der Kieselgur zum Entfernen von organischen Substanzen und Eisenoxiden und zur Erhöhung der Partikelgröße) wird das gesundheitsgefährdende Cristoballit gebildet, das Silicose verursachen kann. Die Symptome dieser Krankheit äußern sich in einer zunehmenden Schwächung der Lungenfunktion, einer chronischen Kurzatmigkeit oder einem gesteigerten Risiko, an Lungenkrebs zu erkranken.
Neben diesen gesundheitlichen Aspekten stellen sowohl die Beschaffung als auch die Entsorgung der Kieselgur zunehmend Probleme dar. Zurzeit arbeiten deshalb Wissenschaftler daran, Alternativen zur Kieselgurfiltration zu entwickeln. Eine dieser Alternativen stellt die Crossflow-Technologie dar.
Dynamisches Filtrationsprinzip
Während die Kieselgurfiltration eine Art der statischen Filtration darstellt, funktioniert die Crossflow-Filtration nach einem dynamischen Filtrationsprinzip.
Im Gegensatz zur statischen Filtration, die eine Filtration in Strömungsrichtung vorsieht, ist bei der dynamischen Filtration der Filtratstrom senkrecht zur Anströmrichtung gerichtet (Crossflow-Prinzip). Das zu filtrierende Medium (Feed) strömt die Membran dabei tangential an. Unter dem Einfluss des Transmembrandrucks (TMP), der senkrecht zur Anströmung gerichtet ist, gehen gemäß der Porengröße der Membran kleinere Moleküle und Kolloide durch die Membran hindurch (Filtrat), während größere Kolloide und Partikel an der Membranoberfläche zurückgehalten werden (Retentat).
Im Verlauf der Filtration bildet sich eine Deckschicht auf der Membran, die den Filtratfluss behindert. Bei der statischen Filtration wächst diese Deckschicht kontinuierlich an und führt letztendlich zur vollständigen Verblockung der Membran.
Im Gegensatz dazu ist aufgrund der selbstreinigenden Wirkung der dynamischen Filtration die Filtratleistung erheblich erhöht und bleibt konstant auf diesem hohen Niveau. Die Standzeit der Membran lässt sich dadurch deutlich steigern. Die Leistung der Crossflow-Filtration wird entscheidend von der Zusammensetzung des zu filtrierenden Mediums, den Betriebsparametern wie Überströmung, Transmembrandruck und Temperatur sowie den Eigenschaften und der Struktur der Membran bestimmt.
Vorteile der Crossflow-Technologie
Durch den Einsatz vollautomatischer Systeme können bei der Crossflow-Filtration Arbeitszeit und somit Kosten reduziert werden. Der hohe Automatisierungsgrad erlaubt einen kontinuierlichen Betrieb der gesamten Abläufe. Moderne Crossflow-Systeme haben einen geringeren Energie- und Wasserverbrauch als vergleichbare Kieselgur-Systeme und weisen zudem einen geringeren Produktverlust auf, was sich in Summe ebenfalls positiv auf die Senkung der Prozesskosten auswirkt. Einen weiteren Vorteil stellt die Tatsache dar, dass es sich bei den verwendeten Crossflow-Anlagen um geschlossene Systeme handelt; CO2-Verluste bzw. eine Sauerstoffaufnahme sind somit ausgeschlossen. Auch aus mikrobiologischer Sicht bringt diese Bauweise Vorteile mit sich.
