关于错流过滤及其应用
关于错流过滤及其应用
21.1传统的过滤方式简介。
用多孔隔膜进行固相物质和液相物质分离的操作称之为过滤。
过滤过程用多孔滤膜截住固体的悬浮微粒，让液体通过，把固体的微粒阻挡在滤膜的表面上，并逐渐汇聚形成了沉淀层。
过滤层有多孔，有渠道，孔和渠道的直径有大有小，渠道很弯曲，并且是交叉着的，液体必须经过它。
过滤作用是由两个过程组成：筛选作用和吸附作用。如果微粒比滤层的孔隙大，即产生筛选作用。混浊微粒被截留，不仅是筛选作用的结果，也是过滤层里面发生的吸附作用的结果。
在悬浮微粒过滤时，微粒的直径使它不可能通过缝隙的入口时，被截留在过滤层的表面上，微粒又形成了第二道过滤层，在入口孔隙的上方积累，随之堵塞了他们。
过滤层的加厚，液体通过各层的速度逐渐下降，一直到过滤作用完全停止时为止。
除了塞住了渠道的入口外，由于部分微粒钻入渠道内部，使渠道的直径变小，在渠道有弯曲的地方所产生的堵塞特别明显，有的微粒自由的通过了渠道，进入液体中，也有的微粒粘附在渠道壁上，这种吸附作用的积累，给液体通过造成的困难程度，取决于过滤层的材质和它的物理状态。
传统过滤的速度，取决于对悬浮体的压力、沉淀层的厚度、沉淀的结构和特征、悬浮体的组成和液体的温度。
葡萄酒密闭过滤时，泵送葡萄酒产生压力。在过滤层的一面与另一面压力的差，称之为压头，压头越大，过滤速度也越大。在沉淀压缩时，由于压力的增加，过滤速度也增加。当压力达到一定值时，虽然增加压力，过滤的速度不再增加，此时的压力称之为临界压力，超过这个压力，过滤层将被击穿。压力除了压缩过滤层以外，有些比较小的微粒，在强大压力作用下进入渠道的孔隙，并且堵塞了他们，在过滤过程中，压力应该缓慢地随着过滤层厚度的增加而增加，如果过滤开始时，压力越大，过滤机堵塞得越快。
根据过滤层的孔隙大小，可以将过滤分为粗过滤（≥1μm），精滤（≤0.6μm），无菌过滤（≤0.4μm）和超滤（≤0.2μm）。澄清晶亮的葡萄酒中没有超过1μm的微粒，葡萄酒中如果没有超过0.4μm的微粒，即认为是无菌的，因为在葡萄酒中存在的微生物（包括细菌），其体积＞0.4μm。
由于构成葡萄酒混浊的微粒的直径有大有小，如果一开始就用孔隙小的过滤层来过滤，过滤层将很快被堵塞。因此，应该遵循粗滤精滤无菌过滤的顺序进行过滤，并且为此而选用相应的过滤介质和设备。
葡萄酒过滤的速度与过滤面积、过滤压力成正比，而与过滤层的厚度、滤液的粘度成反比。由于酒的粘度与温度有关，温度较高、粘度较小，因此，夏天与冬天的过滤速度是有差别的，同时过滤的效率也与滤液的浓度有关，因为浓度与液体粘度有相关性。
在传统过滤中，筛选和吸附都在发挥作用。为了提高过滤能力，添加表面活性很强的物质，使过滤的沉淀层具有很大的多孔性，属于这类物质的有硅藻土、皂土、纤维素等等，有的纤维素带有正电荷，在硅藻土过滤前预涂这种纤维素，除了起架桥作用外，也有助于吸附带负电荷的微粒，提高过滤效率。
葡萄酒的胶体物质会使过滤造成困难，对于浑浊的葡萄酒，应该先进行下胶澄清后,再过滤，如果不经澄清处理，采用传统的方法强制过滤，不仅过滤机很快会堵塞，而且滤液中有部分微粒在强大的压力下进入滤液中，很难达到澄清晶亮的要求。
21.2错流过滤简介。
传统过滤时，过滤液体垂直于过滤介质，正如前述，沉淀物聚积于过滤介质的表面，当沉淀层的厚度增加到一定程度时，过滤介质的孔隙被堵塞，过滤过程被迫终止。
错流过滤打破了传统过滤的机制，即液体的流向和滤膜相切，使得滤膜的孔隙不容易堵塞。被过滤的酒液在压力推动下，带着混浊的微粒，以高速在管状滤膜的内壁流动，而附着在滤膜上的残留物质很薄，其过滤阻力增加不大，因而能在长时间内保持稳定不变的过滤速度。
错流过滤与传统过滤的原理见图21-1：
图21-1错流过滤与传统过滤的原理图
