專利名稱：制備含蛋白質的液體以及隨后用一種或多種蛋白質絡合劑將其分離的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備含蛋白質的液體的方法。本發(fā)明還涉及向液體中加入蛋白質絡合劑，以在分離步驟后得到的最終液體中得到有限的濁霧。
背景技術：
液體，特別是啤酒的視覺特點對多數(shù)顧客來說是一個關鍵因素。從這個意義上說，代表啤酒物理穩(wěn)定性的“亮度”和視覺感受是質量的一個重要方面。啤酒釀造商采用了一系列獨特的加工步驟，每個步驟都對所得啤酒產(chǎn)品的最終特性和質量有影響——例如，包括產(chǎn)品的透明度，特別是啤酒的“濁霧”。
濁霧從視覺上顯示了啤酒在物理上的不穩(wěn)定性，可以細分成3個主要類別生物濁霧、微生物濁霧和非生物濁霧。生物濁霧由碳水化合物(例如非改性淀粉、糊精)、β-葡聚糖、戊聚糖和/或草酸鹽的存在引起，它們源自不恰當?shù)募庸げ襟E。微生物濁霧是由于啤酒感染酵母、細菌、霉或藻而引起的，是啤酒衛(wèi)生差的結果。非生物濁霧也稱作膠體濁霧，目前是啤酒透明度方面的最大危險。本專利說明主要集中在非生物濁霧上面。
導致非生物不穩(wěn)定性的前體是蛋白質和多酚，更明確地說是單寧酸。諸如前體濃度、熱、氧、重金屬、醛和運動等因素更是加劇了其絡合物的形成。要區(qū)分“冷濁霧”和“永久濁霧”也是可能的。
“冷濁霧”是這樣形成的先將啤酒冷卻到0℃，然后將其加熱到20℃或室溫，使其重新溶解。由低分子量多酚和蛋白質形成的絡合物是可逆的，因為它們之間的氫鍵比較弱。絡合物微粒的尺寸是亞微米級的(＜1微米＝，可看作“永久濁霧”的前體。
“永久濁霧”即使在20℃的溫度下也存在于啤酒中，不管過多久都不會重新溶解。這種不可逆濁霧的特征是發(fā)生聚合的多酚與蛋白質之間連接作用強，例如通過共價鍵連接。絡合物的尺寸可達5微米。
濁霧強度通過EBC方法(Analytica-EBC，方法9.29，第5版，1997年)確定，該方法涉及散射光的測定，相對于入射光束的散射角度為90℃，通過福爾馬肼(formazin)標準溶液校正。根據(jù)EBC的線性尺度，啤酒的濁霧強度可分類如下·明亮 ＜0.5 EBC·接近明亮 0.5-1.0 EBC·極輕度渾濁1.0-2.0 EBC·輕度渾濁 2.0-4.0 EBC·渾濁 4.0-8.0 EBC·非常渾濁 ＞8.0 EBC一些研究表明，濁霧中所含微粒的尺寸可用測得的不同散射角度表征。一般認為，90°散射角對峰值尺寸在0.5微米左右的小微粒更加敏感，所敏感的微粒如此之細，其效應難以為人眼所察覺。所謂“90°濁霧”也被一些作者稱作“不可見濁霧”。另一方面，25°散射角沒有受到同樣的視覺效應的困擾，它對超過0.5微米的較大微粒更加敏感。所謂“25°濁霧”也被一些作者稱作“可見濁霧”。
還有一些單位標度與EBC標度有很好的相關性·NTU(散射濁度單位)，4 NTU相當于1 EBC。
·ASBC(美國啤酒釀造化學家協(xié)會)，69 ASBC相對于1 EBC。
濁霧的主要成分是蛋白質和多酚，但也有少量鐵離子、草酸和多聚糖。
非生物濁霧大部分是蛋白質物質。酸性蛋白質(特別是等電點約為pH5.0的那些)在形成冷濁霧的過程中非常重要，它似乎是在糖化的過程中形成的。研究表明，成霧蛋白質中的脯氨酸在與多酚的相互作用方面很重要。這些特定的蛋白質主要源自麥芽大麥醇溶蛋白，對形成冷濁霧起主要作用。只要少至2毫克/升的蛋白質就足以形成1 EBC單位的啤酒濁霧。
單寧酸是啤酒釀造過程中的重要分子，源自酒花(20-30％)和麥芽(70-80％)等。它們能與蛋白質一起沉淀，在煮麥芽汁的過程中變性形成熱淀物(hot break)，而在冷卻麥芽汁的過程中形成冷淀物(cold brdak)。在后發(fā)酵(例如冷藏)過程中，當溫度達到0℃左右時，它們就形成冷濁霧和永久濁霧。
多酚來源于許多植物，通常具有一個苯環(huán)和一個或多個羥基。根據(jù)分子的化學結構，可方便地將多酚分成幾類-黃酮醇類，單體具有櫟精那樣的結構，但在酒花中通常以葡糖苷的形式存在；-黃烷醇類，單體具有兒茶酸那樣的結構；
-類黃醇類，黃酮醇的低聚物(例如原花青素B3和原翠雀素B3)；-原花色素類，也稱花色素原，分子可被酸分解，形成的物質在氧存在下聚合成名為花色素的顏料；-類單寧酸類(tannoids)，類黃醇的聚合物，是形成單寧酸的中間體；-單寧酸類，類黃醇的聚合物，其大小足以沉淀蛋白質。
各種研究表明，單體多酚對濁霧的形成影響甚微，但二聚體和三聚體強烈促進濁霧的形成。氧能促進多酚的聚合。氧化反應可在酶的催化下進行，如多酚氧化酶和過氧化酶。
多酚本身對濁霧的形成沒有多少促進作用。相反，濁霧主要由縮合多酚(單寧酸)與蛋白質之間的絡合物組成。
敏感蛋白質與多酚相互作用形成濁霧的機理見述于Chapon等，示于

圖1。
Chapon的模型是說，在諸如啤酒這樣的復雜基質中，蛋白質(P)和類單寧酸(T)在生產(chǎn)麥芽和啤酒的所有步驟中都處于化學平衡，蛋白質/類單寧酸(P-T)產(chǎn)物以溶解形式或不溶形式出現(xiàn)。P-T絡合物的形成過程和穩(wěn)定性可總結如下P+T _ P-T → P-T(可溶)(不溶)(不溶)可溶P-T在形式上更類似于不溶納米膠體，由于太小而不會形成不可見的濁霧。但它們可作為微粒生長的核，隨后形成濁霧。
這些化學平衡取決于類單寧酸和蛋白質的性質和結構。而且，一個敏感蛋白質分子與一個類單寧酸分子相遇的概率取決于它們的相對濃度、攪拌情況和溫度。
通過取走蛋白質或類單寧酸，可以使它們向左移動，形成P-T沉淀的可能性就小。
與此相反，加入高分子蛋白或類單寧酸將使平衡向右移動，P-T復合物就變得不可溶而沉淀出來。冷卻啤酒有具有同樣的效果，即因P與T之間相互作用增強而使得P-T復合物不可溶。
