Opaalstraat TS Hengelo Telefoon: Fax:

Transcriptie

1 Energiebesparend microfiltratiesysteem voor bierfiltratie Energiebesparend Microfiltratiesysteem voor bierfiltratie Subsidieregeling Aard project Meerjarenprogramma Intersectorale Nieuwe Technologieën (MINT) Onderzoeks- of ontwikkelingsproject Officieel projectnummer /7512 Jaar toekenning 1995 Projectstatus Uitvoerder 1 Uitvoerder 2 Afgerond Aquamarijn Micro Filtration BV Beatrixlaan DB Hengelo (Gld) Telefoon: Fax: Norit Membraan Technologie Opaalstraat TS Hengelo Telefoon: Fax: Samenvatting Een al jarenlang toegepaste techniek bij de verdere verwerking van gerijpt bier in bierbrouwerijen is kiezelguhrfiltratie. Nadelen van deze filtratietechniek zijn o.a. de hoge operationele kosten en de relatief grote hoeveelheid afval die bij het filtratieproces vrijkomt. Door Aquamarijn Microfiltration BV is in samenwerking met Leushuis Micro Filtration BV (momenteel Norit Membraan Technologie BV), Philips Magnetic Head&Modules, Mesa Clean Room en Grolsche Bierbrouwerij Nederland BV in de periode september 1995 tot maart 1999 uitgebreid onderzoek verricht naar de mogelijke toepassing van microzeven ter vervanging van kiezelguhrfilters bij het bierproductieproces. Microzeven zijn zeer dunne (dikte 0,5 tot 5 micrometer) schijfjes van bijvoorbeeld siliciumnitride, waarin met zeer grote nauwkeurigheid m.b.v. geavanceerde lithografie- en etstechnieken poriën zijn aangebracht.. In fase 1 van het onderzoek zijn op laboratoriumschaal de prestaties van microzeven bepaald in geval van filtratie van o.a. gelagerd bier. Gebleken is dat een goede filtratie kan worden

2 gehaald bij een in vergelijking met andere technieken zeer hoge genormaliseerde membraanflux en een laag specifiek energieverbruik. In fase 2 is een testinstallatie van een crossflow microfiltratiesysteem (bestaande uit een aantal parallel geschakelde microzeven) ontworpen en gebouwd. De testinstallatie is voorzien van "backflush techniek"en heeft een helder bier productiecapaciteit van 20hl/h.m². In fase 3 zijn in de bierbrouwerij van Grolsch te Groenlo vele testruns uitgevoerd met de gebouwde testinstallatie, waarbij gelagerd bier als te filtreren medium is gebruikt. Hierbij is gebleken dat een zeer goede gistcelretentie (van nagenoeg 100%) kan worden bereikt en dat in vergelijking met andere technieken zeer hoge genormaliseerde membraanfluxen en lage specifieke energieverbruiken kunnen worden behaald. Voorts is in fase 3 gebleken dat nog nadere aandacht gegeven dient te worden aan de verbetering van de in-line reiniging en de verbetering van de retentie van zeer kleine deeltjes (0,5 micrometer), zodat een dusdanig helder bier filtraat kan worden verkregen dat rechtstreekse botteling van het verkregen helder bier mogelijk is. Omschrijving bedrijf Aquamarijn Microfiltration BV is een in high-tech bedrijf, dat is gespecialiseerd in de ontwikkeling van "microzeven" voor hoogwaardige toepassingen. Aquamarijn Microfiltration BV maakt deel uit van de Microsystems Technology Foundry, een cluster van bedrijven rondom het onderzoeksinstituut MESA+ van de Universiteit Twente. De microzeven worden door Aquamarijn ontwikkeld op basis van de technologie die in de cleanroom van MESA+ beschikbaar is. De door Aquamarijn ontwikkelde microzeven hebben een zeer geringe dikte (0,5 tot 5 micrometer), bovendien zijn door gebruikmaking van zeer geavanceerde fotolithografie- en etstechnieken de vorm, de grootte en de afstand van de poriën in de microzeven met zeer grote nauwkeurigheid te kiezen. Vanwege de hoge hygiëne-standaard die haalbaar is, kunnen microzeven o.a. worden gebruikt in de biomedische sector en voor hoogwaardige toepassingen in de voedings- en genotmiddelenindustrie.

