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Dokumentenidentifikation DE69125449T2 17.07.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0483099
Titel Filtrationsverfahren, insbesondere für die Brauerei
Anmelder Krontec S.A., Luxemburg/Luxembourg, LU;
Engineering Co. Artois N.V., Curacao, AN
Vertreter Patentanwälte Rau, Schneck & Hübner, 90402 Nürnberg
DE-Aktenzeichen 69125449
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 22.10.1991
EP-Aktenzeichen 918701681
EP-Offenlegungsdatum 29.04.1992
EP date of grant 02.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.07.1997
IPC-Hauptklasse C12H 1/04

Beschreibung[de]
Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtrationsverfahren, das verbesserte Eigenschaften einer Flüssigkeit, insbesondere von Bier, von Traubensäften, von Wein oder anderen Getränken durch die Anschwemmungstechnik, in welchem die zu filtrierende Flüssigkeit mit einem Filtrierzusatzstoff vermischt wird.

Zusammenfassung des Standes der Technik und Definition

Die Filtrierzusatzstoffe sind entmischte Substanzen (im allgemeinen in Form von Körnchen oder Fasern), die bei den Fest/Flüssigabsonderungen durch Sedimentation auf ein Sieb oder eine Unterlage, entweder einzeln oder in Vermischung mit den zurückzuhaltenden Teilchen verwendet werden und die Leistungsfähigkeit der Absonderung durch eine im Grunde mechanische Wirkung gewährleisten bzw. verbessern.

Diese Leistungsfähigkeit kann sich sowohl auf das qualitative Niveau des erhaltenen Filtrats, z. B. auf seine Reinheit oder seine Sterilität, als auch durch Steigerung der Filtratmenge auf das quantitative Niveau beziehen.

Die wichtigsten verwendeten Zusatzstoffe sind:

- Diatomeen, die aus der Kalzinierung von Diatomit hervorgehen, welches fossile Algen aus der Familie des Planktons sind und im allgemeinen Kieselgur genannt werden;

- Perlitte, die aus Vulkangestein stammen, dem Rhyolit, wobei dieses zerkleinerte, zermahlene Gestein in einem Kalzinierungsofen um als das 20-fache aufgebläht wird;

- Stärke, z. B. in Form von Kartoffelstärkemehl;

- Flugasche;

- Zellulose;

- synthetische Materialien, wie Polymerfasern.

Diese Zusatzstoffe bilden während der Filtration ein poröses Milieu, das die zu beseitigenden Unreinheiten aufnimmt und den Abfluß der flüssigen Phase erleichtert.

Um den Abfluß des Filtrats zu begünstigen, sollten die Zusatzstoffe eine erhöhte Porosität haben. Das porose Milieu sollte sich unter dem Einfluß des Druckes auch nicht verformen. Die Formgestaltung der Poren sollte regelmäßig sein, um die Fremdstoffe effizient aufzunehmen, was beinhaltet, daß die Korngrößenverteilung der Teilchen gering ist. Ferner sollte ein Zusatzstoff chemisch inert sein. Idealerweise sollte ein Zusatzstoff aus Gründen der Wirtschaftlichkeit aber zunehmend auch aus ökologischen Gründen leicht zurückgewinnbar sind, wobei die verwendeten Kuchen aus Zusatzstoffen häufig eine stark verunreinigte Masse umfassen. Dies ist insbesondere im Falle des Brauereiwesens der Fall.

Es ist bekannt, daß die Zusatzstoffe entweder als Vorschichtung oder unter Anschwemmung verwendet werden können.

Bei Vorschichtung wird der Zusatzstoff auf dem Filtriermedium vor der Filtration der Suspension abgelagert. Bei einer diskontinuierlichen Filtration unter Druck wird diese Technik fast ausschließlich mit Suspensionen einer Korngröße unterhalb von 100 Mikrometer verwendet. In kontinuierlichen Systemen, wie einem Vakuum-Drehfilter, wird die Kontaktfläche mit dem Vorfilter durch ein Abstreichmesser erneuert, das heißt, nach sehr kurzen Filtrationszeiten. Diese Technik gestattet, feine und verstopfende Teilchen in relativ großen Mengen abzutrennen, ohne eine zu großen Verlust an Filtratmenge zu provozieren.