可加入第三個維度，即時間，簡單多酚(即黃烷醇)隨著時間的變化而聚合成類單寧酸，然后形成單寧酸。聚合反應速率與多酚的初始濃度和氧的存在直接相關。
許多因素都對啤酒質量有影響，特別是啤酒的初始濁度和長期濁度。
-各種大麥品種的多酚含量有很大差異。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，海生大麥品種的多酚含量比陸生大麥品種高。多酚大部分集中在麥皮中，因而冬大麥的多酚含量比春大麥品種高。一般認為，六棱大麥的多酚含量比雙棱大麥品種高。已經(jīng)培育了一些花色素原含量低的大麥品種，用于提高啤酒的膠體穩(wěn)定性。從蛋白質的角度看，給定大麥品種的濁霧活性蛋白質，也稱敏感蛋白質的含量是特別高還是特別低，還不是很清楚。有理由預言，濁霧形成的可能性與大麥中的氮含量之間存在正相關性。如果麥芽得到良好改性，制麥芽的過程中膠體穩(wěn)定性將會更高。原料中的多酚含量對未來膠體穩(wěn)定性的影響比蛋白質含量的影響更大。
-用其他淀粉或碳水化合物(例如大米、玉米、糖漿)原料代替大麥將稀釋所有類型的濁霧前體。另一方面，小麥基輔料會增加形成濁霧的危險，因為濁霧敏感蛋白質的含量增加，存在多酚組分，還可能存在葡聚糖和戊聚糖。
-酒花同樣會提供多酚，它通常比大麥中的多酚更容易聚合。在苦味相同的情況下，芳香品種往往帶來更高含量的多酚。
研磨麥芽是第一步操作，當氧與多酚同時存在時，該步驟會影響膠體的穩(wěn)定性，引發(fā)聚合反應，從而增加冷濁霧前體(例如多酚與蛋白質的潛在沉淀)。
糖化過程涉及將磨好的麥芽和其他谷類與水混合，以便通過酶的作用將蛋白質分解為氨基酸和肽，將淀粉分解成可發(fā)酵的糖(例如葡萄糖、麥芽糖和麥芽三糖)和糊精。水的質量扮演著重要角色，啤酒釀造商偏向使用低堿度水；低pH的糖化醪能夠促進高分子物質的酶解。高pH的水會促進多酚的萃取，對啤酒的膠體穩(wěn)定性不利。在糖化醪中要有足夠的鈣，以確保草酸鹽沉淀，這一點也很重要。糖化方法對膠體穩(wěn)定性有影響。例如，煮出法比浸出法好，因為更多的蛋白質變性，更多的多酚萃取，以及發(fā)生更多的氧化反應，經(jīng)過在熱淀物與冷淀物中沉淀，能夠更好地除去濁霧前體。
-過濾糖化醪是分離液相和固相的步驟，此處的液相稱作未加酒花的麥芽汁。如前所述，噴淋水的pH對膠體穩(wěn)定性很重要。而且，溫度越高，水越多，萃取的多酚就越多。如果在裝瓶之前沒有清除多酚，那么多酚含量對膠體穩(wěn)定性存在不利影響；而在裝瓶操作之前清除它(即通過過濾)，那就會產(chǎn)生有利影響。
-煮麥芽汁通常是用來對麥芽汁進行滅菌，除去不需要的揮發(fā)物，從酒花中萃取苦味物質并使之異構化，并且通過變性作用除去多余的蛋白質。此加工步驟在60-90分鐘內完成，對膠體穩(wěn)定性至關重要，以便得到成形良好的熱淀物，它是可沉淀物質，否則會使破壞啤酒穩(wěn)定性的過程依然存在。熱淀物通過傾泌、離心或渦流清除。麥芽湯的濃度(需要蒸發(fā)至少5-6％)、麥芽汁的pH(宜在5.1-5.3之間)、攪拌(速度盡可能慢)和氧化(對于酒味的穩(wěn)定性不利，但因多酚的氧化而有利于濁霧壽命)是影響熱淀物形成的最重要的因素。
在發(fā)酵過程之前，將麥芽汁冷卻到發(fā)酵溫度，進行氧化處理(用空氣或純氧)，并投入酵母。發(fā)酵是在酵母的作用下，將可發(fā)酵碳水化合物轉化成乙醇、二氧化碳和其他化合物，這就得到了啤酒的獨特性質。根據(jù)酵母菌株的情況，對于較大的酵母菌株，發(fā)酵溫度在10-15℃之間；對于上發(fā)酵酵母菌株，發(fā)酵溫度在20-30℃之間。在發(fā)酵階段，多酚會吸附到酵母細胞表面。在冷麥芽汁蛋白質中，多酚和碳水化合物傾向于相互作用，形成亞微米級不溶微粒，稱作“冷淀物”。所得膠體可作為核，供冷濁霧在冷熟過程中進一步成長。冷淀物的形成和清除，以及單寧酸與蛋白質的結合，都是主要變化，對膠體穩(wěn)定性存在有利影響。
發(fā)酵階段之后，通常將啤酒冷卻到盡可能低的溫度，但不要發(fā)生冷凍(例如-2℃)。冷調理階段對于形成“冷濁霧”特別關鍵。每次升高溫度都會使?jié)犰F重新溶解，從而使?jié)犰F前體回到啤酒中，這就帶來以后形成濁霧的危險。在此階段，審慎使用澄清劑能幫助形成的濁霧沉降。
發(fā)酵之后需要凈化，因為存在酵母、蛋白質/多酚絡合物和其他不溶物質，啤酒相當渾濁，上面這些物質都會促使啤酒中形成濁霧。延長低溫儲藏時間、向啤酒中加入澄清劑以及離心處理，是啤酒釀造商用來清除這些物質的一些技術。
-可沉淀冷濁霧應當在過濾啤酒過程中或之前從啤酒里清除。此操作可以這樣完成，將啤酒在啤酒桶之間轉移來轉移去，并且/或者進行離心，簡單地全部或部分消除至少部分沉淀物，此過程被啤酒釀造商稱作“純清”。
-溫度控制很關鍵，因為在它的影響下，濁霧前體會迅速重新溶解，在過濾步驟之前不可能再沉淀絡合物，因而前體會穿過過濾機，進入透明的啤酒。
在工業(yè)加工中，過濾操作的重要性不僅僅在于它對過濾物的直接影響，而且在于它是生產(chǎn)商直接調整決定產(chǎn)品質量的一個或多個因素的最后機會。例如，就啤酒釀造而言，過濾通常是啤酒釀造工藝中包裝之前的最后一步，因此可能是啤酒釀造商直接強化啤酒最終質量(既有主動的意味，又有補救的意味)的最后機會，從啤酒組分而言，也是確保保質期的最后機會。
如Gottkehaskamp，L.，Oechsle，D(Precoat Filtration with Horizontal Filters，Brauwelt Int.16，128-131，1998)所概括的，過濾在啤酒釀造中的作用包括改善啤酒的初始澄清度(多少還要處理形成濁霧的初始前體)，以及改善對包裝后的酒味變化有不利影響的因素，主要通過以下途徑進行清除濁霧物質，如蛋白質/多酚絡合物、酒花萃取物等；通過清除至少部分發(fā)酵后的微生物來提高生物穩(wěn)定性；清除其他溶解的大分子，如殘余淀粉和糊精，以及α-葡聚糖和β-葡聚糖。
