DE3533306A1 - Verfahren zur auftrennung und klarfiltration von suspensionen und vorrichtung zu seiner durchfuehrung - Google Patents

Verfahren zur auftrennung und klarfiltration von suspensionen und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftrennung und Klarfiltration von Suspensionen, beispielsweise von Getränken mit Suspensionsstoffen, wie Bier mit Hefe- und Trubstoffen; Wein mit Hefe- und Schönungsstoffen; Most mit Eiweiß und Hefen, Fermentersuspension oder ähnliches, bei dem eine von Stoffen ab einer bestimmten Partikelgröße zu befreiende Suspension durch eine Trennstufe, wie ein Filter oder eine Zentrifuge, geführt wird sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.
Es gibt verschiedenste Verfahren zum Abtrennen von Stoffen ab einem bestimmten Molekulargewicht aus einer Suspension. Diese Verfahren sind insbesondere in der Biotechnologie notwendig, um Keime bzw. Bakterien aus Lösungen abzufiltrieren; man erhält als Produkt dieser sog. "Sterilfiltration" keimfreie Flüssigkeit. Flüssigkeiten, die derart sterilgefiltert bzw. von Eiweißen oder anderen größeren Verunreinigungen befreit werden, sind beispielsweise Biere, bei denen das aus dem Gärtank kommende Bier von Hefe, Hefe-Eiweißstoffen sowie von Trubstoffen befreit werden muß und das entstehende Bier möglichst keimfrei sein sollte. Eine übersichtliche Zusammenfassung der bekannten Bierfiltrationsverfahren findet sich in "Handbuch der Brauereipraxis", Herausgeber: Dr.-Ing. Karl-Ulrich Heyse, Brauwelt Verlag, Nürnberg, 1983. Bei Wein müssen ebenfalls Hefe und Schönungsmaterialien ausfiltriert werden, auch bei Fermenten, bei denen das Produkt einer biologischen Vermehrung von Mikroorganismen die Lösung mit den kleinen Molekülen das Filter passiert, während die diese Materialien herstellenden Mikroorganismen, wie Hefen oder andere Ein- oder kleine Mehrzeller, sowie unerwünschte Nebenprodukte bzw. Nährboullionsbestandteile abgetrennt werden.
Bisher wurden derartige Suspensionen mittels Filterelementen, wie Stützschichtenfiltern, Massefiltern, Anschwemmfiltern u. ä. die als Filtermaterial Kieselgur, Perlite, Kohle, Asbest, Zellulosefilter, Bentonit, Glas o. ä. einsetzen, filtriert, wobei die Stoffe mit größerem Molekulargewicht auf der Oberfläche des Filters zurückblieben, und die von den hochmolekulargewichtigen Stoffen befreite Flüssigkeit durch das Filter austrat.
Derartige bekannte Filter, bei beispielsweise auch durch Anschwemmen von Filtermaterial mit der zu filtrierenden Suspension erst aufgebaut wurden, hatten den Nachteil, daß sie bei Druckschlägen oder bei Druckabfall leicht rissen und somit der gewünschte Effekt des Verhinderns des Durchtretens von größeren Molekülen nicht erreicht werden konnte. Bei Auftreten eines Druckabfalls traten kleine Haarrisse beispielsweise in einem angeschwämmten Silikatfilter auf (Kieselgurfilter), die dazu führten, daß beispielsweise bei der Bierklarfiltration Mikroorganismen, welche die Lagerfähigkeit des gefilterten Getränkes stark herabsetzen, in das klarfiltrierte Bier durchtraten. Es war daher in der Vergangenheit notwendig, bspw. bei der Bierherstellung einer derartigen Klarfiltrationsstufe eine Sterilisationsanlage, welche das Klarfiltrat durch Kurzzeiterhitzen sterilisierte, nachzuschalten.