3 Figuur 1: Oude Kieselguhrfilterinstallatie Projectomschrijving Bij het brouwen van bier dient het gerijpte bier, dat na het gisten en het lageren wordt verkregen, zeer zorgvuldig te worden ontdaan van gistcellen en andere stoffen die de houdbaarheid en de helderheid van het bier negatief beïnvloeden. Voor dit proces wordt in de bierbrouwerijwereld al vele tientallen jaren gebruik gemaakt van kiezelguhrfilers. Dit zijn doekfilters met een dragermateriaal waarop kiezelguhr als precoat is aangebracht. Kiezelguhr bestaat uit minuscule kalkskeletjes van eencellige organismen. Bij de toepassing van kiezelguhrfilters wordt tevens kiezelguhr aan de te filtreren vloeistof (in dit geval gerijpt bier) toegevoegd. De in het gerijpte bier aanwezige gistcellen en andere stoffen worden door het kiezelguhr gebonden en de zo gevormde grotere deeltjes worden op de precoatlaag van het doekfilter afgevangen. Op het filterdoek vormt zich geleidelijk een filterkoek die na verloop van tijd dient te worden verwijderd. Een nadeel van kiezelguhrfilters is dat het reinigen van deze filters veel tijd en energie vergt. Bovendien ontstaat bij de toepassing van deze filters een relatief grote hoeveelheid afval die tegen extra kosten dient te worden gestort. Verder dienen operators die met kiezelguhr werken ter voorkoming van het ontstaan van stoflongen stofmaskers te dragen. Voor enkele landen zoals Denemarken (een belangrijke bierproducent) zijn genoemde nadelen aanleiding geweest om het gebruik van kiezelguhr zoveel mogelijk terug te dringen. Een aantal jaren geleden zijn dan ook op diverse plaatsen onderzoeken gestart naar mogelijke toepassing van membraanfiltratietechnieken. Bij sommige onderzoeken worden membraanfiltratiesystemen getest bestaande uit conventionele polymeer- of keramische membranen. Complicaties die optreden bij deze systemen zijn de relatief snelle membraanvervuiling als gevolg van de structuur (met een relatief groot intrinsiek membraanoppervlak) van de gebruikte conventionele membranen. Bovendien kunnen de energieverbruiken bij toepassing van deze membranen als gevolg van

4 de benodigde hoge langsstroomsnelheden nogal oplopen. Door Aquamarijn Microfiltration BV is in samenwerking met Leushuis MicroFiltration BV (momenteel Norit Membraan Technologie BV), Philips Magnetic Head&Modules, Mesa Clean Room en Grolsche Bierbrouwerij Nederland BV in de periode september 1995 tot maart 1999 uitgebreid onderzoek verricht naar de mogelijke toepassing van microzeven ter vervanging van kiezelguhrfilters bij het bierproductieproces. Achtergrond Bij het brouwen van bier dient het gerijpte bier, dat na het gisten en het lageren wordt verkregen, zeer zorgvuldig te worden ontdaan van gistcellen en andere stoffen die de houdbaarheid en de helderheid van het bier negatief beïnvloeden. Voor dit proces wordt in de bierbrouwerijwereld al vele tientallen jaren gebruik gemaakt van kiezelguhrfilers. Dit zijn doekfilters met een dragermateriaal waarop kiezelguhr als precoat is aangebracht. Kiezelguhr bestaat uit minuscule kalkskeletjes van eencellige organismen. Bij de toepassing van kiezelguhrfilters wordt tevens kiezelguhr aan de te filtreren vloeistof (in dit geval gerijpt bier) toegevoegd. De in het gerijpte bier aanwezige gistcellen en andere stoffen worden door het kiezelguhr gebonden en de zo gevormde grotere deeltjes worden op de precoatlaag van het doekfilter afgevangen. Op het filterdoek vormt zich geleidelijk een filterkoek die na verloop van tijd dient te worden verwijderd. Een nadeel van kiezelguhrfilters is dat het reinigen van deze filters veel tijd en energie vergt. Bovendien ontstaat bij de toepassing van deze filters een relatief grote hoeveelheid afval die tegen extra kosten dient te worden gestort. Verder dienen operators die met kiezelguhr werken ter voorkoming van het ontstaan van stoflongen stofmaskers te dragen. Voor enkele landen zoals Denemarken (een belangrijke bierproducent) zijn genoemde nadelen aanleiding geweest om het gebruik van kiezelguhr zoveel mogelijk terug te dringen. Een aantal jaren geleden zijn dan ook op diverse plaatsen onderzoeken gestart naar mogelijke toepassing van membraanfiltratietechnieken. Bij sommige onderzoeken worden membraanfiltratiesystemen getest bestaande uit conventionele polymeer- of keramische membranen. Complicaties die optreden bij deze systemen zijn de relatief snelle membraanvervuiling als gevolg van de structuur (met een relatief groot intrinsiek membraanoppervlak) van de gebruikte conventionele membranen. Bovendien kunnen de energieverbruiken bij toepassing van deze membranen als gevolg van de benodigde hoge langsstroomsnelheden nogal oplopen. Door Aquamarijn Microfiltration BV is in samenwerking met Leushuis MicroFiltration BV (momenteel Norit Membraan Technologie BV), Philips Magnetic Head&Modules, Mesa Clean Room en Grolsche Bierbrouwerij Nederland BV in de periode september 1995 tot maart 1999 uitgebreid onderzoek verricht naar de mogelijke toepassing van microzeven ter vervanging van kiezelguhrfilters bij het bierproductieproces.