根據(jù)Donhauser S.，Wagner，D.(Crossflow-Mikrofiltration von Hefe und Bier，Brauwelt 132，1286-1300，1992)的觀點，硅藻土滯積式過濾(alluviation)是半個多世紀里啤酒過濾操作中采用的主流過濾方法。英國于1930年代后期首次在啤酒過濾中采用硅藻土——但實際上直到后來才采用目前美國最常用的形式——隨后傳入歐洲啤酒釀造行業(yè)。
雖然硅藻土過濾(在本領域也稱作“DE”過濾)在啤酒釀造業(yè)和其他行業(yè)(例如白酒釀造中也采用DE過濾)即便不是過濾助劑輔助過濾(滯積式過濾)的主流類型，也仍然是并將繼續(xù)是主要類型，但還出現(xiàn)了許多其他的替代過濾技術。諸如橫向流動微過濾技術和許多膜技術等都得到引入——雖然它們都還沒有得到廣泛接受。(例如，參見Meire，J.，Modern Filtration-Overview of Technologyand Processes，Brauwelt Int.11，443-447，1993)。
過濾通常是指將各種液體/固體成分從它們的懸浮混合物中機械分離出來。這些“懸浮物”(就廣義而言，懸浮物一詞沒有暗示任何具體的微粒尺寸范圍，而只是說微粒包含或懸浮在流體中)通過多孔過濾助劑，至少部分微粒被截留在過濾介質之上或當中，而至少得到部分凈化的液體(即“濾液”)離開過濾設備。Eβlinger(Eβlinger，H.M.，Die Bierfiltration，Brauwelt 132，427-428，1992)指出，采用過濾介質的固體分離具有許多極為不同的模式·表面或餅過濾(有時也稱作滯積式過濾)懸浮體中的固體與所加一定量的過濾助劑(如DE)一起被濾餅承載表面擋住，在表面上形成濾餅。這里，固體分離僅發(fā)生在濾餅表面；·深度過濾或平板(sheet)過濾過濾介質多數(shù)由內部帶孔的一個厚層組成，用來阻擋固體微粒；·篩濾比濾孔尺寸大的微粒留在介質表面上。
本發(fā)明申請及其介紹的細節(jié)主要集中在上述過濾模式中的第一種。在DE粉末過濾(滯積式過濾)中，將DE過濾助劑注射到啤酒流中，注射點位于將啤酒收集在承載篩所在位置稍微靠上游的地方。當濾料層開始形成且循環(huán)液體變澄清的時候開始過濾啤酒。然后，含有DE的啤酒流與酵母和其他懸浮固體一道，形成較大的“不可壓縮”的聚集體，稱作“濾餅”。為防止堵塞過濾機的小孔并延長過濾流程，不斷地向未過濾啤酒中定量加入過濾助劑，作為主體加料。
多孔床支撐著一個表面，該表面捕集懸浮固體，將其從啤酒中清除。說支撐床“不可壓縮”僅僅是指，在過濾操作循環(huán)過程中，隨著濾餅繼續(xù)形成和操作壓力繼續(xù)升高，啤酒能夠繼續(xù)通過這些孔。為了用數(shù)學方法模擬其流過特性，將濾餅看作可壓縮的——見下面對孔隙率的討論。過濾助劑(稱作“主體加料”)持續(xù)不斷地加入啤酒流，以保持濾餅的滲透性。不是所有的微粒都能被捕集在表面上；有些物質，特別是更細小的物質將進入濾餅并被捕集——稱作“深度過濾”。深度過濾不及表面過濾有效，但仍然是通過過濾助劑進行過濾的重要機制。雖然效果不佳，但明智的做法是，在所有情況下以高投放率開始過濾循環(huán)的主體加料階段，并隨著壓差沿濾床的下降而減少投放率。主體加料量不足將引起濾餅表面過早污損，使過濾周期不利地縮短。
一般對于滯積式過濾工藝來說(特別包括用硅藻土作為過濾助劑的工藝)，常見工業(yè)過濾機可分為以下幾類1)板框壓濾機；2)水平過濾機；3)燭式過濾機。
在這里請注意，框式過濾機是所謂“開放式”的，不完全是自動化系統(tǒng)。向比較而言，水平和燭式過濾機是“封閉式”的，完全自動化。(Kolcyk，M.，Oechsle，D.，Kesselfiltrationssysteme für die Anschwemmfiltration，Brauwelt 139，294-298，1999；以及Kolcyk，M.，Vessel Filter Systems for Precoat Filtration，Brauwelt Int.17，225-229，1999)。框式過濾機在清潔時通常勞動強度很大，這一事實使得基于另兩種過濾類型的系統(tǒng)在工業(yè)應用中獲得主導地位。(見Leeder，G.，Comparing Kieselguhr Filter Technologies，Brew.Dist.Int.21，21-23，1990)。
為了讓懸浮物高效地流過過濾介質(即為了補償流體流過過濾介質時的壓力降)，在多數(shù)過濾系統(tǒng)的操作中提供壓力差(通常利用逆流泵)。
在不可壓縮牛頓流體以層流形式通過不可壓縮多孔濾餅的“理想”濾餅過濾假設中，達西定律有效dV/(A dt)＝(u dp)/(ηLR){1}在這些條件下可以看到，比流速u與施加的正壓差dp成正比，與濾液的動態(tài)黏度ηL成反比。換句話說，施加的壓力差越大，黏度越小，每表面單位上的濾液流速越高(比流速)。此外，流速也受過濾阻力R的影響，過濾阻力反過來受濾餅和過濾助劑的流阻影響。
Eβlinger進一步指出，對于更接近實際的可壓縮濾餅，濾餅的比重急劇增加，進而其阻力急劇增加。
此外，就濾餅本身的孔隙率而言，孔徑的統(tǒng)計分布在過濾中起著重要作用。
哈根-泊肅葉(Hagen-Poisseuille)定律描述了層流通過平行圓柱形毛細管的情況dV/(dt A)＝u＝(dpεd02)/(ηL32hk){2}ε為孔隙率，d0為毛細管直徑，hk為過濾高度。