Ein weiterer Nachteil derartiger bekannter Filterelemente bestand darin, daß die abgetrennten Stoffe bspw. bei Bier Bierhefe und Trubstoffe oder auch bei Fermentern die abgeschiedenen Mikroorganismen mit Teilen des Nährmediums aufgrund Ihrer Durchmischung mit dem Filtermaterial meist nicht mehr oder nicht in hinreichender Menge wiederverwendet bzw. zu anderen Produkten verarbeitet werden konnten. Bei der Bierherstellung ist dies besonders bedauerlich, da die Bierhefe mit Trubstoffen ein exzellentes Futtermittel ist, welches sich gut verkauft.
Ein weiteres Problem bestand darin, daß die herkömmlichen Filterelemente nach einer gewissen Standzeit vollständig durch Entnahme des Filtermaterials nebst Filterkuchen regeneriert werden mußten, das Filtermaterial mußte entsorgt werden. Ein Entsorgen des Filtermaterials ist kostenaufwendig immer insesondere dann, wenn ein nicht weiterverwendbares Filtermaterial anfällt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Klarfiltration von Flüssigkeiten zu schaffen, welches zuverlässig die Abtrennung von Molekülen ab einer gewissen Größe ermöglicht, wobei Filtrat und herausgefiltertes Material ohne zugesetzte Filterhilfsmittel gewonnen werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem diese Suspension durch eine Ultrafiltrationsstufe in ein klares Filtrat und in eine konzentrierte Suspension aufgetrennt wird, und diese konzentrierte Suspension in einer Feststoffabtrennung, wie einer Zentrifuge oder Dekanter und/oder einer Filterpresse in eine feststoffreiche Phase, die bspw. Hefe, Schönungsmittel, Trubstoffe u. ä. aufweisen kann, und eine flüssige Phase aufgetrennt wird, die in den Suspensionsstrom der Ultrafiltrationsstufe rückgeführt wird.
Dadurch, daß eine Ultrafiltrationsstufe gemeinsam mit einer nachgeschalteten Feststoffabtrennvorrichtung eingesetzt werden, wobei die aus der Feststoffabtrennvorrichtung stammende Flüssigkeit in den die Ultrafiltrationsstufe beschickenden Suspensionsstrom zurückgeführt wird, kann eine erhebliche Erhöhung der Ausbeute an der zu gewinnenden Flüssigkeit erzielt werden. Bei Vorsehen eines Dekanters oder einer Zentrifuge kann das Verfahren kontinuierlich gestaltet werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß das Klarfiltrat aus der Ultrafiltrationsanlage steril ist, weil ein Durchschlagen der Ultrafiltrationsmembran bei Druckstößen nicht auftritt, im Gegensatz zu den bisher einesetzten Anschwemmfiltern.
Weiterhin kann das in der Feststoffabtrennvorrichtung, bspw. dem Dekanter, der Zentrifuge oder der Filterpresse abgetrennte feste Material rein gewonnen werden, d. h. ohne irgendwelche Verunreinigungen mit Filterstoffen, welche es bspw. für die Verwendung als Tierfuttermittel o. ä. unbrauchbar machen.
Bei Einsatz einer Filterpresse, welche bspw. bei der Klarfiltration von Bier die Gelägerhefe zu einem sehr hohen Prozentsatz auszupressen vermag, ist die Ausbeute an gewonnenem Bier sehr viel höher als bei herkömmlichen Verfahren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird als Ultrafiltrationsanlage eine Querfiltrationsanlage eingesetzt, welche durch ihre relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenz ein zuverlässiger Weitertransport des Suspensionskonzentrats unter weitestgehender Verhinderung des Verweilens des Konzentrats an der Membran ermöglicht.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Membran der Ultrafiltrationsstufe eine Porengröße besitzt, die nur Moleküle mit einem Molekulargewicht von kleiner als ca. 1.000.000, bevorzugt kleiner als ca. 200.000 und besonders bevorzugt kleiner als ca. 100.000 durchlässt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zu filtrierende Suspension Bier aus einem Gärtank mit Hefe und Trubstoffen, welches in einer Querfiltrationsanlage in keimfreies, klares Bier und ein Bier-Hefe-Trubstoffkonzentrat aufgetrennt wird, wobei das Konzentrat in einer Feststoffabtrennvorrichtung in eine Hefe-Trubstoffphase und rückzuführendes Bier aufgetrennt wird. Dabei kann als Suspension der gesamte Inhalt eines Gärtankes, eingeschlossen die Hefegeläger und Trubstoffe restlos verarbeitet werden. Mit bisherigen Verfahren war es nicht möglich, den gesamten Gärtankinhalt zur filtrieren, es wurde ein Resttankinhalt belassen, der sodann separat behandelt wurde und zu sog. "Restbier" führte, welches als minderwertiges Bier verarbeitet werden mußte. Dadurch, daß erfindungsgemäß der gesamte Gärtankinhalt verarbeitet werden kann, fällt ein derartiges Restbier nicht mehr an und es kann eine weitaus höhere Ausbeute insbesondere bei Brauereiverfahren erzielt werden.
