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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kaltfiltriertem Bier, wobei
Bier durch ein Membranfilter filtriert wird, welches wahrend der Filtration zunehmend verblockt, worauf die Filtration durch dieses Membranfilter gestoppt, das Membranfilter gereinigt und danach zur neuerlichen Filtration eingesetzt wird.
Bier muss aufgrund der langen Vertriebswege entkeimt werden, um es lagerfähig zu machen.
Heutzutage wird das Bier zur Entkeimung in erster Linie pasteurisiert. Dazu wird das Bier z. B. in Flaschen oder Dosen abgefüllt, auf eine Temperatur zwischen 62 und 680C erhitzt, wodurch die Keime abgetotet werden.
Dieses Pasteurisieren ist jedoch energieaufwendig. Ferner hat es den Nachteil, dass die zugeführte Energie chemische Reaktionen auslösen kann, die das Produkt beeinträchtigen und nur schwer beherrschbar sind. Durch diese Reaktionen kann z. B. der Geschmack des Produktes nachteilig verändert werden ("Pasteur-Geschmack"), und es besteht darüberhinaus die Gefahr, dass sich unerwünschte Derivate bilden. Das Pasteurisieren ist somit ein relativ teures, qualitatsminderndes, energieaufwendiges und daher umweltbelastendes Entkeimungsverfahren.
Als weiteres Entkeimungsverfahren ist die Kaltfiltration durch eine Membran bekannt.
Kaltfiltrierte Biere werden z. B. in den USA, Japan und Korea als sogenannte "Draft-Biere" angeboten. In Europa sind diese Biere verboten, da sie technische Enzyme enthalten. Mit diesen technischen Enzymen wird einem Nachteil der Kaltfiltration entgegengesteuert, der dieser Technik anhaftet : die rasche Verblockung des Filters im Laufe der Filtration. Diese Verblockung reduziert die Standzeit des Filters und verteuert die Bierproduktion, da Membranfilter teuer sind.
Ein weiterer, wesentlicher Nachteil besteht darin, dass die Verblockung der Membran unberechenbar und plötzlich auftritt, ohne dass ein Zusammenhang mit den üblichen Kenngrössen, wie z. B. Gesamtstickstoff, % Stammwürze, erkennbar ist.
Eine vollstandig verblockte Membran lässt sich mit den im Stand der Technik bekannten Reinigungsverfahren nicht mehr befriedigend reinigen, was die Standzeit des Filters natürlich empfindlich verkürzt.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von kaltfiltriertem Bier bereitzustellen, weiches die obigen Nachteile nicht aufweist, bei welchem Verfahren somit der Bierproduzent nicht mehr von einer plötzlich auftretenden Verblockung des Membranfilters überrascht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt sich ferner die Aufgabe, die Standzeiten von Membranfiltern zu erhöhen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von kaltfiltriertem Bier, bei weichem Bier durch ein Membranfilter filtriert wird, welches während der Filtration zunehmend verblockt, worauf die Filtration durch dieses Membranfilter gestoppt, das Membranfilter gereinigt und danach zur neuerlichen Filtration eingesetzt wird, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Filtration zu einem Zeitpunkt gestoppt wird, an dem das Membranfilter noch nicht vollständig verblockt ist, wobei dieser Zeitpunkt durch Bestimmen des Strömungspotentials am bzw. des Zetapotentials des Membranfilter (s) bestimmt wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich das Strömungspotential bzw. das aus dieser Messgrösse errechenbare Zetapotential bestimmter Membranfilter in jenem pH-Bereich, in welchem Bier produziert bzw. filtriert wird, mit dem Verblockungsgrad ändert und somit ein guter und fast quantitativer Indikator für den Verblockungsgrad ist. Durch Bestimmen des Strömungspotentials bzw. des Zetapotentials der Membran kann somit der Verblockungszustand erkannt werden.
Es ist bekannt, dass Membranfilter auf zweifache Weise wirken können. Sie können als Sieb wirken, wobei Teilchen, die grösser sind als die Poren des Filters, auf mechanische Weise aus dem Medium filtriert werden. Es ist auch bekannt, dass Membranfilter noch auf eine zweite Weise wirken können, nämlich durch elektrostatische Anziehung. Partikel mit einem Durchmesser weit unterhalb der Porengrösse des Filtermediums werden abgeschieden, wenn das Zetapotential des Filtermediums und der Partikel entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen (Werbebroschüre SD 872h G der Firma Pall Filtrationstechnik, Deutschland).
Unbekannt ist jedoch, dass das Zetapotential herangezogen werden kann, den Verblockungszustand eines Membranfilters zu bestimmen.