但在實際中，孔隙率函數(shù)是由卡曼-康采尼方程有效描述的。根據(jù)Eβlinger的詳細討論，該方程顯示，孔隙率的任何給定變化對流速的影響實際上都是很大的。例如，如果孔隙率從40％下降到30％，比流速下降70％。濾餅過濾的通用微分方程是dV/(dt A)＝dp/(ηL(αhk+r0){3}α為比濾餅阻力，r0是過濾介質阻力。在實際操作中，幾乎所有的濾餅都或多或少是可壓縮的，特別是源自容易變形的細粒固體的那些濾餅。
對于實際操作，達西定律也可寫成(8)dp＝uηLhk/β{4}其中β表示濾餅滲透性。
從方程{4}可以看到，滯積式過濾機的性能如下當比流速翻倍時，壓差也相應翻倍。但是，為了維持濾餅的滲透性以便濾液流動，主體加料的投量也必須翻倍，從而導致濾餅深度翻倍。因此，如果比流速翻倍，壓力差將翻四倍。但是，為了維持過濾機流程上的壓力降梯度不變，當比流速增加時，硅藻土的投料速率必須以新比流速相對于初始比流速倍數(shù)的平方增加。顯然，流體通過過濾機的時間與硅藻土投料量成反比(例如，見Leeder，G.，The Performance ofKieselguhr Filtration-Can It be Improved？Brew.Dist，Int.23，24-25，1992)。
可得設備的選擇性使滯積式過濾進一步復雜化(見Leeder，G.，ComparingKieselguhr Filter Technologies，Brew.Dist.Int.21，21-23.1990)。
水平式過濾機(HF)由一個整體容器和兩塊固定的水平金屬板組成。元件包裝由板狀過濾元件組成，這些元件固定在中空軸上，能夠在驅動裝置作用下轉動。葉子通常由載體板組成，板上承載著堅固的粗篩，粗篩反過來承載著開口大小約為70微米(僅舉例而言)的細篩。這些組件用螺栓固定在周圍的夾具上。
未過濾的啤酒能沿兩路進入水平過濾機，取決于具體的水平過濾機是老的S型的還是新的Z型的。
老式結構允許進口從上面的金屬板和供料系統(tǒng)伸入(S型)。啤酒-硅藻土混合物由進口投入，沿過濾機的完整高度分布在容器壁和過濾元件之間。濾液收集在每個濾板內，并通過空心軸排放。S型水平過濾機的特征在于硅藻土容量約為7千克/平方米，最大操作壓力為7巴(僅舉例而言)。
更新的Z型水平過濾機是開發(fā)用來使未過濾啤酒分布更均勻的，具體是用一組進口分配器為每個過濾元件單獨提供進料。這種進口配置的結果是，啤酒流動的距離大為縮短。即使為Z型水平過濾機裝配直接較大的葉子，啤酒的最大流動距離也不到75厘米。這種構造能使過濾助劑均勻分布在葉子上，因而使高度更加統(tǒng)一的濾餅相對更加均一。Gottkehaskamp等(同上)通過試驗發(fā)現(xiàn)，在超過700個參考點上，濾餅平均高度為12毫米，標準偏差為0.8毫米。
Z型水平過濾機由于流動距離短，妨礙了未過濾啤酒中過濾助劑在過濾載體或葉片上游側的再分布。由于這樣得到的濾餅在整個過濾機中非常均勻(相對而言)，濾液質量好得多，濾料層的量可降至最低。此外，任何兩個相鄰過濾元件之間的空間可得到更加充分的利用，這反過來可以在任何給定的操作周期里生產(chǎn)更多的啤酒。這種“更長的操作周期”反過來使得過濾操作更加經(jīng)濟。
從Z型水平過濾機的整體設計可以看出，過濾機中硅藻土過載不可能損壞過濾元件。例如，有報道說過濾機負載達到11千克/平方米也是可能的——為了應對這么高的負載潛能，Z型水平過濾機也被設計為在(例如)9巴的壓力下操作。在這種壓力下操作的好處包括這樣一個事實，即沒有報道說它對濾液質量有不利影響(同樣見Gottkehaskamp等，同上)。
典型的燭式過濾機由圓錐形容器組成，一塊板在濾液區(qū)與滯留物區(qū)將其一分為二。位于此隔板上方的另一塊板用于收集濾液。容器的圓柱部分將滯留物區(qū)圍起來，而圓錐部分確保硅藻土原料適當分布，并在過濾結束時收集和卸下廢硅藻土。未過濾啤酒從圓錐部分的底部尖端進入容器。圓柱濾燭垂直安裝到中間的板子上，它們占據(jù)整個容器體積的約55-75％。現(xiàn)代濾燭包含一根梯形螺旋線，這根線被焊接到矩形支撐棒上，每圈焊接8次。濾燭開口不是對稱的，其外部為70微米而內部稍大一些，從而避免了堵塞。
每個過濾元件的表面積約為0.1-0.2平方米。為了獲得較大的過濾面積，必須安裝數(shù)百根濾燭(例如在100平方米的表面上安裝500根濾燭)。每根濾燭可接收約7千克/平方米的硅藻土冷卻殘渣。燭式過濾機的結構通常設計為操作壓力最大為7巴。由于燭式過濾機中沒有移動部分，它被稱作靜態(tài)過濾系統(tǒng)。
水平過濾機和燭式過濾機均為容器過濾系統(tǒng)，這是它們的相似之處。然而，它們也有一些根本性的差異，如下所述就濾餅的穩(wěn)定性而言，水平過濾機提供的是水平濾餅，它因重力作用而比較穩(wěn)定。因此，正在進行的過濾操作不會因為工廠停工而受影響，因為濾餅不會從板上掉下來。但在燭式過濾中，垂直濾餅必須用泵提供的壓差來穩(wěn)定，關掉泵就會使濾餅掉落下來。
關于預涂層操作，燭式過濾機應當在過濾循環(huán)開始前立即通過預涂層制備，否則過濾機必須保持在循環(huán)過程中，這很耗能量。對于水平過濾機，過濾機的制備可在開始過濾的前一天就完成，因為預涂層即使不在循環(huán)當中也很穩(wěn)定。只要預涂層完成，過濾可以在任何時候開始。
通常認為，啤酒中酵母的含量限制在每升一個酵母，而根據(jù)啤酒規(guī)范，濁霧限制在0.5 EBC，最多0.8 EBC(見有關濁霧測定的段落)。DE可以并被用于使啤酒達到這些成品規(guī)范。但是，使用DE有三個固有的基本問題。首先，DE影響啤酒質量，因為它是多孔微粒，使啤酒夾帶氧。它還天然地包含少量金屬離子，它們是氧化反應的催化劑。此外，這些物質在操作中會帶來某些健康隱患(例如吸入)。最近，在這些缺陷之外還要加上處理廢棄過濾助劑這一日益突出的問題——以及處理廢物的相關成本問題。