Bei Anschwemmung wird der Zusatzstoff vor der Filtration mit der Suspension vermischt und zwar mit einer Dosierpumpe, die dessen Konzentration zu der der Fremdstoffe proportioniert. Diese Suspension bildet einen Mischkuchen, der aus Zusatzstoff und Fremdstoffen zusammengesetzt ist. Es passiert sehr häufig, daß eine Anschwemmungssuspension durch eine Vorschichtung hindurch filtriert werden soll und zwar, um ein gut geklärtes Ausgangsfiltrat zu erhalten, das Filtriermedium vor der Migration von feinen Teilchen zu schützen, die dieses Verstopfen, und die Ablösung und Reinigung des Filtriermaterials begünstigen können.

Die Erfindung richtet sich auf Zusatzstoffe, die für diese beiden Ausführungstechniken für alle Arten der Filtration anwendbar sind, insbesondere aber für die besagte Anschwemmungstechnik geeignet sind.

Ein Anwendungsbereich, der insbesondere interessierenden Zusatzstoffe ist der des Brauereiwesens.

Nach seiner Reifung in den Überwachungstanks muß das Bier bevor es konditioniert wird, geklärt werden. Die zurückzuhaltenden fremdstoffe sind im wesentlichen die Hefen sowie ein Niederschlag aus einer feinen kolloidalen Struktur. Die abschließende Filtration des Bieres soll zu einem kristallklaren Produkt führen und dazu, daß eine ausreichende biologische und kolloidale Stabilität des Produkts gewährleistet ist. Aus diesem Grunde können zwei Techniken herangezogen werden, nämlich die Massenfiltration und die Anschwemmungsfiltration.

Im Falle einer Massenfiltration perkoliert das endüberwachte Bier durch bereits gebildeten Kuchen, der Masse genannt wird. Die poröse Umgebung hat zum Ziel, die Hefen und anderen Fremdstoffe zurückzuhalten und die für das Bier erforderliche Qualität zu gewährleisten. Diese Massen wurden anfänglich aus Baumwolle mit einer Zugabe von Asbest (Amiant) gebildet, dann hat man andere Formen von Zellulose, angereichert mit Kieselalgen und weiteren adsorbierenden Substanzen verwendet. Diese Technik wird auch gegenwärtig in unseren Tagen von der Brassene Coors (USA) verwendet, und neue Entwicklungen dieses Klärverfahrens sind von der Firma SEN untersucht worden.

Das weit zurückgehende, gebräuchlichste zweite Verfahren ist die Anschwemmung. Vor der Klärung des Bieres wird eine Vorschichtung, gewöhnlich aus Kieselalgen mit erhöhter Permeabilität, auf dem Filtriermedium des Filters abgelagert. Dieser Vorgang hat zum Ziel, das Filtriermedium vor einer Verstopfung durch die Hefen zu schützen und die Ablösung des Filters nach der Filtration zu erleichtern. In zahlreichen Fällen wird bei der zweiten Vorschichtung ein Zusatzstoff von ähnlicher Güte abgelagert, wie der bei der Anschwemmung verwendete, um den schnellen Erhalt eines klaren Filtrats zu erleichtern. Dann kann der Klärungsvorgang beginnen. Wenn der Zyklus abgeschlossen ist, wird der Mischkuchen (Kieselalgen und Hefen) in Form einer verdickten Suspension beseitigt. Diese Praxis der Klärung des Bieres in unserer in bezug auf moderne Filter vollständig automatisierten Zeit, stellt nicht unwesentliche Nachteile dar, nämlich das Erfordernis, pulverisierte Produkte (die pulverförmigen Zusatzstoffe) zu lagern und zu handhaben, mit den Gefahren einer Schädigung der Atmungswege für das Verladepersonal, der Unmöglichkeit, diese Zusatzstoffe in der Brauerei zu regenerieren, im Hinblick auf die Unterschiedlichkeit der verwendeten Güten, wobei auch die Kosten der Beseitigung der Fremdstoffe zu berücksichtigen sind. Kürzlich hat indessen zwar eine deutsche Firma (Tremonis) eine Regenerierung des Kieselgur auf eigenem Gelände vorgeschlagen, der so wiedergewonnene Zusatzstoff weckt aber aufgrund seines Preises und der Transportkosten des genutzten Zusatzstoffes einer zurückhaltenden Begeisterung seitens der Brauereien.