Mit der Crossflow-Technologie sind in Brauereien Kieselgurfilter, Schichtenfilter, Diskfilter und Trapfilter komplett ersetzbar. Durch den zusätzlichen Einsatz von Sterilfilterkerzen lässt sich ein Filtrationskonzept realisieren, bei dem weiterhin auf die Pasteurisation des Bieres verzichtet werden kann. Die traditionelle Filtrationsmethode besteht in einer Kombination aus Separator, Kieselgurfilter und Schichtenfilter. Hier gelangt das Bier vom Lagertank über einen Separator zum Kieselgurfilter. In dem Separator erfolgt eine Vorklärung des Bieres. Die erste eigentliche Filtration erfolgt dann im Kieselgurfilter. In einem nächsten Schritt wird das Bier in einem Schichtenfilter einer zusätzlichen Polierfiltration unterzogen und schließlich in einem Drucktank zwischengelagert. Von hier aus gelangt das Bier zur Abfüllung. Anschließend wird es einer Pasteurisation zur Haltbarmachung unterzogen.
Mittels des Filtrationskonzepts von Sartorius unter Anwendung der Crossflow-Technologie kann auf den Kieselgur- und den Schichtenfilter verzichtet werden. Ähnlich wie bei der traditionellen Verfahrensweise gelangt das Bier zuerst vom Lagertank zu einem Separator. Das hier vorgeklärte Bier wird nun direkt der Crossflow-Anlage zugeführt und anschließend ebenfalls im Drucktank zwischengelagert. Durch Einsatz einer Sterilfiltration vor der Abfüllung kann auch auf die Pasteurisation verzichtet werden. Der Kunde erhält ein kaltsteril filtriertes Bier höchster Qualität.
Auch seitens der Analytik spricht einiges für die Crossflow-Technologie. So zeigte sich bei einer vergleichenden Analyse zwischen Kieselgur- und Crossflow-filtriertem Bier, dass bei den wertgebenden Inhaltsstoffen keinerlei Unterschiede vorlagen; Hingegen konnte die Filtrierbarkeit des Filtrates in erheblichem Masse gesteigert werden. Diese wirkt sich positiv auf die Standzeit der nachfolgenden Sterilfilterkerzen aus, was wiederum zur Kostenreduktion beiträgt.
Crossflow-System Sartoflow
Das Crossflow-System Sartoflow von Sartorius ist modular aufgebaut und macht ein so genanntes up scaling extrem einfach. Die Basiseinheit liefert 100 hl/h und ist problemlos bis auf 500 hl/h erweiterbar. Entwicklung und Vertrieb dieser Filtrationssysteme erfolgen in Kooperation mit Alfa Laval.
Das Herzstück der Sartoflow_Systeme bilden die Sartocon-Filtermodule, bei denen eine eigens für die Bierfiltration entwickelte Pesu-Membran Verwendung findet. Der Einsatz von Engspaltmodulen mit optimierten hydrodynamischen Eigenschaften und einem verbesserten Prozess führen zu hohen Fluxraten von 70 bis 100 l/m² h und einem sehr geringen Energieverbrauch.
Die Sartocon_Kassette ist alternierend aus einzelnen Membranen und dazwischenliegenden Spacern aufgebaut. Das zu filtrierende Produkt gelangt als so genannter Feedstrom eingangsseitig zuerst auf einen Retentatspacer. Durch das netzartige Gefüge dieses Spacers werden Turbulenzen erzeugt, die dafür sorgen, dass die darunter liegende Membran ständig von den sich ablagernden Trubstoffen freigespült wird. Weiterhin dient er als Abstandhalter zwischen den beiden Membranen. Der Feedstrom wird im Crossflow-Prinzip an der Membran entlanggeführt, wobei hier die eigentliche Trennung in Retentat und Filtrat erfolgt. Das Filtrat tritt durch die Membran hindurch, wobei Trubstoffe entsprechend ihrer Partikelgröße von der Membran zurückgehalten werden. Ein Teil des Feedstroms gelangt als Retentat wieder in den Kreislauf zurück. Auf der Permeatseite der Membran befindet sich wieder ein Spacer; in diesem Fall handelt es sich um einen Filtratspacer. Dieser dient wieder als Abstandhalter zwischen den beiden Membranen und ermöglicht den Abfluss des Filtrates. Filtrat und Retentat werden getrennt zusammengeführt und aus der Kassette ausgeleitet.
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