在Practical Brewer，1993，Master Brewers Association of Americ中指出，導致形成不溶物的反應即使在過濾之后還會發(fā)生，為解決這個問題，可以采取許多穩(wěn)定化處理措施。雖然DE過濾效果不錯，常?！M管并非總是，且在不同情況下緊迫程度也不同——需要進一步提高啤酒中的膠體穩(wěn)定性。本質上有這樣幾個提高啤酒中膠體穩(wěn)定性的候選策略除去多酚、除去蛋白質或各除去一部分。在比較好的通用釀制實踐中，低溫低氧是穩(wěn)定膠體的前提條件(DE夾帶氧在這方面也是一個突出問題)。
-通過聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)吸附(或用甲醛沉淀，但就食品安全問題而言，通常不允許這樣做)是有可能除去多酚的。由于其化學結構，PVPP傾向于與聚合多酚、類黃醇和單寧酸通過形成氫鍵和靜電弱作用力而發(fā)生反應。多酚對PVPP的親合性高于對啤酒中濁霧活性蛋白質的親合性，原因是PVPP比蛋白質有更多的活性位。此外，多酚與PVPP之間的相互作用比多酚與蛋白質之間的相互作用更強、更快。PVPP以兩種形式存在，其中單用形式比再生形式更細(即由更細的微粒達成平衡后組成的聚集體)。單用PVPP具有高表面/重量比，在過濾前投料，典型的投料率在10-30克/百升之間，在過濾步驟除去，成為濾餅的組成部分?？稍偕鶳VPP通常連續(xù)投入清亮的啤酒流中，投料率為25-最多50克/百升之間，收集在特定的過濾機上(即與DE過濾分開)，與氫氧化鈉接觸后可再生。對于儲藏時間達6個月的穩(wěn)定啤酒來說，這是最經(jīng)濟的生產(chǎn)方法。
-通過用硅凝膠、硅溶膠或斑脫土吸附，通過用棓單寧沉淀，或者通過酶水解，可以除去蛋白質。硅凝膠將蛋白質吸附到其表面，其性能是孔尺寸、粒徑、表面積和滲透性的函數(shù)。硅凝膠優(yōu)先除去成霧蛋白質，因為它能與多酚識別濁霧活性蛋白質上同樣的位置并發(fā)生相互作用。硅凝膠以三種固體形式存在水凝膠，基于約70％的含水量；干凝膠，基于約5％的含水量；改性水凝膠，基于約30-35％的含水量。硅凝膠可以在冷熟過程中以50克/百升的投料率投放，或者在過濾步驟以20-100克/百升的投料率在線投入。更高的投料率會對泡沫穩(wěn)定性造成不利影響。二氧化硅還以液體形式存在，它是膠狀二氧化硅，以后稱作硅溶膠，以便與粉狀的硅凝膠相區(qū)別。由于其大表面積，硅溶膠作為吸附濁霧活性蛋白質的吸附劑具有很高的效率。硅溶膠的作用與硅凝膠一樣，其微粒能夠與濁霧活性蛋白質交聯(lián)形成水凝膠，它們在蛋白質上絮凝，最后形成沉淀物。硅溶膠可以加入麥芽汁或啤酒中。加入熱麥芽汁的投料率在40-70克/百升麥芽汁之間。當將硅溶膠加入啤酒時，在啤酒流從發(fā)酵步驟轉移到熟化步驟的過程中，以約40克/百升啤酒的投料率直接將硅溶膠注射到啤酒流中，或者在啤酒流從熟化步驟轉移到過濾步驟的過程中，以約15克/百升啤酒的投料率直接將硅溶膠注射到啤酒流中。斑脫土長期用于釀酒業(yè)，但現(xiàn)在很少用，因為它與蛋白質的結合不是專一的，它會同時去除濁霧和泡沫蛋白質。棓單寧天然存在于植物中，可從五棓子果實或漆樹葉子中萃取出來。它由聚合單寧酸組成，單寧酸具有許多活性位(例如羥基)，能以類似于類單寧酸的方式與蛋白質反應，這解釋了對濁霧活性蛋白質的相對專一性。所形成的不溶絡合物很容易沉淀，能從啤酒中清除。當以推薦的投料率使用時，單寧酸對泡沫的穩(wěn)定性沒有危害?；诋a(chǎn)品純度，單寧酸以不同的商業(yè)形式存在，因而可用于不同的加工步驟在煮麥芽汁的過程中(2-6克/百升)，在啤酒的冷熟過程中(5-7克/百升)，或者就在過濾啤酒之前(2-4克/百升)。反應時間較快，單寧酸可以在過濾啤酒之前在線投入。由于形成沉淀，濾餅的滲透性將下降，建議采用較粗級別的DE或與珍珠巖的混合物，以維持相同的過濾能力。蛋白質水解酶將疏水蛋白質水解，而對濁霧活性蛋白質沒有專一性，結果對泡沫穩(wěn)定性造成不利影響。
-用各種抗氧化劑(抗壞血酸和/或亞硫酸鹽)從啤酒中除氧或抵制氧的影響。這些產(chǎn)品可在過濾階段在線加入，對膠體穩(wěn)定性存在有利影響。
基于使用DE存在前面提到的且不斷增多的問題，人們已經(jīng)進行各種嘗試，采用替代的滯積式過濾助劑——特別是制備有可能替代DE的合成材料，其中有些材料還是可再生的。特別有前景的進展在EP 91870168.1、WO1996/35497和WO96/17923中有詳細介紹。但是，且不論這些進展質量如何，它們至少在能力上難與DE的性能相比，因而未得到廣泛采用。關于這一點，值得一提的是合成過濾助劑濾餅的孔隙率很難重復地與DE相匹配——雖然存在其他潛在考慮，但在性能上同樣存在相關問題。
因此，本領域仍然需要改進合成滯積式過濾助劑和/或它們的應用，可以作為DE的有效替代品。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明總體上涉及滯積式過濾的相關改進，更具體地涉及改進對過濾助劑的調理(包括受調理的輔助物和調理它們的方法)，更進一步涉及經(jīng)過改進的濾餅和用濾餅進行過濾的方法。本發(fā)明另一方面通過使用絡合劑改進了滯積式過濾方法。
因此，舉例來說，本發(fā)明部分涉及制備和/或過濾液體的方法，該液體包含濁霧敏感蛋白質(作為補充反應物，或者換句話說作為相容反應物)，用來在后面至少分離出能形成濁霧的蛋白質物質。此方法包括加入一種或多種能夠與至少部分濁霧敏感蛋白質形成絡合物的蛋白質絡合劑的步驟，所述絡合物可在過濾的時候選擇性保留下來。在啤酒釀造應用中所希望的結果是，當在所述分離步驟用合成聚合物或二氧化硅衍生物或其混合物作為過濾助劑時，得到的25°濁度約小于0.7 EBC。