5 Figuur 2: "Microsieve" filterplaat met zeefveldjes Het onderzoek en de resultaten Het onderzoek is gefaseerd uitgevoerd. In fase 1 is een testmodel membraan (microzeef) ontwikkeld, waarbij vooral aandacht is besteed aan de juiste combinatie van drager en membraanlaag. Het ontwikkelde microzeeftestmodel bestaat uit een drager van silicium met een dunne film van siliciumnitride waarin poriën zijn aangebracht. Het microzeef-testmodel heeft poriën met een grootte tussen 0,8 en 1,6 micrometer en een poriedichtheid van 60 miljoen poriën per cm² membraanoppervlak. In fase 1 zijn met het testmodel filtratie-experimenten uitgevoerd, waarbij respectievelijk schoonwater, schoonwater met ca. 15% alcohol, helderbier en gelagerd bier door het microzeef-testmodel zijn gefiltreerd. Bij de experimenten is gebleken dat in geval van filtratie van gelagerd bier een flux van 200 tot 6000 liter/m².h kan worden bereikt bij een zeer lage transmembraandruk van 0,02 tot 0,05 bar. Deze flux is ongeveer 20 tot 50 x hoger dan de flux die met kiezelguhrfiltratie of conventionele membraanfiltratie kan worden gehaald.op basis van resultaten van fase 1 is in oktober 1996 fase 2 van het onderzoek gestart. De belangrijkste doelstelling van fase 2 van het onderzoek was het ontwerp en de uitvoering van een cross flow microfiltratiesysteem met "back-flush" techniek voor gistcelfiltratie van gelagerd bier volgens het "plate and frame" model. Allereerst is de constructie van de in fase 1 geteste microzeven enigszins aangepast om de microzeven o.a. beter bestand te laten zijn tegen hoge ("backflush") drukken. In schema 1 is het in fase 2 ontwikkelde cross-flow microfiltratiesysteem schematisch weergegeven. Diverse microzeven en stalen afstandsringen zijn zodanig gestapeld dat een aantal parallel geschakelde cross-flow filtratie-eenheden ontstaan. In schema 1 zijn de verschillende van belang zijnde vloeistofstromen weergegeven. In schema 2 is een meer gedetailleerde weergave van het ontwikkelde microfiltratiesysteem te zien. In fase 2 is het ontwikkelde filtratiesysteem met diverse vloeistoffen getest (o.a. schoonwater en gelagerd bier). Hierbij is met name aandacht gegeven aan de verbetering van

6 de "in-line" reiniging (zonder demontage) van het systeem. Schema 1: Schematische weergave van de montage van de membraanzeven Fase 3 van het onderzoek is gestart in januari In deze fase zijn met het ontwikkelde "plate and frame" crossflow microfiltratiesysteem vele testruns verricht, waarbij gelagerd bier als te filtreren medium is gebruikt. De in het microfiltratiesysteem toegepaste microzeven (poriegrootte 0,8 tot 1,2 micrometer) zijn met een geautomatiseerde productielijn door Philips gefabriceerd. Uit de verrichte testruns blijkt dat in vergelijking met kiezelguhrfiltratie en conventionele membraanfiltratie zeer hoge specifieke filtratiefluxen en zeer lage specifieke energieverbruiken kunnen worden gerealiseerd (zie tabel 1). Kiezelguhr filtratie Conventionele membraanfiltratie Microzeef filtratie (fase 3) F crossflow (hl/uur) F permeaat (hl/uur) Benodigd membraan of plaat oppervl. (m²) Drukval module (bar) 7,5 0,5 0,03 Specifiek energie-verbruik (kwh/hl) 3,2 x ,3 x ,16 x 10-2 Tabel 1 : Vergelijking microzeeffiltratie (fase 3) met andere filtratietechnieken van gelagerd bier Uit de diverse testruns is verder gebleken dat bij de filtratie van gelagerd bier de gistcelretentie van het microfiltratiesysteem zeer goed was (in verschillende gevallen werd een gistcelretentie van 100% bereikt).