安装于不锈钢管中的毛细管（0.5～3mm），错流过滤时，待过滤的葡萄酒用泵输入毛细管中，部分滤液通过半渗透滤膜流到管外，部分带有混浊微粒的葡萄酒尚滞留于管中，在毛细管的滤膜里循环，并被不断地浓缩，见图21-2所示：
图21-2错流过滤运行示意图
在不断进行的过滤中，半渗透滤膜的孔隙也会缓慢地发生堵塞，从而使过滤速度降低，为了避免玷污滤膜，错流设备使用高速的小量的滤出液从滤膜管外进行反冲，把固体的堵塞物推入滤膜管内，随待过滤的葡萄酒快速地移走，使半渗透膜不容易被堵塞。反冲洗大约提高20～25%的过滤能力和延长20～25%过滤时间，这是错流过滤不同于传统过滤的又一重要特点，在传统过滤时，不能对过滤介质进行反冲洗，从而降低了过滤介质的过滤能力，并且使过滤速度不如错流过滤的平稳。
当然，仅仅依靠用滤出的葡萄酒进行反冲洗也难以解决半渗透膜的污染，在错流过滤设备中，可以进行清水、热水和碱水的冲洗。
云南香格里拉酒业股份有限公司从Podovan公司进口了一台错流过滤装置，型号为NITORCSA15，共计5组滤管，每组10㎡，约150㎡过滤面积，根据售方调试工程师的建议，过滤量应控制在13～15T/h。据售方介绍，过滤膜的寿命为17000h，如用清水洗涤，过滤膜寿命还可以延长，我们考虑到过滤膜的更换费用高，因此酒经硅藻土过滤机过滤后再进行错流过滤，此时酒已基本澄清，在过滤过程中，当过滤酒量低于13～15T/h时，用冷水泵往酒缓冲罐中注满清水，执行清洗程序，自动清洗完成后，打开底部排放阀门，将水排出，再用45～50℃热水清洗一次，即能保持规定的过滤速度，至今尚未用碱水清洗过。资料介绍，当流量降到10m3/h时，应用浓度为2.3%的氢氧化钠溶液清洗，保持温度在45～50℃。清洗完毕后，用热水、冷水清洗，然后用1%的柠檬酸液清洗，再用冷水洗至排出水为中性为止。化学试剂清洗较为麻烦，用清水、热水清洗比较简单，也减少了化学清洗剂的使用，看来先用硅藻土过滤后再用错流过滤有可取之处。
错流过滤设备装备见图21-3。
图21-3错流过滤设备装备图
根据规定，错流设备长期不用时，封存前要用浓度为0.5%的碱液清洗。碱水排放后，不再用清水清洗，并要把错流过滤机的所有阀门打开。
这里还要说明，错流设备自带有水处理设备，清洗用水电导率应控制在25～35μs，如果电导率低，液体探针给电脑传送的电流小，自控系统不能启动。
半渗透膜的结构有四种，我公司“Nitor”错流设备膜的结构为中空纤维式孔径0.2μm，具有较优越的机械、化学、耐热性和符合卫生要求。较厚的滤膜使其具有高的耐磨性，其使用寿命不小于五年。“Nitor”错流设备采用模块化设计，用户可通过增加一个或更多的模块加大过滤面积，而不需要对控制系统作任何修改。每个模块由三个滤膜和自己的循环泵组成，它组装在一个机架上，具有自己的管路和电器接头，可以快捷地装入现有的过滤机中。该错流设备配备三个泵，每个泵独立完成该模块的供料/排空、循环、清洗功能。在过滤结束时，供酒泵可以反转把错流过滤设备排空。
“Nitor”错流过滤设备的过滤能力，对白葡萄酒40～60L/h/㎡，红葡萄酒30～50 L/h/㎡，澄清较好的葡萄酒其过滤能力为上线，下线是相对难以过滤的葡萄酒。
全自动化的“Nitor”错流过滤设备，在2～3h后过滤量开始稳定，可以实现无人看管，自动完成全过程。
21.3错流过滤设备在生产中的应用。
根据资料介绍，错流过滤设备在葡萄酒中的应用可以追溯到20年前，在我国的应用是近3年的事情。
错流过滤设备可以在白葡萄汁加果胶酶澄清后过滤，除去其中的微生物，添加酿酒优良酵母进行“纯”发酵；也可以在发酵过程中对红、白发酵醪过滤，除去酵母终止发酵；通过过滤控制苹果酸-乳酸发酵；在下
胶后不必待其澄清，即可进行过滤并获得高澄清度的葡萄酒；在调配完成后，经过过滤可以除去蛋白质和胶体物质，有利于冷冻处理，灌装前进行过滤可以达到无菌过滤效果。可以取消滤板和硅藻土等过滤材料。减少酒的损耗，改进卫生条件，减少/取消澄清剂，高度自动化控制可减少人工费用等等。据介绍，这种过滤方式对酒的理化指标和感官性能没有什么影响。
