Содержание
ВИДЫ ФИЛЬТР-КАРТОНА
МЕХАНИЗМЫ ФИЛЬТРАЦИИ
СОСТАВ ФИЛЬТР-КАРТОНА
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА ФИЛЬТР-КАРТОНА
ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА
ХРАНЕНИЕ
Фильтрование с помощью фильтр-картона до сих пор представляет собой наиболее универсальный и распространенный способ фильтрации. Он применяется в пищевой (производство напитков), химической, биотехнологической и фармацевтической промышленности. Фильтр-картон используется для глубокой очистки — механического и (или) адсорбционного отделения частиц, микроорганизмов и коллоидов. Отличительной особенностью фильтр-картона является его высочайшая способность поглощать загрязняющие вещества.
Сегодня производятся различные виды фильтр-картона, позволяющие решить практически любую задачу по фильтрации различного типа жидкости, разделению твердой и жидкой субстанций обрабатываемой жидкости. В пивоварении фильтр-картон широко применяется и для очистки пива от микроорганизмов.
Непосредственным «предком» фильтр-картона можно назвать фильтрмассу, которая сегодня применяется только в отдельных случаях. Для этого специально подготовленный хлопковый линт* спрессовывается в своеобразные круги диаметром около 50 и толщиной около 5 сантиметров. При фильтровании эти круги вставляются в специальные рамы. Их использование связано с весьма трудоемким процессом промывки, после чего круги приходится формовать заново. Еще одним негативным свойством фильтрмассы являлось неизбежное образование значительного количества смарочного пива. Именно эти недостатки послужили стимулом для изобретения и промышленного применения фильтр-картона, на который стали намывать кизельгур.
Первые образцы фильтр-картона появились на мировом рынке около 50 лет назад. Кроме удобства использования, европейских пивоваров поразила экономичность этого расходного материала — толщина фильтр-картона составляет миллиметры. Не обошли стороной экономически выгодные новые веяния и СССР — там также было налажено производство фильтр-картона. Качество его оставляло желать лучшего, но пока отечественным пивоварам его было не с чем сравнивать, он считался вполне нормальным.
Единственным производителем фильтр-картона в России до сих пор является ООО «ТД «Косинская бумажная фабрика» (Екатеринбург), которая изготавливает продукцию на основе древесной целлюлозы производства Котласского, Забайкальского и Братского ЦБК. Кроме этого, фильтровальный картон изготавливается на ОАО «Светлогорский ЦКК» (Беларусь), которое также производит бумажные мешки и гофроящики.
Зарубежный картон пришел на российские предприятиях в 1995-96 годах. По нашим данным, первой в СНГ попала продукция производства «SeitzSchenk Filtersystems GmbH» (Германия), наиболее крупного мирового производителя фильтр-картона. Сегодня, кроме нее на отечественном рынке крепко стоят компании «E. Begerow GmbH & Co.» и «Filtrox-Werk AG» (Швейцария),** являющиеся основными конкурентами «SeitzSchenk».
С появлением в нашем Отечестве импортного фильтровального картона связана забавная история — он оказался «излишне» хорошего качества. Когда его попытались испытать в соответствии с нормами, заложенными в отечественных ГОСТах, выяснилось, что показатели зарубежного картона до неприличия высоки. У Госстандарта просто не оказалось соответствующего отечественного аналога для сравнения.
Отработанный фильтр-картон можно пускать на компост либо сжигать. При этом образуется экологически чистая зола.***
* Хлопковый линт (lint) — представляет собой короткие волокна на семенах хлопчатника. Относится к отходам хлопкового производства. Используется для получения высококачественной хлопковой целлюлозы, из которой, собственно, и состоит фильтрмасса.
** Фильтр-картон производится материнским заводом «Filtrox-Werk AG» в Швейцарии, а также на дочерних предприятиях «Hobra-Scolnik» (Чехия) и «Carlson Filtration Ltd» (Англия).
*** Возможные ограничения в области утилизации любого типа отработанного фильтр-картона могут быть обусловлены только токсичностью или химической агрессивностью фильтровавшихся через него жидкостей.