Andererseits ist die Verwendung von Mikrokügelchen in verschiedenen Anwendungen in den folgenden Dokumenten beschrieben worden:

- Die Patentanmeldung FR-A- 2 636 542 beschreibt ein biochemisches Verfahren zur Abtrennung eines Stoffes aus einer flüssigen Umgebung mittels Mikrokügelchen, auf welchen ein Bindemittel fixiert ist. Diese Fixierung mit einem Bindungsmittel erhöht jedoch die Kosten des Verfahrens beträchtlich.

Text fehlt

Insbesondere für die Filtration von Bier liegt der bevorzugte mittlere Durchmesser der sphärischen Kügelchen in der Größenordnung von 20 µm.

Die sphärische Form gestattet eine sehr viel dichtere Verteilung der Porengröße zu haben, was insbesondere erlaubt, die Bildung einer Vorschichtung zu umgehen.

Das grundlegende Interesse dieser Art eines Filtrierzusatzstoffes beruht auf der Tatsache, daß aufgrund seiner sphärischen Form die Porosität des Kuchens aus Zusatzstoff viel geringer ist als die anderer Zusatzstoffarten, welche nahe bei 0,8 bis 0,9 liegt. Diese Eigenschaft gestattet, eine sehr verringerte Dicke des Kuchens bei äquivalenter Menge des Zusatzstoffes zu haben, was die Möglichkeit mit sich bringt, längere Zyklen für den aus diesem neuen Zusatzstoff gebildeten Kuchen zu haben. Beispielsweise können Porositätswerte von 0,3 bis 0,5 gemäß der Erfindung erhalten werden.

Die sehr geringe spezifische Oberfläche kennzeichnet die sphärischen Formen, was eine erhöhte Permeabilität des Filterbetts trotz einer niedrigen Porosität zu erhalten.

Das Material dieser Kügelchen soll in allgemeiner Weise nicht zusammendrückbar, wenig empfindlich gegenüber den Einflüssen der Temperatur und lebensmitteltauglich sein. Es soll sauren Lösungen widerstehen können und einen ausreichenden Widerstand gegenüber Alkalien bieten. Ebenso soll es ausreichende Festigkeitseigenschaften gegenüber einer Abrasion und gegenüber Wiedergewinnungsmitteln aufweisen. Eine spezifische Masse dieser Kügelchen, vorzugsweise nahe der der Suspension, gestattet, die die Filtration begleitenden Absetzungseinflüsse aufzuheben. Die Materialien, die z. B. diese Anforderungen erfüllen können, sind Glas und Kunststoffe. Die Kügelchen können entweder gefüllt oder hohl sein, insbesondere, um die spezifische Masse der Kügelchen an die gewünschten Bedingungen anzupassen.

Bei seiner Verwendung wird dieser neuartige Zusatzstoff auf einem unveränderbaren Filtrationsmedium (z. B. einem Metallgewebe) abgelegt, dessen Porengröße dichter ist als die der sphärischen Teilchen und zwar, um dadurch die Migration von Feinanteilen in das Medium zu vermeiden. Dies erleichtert die Reinigung dieses Elements.

