膜過濾保持啤酒新鮮度及微生物穩定性

膜過濾技術在當今的啤酒生產應用中占有越來越大的份額。與傳統的硅藻土過濾相比，錯流過濾現在已日臻完善，啤酒的“無菌”膜過濾雖然還有一段路要走，但這種趨勢正在變革。

與巴氏殺菌、瞬間殺菌等熱處理技術相比，膜過濾啤酒的微生物穩定性一直面臨著認知上的挑戰。在釀酒工業，沒有人喜歡熱處理的啤酒，但是從安全角度講卻需要對啤酒進行熱處理操作。最近，關于啤酒采用筒式膜“無菌”過濾成本昂貴且不安全的歷史觀點已經被證實是錯誤的。

膜過濾技術發展非常迅速，在許多領域優于巴氏殺菌。多年來，中國、日本、韓國、美國、歐洲的高端品牌不再采用熱處理，而是采用膜過濾保持微生物穩定性。非巴氏殺菌啤酒創造了對啤酒新鮮度和自然品質的認知，符合消費趨勢，也有市場競爭優勢。

為推動這一趨勢的發展，頗爾食品和飲料公司（Pall Food & Beverage）研發了新型的CFS Neo 過濾技術，該技術成功應用在全球250 多家公司。

一、基本知識

釀酒商們應用“無菌”這個術語是以實用主義的方式來表示一種微生物穩定的產品，而不是一種完全沒有任何微生物的產品。無論是釀酒商們采用熱處理技術還是膜過濾技術來保持啤酒的微生物穩定性，這個術語都適用。

國際食品法典委員會（WHO/FAO）CAC/RCP 40-1993 定義低酸食品的“商業無菌”是，在正常的非冷藏條件下，在啤酒的生產、分銷和儲存過程中，沒有能夠在啤酒中生長的微生物。因此，無菌過濾目的是去除可能在后期分銷中引起產品質量變質的腐敗菌。本文中“無菌”是指“商業無菌”。

圖1：多個圓筒形外套 VS 集束式排列

二、集束式過濾系統

20 世紀80 年代，最早用于啤酒最終膜過濾的裝置是基于一個大的多個圓筒形過濾器外套，與現有CIP 系統聯結，安裝在硅藻土和板式過濾器的下游。在最近的十年間，伴隨著對啤酒的無菌過濾越來越感興趣，設計逐漸改變，過濾系統設計現在更適合于具體的應用和過程。在1993年第一套集束式過濾系統引入釀酒工業，它通過在一個裝置內安裝多個濾芯克服了大的多個圓筒形外套安裝的缺點，見圖1。

采用集束式過濾技術，用于啤酒過濾的濾芯按數量分布排列，每七根過濾濾芯構成一束，在啤酒過濾期間一起運行，在清洗、再生和完整性測試期間則完全分離。

最初的集束式過濾器設計是基于一個大容器，它容納了所有的濾芯，被分成幾束，每一束攜帶7×40＂濾芯，每一束濾芯的開閉由單獨的閥控制，見圖2。這種設計可實現產量50 ～600 hl/h。

圖2：最初的能力為400 hl/h 集束式過濾器系統及濾芯的排列

CFS Neo 設計通過應用小型集束式外套替代大型容器進一步優化集束式過濾技術，每一個小型集束式外套內容納7×40＂濾芯，集束式過濾器并行排列，每個過濾器由獨立的排出閥控制，見圖3。這種新型設計使膜面積和系統容積的比率提高了25%～35%，與標準的多圓筒型容器和大型集束式容器設計相比，降低了水和清洗劑的消耗，減少酒損。模塊化設計使生產能力非常靈活，可實現50 ～600 hl/h 的啤酒產量。

新型CFS Neo 過濾系統包括：帶有外套的過濾器模塊，每一個過濾器容納7×40＂濾芯；用于啤酒進出和CIP 進出的聯結模塊；膜清洗模塊（CIP），配有所有相關組件，用于沖洗、清洗和再生系統，獨立于外圍，與管道清洗平行；完整性測試裝置；控制面板?？膳炕蜻B續運行。

圖3：過濾能力為400 hl/h 的CFS Neo 14 系統

三、巴氏殺菌機替換濾芯PARE

為了使新型CFS Neo 系統設計更完美，頗爾公司研發了一種用于啤酒巴氏殺菌機替換濾芯（PARE）的特殊產品，包括一系列預過濾器和親水膜過濾器，與CFS Neo 系統組合在一起，見圖4。