Naturgemäss hängt das Zetapotential eines Membranfilters auch von der chemischen Natur des Filters ab. Es ist dem Fachmann jedoch ein leichtes, in Kenntnis der vorliegenden Erfindung zur
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Bierfiltration jene Membranfilter auszuwählen, bei denen sich das Zetapotential mit dem Verblockungsgrad in einem genügend grossen Ausmass ändert, dass die Verblockung des Membranfilters on-line während der Filtration messtechnisch verfolgt werden kann und der Filtrationsbetrieb durch dieses Filter eingestellt werden kann, bevor eine vollständige Verblockung eintritt.
Es hat sich ferner gezeigt, dass eine Reinigung eines noch nicht vollständig verblockte Filters wesentlich leichter gelingt und eine höhere Standzeit dieses Filters ermöglicht, als die Reinigung eines vollständig verblockte Filters.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Filtration zu einem Zeitpunkt gestoppt wird, an dem das Zetapotential des Membranfilters auf maximal 20% des Wertes, den es im ungebrauchten Zustand aufweist, gesunken ist, d. h. nicht mehr als 80% verblockt ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Membranfilter eingesetzt wird, weiches aus Polyamid besteht, und dass die Filtration gestoppt wird, wenn das Zetapotential, gemessen bei einem pH von 4, 2, den Wert - 5 mV überschreitet.
Zweckmässigerweise wird das Bier vor Filtration durch das Membranfilter vorfiltriert. Zur Vorfiltration wird insbesondere Kieselgur eingesetzt. Auch eine Kombination von Kieselgur- und Tiefenfiltration ist zweckmässig.
Die Erfindung betrifft auch eine Filtrationsanlage zur Kaltfiltration von Bier, weiche Anlage eine Zuleitung für zu filtrierendes Bier, ein Membranfilter und eine Ableitung für filtriertes Bier aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass als Bypass eine Messzelle mit einem Membranfilter und Elektroden zur Bestimmung des beim Durchgang des zu filtrierenden Bieres durch das Membranfilter der Messzelle resultierenden Strömungspotentials bzw. des Zetapotentials vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft darüberhinaus noch eine Filtrationsanlage zur Kaltfiltration von Bier, welche Anlage eine Zuleitung für zu filtrierendes Bier, ein Membranfilter und eine Ableitung für filtriertes Bier aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass am Membranfilter Elektroden zur Bestimmung des beim Durchgang des zu filtrierenden Bieres durch das Membranfilter resultierenden Strömungspotentials bzw. des Zetapotentials vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform wird das Zetapotential somit nicht an einer Messzelle, die als Bypass zum Membranfilter geschaltet ist, gemessen, sondern am Membranfilter direkt.
Die Erfindung wird nachfolgend noch näher beschrieben.
Das Zetapotential von Membranfiltern wurde mit dem Elektrokinetic Analyzer EKA der Anton Paar GmbH, Österreich, bestimmt. Diese Messung beruht auf der Methode des Strömungspotentials bzw. des Strömungsstroms. Die Filter werden von einem Elektrolyt durchströmt, und das Potential (Strömungspotential) bzw. der Strom (Strömungsstrom), das (der) durch Abscheren von Gegenionen erzeugt wird, wird mit Elektroden erfasst, und mit dieser Messgrösse wird das Zetapotential errechnet (siehe unten).
Die Messzelle, mit welcher das Strömungspotential bzw. das Zetapotential bestimmt wurde, ist in der Figur 1 schematisch dargestellt.
Die Bezugsziffer 1 bezeichnet die Messzelle, in der das Membranfilter 2 in einer Filterhalterung 3,4 aus Teflon verwerfungsfrei eingespannt ist. Die Filterhalterung 3,4 sind die Endstücke zweier Kolben 5 bzw. 6, die im zylindrischen Teil 7 der Messzelle 1 verschiebbar gelagert sind.
Die Endstücke 3,4 der Kolben 5 bzw. 6 besitzen feine Bohrungen 10 und 11 für die zu filtrierende Flüssigkeit und drücken die perforierten Elektroden 8 und 9 gegen das Membranfilter 2.
Die Elektroden 8 und 9 stehen mit den beiden elektrischen Anschlüssen 12 und 13, die im Inneren der Kolben 5 und 6 verlaufen, in Verbindung, sodass das beim Durchströmen der Membran 2 aufgebaute Strömungspotential gemessen werden kann. Die Elektroden sind bevorzugt Silberbzw. Silberchloridelektroden, die bei Stromdurchtritt eine geringe Polarisierung aufweisen. Die Kolben 5 und 6 sind in den Dichtungen 14 bzw. 15 so gelagert, dass sie einerseits verschiebbar sind und andererseits keine Flüssigkeit aus der Messzelle 1 austreten kann.