Mit der besonders einfachen und regelmäßigen Form des neuartigen Zusatzstoffes und aufgrund des Nichtvorhandenseins einer Vorschicht weist der gebildete Kuchen an jedem Punkt seiner Struktur eine gleichförmige Permeabilität auf. Diese Qualität ermöglicht eine wirksame in situ Regeneration im Filter, z. B. durch Perkulation einer Natronlaugelösung: Es kann gleichermaßen auch mittels Repulperung außerhalb des Filtrationssystems gearbeitet werden. Dieser Vorteil vermeidet die Austragung des Zusatzstoffes bei der Entleerung und gestattet die Verwendung eines wiedergewinnbaren kolloidalen Stabilisierungsmittels wie das PVPP gleichzeitig mit der Klärung.

Die Kügelchen dieser vorgeschlagenen Art sind bekannt und werden auf dem Markt unter verschiedenen Marken und Bezeichnungen vertrieben. Ganz allgemein werden diese als Mikroperlen oder Mikrokügelchen qualifiziert. Sie wurden weitgehend als Träger bei chemischen Reaktionen verwendet (Katalysatortrager im Fest- oder Flüssigbett), als Träger von pharmazeutischen Produkten oder biologischen Testsubstanzen (in Detektionssätzen, insbesondere für Antikörper/Antigene) oder auch für Reflektionsstoffe in einem in einer Matrix eingebundenen Zustand.

Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß ganz entgegen dem Bestreben, Filtrationszusatzstoffe mit verzahnter Struktur, insbesondere mit faserigem Charakter, zu verwenden, ein Filtrationszusatzstoff erhalten werden kann, der zugleich wirksam und leicht anwendbar ist.

Die Beseitigung des Erfordernisses der Bildung einer Vorschicht ist besonders vorteilhaft wegen der Zeitersparnis, die dies mit sich bringt.

Kurzbeschreibung der Figuren

Figur 1 gibt eine schematische Ansicht einer standardmäßigen Laboranlage wieder, mit der Filtrationsversuche mit konstantem Durchsatz ausgeführt werden können;

Figur 2 gibt für einen Filtrationsversuch mit konstantem Durchsatz die Druckentwicklung als Funktion der Zeit wieder;

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung

Um die beachtlichen Eigenschaften hervorzuheben, die bei Verwendung eines Zusatzstoffes gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden, ist es angebracht, einen kurzen theoretischen Überblick von der Filtration von Bier zu geben.

Die Funktionsgleichung des Vorgangs der Bierfiltration mit Zusatzstoff ergibt sich aus dem Gesetz von Darcy. Der Filtratdurchsatz ist proportional zum Druck, zur Filtrationsoberfläche und umgekehrt proportional zur Viskosität und zum Widerstand der Fluidströmung. Dieser Widerstand setzt sich aus zwei Faktoren zusammen: dem Filterträger und dem Filtrationskuchen.

Die Funktionsgleichung nimmt die Form an:

in der

Q der momentane Durchsatz des Filtrats ist (m³/s)

V das Volumen des ausgeströmten Filtrats ist (m³)

P der Filtrationsdruck ist (Pa)

µ die Viskosität des Filtrats ist (Pa.s)

Rm der Widerstand des Filterträgers ist (m&supmin;¹)

C die Feststoffkonzentration der gefilterten Flüssigkeit ist (Kg/m³)

α der spezifische Widerstand des Kuchens ist (m/Kg)

Während einer Filtration mit konstantem Durchsatz und konstanter Filtrationsoberfläche nimmt die Gleichung [1] die Form an:

Die Beziehung [2] ist die Gleichung einer Geraden, die anzeigt, daß der Druck mit der Zeit linear zunehmen muß. Der Ausdruck µRmQ/A kennzeichnet den im wesentlichen aus mechanischen Gründen erfolgenden Verlust des auf das Medium, einschließlich ggf. der abgelagerten Vorschichten des Zusatzstoffes, vorher ausgeübten Drucks. Der Ausdruck µaCQ²/A² kennzeichnet den Verlauf einer durch den Kuchen verursachten temporären Zunahme des Druckverlustes. Dieser Ausdruck ist abhängig von der Viskosität des Filtrats, der Perkolationsgeschwindigkeit des Filtrats innerhalb der porösen Umgebung Q/A und von einem Produkt αC, das wir Filtrierfähigkeitsfaktor (K), ausgedrückt in m&supmin;², nennen, einen Faktor, der die Filtrierfähigkeit der Suspension quantifiziert.