無菌過濾濾芯適用于反復的熱水消毒和現場的蒸汽滅菌循環，以延長其在CFS Neo 系統的使用壽命。它們也適合去除啤酒中特有的微生物。支架和排水材料經過優化，有更高的機械強度。反復的熱水、化學和蒸汽消毒的應用，提高了啤酒過濾量，降低了啤酒商的運營成本。

圖4：新型PARE 過濾家族

四、微生物安全性

公司研發的用于啤酒過濾的PARE 濾芯對主要的啤酒腐敗菌和酵母菌有微生物方面的要求，描述了過濾機運行中的微生物性能。該要求通常在特定條件下，對在啤酒特定生長介質中已生長的微生物進行定期評價。過濾器孔徑本身就表明微生物的去除，但不受任何國際公認標準或規范的指導，因此不是真正代表安全水平的評價。

對比通常情況下膜過濾和熱處理的微生物效果有利于支持啤酒的冷過濾，見圖5。在正常的巴氏殺菌下（15 ～25 PU），與啤酒熱處理相比，無論是啤酒瞬間殺菌還是隧道式殺菌，膜過濾的微生物效果都要高出103 ～104 log。

一個重要的優勢就是膜過濾去除了細胞和孢子，而熱處理僅僅是使細胞失活。這樣會在啤酒中留下死細胞，限制了基于DNA 分析的有效性，如PCR 分析。

圖5：CFS Neo 膜過濾系統 VS 熱處理技術微生物性能對比

五、完整性測試

完整性測試用于測試和記錄過濾器在實際操作中去除微生物的能力，這種完整性測試必須滿足以下標準：

（1）快速、簡捷和可重復性程序，有明確的標準和可記錄的測試結果；

（2）在使用中有用于表征過濾器材料和濾芯的具體參數；

（3）對過濾器材料不產生影響，可重復進行無損檢測，通常在每次清洗和消毒后進行；

（4）與活細菌相關的挑戰--代表著過濾器過濾過程中去除微生物的能力。

完整性測試測量的靈敏度是所被測膜表面積的直接函數。隨著被測試濾芯數量的增加，一旦達到了分辨的極限，完整性測試本身就變得不那么精確，不能再提供測試值與過濾器中實際滯留微生物之間的直接關系。這個分辨問題可能會導致錯誤的傳遞結果，可能潛在地引起微生物意外地通過過濾器的滲透而進入已包裝的啤酒中。這個問題可以采用CFS 過濾技術消除，在這方面最多同時能測試7 根濾芯。

如果完整性測試結果為陰性，CFS Neo 系統自動分離特殊的濾筒，并在整個過程中應用其余的濾筒過濾。因此一旦遇到濾筒損壞的情況，啤酒生產仍能繼續。大約有25%的已安裝濾筒可以關停，而不會對過濾安全和性能造成任何影響。在下一個生產停止期間，對已識別出的濾筒外套打開，找出發生故障的濾筒并更換。

六、啤酒的預處理

上游的澄清過程對“無菌”過濾很重要，影響著無菌過濾工藝的經濟性。錯流膜系統通常能提供充分的預澄清功能，因此不需要進一步的精細過濾工序。頗爾公司Profi技術表明無菌過濾器濾筒在最大使用壽命的情況下仍可獲得很好預過濾結果。硅藻土過濾器與板式過濾器結合在一起也能給膜過濾器提供好的預過濾，不過，硅藻土過濾影響膜的使用壽命，從而引起膠狀或顆粒狀渾濁。因此，建議在膜過濾上游應用深度過濾。為了安全和可靠地分離啤酒中的顆粒和膠狀物，CFS Neo 系統也帶有集成的預過濾器（升級版）。PARE 筒式過濾家族包括兩種預過濾器，它們主要處理來自硅藻土過濾中高的膠狀負荷和高顆粒狀負荷。

七、膜的清洗

沖洗和清洗程序和頻次決定了經濟性。清洗的頻次與啤酒過濾產量和壓差有直接的關系。過濾一定數量后，即使壓差沒有顯著提高，也必須熱水沖洗。過濾產品的特定數量取決于啤酒的預澄清和過濾能力。拉格比黑啤和濃啤允許更長的使用周期。主要影響過濾能力的因素是各種葡聚糖組分、蛋白含量、碘值和濁度。