本發(fā)明另一方面提供了制備和/或過濾液體的方法，該液體包含濁霧敏感蛋白質，用來在后面至少分離出能形成濁霧的蛋白質物質，所述方法包括加入一種或多種蛋白質絡合劑(例如絮凝劑)的步驟，該絡合劑能夠與至少部分作為相容或補充反應物的濁霧敏感蛋白質形成絡合物(例如絮凝物)，因而當在所述分離步驟用合成聚合物的混合物作為過濾助劑時，得到的25°濁度小于0.7 EBC，其中所述混合物包含至少一種帶電荷的聚合物。
本發(fā)明另一方面提供了對用于或供用于分離步驟的濾餅的調理，具體是加入一種或多種蛋白質絡合劑(絮凝劑)，該絡合劑能夠與含在液體中的至少部分濁霧敏感蛋白質形成絮凝物，結果是降低了所述濾餅的孔隙率，所述濾餅由作為過濾助劑的合成聚合物的混合物組成，其中至少一種這樣的聚合物和所述絮凝物帶有相互吸引的電荷。同樣，在啤酒釀造應用中，希望用這種經(jīng)過調理的濾餅進行最后的過濾之后，得到的25°濁度約小于0.7 EBC。
本發(fā)明還涉及經(jīng)過調理的過濾助劑、含所述助劑的濾餅以及制備所述助劑的方法，所述方法包括使絡合劑(即絮凝劑)與相容反應物反應(它們一起形成在過濾時一般能夠保留下來的絡合物)。所述反應物與絡合劑宜加入流體中(例如液流，如未過濾的啤酒流)，特別優(yōu)選的是選擇絡合劑與未過濾液體本身所含的反應物反應，特別是本來就想通過過濾除去的反應物。這種絡合物接著與合成的滯積式過濾助劑相互作用，彼此之間形成締合物(bound association)。絡合劑、反應物和/或它們與過濾助劑的締合物以濾餅的形式保留在為此設計的濾網(wǎng)上。絡合物在常見的過濾條件下(包括流動條件)基本上因被束縛而保留在所述濾餅中過濾輔助材料之間形成的間隙空間或孔當中，從而通過縮小孔徑變化和平均孔徑分布在統(tǒng)計上對濾餅孔隙率進行調理。這使得濾餅經(jīng)過調理之后，更接近(例如)可比較DE濾餅的有效孔隙率。
根據(jù)本發(fā)明的描述，本領域的技術人員會發(fā)現(xiàn)，選擇并應用各種絡合劑、反應物和過濾輔助材料可實現(xiàn)本發(fā)明的目標。
附圖簡介本說明書后面附有圖1-13，其中圖1是原有的Chapon模型中蛋白質與多酚平衡的圖示。濁霧的形成通過啤酒中類單寧酸和敏感蛋白質各自濃度的函數(shù)關系表達。
圖2是殘余濁霧和過濾機橫向壓差各自與蛋白質絡合劑的量之間函數(shù)的綜合關系定量圖示。
圖3是在同一輪過濾操作中，在購自Omnichem的蛋白質絡合劑(Brewtan_)用量不同的情況下，過濾機橫向壓差與啤酒過濾體積之間關系的圖示。
圖4是Brewtan_用量(克/百升)與過濾助劑用量(克/百升)之比同每平方米過濾面積上壓差增量(巴/百升)之間函數(shù)關系的圖示。
圖5是LUDOX_用量(克/百升)與過濾助劑用量(克/百升)之比同每平方米過濾面積上壓差增量(巴/百升)之間函數(shù)關系的圖示。
圖6是在20℃的溫度下、90°和25°的散射角上測定的濁度下降與過濾前Brewtan_投入量之間函數(shù)關系的圖示。
圖7是在0℃的溫度下、90°和25°的散射角上測定的濁度下降與過濾前Brewtan_投入量之間函數(shù)關系的圖示。
圖8是Brewtan_投料率約為1克/百升的情況下，過濾后濁度的變化與過濾體積之間關系的圖示。
圖9和10是在同一批啤酒的過濾操作中，分別用0.7克/百升Brewtan_(圖12)和9.3克/百升LUDOX_(圖13)進行處理時，濁度下降情況的圖示。
圖11是過濾操作中用硅溶膠(LUDOX_)處理和不用硅溶膠處理所得濁度結果的圖示。當停止處理時，90°和25°測得的濁度顯著升高。
圖12是在1200百升的工業(yè)試驗中，在90°和25°散射角上測定的濁度變化的圖示。同時標出了每罐過濾啤酒的兩種濁度測定值。
圖13是在超過8.000百升的工業(yè)試驗中，在90°和25°散射角上測定的濁度變化圖示。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及制備液體，例如啤酒的方法，該方法組合使用合成過濾助劑和一種或多種蛋白質絡合劑，以截留膠體微粒。這些微粒存在于液體中，在最后的過濾步驟中通常難以清除。利用合成的可再利用聚合物作為過濾助劑，本發(fā)明涉及蛋白質絡合劑形成膠體絡合物的特殊效應，所述絡合物在過濾步驟中被截留下來，使濾液在90°和25°散射角上測定的殘余濁度顯著下降。蛋白質絡合劑的優(yōu)選用量應當調整，以限制壓差在過濾的過程中上升的速率，并且優(yōu)選用量小于對膠體穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著正面影響所需的投料量，膠體穩(wěn)定性是過濾產(chǎn)品達到預期儲藏壽命所必需的。本發(fā)明優(yōu)選涉及在過濾諸如啤酒這樣的液體之前使用棓單寧，其中過濾助劑是聚合物。
合成聚合物本發(fā)明涉及合成過濾助劑、包括流紋巖(ryolite)玻璃在內的二氧化硅衍生物以及它們的混合物的使用。合成聚合物廣泛基于聚酰胺、聚氯乙稀、氟化物、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、乙烯共聚物、丙烯酸二元共聚物和三元聚合物、烯屬熱塑性彈性體中的一種或多種。
過濾助劑可以與PVPP混合，因而在過濾操作中可用作過濾載體上的濾料層以及主體加料沉積層，結果因多酚與PVPP之間的專一化相互作用而提高了膠體的穩(wěn)定性。過濾助劑或不同過濾助劑的混合物，包括PVPP，通過再生過程可以再利用，這已經(jīng)有了專利(見WO96/35497)。
從“物理”角度看，給定的微粒樣品至少要具備四個技術特征才能適合用作人工過濾助劑1)頭三個涉及微粒形狀，也是四個特征當中最重要的□由球形度系數(shù)(SC)定義的均勻性——它是實際微粒的平均直徑與完美球體的4π面積除以實際微粒實際周長所得結果的比值——它是實際微粒與真圓面積/周長之間的比較?？捎脠D像分析儀完成測定(至少20個微粒)，由計算機分析顯微圖像，從而得到這種比較。