Um diesen Parameter zu charakterisieren, genügt es, einen Filtrationsversuch mit konstantem Durchsatz durchzuführen, den Druckanstieg als Funktion der Zeit aufzuzeichnen, durch lineare Regression die Steigung der Geraden zu bestimmen, was gestattet, den Koeffizienten (K) zu ermitteln (siehe Figur 2).

Die in Figur 1 dargestellte Laboranlage ist aus einem geschlossenen, kreisförmigen Filter mit ebener Oberfläche mit einer Flächenausdehnung von 78,5 cm². Die Vorrichtung ist so temperaturgeregelt, daß das Bier bei niedriger Temperatur filtriert wird.

Stromaufwärts gelegen findet sich ein Kessel 1 mit unfiltriertem Bier, dem ein Zusatzstoff hinzugegeben ist. Dieser in einem kalten Raum angeordnete Kessel wird ständig gerührt, um die Absetzvorgänge zu vermeiden. Eine peristaltische Pumpe 2 befördert die Suspension mit konstantem Durchsatz zum geschlossenen Filter 3. Das filtrierte Bier wird in einen Behälter 4 ausgebracht, der auf einer mit einem Zeitgeber versehenen Waage 6 angeordnet ist, was zuläßt, den augenblicklichen Bierausstoß zu kontrollieren. Ein am Eingang des Filters 3 angeordneter Druckfühler 7 gestattet, die Druckschwankung als Funktion der Zeit zu erfassen.

Nachdem der Kessel 1 mit hundert Liter unfiltriertem Bier gefüllt worden ist, gibt das Bedienungspersonal den Filtrierzusatzstoff hinzu, unter Rührung des Ganzen im Hinblick darauf, eine homogene Suspension zu erhalten. Während dieser Zeitspanne können die Vorschichten mittels Beschickung der Vorschicht 9 auf das in dem geschlossenen Filter 3 vorhandene Filtratmedium abgelegt werden. Die Gesamtheit der Apparatur und das Bier werden durch die Kühlgruppe 5 auf einer Temperatur nahe null Grad gehalten. Vor dem Beginn des Filtrations versuchs wird die Anlage mittels einem Entlüftungsventil 8 auf der Filter-Bombe 3 vollständig entgast.

Die Suspension Bier/Zusatzstoff wird anschließend mit konstantem Durchsatz in den geschlossenen Filter gepumpt. Das filtrierte Bier wird in einem Reservoir 4 aufgefangen, der auf einer mit einem Zeitgeber versehenen Waage 6 angeordnet ist. Dies gestattet, die Regelmäßigkeit des Durchsatzes zu kontrollieren. Es genügt somit, die Druckveränderungen über die Zeit zu messen. Diese Veränderungszunahme gemäß Figur 2 gestattet, die Filtrierfähigkeit der Suspension zu charakterisieren.

Wir erkennen in Figur 2 das Vorhandensein von zwei Zonen. Die Zone I, eine Durchgangszone, kennzeichnet eine Strömung eines Gemisches Wasser/Bier aufgrund des Vorhandenseins von Wasser im Filter, am Anfang des Filtrationsvorganges, und zwar zum Zwecke einer guten Entgasung des Systems. Die Zone II, eine lineare Zone, gestattet, die Filtrierfähigkeit der Suspension zu charakterisieren und zwar unter Messung der Steigung der Geraden (D). Diese Steigung beträgt

was gestattet, ohne Schwierigkeit den Filtrierfähigkeitsfaktor zu ermitteln.