ВИДЫ ФИЛЬТР-КАРТОНА
Сразу необходимо разделить фильтр-картон на два типа:
1. Опорный фильтр-картон, который используется в рамных кизельгуровых фильтрах и служит опорой для кизельгурового слоя.
2. Глубинный фильтр-картон, служащий для механического и (или) адсорбционного удаления частиц, микроорганизмов и коллоидов из фильтруемой жидкости.
В зависимости от его типа глубинный фильтр-картон выполняет следующие задачи:
— стерильная фильтрация — удаление всех микроорганизмов из фильтруемой жидкости, а также частиц и коллоидов;
— редуцирующая фильтрация — удаление части микроорганизмов из фильтруемой жидкости (в этом случае результат фильтрации зависит от начального количества микроорганизмов), а также частиц и коллоидов;
— осветляющая фильтрация — удаление частиц, взвесей, грубых соединений;
— грубая фильтрация.
Глубинный фильтр-картон применяется в различных областях пищевой, химической и фармацевтической промышленностей. Через него фильтруют пиво, вино, воду, алкогольные и безалкогольные напитки, сиропы, масла, а также желатин, дериваты крови, фармпрепараты и т. д.
Хотя количество различных видов фильтр-картона довольно велико, в пивоварении их применяют не так уж и много. В СНГ, как правило, используются следующие основные типы этого материала: один опорный для кизельгуровой фильтрации и три-четыре типа стерилизующих и осветляющих фильтр-картонов.
МЕХАНИЗМЫ ФИЛЬТРАЦИИ
Современный глубинный фильтр-картон объединяет в себе три различных механизма фильтрации:
1. ПОВЕРХНОСТНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
Задерживаются частицы, диаметр которых больше размера пор на той стороне фильтр-картона, куда входит жидкость.
2. ГЛУБИННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
Более мелкие частицы проникают вглубь фильтр-картона и застревают там в местах сужения пор. При этом внутренние поры постепенно забиваются, а производительность фильтра (при постоянном давлении) понижается.
3. АДСОРБЦИОННОЕ УДЕРЖИВАНИЕ ИЛИ СОБСТВЕННО ГЛУБИННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
Диаметр задерживаемых частиц, в среднем, на один-два порядка меньше диаметра пор картона. При этом отделение частиц от жидкости происходит за счет адсорбции на внутренних поверхностях фильтрующего слоя. Эта реакция обусловлена проявлением сил Ван-дер-Ваальса,* водородных связей, а также гидрофобным и электростатическим взаимодействием.
Говоря попросту, к волокнам целлюлозы, несущим положительный заряд, прочно прилипают противоположно заряженные частицы. В водных растворах, к коим относится и пиво, почти все взвешенные мелкие частицы заряжены отрицательно. Частицы, задержанные с помощью адсорбционного эффекта и накопившиеся в порах картона, не оказывают сколько-нибудь заметного отрицательного влияния на производительность фильтра.
СОСТАВ ФИЛЬТР-КАРТОНА
Изначально в состав картона входил асбест — его волокнам присуще уникальное качество. Они несут на своей поверхности положительный электростатический заряд. Соответственно, в асбестсодержащем картоне отлично задерживались отрицательно заряженные коллоидные частицы.
Уже в 80-е годы было установлено, что волокна асбеста канцерогенны. При попадании в желудочно-кишечный тракт они могут провоцировать возникновение злокачественных образований. Применение асбеста в фильтровальных картонах для пищевой промышленности (и в многих других областях человеческой деятельности) было запрещено в Европе. По словам экспертов, отечественный фильтр-картон с асбестом (особенно для фильтрации вина) можно было встретить на российском рынке буквально еще пять-шесть лет назад. Сегодня, к счастью, его никто не использует.
Работа по созданию экологически чистого фильтровального картона, продолжается и сегодня. Особое внимание при этом обращается на различные полимерные волокна и связующие вещества.