□形態(tài)因子——它是微粒的最小直徑與最大直徑之比——形態(tài)因子越大，得到的Δp越大。
□各向同性——在專利中有定義——是指所有微粒在形狀上多多少少是均一的——即它們的形狀大致都相同——而不是(例如)纖維狀與球狀的混合。
球形度系數(shù)(SC)是實際微粒與完美球形的平均直徑之比，其測定可用圖像分析儀完成(至少20個微粒)，由計算機分析顯微圖像，從而得到這種比較。例如，聚酰胺11 Rilsan材料(將在本說明書其他地方提到)的SC是0.47。又如，為用于本發(fā)明而研磨或破碎的Capron聚酰胺6的SC約為0.57。
形態(tài)因子是微粒的最小直徑與最大直徑之比，這在本說明書已經(jīng)引為參考的公開專利文獻中有更完整的定義。Rilsan聚酰胺的形態(tài)因子約為0.44；Capron聚酰胺的約為0.49。注意，形態(tài)因子較大的微粒(即拉長形纖維微粒的形態(tài)因子)可壓縮到這樣的程度，使得濾床上的壓力降過大，必然導致過濾周期長度縮短。
各向同性也在前面引用的文獻中有定義，但總體意思是所有微粒的形狀基本上相同——即它們不包括例如纖維形狀和球形的混合。
總的說來，特別優(yōu)選形態(tài)因子總體上為0.4-0.8(優(yōu)選接近0.5)且SC為0.4-0.65(同樣優(yōu)選接近0.5)的各向同性微粒樣品。
總體上，本發(fā)明所用滯積式過濾輔助材料的微粒密度也優(yōu)選約小于1.25，可以小于1(如高密度聚乙烯的密度為0.99-0.98甚至更低，但不宜低到像聚丙烯那樣約為0.85——因為微粒與液體之間的密度差異太大了，微粒有漂浮起來的傾向，從而使過濾變得困難)。就優(yōu)選的操作和微粒材料的密度而言，微粒的實用密度通常優(yōu)選與待過濾液體的密度基本上沒有多少差異(例如在液體是水或啤酒的情況中，二者的標稱密度均約為1)。但是，油或其他低密度液體可與密度較低的微粒材料匹配使用。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與合成滯積式過濾助劑的性能相關的其他因素包括聚合物的粒徑、均勻度、比表面和化學性質等特性。就后者而言，聚酰胺具有許多優(yōu)點，優(yōu)選用于實踐。
粒徑的例子包括歐洲專利申請EP-A-0483099中提到的那些，該專利描述了更適用于啤酒釀造領域里滯積式過濾技術的過濾助劑。該助劑由粒徑在5-50微米之間、平均直徑接近20微米的球珠組成。這些助劑優(yōu)選以餅的形式使用，孔隙率在0.3-0.5之間。
優(yōu)選的過濾助劑可以包含許多一粒粒帶角的微粒。微粒所帶角的形狀由形狀因子確定，而所述許多一粒粒帶角的微粒由均勻系數(shù)確定。
形狀因子是微粒的最小直徑Dmin與最大直徑Dmax之比，所述形狀因子在0.6-0.85之間。
均勻系數(shù)是80％微粒的直徑與10％微粒的直徑之比，所述均勻系數(shù)在1.8-5之間。
組成助劑的微粒的比表面積用BET法測定，并用過濾助劑的質量密度值校正，優(yōu)選小于106平方米/立方米。
所述助劑的單個帶角微粒的質量密度不宜超過待過濾懸浮液質量密度的25％，以避免沉降和分離現(xiàn)象。
帶角微粒宜由聚合物形成，如合成聚酰胺。
根據(jù)特別優(yōu)選的實施方式，所述許多一粒粒帶角微粒由粒徑分布確定，所述粒徑分布由微粒體積計算，其平均直徑約為30-40微米，用馬爾文測量法測定，粒徑分布中70％、優(yōu)選90％的微粒具有15-50微米的直徑。
單個微粒可用各種方式表征-形狀因子(_)，它是微粒的最小Feret直徑(Dmin)與最大Feret直徑(Dmax)之比(也可參見Particle Size Measurement，第4版，Terence Allen，Chapman&Hall Ltd.編，1990年)。形狀因子用光學顯微鏡測定，如Advances in Solid LiquidSeparation(Muralidhara主編，1986年，Batelle Institute)所述；或者用電子顯微鏡測定，如LEO公司銷售的Gemini設備，并用基于SCION軟件的圖像分析儀。Feret直徑定義為在微粒突出輪廓的兩條平行切線之間測定的直徑的平均值(也可參見Transferts et Phases Disperses，L.Evrard&M.Giot，UCL編)。
-根據(jù)S.Lowell和J.Shields的文獻“Powder surface area and porosity”(Chapman&Hall Ltd.編，1991年)中定義的Brunauer、Emmet和Teller(BET)測量法測定的比表面積(S0)，并用過濾助劑的質量密度校正(也可參加R.J.Wakeman和E.S.Tarleton的“Filtration Equipment Selection Modeling and ProcessSimulation”Elsevier Advanced Technology編，第1版)。
-微粒的質量密度(Ma)；-其化學組成；-其物理性質。
所述許多一粒粒微?？刹糠钟镁鶆蛳禂?shù)確定，所述均勻系數(shù)是D80與D10之比，其中D80是80％的微粒通過直徑，D10是10％的微粒通過直徑，二者均由馬爾文粒徑分析儀確定(帶有激光束，如由UCL編、L.Evrard&Giot的Transferts et Phases Dispersées所述)；微粒的通過直徑是微?？倶悠分兄付ò俜謹?shù)的微粒小于或等于微粒平均直徑(Dave)的直徑，所述平均直徑由微粒體積計算，根據(jù)確定等價直徑的馬爾文測量法測定。