Um die hinsichtlich der Filtrierfähigkeit erhaltenen experimentellen Ergebnisse hervorzuheben, wurden zwei Arten von Zusatzstoffen getestet: ein im Brauereiwesen klassischer Zusatzstoff, ein Kieselgur Typ CBL (A1), das durch die Firma CECA kommerziell vertrieben wird und ein quasi sphärischer Zusatzstoff aus Nylon 11 gemäß der Erfindung (A2). Die Versuche wurden unter Zugabe von 100 g des Zusatzstoffes pro Hektoliter unfiltrierten Bieres durchgeführt. Das unfiltrierte Bier ist von der Art her "Pils", das zwischen 850.000 und 1.500.000 Hefepilze pro ml enthält. Die Filtratdurchsätze schwankten während der Versuche zwischen 5,5 und 13 hl/hm². Die Tabelle 1 gibt die erhaltenen Ergebnisse wieder.

Wir stellen fest, daß die gemessenen Filtrierfähigkeiten für unfiltrierte Biere, denen ein Zusatzstoff gemäß der Erfindung in regelmäßiger Gestalt, quasi sphärisch, aus Nylon 11, zugegeben wurde, besser gereinigt wurden, als diejenigen, die mit einem klassischen Zusatzstoff (Kieselgur - CBL) konditioniert wurden. Dies beinhaltet, daß der Druckanstieg in dem Filter deutlich geringer ist. Für die verschiedenen Versuche ist der Faktor K bei der Verwendung eines Zusatzstoffes gemäß der Erfindung (A2) wenigstens um das Zweifache kleiner als im Falle der Verwendung eines klassischen Zusatzstoffes (A1). Dieser bemerkenswerte Vorteil gestattet, die Filtrationszeit zu verlängern, solange der zulässige Maximaldruck auf den Filter nicht erreicht ist, was die Nutzungsdauer des industriellen Filters bei der Produktion maximieren wird.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Filtration einer Flüssigkeit durch die Technik der Anschwemmung, bei der man die zu filtrierende Flüssigkeit mit einem Filtrierzusatzstoff mischt und man diese Mischung durch eine Filtrierrvorrichtung fließen läßt, dessen Maschen eine Abmessung haben, die wesentlich kleiner ist als die des Zusatzstoffes, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Filtrierzusatzstoff benutzt, der aus gleichmäßig kugelförmigen oder fast kugelförmigen Kügelchen aus Glas oder aus Kunststoff mit einer Korngröße zwischen 5 und 50 µm besteht, welche geeignet sind auf der Filtriervorrichtung einen Filterkuchen mit einer Porosität zwigchen 0,3 und 0,5 zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man sphärischen Kügelchen mit einem Durchmesser von etwa 20 µm benutzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man massive oder hohle Kügelchen benutzt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man Kügelchen benutzt, deren Dichte etwa der der zu filtrierenden Flüssigkeit entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Nylonkügelchen 11 benutzt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es keine Vorstufe zur Ablagerung einer Vorschicht auf de Filtervorrichtung umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Kügelchen aus einem nicht komprimierbaren, wenig temperaturempfindlichen Material benutzt, das gegen chemische Stoffe, mit denen es in Kontakt kommen muß, und gegen Verschleiß widerstandsfähig ist, wobei das Material Nahrungsmittelqualität haben muß.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einer Filtrierstufe von vorgegebener Dauer eine in-situ-Regenerationsstufe für den Filtrierzusatzstoff umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zu filtrierende Flüssigkeit zu klärendes Bier ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in-situ-Regenerationsstufe für den Filtrierzusatzstoffe eine Perkolationsstufe mit einer Lösung aus Ätzsoda ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Filtration von Bier, Säften, Wein oder für andere Getränke benutzt wird.







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