Eine besonders bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Ultrafiltrationsstufe mit einer Filtratabführung und einer Suspensionskonzentratleistung auf, die in eine nachgeschaltete Feststoffabtrennvorrichtung führt, wobei die Feststoffabtrennvorrichtung einen Flüssigkeitsabfluss aufweist, der mit der Leitung zur Ultrafiltrationsstufe verbunden ist, so daß in der Feststoffabtrennvorrichtung abgetrennte Flüssigkeit zur Ultrafiltrationsstufe rückgeführt wird. Vorteilhafterweise ist die Feststoffabtrennvorrichtung ein Dekanter. Die Feststoffabtrennvorrichtung kann aber auch eine Zentrifuge oder auch eine Filterpresse sein.
Als Ultrafiltrationsanlage wird vorteilhafterweise eine Querfiltrationsanlage eingesetzt, bspw. eine solche, die Moleküle mit Molekulargewichten von unterhalb etwa 1.000.000, bevorzugt von unterhalb etwa 200.000 und besonders bevorzugt unterhalb von etwa 100.000 aus der Suspension ausfiltert.
Gegenüber bekannten Suspensionstrennvorrichtungen und -Verfahren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung zu dessen Durchführung in überraschender Weise ein ökonomischeres Arbeiten, insbesondere werden Verluste der zu gewinnenden Flüssigkeit bei der Filtration minimiert und eine vollständige Verwendung des Konzentrats ermöglicht, da keine Filterhilfsmittel im Konzentrat vorhanden sind; Filterdurchbrüche und Ihre Folgen verhindert, Abfall und Abwasseranfall erheblich minimiert und die Filtrationskosten wesentlich gesenkt.
Im folgenden wird nun die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der begleitenden Zeichnung näher erläutert, dabei zeigt:
Fig. 1 Eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 Eine semikontinuierliche Anlage, die mit dem ersten Arbeitsbehälter arbeitet und
Fig. 3 Die Vorrichtung gemäß Fig. 2, bei Beschickung des zweiten Arbeitsbehälters.
In der Fig. 1 ist eine für die Bierfiltration ausgelegte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der eine Suspension durch Membranmoduln 6 und einen Dekanter 12 in verwertbare Flüssigkeit und verwertbare Feststoffe aufgetrennt wird. Die dort dargestellte Vorrichtung eignet sich insbesondere für die Aufarbeitung von Bier aus Gärtanks. Mit Hilfe einer Zuführpumpe 2 wird der Inhalt eines Gärtanks 1 niveaugesteuert einem als Puffer wirkendem Vorlagetank 3 zugeführt, welcher die Ultrafiltrationsanlage 6 beschickt. Eine Speisepumpe 4 fördert die unfiltrierte Suspension in den Kreislauf der Ultrafiltrationsanlage 6. Umwälzpumpen 5 führen die Suspension durch die Membranmoduln 6 der Ultrafiltrationsanlage.