Современный фильтр-картон глубинной очистки изготавливается из очень чистого целлюлозного волокна и отбеленного линта, к которым добавляются кизельгур,** перлит и пищевые катионитовые смолы.***
Добавление смол, кроме всего прочего, существенно повышает стойкость картона на размыв и изменение давления. В результате полученный картон можно стерилизовать горячей водой или паром.
Целлюлозу для производства фильтр-картона получают как из хвойных, так и из лиственных пород деревьев. В процессе специальной обработки древесина превращается в целлюлозные волокна особой структуры (в листе картона они должны образовывать как можно более мелкие ячейки).
Кизельгур состоит из кремниевых оболочек мелких одноклеточных водорослей (диатомей), живших, преимущественно, в период от 65 до 1,5 миллиона лет до нашей эры.****
* «Силы Ван-дер-Ваальса» — это слабое притяжение нехимической природы.
** За последние годы для применения в фармацевтической промышленности был разработан фильтр-картон глубинной очистки без кизельгура. Благодаря использованию подготовленной воды, отбору и очистке исходных веществ, а также специальному методу приготовления, доли вымываемых веществ в этом фильтр-картоне жестко минимизированы.
*** Применяются также для обработки воды. Катионитовый способ умягчения, то есть снижения жесткости воды, основан на процессе ионного обмена. Он базируется на способности ионитовых смол обменивать входящие в их состав ионы (например, Н+ и Na+) на ионы жестких солей, которые следует удалить из жидкости.
**** Диатомеи благополучно живут в открытых водоемах и сейчас, но для того чтобы из их панцирей образовались месторождения кизельгура, должно пройти несколько миллионов лет.
Защитные оболочки диатомей весьма разнообразны по своей форме — они представляют собой розетки, раковины, шестигранники и т. п. Эти филигранные оболочки после смерти водоросли остаются неизменными и, после соответствующей обработки, могут использоваться для фильтрации.
Перлит — это вулканическая стекловидная порода, частички которой при нагревании превращаются в шарики. Эти шарики перемалывают на частицы различной величины и (чаще всего вместе с кизельгуром) используют для фильтрации.
Для придания некоторым сортам фильтр-картона особых свойств, при их производстве могут использоваться, например, полиэтиленовые волоконца и другие добавки.
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА ФИЛЬТР-КАРТОНА
ОПОРНЫЙ КАРТОН
Через 1 м2 нормального фильтр-картона можно профильтровать, в среднем, от 700 до 1200 гекалитров пива. Качество фильтрации с использованием намывного слоя зависит от качества кизельгура.
Изготовление опорного фильтр-картона является весьма специфичным процессом, поскольку к готовой продукции изначально предъявляется ряд противоречивых требований:
1. Чтобы мелкие частицы кизельгура не могли проникать в поры картона, он должен быть в достаточной степени мелкопористым. В то же время гидравлическое сопротивление потоку фильтрата должно быть минимальным.
2. Гидравлическое сопротивление потоку фильтрата должно сохраняться на одном уровне во время всего процесса фильтрации, что возможно только в том случае, если волокна картона не будут разбухать. Это свойство также дает возможность многократно использовать опорную пластину для последующих фильтраций.
3. Переход или попадание в фильтрат каких бы то ни было компонентов фильтр-картона должно быть полностью исключено.
ГЛУБИННЫЙ ФИЛЬТР-КАРТОН
Глубинный фильтр-картон состоит из волокнистых и высокопористых материалов, которые собраны в сложную лабиринтоподобную сетчатую структуру. Общая площадь внутренней поверхности фильтр-картона составляет несколько тысяч квадратных метров на каждый его квадратный метр. Его пористость составляет около 80%. Квадратный метр качественного фильтр-картона для глубинной фильтрации при толщине 4,5 мм может задержать в себе более 3,5 литров взвеси. Он обеспечивает удаление крупных и мелких частиц, коллоидов, дрожжевых клеток и бактерий. Степень фильтрации зависит от вида используемого картона.
Благодаря использованию глубинного фильтр-картона можно:
— получить стерильное пиво, даже если в пиве до фильтрации наблюдалось достаточно большое количество микроорганизмов;
— получить оптически прозрачный фильтрат, даже если до фильтрации в пиве присутствовали коллоидальные загрязнения в виде взвешенной мути.