Die zu filtrierende Flüssigkeit gelangt über die Zuleitung 16 in den zylindrischen Teil 7 der Messzelle 1, strömt durch die feinen Bohrungen 10 des Kolbens 6, durch die Elektrode 8 und durch das Membranfilter 2. Die filtrierte Flüssigkeit strömt durch die Elektrode 9, passiert die feinen
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Bohrungen 11 des Kolbens und verlässt die Messzelle durch die Ableitung 17. Beim Durchgang der Flüssigkeit durch das Membranfilter 2 wird ein elektrisches Potential aufgebaut, welches über die Elektroden 8 und 9 abgenommen wird.
Zur Bestimmung des Zetapotentials aus dem gemessenen Strömungspotential bzw.
Strömungsstrom ist zusätzlich noch (nicht dargestellt) die Messung der Druckdifferenz in der Messzelle zwischen Zuleitung 16 und Ableitung 17, der Leitfähigkeit der zu filtrierenden Flüssigkeit und ihrer Viskosität erforderlich. Aus diesen Messgrössen errechnet sich das Zetapotential bekanntermassen wie folgt :
EMI3.1
! =-wobei U das Strömungspotential ist, AP die Druckdifferenz bedeutet, LF die Leitfähigkeit ist, 11 die Viskositat und sso die Dielektrizitätskonstante ist.
Die Veränderung des Zetapotentials des Membranfilters mit zunehmender Verblockung ist in der Figur 3 dargestellt. Diese Figur ist ein Diagramm, in welchem als Ordinate das Zetapotential in Millivolt und als Abszisse der pH-Wert, bei weichem das Zetapotential bestimmt wurde, aufgetragen ist. Der pH-Wert der Elektrolytlösung (0, 001 n wässerige KCI-Lösung) wurde mittels 0, 1 n HCI bzw. mit 0, 1 n NaOH eingestellt. Die vorgegebene Druckdifferenz betrug 350 mbar.
Das Diagramm wurde erhalten, indem zunächst von einem neuen, d. h. ungebrauchten, Membranfilter aus Polyamid (Type NB, Hersteller : Pall Filtrationstechnik GmbH, D-6072 Dreieich 1, Deutschland) bei verschiedenen pH-Werten mit der oben beschriebenen Messzelle die Zetapotentiale bestimmt wurden.
Die Ergebnisse sind für das ungebrauchte Membranfilter als Kurve "a" eingetragen. Es ist ersichtlich, dass das ungebrauchte Filter bei alkalischem pH ein Zetapotential von etwa -18 mV aufweist, und dass das Zetapotential mit kleiner werdendem pH ansteigt und bei einem pH von etwa 3 schliesslich den Wert Null erreicht.
Die Kurve"b"zeigt die Abhängigkeit des Zetapotentials vom pH-Wert des obigen Filters bei gleichen Messbedingungen, wie sie oben angegeben sind, jedoch nachdem es bereits zur Filtration von Bier eingesetzt wurde und aus diesem Grund zum Teil verblockt ist. Wie ersichtlich, wird das Zetapotential durch die teilweise Verblockung etwas angehoben und erreicht bei pH-Werten von etwa 7 nur mehr einen Wert von etwa-15 mV.
Die Kurve "c" wurde für das gleiche Membranfilter aufgenommen, nachdem es vollkommen verblockt war. Es ist ersichtlich, dass sich das Zetapotential mit dem pH-Wert nur noch wenig ändert und selbst im alkalischen Bereich nicht kleiner als etwa -2 mV wird.
Das verwendete Membranfilter aus Polyamid ist im erfindungsgemässen Verfahren deshalb gut geeignet, da sich das Zetapotential beim pH-Wert, den das zu filtrierende Bier aufweist (etwa pH=4, 2), mit zunehmender Verblockung stark ändert. Wie der Figur 3 entnommen werden kann, weist dieses Membranfilter bei diesem pH-Wert zu Beginn der Filtration ein Zetapotential von etwa - 8 mV auf. Das vollkommen verblockte Membranfilter besitzt ein Zeta potential von etwa -2 mV.
Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Filtrationsanlage mit einer Filtrationskammer 18, welche eine Messzelle 22, wie sie in der Figur 1 gezeigt ist, als Bypass geschaltet aufweist. In der Filtrationskammer 18 befinden sich Membranfilterkerzen 19.