Durch die Membranen werden Hefen, Trubstoffe und vorhandene Keime zurückgehalten, während Bier als klares Filtrat die Membranen permeiert und über eine Leitung 7 in einen Stapeltank 8 abgeführt wird. Im Kreislauf der Ultrafiltrationsanlage reichern sich zwischenzeitlich Hefen und Trubstoffe an. Ein Teil des Konzentrats wird kontinuierlich über ein Regelventil 9 in einen Konzentratpuffertank 10 geleitet und von dort über die Dosierpumpe 11 in einen Dekanter 12 geleitet. Infolge der kontinuierlichen Zuführung von unfiltriertem Substrat aus dem Gärtank 1 in den Kreislauf der Anlage stellt sich ein stationärer Konzentrationszustand ein, der so gesteuert wird, daß eine optimale Filtrationsleistung erzielt wird.
Im Dekanter 12 wird das über das Regelventil 9 abgezogene Konzentrat in eine feste und eine flüssige Phase getrennt. Die feste Phase besteht bei der Verarbeitung von Bier fast ausschließlich aus Hefe und Trub 13. Das Dekanterbier 14, die flüssige Phase, besitzt nur noch einen geringen Gehalt an Hefe und Trubstoffen und wird in den Vorlagetank 3 der Ultrafiltrationsanlage 6 rückgeführt. Während des Betriebes steht die gesamte Anlage bevorzugt unter Kohlensäuredruck, um ein Austreten der Bierkohlensäure auszuschließen.
In den Fig. 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße semikontinuierliche Anlage, hier ebenfalls speziell für die Bierfiltration ausgelegt, dargestellt, bei welcher der Inhalt eines Gärtanks 1 mit Hilfe einer Zuführpumpe niveaugesteuert in einen ersten Arbeitsbehälter 15 der Ultrafiltrationsanlage 6 geführt wird. Aus dem ersten Arbeitsbehälter 15 wird die unfiltrierte Suspension mit Hilfe der Umwälzpumpe 5 durch die Membranmoduln 6 im Kreislauf der Ultrafiltrationsanlage gefördert und konzentriert wieder in den ersten Arbeitsbehälter 15 rückgeführt. Gleichzeitig wird die Konzentration der bereits verarbeiteten Filtrationscharge im zweiten Arbeitsbehälter 16 über eine Dosierpumpe 11 in den Dekanter 12 geführt und dort in eine feste und eine flüssige Phase aufgetrennt. Die feste Phase, die im wesentlichen aus Hefe und Trub 13 besteht, wird ausgetragen während die flüssige Phase, das sog. Dekanterbier 14 mit einem geringen Hefe und Trubanteil wieder in den ersten Arbeitsbehälter 15 rückgeführt wird und damit wieder in den Filtrationskreislauf der Ultrafiltrationsanlage eintritt.
Die Moduln 6 der Ultrafiltrationsanlage enthalten Membranen, auf denen Hefen, Trubstoffe und auch Keime zurückgehalten werden, während Bier als klares Filtrat die Membran permeiert und über eine Filtratleitung in den Stapeltank 8 abgeführt wird. Während des Betriebes wird dem ersten Arbeitsbehälter 15 laufend niveaugesteuert nicht filtrierte Suspension zugeführt. Die Zufuhr von nicht filtrierter Suspension wird solange fortgesetzt, bis die Konzentration von Hefen und Trubstoffen im ersten Arbeitsbehälter so stark gestiegen ist, daß die Filterleistung nachläßt. Die Filtration der Charge wird dann beendet und auf den zweiten Arbeitsbehälter 16 umgestellt, der zwischenzeitlich gereinigt, sterilisiert und auf Arbeitsniveau mit nichtfiltrierter Suspension gefüllt worden ist. Der zweite Arbeitsbehälter 16 kann nun an die Ultrafiltrationsanlage angeschlossen werden (Fig. 3) und liefert die nächste Charge. Das Konzentrat im ersten Arbeitsbehälter 15 wird nun über eine Dosierpumpe 11 in den Dekanter 12 geführt und dort in eine feste und eine flüssige Phase aufgetrennt. Während die feste Phase ausgetragen wird, wird die flüssige Phase, die aus dem Dekanter 14 austritt, in den zweiten Arbeitsbehälter 16 geführt und damit in den Ultrafiltrationskreislauf rückgeführt.