Однако при использовании глубинного фильтр-картона надо помнить: чем качественнее была проведена кизельгуровая фильтрация, тем экономичнее будет стерилизующая или осветляющая фильтрация.
Экономичность глубинной фильтрации зависит также от выбора определенного типа фильтр-картона и от его правильной эксплуатации.
Выбор типа фильтр-картона зависит в первую очередь от целей конкретного пивоваренного завода, а также от качества кизельгуровой фильтрации, наличия микроорганизмов, физико-химических свойств фильтруемого пива.
Соблюдение правил эксплуатации сказывается как на экономичности процесса, так и на качестве отфильтрованного пива.
Основное правило фильтрации — это соблюдение оптимальной скорости фильтрации, согласованной с конкретной задачей и применяемым типом фильтр-картона. Как правило, при низкой скорости фильтрации эффективность ее возрастает, а сам процесс становится гораздо более экономичным.
Важно также выдерживать такие параметры, как скорость и направление потока, температура воды, противодавление, продолжительность каждого этапа. После фильтрации необходимо проводить промывку, регенерацию и стерилизацию фильтр-картона.
ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА
Процесс производства глубинного и опорного фильтр-картона начинается с превращения тонкоизмельченной целлюлозы, кизельгура, перлита и воды в гомогенизированную (однородную) массу.*
* Рецептура каждого вида картона строго индивидуальна, из одной массы можно произвести только один тип картона. После каждого цикла производства линия тщательно моется и стерилизуется.
Суспензия наносится на вращающееся лентообразное продольное сито. Начавшийся процесс обезвоживания ускоряется и усиливается за счет того, что под сеткой создается вакуум. Сформированный слой подается в ленточную сушилку. Там он остается до тех пор, пока содержание влаги в слое не снизится до необходимого уровня. После того, как фильтр-картон высохнет, его разрезают на листы и упаковывают.
Несмотря на внешнюю несложность процесса, производство фильтр-картона является довольно непростым и специфичным делом, в котором надо учитывать немало различных нюансов. Так, чтобы фильтр-картон сохранял свою прочность и в сухом, и в мокром состоянии, еще на стадии образования суспензии в него добавляют искусственные смолы. Во время сушки они образуют дополнительные связи между исходными материалами.
Фильтр-картон должен выдерживать максимально возможную разницу давлений во время фильтрации, иметь высокую пропускную способность и, одновременно, обеспечивать максимальную степень очистки. Кроме этого, внутреннее строение фильтр-картона должно препятствовать проникновению сквозь него частиц взвеси во время возможных гидроударов.
Лучшие результаты при производстве фильтр-картона дает полностью автоматизированное производство, где влияние человеческого фактора сведено к абсолютному минимуму. В этом случае единожды созданная в лаборатории рецептура вносится в специализированный компьютер, который управляет производством.
Изготовленный за рубежом фильтр-картон (если он качественный) должен соответствовать стандартам «Немецкого закона о пищевых продуктах и предметах первой необходимости» (LMBG) и нормам «Управления пищевой и фармацевтической промышленности (FDA) США».
ХРАНЕНИЕ
На изменение органолептики пива при фильтрации ощутимо влияет не только изначальное качество картона, используемого для фильтрации, но и то, в каких условиях он хранился. Причем речь идет не об изменении структурных свойств или старении материала (срок хранения картона огранивается, в среднем, 18 месяцами со дня поставки). Но если, к примеру, оставить картон в свежеокрашенном помещении — последствия могут быть очень заметными. Именно поэтому основным условием сохранения необходимых характеристик фильтрующих материалов является их хранение в сухом, не пыльном, прохладном помещении. Абсолютно недопустимо присутствие в помещении летучих химикатов, масел и других веществ с резким запахом.
Картон не должен замерзать (после этого на его поверхности начинаетя процесс конденсации) и пересыхать. Но при всех ограничениях диапазон приемлемой температуры при этом достаточно широк: от +3°С до +25°С.