7 Omdat de retentie van kleinere deeltjes (< 0,5 micrometer) tijdens de uitgevoerde testruns minder goed was kon tijdens de uitgevoerde testruns geen bierfiltraat (helder bier) worden verkregen met een voldoende hoge helderheid om rechtstreekse botteling van dit helder bier mogelijk te maken. De helderheid van het verkregen helder bier zou kunnen worden verbeterd door nafiltratie door middel van een ontkiemingsfilter of mogelijk door toepassing van microzeven met een kleinere poriegrootte (circa 0,5 micrometer). In fase 3 is verder veel aandacht besteed aan de verdere verbetering van de in-line reiniging van het microfiltratiesysteem. Gebleken is echter dat nog geen afdoende reinigingsmethode is gevonden waarmee de filterprestatie van een nieuwe microzeef kan worden geëvenaard. Schema 2: Meer gedetailleerde schematische weergave van het ontwikkelde microfiltratiesysteem Conclusie Op basis van de uitgevoerde onderzoeken kan worden geconcludeerd dat met microzeeffiltratie aanzienlijk hogere filtratiefluxen en lagere energieverbruiken kunnen worden bereikt dan met andere filtratie technieken van gelagerd bier mogelijk is. Gebleken is echter dat nog nadere aandacht gegeven dient te worden aan de verbetering van in-line reiniging en de verbetering van de retentie van zeer kleine deeltjes (0,5 micrometer), zodat een dusdanig helder bier filtraat kan worden verkregen dat rechtstreekse botteling van het verkregen helder bier mogelijk is. Energie- en economische gegevens Geraamd kan worden dat de kosten van microzeeffiltratie met nageschakelde dieptefiltratie

8 van gelagerd bier circa 0,5 Euro per hl zullen bedragen. Hiermede zijn deze kosten circa 25% lager dan de kosten van kiezelguhrfiltratie. Figuur 3: "Microsieve" met distributiekanaaltjes Overheidssteun Fase 1 t/m 3 van het onderzoek zijn als onderzoeks-/ontwikkelingsproject gehonoreerd in het kader van het Besluit Subsidies Energieprogramma's en het Meerjarenprogramma Intersectorale Nieuwe Technologieën voor de industrie. In totaal is voor fase 1 t/m 3 een subsidie verstrekt van circa Euro overeenkomend met ongeveer 40% van de gespendeerde kosten. Realisatie Fase 3 van het onderzoek is medio 1999 door middel van een eindrapportage afgerond. Summary Common yeast filtration systems in breweries are based on diatomaceous earth. Drawbacks of these filtration systems are the high exploitation costs and the large amount of waste product that has to be dumped. Nowadays, new filtration systems such as tubular ceramic or polymeric membrane systems are being developed as an alternative to diatomaceous earth filtration. New inventions in membrane technology provide a new type of high flux membrane: the 'microsieve'. Microsieves are made with silicon micromachining and have a well defined uniform pore size distribution. Pore sizes and thickness of the membrane layer of microsieves generally vary from 0.5 to 5 micrometres. From September 1995 to March 1999, Aquamarijn Micro Filtration BV, in cooperation with

9 Leushuis Micro Filtration BV (Norit Membrane Technology BV), Philips Magnetic Head&Modules, Mesa Clean Room and Beer Brewery Grolsch, carried out an extensive investigation to study the possible application of microsieves to replace the diatomaceous earth filtration systems commonly used in breweries. Aquamarijn Micro Filtration BV is a small high-tech company specialising in the development of microsieves. Aquamarijn Micro Filtration BV is one of the commercial partners of the MESA+ Research Institute of the University of Twente. In phase 1 of the investigation, the performance of various microsieves is determined in filtration of lager beer by means of laboratory tests. It became obvious that proper lager filtration was possible and that a much higher normalised filtration flux and a lower specific energy consumption could be attained compared to other filtration techniques. In phase 2, a pilot installation (20 hl/hour.m²) of a cross-flow microfiltration system provided with a back-flush technique was designed and constructed. In this pilot installation, a number of microsieves are used. These microsieves are operated in parallel flow. During phase 3, the pilot installation was extensively tested for the filtration of lager in the Grolsch Brewery in Groenlo. During the tests a yeast cell reduction of close on 100% was observed (yeast cell concentration in lager: 800,000 cells/ml, yeast cell concentration filtrated bright beer: 5 cells/ml). Moreover, it became obvious that by means of the tested microfiltration system a much higher normalised filtration flux and a lower specific energy consumption could be attained compared to other filtration techniques. Based on the results of phase 3, it may be concluded that closer attention should be paid to further improvement of the in-line cleaning of the developed microfiltration system. In addition, closer attention should be paid to improving the retention of very small particles (< 0.5 micrometres), so that a beer filtrate of very high clarity can be obtained, which can be bottled immediately. Overige gegevens Primaire sector 1596 Bierbrouwerijen Secundaire sector 1593 Vervaardiging van wijn 2414 Vervaardiging van petrochemische produkten en overige organische basischemicaliën 2441 Vervaardiging van farmaceutische grondstoffen 2442 Vervaardiging van farmaceutische produkten (excl. grondstoffen) 4100 Winning en distributie van water Techniek D17 Filtreren