Das zu filtrierende Bier wird über die Zuleitung 20 der Filtrationskammer 18 zugeführt, strömt durch die Filterkerzen (Membranfilter) 19, und das filtrierte Bier verlässt über die Ableitungen 21 die Filtrationskammer 18.
Die Messzelle ist in der Figur 2 ohne Details dargestellt. Der Fluss durch die Messzelle 22 muss so geregelt sein, dass pro cm2 Membranfilteroberfläche gleich viel Bier gefiltert wird, wie pro cm2 Membranfilteroberfläche in der Filtrationskammer 18.
Die starke Änderung des Zetapotentials des Filterteststückes 2 (Fig. 1) in der Messzelle 1 während der Filtration ermöglicht Aussagen über den Zustand der Filterkerzen 19 in der Filtrationskammer 18.
Die Entdeckung, dass das Zetapotential des Filters mit dem Verblockungszustand gut korreliert, kann somit in der Bierfiltration folgendermassen vorteilhaft angewandt werden :
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1. Durch ständige Beobachtung der Veränderung des Strömungspotentials bzw. des Zetapotentials des Membranfilters während der Filtration kann der Verblockungsgrad des Membranfilters festgestellt werden, sodass ein vollständiges Verblocken nicht mehr überraschend bzw. unvorhergesehen auftritt und rechtzeitig Massnahmen für den Filterwechsel getroffen werden können.
2. Die Filtration kann abgebrochen werden, bevor das Membranfilter vollständig verblockt ist.
Dies ermöglicht eine leichtere Reinigung des Filters. Es hat sich gezeigt, dass die verblockenden Substanzen von einem vollkommen verblockte Filter durch herkömmliche Reinigungsverfahren nur schwierig bzw. nicht mehr vom Membranfilter abgelöst werden können, sodass ein derartiges Filter eine dementsprechend kurze Standzeit aufweist.
Wird jedoch die Filtration abgebrochen, bevor das Filter vollstandig verblockt ist, so gelingt die Reinigung besser und kann das Filter öfter wiederverwendet werden. Im Fall des obigen PolyamidFilters konnte der Anmelder feststellen, dass die verblockenden Substanzen vom Filter weitgehend wieder entfernt werden können, wenn die Filtration zu einem Zeitpunkt abgebrochen wird, an dem
EMI4.1
80% verblockt ist.
3. Der Erfolg eines Reinigungsverfahrens kann überprüft werden, indem das Zetapotential des gereinigten Membranfilters bestimmt wird : Durch die Reinigung wird das Zetapotential der Membran wieder dem Ausgangswert angenähert. In dem Ausmass, wie der Ausgangswert nicht mehr erreicht werden kann, ist die Reinigung unvollständig.
Auf diese Weise können auch Reinigungsverfahren auf ihre Tauglichkeit untersucht bzw. optimiert werden.
4. Die Alterung eines Membranfilters aufgrund oftmaliger Verwendung kann verfolgt werden, wodurch die verbleibende Reststandzeit besser abgeschätzt werden kann.
5. Mittels Zetapotentialmessungen können auch Filtermaterialien und Filterhilfsmittel (z. B.
Kieselgur, Bentonite, Perlite, PVPP) auf ihre Eignung zur Bierfiltration untersucht werden, indem die Wechselwirkung der verblockenden Substanzen aus liquiden Systemen mit dem Filtermaterial bzw. den Filterhilfsmitteln vorgenommen werden kann.
6. Auch die Standzeit von Filtermembrane kann mittels Zetapotentiaimessungen abgeschätzt werden, indem die spezifische Membranbelastung (hl/m2) bis zum Verblocken bestimmt wird.
Es ist dem Fachmann klar, dass sich im erfindungsgemässen Verfahren insbesondere Membranfilter gut eignen, deren Zetapotential sich in Abhängigkeit vom Verblockungszustand genügend stark ändert. Dies festzustellen ist jedoch für den Fachmann durch einfaches Ausprobieren leicht möglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von kaltfiltriertem Bier, wobei Bier durch ein Membranfilter filtriert wird, weiches während der Filtration zunehmend verblockt, worauf die Filtration durch dieses Membranfilter gestoppt, das Membranfilter gereinigt und danach zur neuerlichen Filtration eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtration zu einem Zeitpunkt gestoppt wird, an dem das Membranfilter noch nicht vollständig verblockt ist, wobei dieser Zeitpunkt durch Bestimmen des Strömungspotentials am bzw. des Zetapotentials des Membranfilter (s) bestimmt wird.