在化學清洗過程中，0.5 ～1%的標準堿液，溫度65℃最為常見。如果水硬度偏高，結垢可能是一個問題，在這種特定情況下，可適當提高堿性清洗劑的濃度和溫度。

通過使用酶再生可明顯延長濾芯的使用壽命。常用和有效的是纖維素型酶，它水解纖維素和其它β-D-葡聚糖中的（1,4）-β-D-葡萄糖苷鍵，激發β-葡聚糖酶的活性。少數情況下，可選擇其它的酶，這取決于阻塞物。需要與過濾膜供應商密切合作，逐個評估。

按照推薦的程序要求，應用酶再生，結合堿性清洗和沖洗，可以延長筒式過濾器使用壽命，降低過濾成本，見圖6。

八、膜的規格

正確的膜規格對濾芯壽命有很大影響。安裝的過濾器面積與過濾器的過濾產量呈指數函數關系。將過濾面積加倍可使濾芯壽命延長四倍。理想的啤酒過濾工藝是在啤酒過濾過程中實現以低流量成就最大的啤酒過濾產量，以及以高速清洗成就最大再生能力之間取得平衡。

理想的過濾條件是，一是在啤酒過濾期間采用低的和溫和的流量（0.5 ～1 hl/10＂＊h）；二是在沖洗和清洗期間采用高強度流量（3 ～8 hl/10＂＊h）。

用于啤酒過濾的膜規格太?。ǎ?.5 hl/10＂模塊＊h）直接影響濾芯的使用壽命，因此直接影響總擁有成本。在整個系統生命周期內，資本支出的節約很快被較高的運營成本所抵消。沖洗和清洗過程中流量不足會導致部分膜堵塞，從而再次影響過濾產量和運營成本。

單個過濾器外套裝置總是在這兩個要求之間尋求折中，因此集束式過濾技術已經被研發來滿足這兩個標準。

九、安裝

冷無菌過濾的主要優勢是在灌裝生產線的上游直接安裝過濾器，中間不設緩沖罐。具有穩定基質的膜在不同流速和壓差（包括啟動/停止情況）下保持其分離特性。在過濾過程中，CFS Neo 的作用因此就像一段管路。在啤酒品牌改變和啟動/停止操作過程中，提供了最大的微生物安全性，最小的啤酒損失，實現了真正的靈活性。

消除了灌裝設備上游的緩沖罐，避免了關鍵的再污染點，在生產啟動和品牌變化時實現了啤酒損失最小化，降低了CO2消耗成本。

圖6：筒式過濾器使用壽命受酶清洗的影響

十、運行成本

由于采用了單個的集束外套設計，水、清洗劑、酶的消耗與大容器的集束式過濾系統相比，降低25 ～30%；與標準的多圓柱形外套設計相比，降低45%。沖洗過程中流量的增高縮短了清洗時間，從每根多圓柱形外套的20 ～30 min 縮短到單個集束外殼的30 ～60 秒。

與熱處理裝置相比，水和能源的節約是非常明顯的。瞬間殺菌水的消耗高達75%，在熱和電方面消耗高達80%的能量。與CFS Neo 過濾系統相比，隧道式巴氏殺菌機消耗更高。伴隨著酶促再生技術的引入，過濾膜生命周期提高了3 ～5 倍，明顯降低了過濾成本，從0.5 ～0.9 USD/hl 降至0.1 ～0.3 USD/hl。

系統是全自動運行，由灌酒機操作人員操作，因此人力成本和膜更換費用是可以忽略的。

考慮所有財務方面的因素，總體成本明顯低于隧道式巴氏殺菌，在多數情況下也低于瞬間巴氏殺菌。

十一、口感和質量

消除了啤酒在高溫下的暴露，在啤酒過濾過程中保持較低的流量，采用最小的氧攝入設計，CFS Neo 系統沒有對啤酒新鮮度和口感穩定性產生任何負面影響。對比作為啤酒氧化風味穩定性指標的內源抗氧化活力EAP 值，冷過濾啤酒顯現出比直接巴氏熱處理啤酒更好的EAP 值。采用冷過濾啤酒，瓶裝后很長一段時期內口感幾乎沒有變化，而巴氏殺菌的啤酒在熱處理后恰恰對啤酒的新鮮度產生負面影響。

十二、結論

在啤酒無菌過濾中采用最新研發的技術，CFS Neo 為釀酒商替代灌裝線上游最終產品的熱處理技術設定了新的標準。除了更高的微生物安全性外，就經濟學而言，現在其與采用冷無菌膜過濾技術相當或更好，而且還優化了清洗。對啤酒口感的穩定性產生了積極影響，還提高了消費者的認可度，使釀酒商們有機會來增強他們的品牌定位，改善貨架期，產生經濟效益，最終成就更高的客戶滿意度。