我们也认为错流过滤具有上述功能，但如果将错流过滤代替其他一切过滤操作，或者取消对酒的澄清处理，这是不妥当的。因为只有其他过滤手段，把过滤中的主要问题解决好，错流过滤才能充分发挥其作用，如果取消下胶澄清处理，取消硅藻土过滤，对含有大量固体微粒的葡萄酒进行错流过滤，不仅降低了半渗透膜的过滤能力，也增加了反冲和碱清洗的次数，将缩短滤膜的使用寿命，更换滤膜的费用很昂贵，其节约的过滤材料和清洗剂，难以补偿其经济损失。
错流过滤前后酒的理化指标变化见表23-1。
表23-1
品名过程
总糖
g/L
酒度
%(v/v)
总酸
g/L
游离
SO2mg/L
总SO2
mg/L
挥发酸
g/L
干浸出物
g/L
PH 色度
1P恒美澄清后 3.0 11.86 5.2 22 51 0.45 24.1 3.58 5.004
1P恒美硅滤后 3.2 11.80 5.1 21 53 0.48 23.55 3.63 4.964
1P恒美错流始 3.2 11.85 5.07 22 49 0.46 23.55 3.63 4.906
1P恒美错流中 3.1 11.88 5.07 20 50 0.45 23.7 3.62 4.962
1P恒美错流后 3.2 11.89 5.1 20 48 0.45 23.6 3.62 4.958
2P恒美澄清后 2.95 11.96 5.1 26 63 0.46 23.75 3.62 4.6
2P恒美硅滤后 3.1 11.96 5.1 26 70 0.46 23.2 3.62 4.75
2P恒美错流始 3.2 11.82 5.0 25 58 0.46 22.3 3.62 4.516
2P恒美错流中 3.1 11.99 5.0 24 63 0.46 23.2 3.62 4.662
2P恒美错流后 3.1 11.96 5.1 25 60 0.46 23.2 3.62 4.69
2P恒美罐内平均 3.1 12.0 5.1 26 56 0.48 23.2 3.62 4.728
1P天籁硅滤后 2.7 12.61 5.6 26 47 0.33 22.1 3.52 4.428
1P天籁错流始 2.7 12.62 5.6 27 47 0.33 22.1 3.52 4.442
1P天籁错流后 2.6 12.54 5.6 27 47 0.33 22.2 3.51 4.420
1P天籁罐内平均 2.6 12.60 5.5 27 46 0.36 22.2 3.52 4.424
由表23-1可知，经过错流过滤的葡萄酒理化指标和色度都没有明显的变化，初步品评感官品质未发现明显的改变。
我们认为酒在冷冻前经硅藻土过滤后，再经错流过滤，可除去酒中的部分胶体物质，有利于酒石结晶和冷冻。冷冻后，直接用错流过滤分离酒石，取消硅藻土过滤、板框纸板过滤（或模块过滤），应该认为是可行的。但酒在装瓶前的微孔薄膜过滤还应该保留，因为担心错流过滤不能100%的除菌，微孔薄膜过滤最后把关，还是必要的。
我们对错流过滤的认识和经验还很不够，特别是两次以上错流过滤对酒质的影响，还需进一步试验确定。
21.4述评。
错流过滤是过滤技术的历史性变革，是在充分分析了传统过滤存在的问题后，提出解决这些问题的举错，从而显著的提高了过滤效率，过滤质量，节省了过滤材料，并且使整个过滤过程实现了自动化。这一创新的意义，不仅在于过滤技术的革命本身，而且也向葡萄酒酿造工作者昭示，创新是我们永恒的主题，我们可以在科学理论指导下创新，也可以在新思维或反思维的驱动下进行创新，然后用理论来解释所取得的创新成果，毛主席讲过“人类总得有所发现，有所发明，有所创造，有所前进”，只有这样社会才能进步，也只有这样，葡萄酒的技术才会不断向前发展，创造出更加优质的产品，贡献社会，贡献人民