Auf diese Art und Weise kann das Bier chargenweise sterilfiltriert und das Hefe-Trub-Konzentrat ausgetragen werden. Auch hier steht während des Betriebs die gesamte Anlage bevorzugt unter Kohlensäuredruck, um ein Austreten von Bierkohlensäure zu vermeiden.
Vorteilhafterweise können die beschriebenen Anlagen auch Reinigungs- und Sterilisationseinrichtungen enthalten, welche periodisch die gesamte Anlage sterilisieren und reinigen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
  • Bezugszeichenliste  1. Gärtank
     2. Zuführpumpen
     3. Vorlagetank
     4. Speisepumpe
     5. Umwälzpumpe
     6. Membranmodul
     7. Leitung
     8. Stapeltank
     9. Regelventil
    10. Konzentrat-Puffertank
    11. Dosierpumpe
    12. Dekanter/Filterpresse/Zentrifuge
    13. Hefe und Trub
    14. Dekanterbier
    15. erster Arbeitsbehälter
    16. zweiter Arbeitsbehälter

Claims (11)

1. Verfahren zur Auftrennung von Klarfiltration von Suspensionen, bspw. von Getränken mit Suspensionsstoffen, wie Bier mit Hefe und Trubstoffen; Wein mit Hefe und Schönungsstoffen; Most mit Eiweiß und Hefen, Fermentersuspensionen oder ähnlichem, bei dem eine von Stoffen ab einer bestimmten Partikelgröße zu befreiende Suspension durch eine Trennstufe, wie ein Filter oder eine Zentrifuge, geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Suspenion durch eine Ultrafiltrationsstufe in ein klares Filtrat und in eine konzentrierte Suspension aufgetrennt wird, und diese konzentrierte Suspension in einer Feststoffabtrennvorrichtung, wie einer Zentrifuge oder einem Dekanter und/oder einer Filterpresse, in eine feststoffreiche Phase, die bspw. Hefe, Schönungsmittel, Trubstoffe und ähnliches aufweisen kann, und eine flüssige Phase aufgetrennt wird, die in den Suspensionsstrom vor der Ultrafiltrationsstufe rückgeführt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltrationsstufe eine Querfiltrationsanlage ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran der Ultrafiltrationsstufe Porengrößen aufweist, die Moleküle mit einem Molekulargewicht von kleiner als etwa 1.000.000, bevorzugt kleiner als etwa 200.000 und besonders bevorzugt kleiner als etwa 100.000, durchlassen.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension Bier aus einem Gärtank mit Hefe und Trubstoffen ist, das in einer Querfiltrationsanlage in keimfreies, klares Bier und ein Bier-Hefe-Trubstoffkonzentrat in einer Feststoffabtrennvorrichtung in eine Hefe-Trubstoffphase und rückzuführendes Bier aufgetrennt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension im wesentlichen den gesamten Bier-Gärtankinhalt, eingeschlossen Hefegeläger und Trubstoffe, aufweist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ultrafiltrationsstufe (6) mit Filtratabführung (7) und Suspensionskonzentratleitung, die Suspensionskonzentrat in eine nachgeschaltete Feststoffabtrennvorrichtung (12) mit einem Flüssigkeitsabfluss (14) leitet, wobei der Flüssigkeitsabfluss (14) mit der zur Ultrafiltrationsstufe führenden Suspensionsleitung verbunden ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffabtrennvorrichtung (12) ein Dekanter ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffabtrennvorrichtung (12) eine Zentrifuge ist.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffabtrennvorrichtung (12) eine Filterpresse ist.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultrafiltrationsstufe (6) eine Querfiltrationsanlage ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querfiltrationsanlage Moleküle mit einem Molekulargewicht unterhalb von etwa 1.000.000, bevorzugt kleiner als etwa 200.000 und besonders besonders bevorzugt von etwa 100.000 - aus der Suspension ausfiltert.
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