濾餅[在過濾機上過濾懸浮液(未過濾液體+過濾助劑)后得到的粒狀介質]由以下特征確定-比阻力Rs，它是液體通過沉積在1平方米表面上的1千克干燥固體材料濾餅時所遇到的阻力(Rs的單位是米/千克)；-表觀質量密度Mgs(單位是千克/立方米)。
這些測量結果可以確定-由表觀質量密度計算得到的孔隙率ε0(也可參見Filtration Society于1975年出版的Filtration Dictionary給出的定義)；-由比阻力和實際質量密度Ma確定的滲透率β0(單位達西)，其中實際質量密度由質量密度測定法測定[也可參見R.J.Wakeman和E.S.Tarleton的FiltrationEquipment Selection Modeling and Process Simulation(Elsevier AdvancedTechnology，第1版)]。
蛋白質絡合劑在最后用合成聚合物進行處理的過濾步驟之前，特定的蛋白質處理可急劇提高這種濾餅的過濾性能，從而顯著減少濾液中的殘余濁霧?？梢圆捎貌煌牡鞍踪|絡合劑，如棓單寧、角叉膠、魚膠、果膠、黃原膠、硅凝膠、硅酸鈉、膠體二氧化硅、殼聚糖、藻酸鹽、沸石、陽離子淀粉和這些蛋白質絡合劑所有可能的組合。特定蛋白質與絡合劑之間的反應時間較短，在接觸數(shù)分鐘的時間內完成，因而產(chǎn)品可在過濾步驟之前在線注射進去，或者離線處理一批未過濾液體，和/或在更早的步驟中在線或離線處理。蛋白質絡合劑在幫助形成絡合物和/或沉積某些特定的蛋白質方面扮演著積極角色。另一個優(yōu)點是將來提高經(jīng)過處理的液體中膠體的穩(wěn)定性，具體效果取決于蛋白質絡合劑的性質和用量。在本發(fā)明的背景中已經(jīng)介紹過，通過清除敏感蛋白質和/或消除某些多酚，可以提高膠體穩(wěn)定性，多酚與某些蛋白質具有特別的反應活性，使膠體不穩(wěn)定。PVPP反應活性很強，特別是與多酚，因此在能達到使膠體穩(wěn)定的相同效果，從而使終產(chǎn)品獲得相同儲藏時間的情況下，建議減少PVPP的用量。減少PVPP投料量有顯著意義，具體取決于蛋白質絡合劑的性質和用量。PVPP通常在使用過濾助劑時投放，并根據(jù)經(jīng)驗確定投放比例，具體做法是調整PVPP的加入量，直至達到特定啤酒產(chǎn)品的質量規(guī)范。但根據(jù)本發(fā)明，混合過濾助劑中PVPP的比例較根據(jù)經(jīng)驗確定的常用比例少10-40％。
反應機理雖然不想受到任何理論或假設的限制，但是據(jù)信，濾液中的最終濁霧之所以減少，是因為未過濾液體中存在的蛋白質與過濾前加入的絡合劑形成膠體絡合物，并被截留下來。
首先，絡合物在液體中迅速形成，并在整個過濾步驟中與過濾助劑混合，在過濾助劑的幫助下，兩種微粒都保留在過濾機中。過濾助劑由合成聚合物組成，這種聚合物提供了很好的機械性質；而且，它還是不可壓縮或只能稍微壓縮的材料。另一方面，膠體絡合物具有非常有限的機械整體性，高度可壓縮。由于膠體絡合物的可壓縮性，沉積的濾餅的孔隙率和/或滲透性下降，導致壓差急劇增大，所述壓差是在過濾機進出口之間測定的。優(yōu)選蛋白質絡合劑的投放量，以避免壓力增加速度過快，從而避免在達到過濾機供應商指定的最大過濾操作壓力之前，在同一輪生產(chǎn)中影響過濾性能，嚴重減少濾液的體積。絡合劑的優(yōu)選用量小于在現(xiàn)有技術中用這種絡合劑實現(xiàn)膠體穩(wěn)定時所需的量。反應機理對濾液最終的渾濁度具有直接的有利影響，理解這一點是有益的。此分離步驟所涉及的機理主要可通過絮凝原理來解釋，絮凝過程涉及具有長鏈聚合物分子的絡合劑。絮凝機理總體上關涉微粒之間的分子橋連或一系列橋連，可看作一系列反應步驟。首先，蛋白質絡合劑分散在液相中；接著，蛋白質絡合劑擴散到固-液界面，絡合劑吸附到固體表面上，而游離聚合物鏈通過橋連作用吸附到第二個微粒上。這種初級絮凝物通過與其他微粒橋連而生長。實際上，蛋白質絡合劑的最佳投料率是憑經(jīng)驗確定的，而過度投料會產(chǎn)生過于穩(wěn)定的液體，使分離極為困難。此絮凝過程據(jù)認為是不可逆的，但必須特別小心，不要過度攪拌，否則容易使絮凝物破裂，從而使懸浮液在膠體物質的存在下變得渾濁。
另外兩種可能的捕獲機理或者這兩種機理組合起來可以解釋這個現(xiàn)象1.第一種捕獲機理基于濾餅的物理性質，總體而言涉及濾餅的孔隙率，具體過程是a.濁霧微粒在物理-化學作用下被捕獲到形成的絡合物中，并滯留在濾餅里，不可能通過過濾機，從而導致濾液的殘余濁霧顯著減少。此過程稱為“深度”過濾。
b.形成的絡合物與濾餅接觸時，部分填充了濾餅的空隙，使壓力稍稍增加。這樣產(chǎn)生的效果相當于為濁霧微粒制造了一道機械屏障，濁霧微粒就為閉塞的濾餅所捕獲，從而使濾液中的殘余濁霧顯著減少。此過程稱作“表面”過濾。
2.第二種機理基于濾餅的組成，關系到至少一種聚合物的存在，所述聚合物具有某種靜電性質。這種聚合物與絮凝物之間發(fā)生靜電作用，所述絮凝物在前面絡合劑與濁霧敏感蛋白質之間的絮凝作用中已經(jīng)形成。絮凝物的剩余靜電荷可能是負電，因為多酚帶負電荷?？紤]到這一假設，聚合物優(yōu)選帶正的靜電荷，這樣就可以解釋絮凝物與聚合物之間的靜電作用?？梢允褂貌煌木酆衔?，如PVPP以及陰離子樹脂(交換陰離子)技術中用到的其他聚合物。
3.濁霧捕獲機理也有可能并不局限于一種機理或另一種機理，而是兩種機理協(xié)同作用的結果。因此，新鮮濾液中殘余濁霧的減少是物理-化學結合與機械截留組合作用的結果。此效應示于圖2。
實施例一些中間試驗在中試工廠進行，在這里過濾了經(jīng)過離心處理的工業(yè)啤酒。
·過濾了20百升，過濾機的類型和尺寸是0.54平方米的燭式過濾機，過濾速率約為11百升/小時·平方米。
·過濾之前，用不同量的棓單寧(Brewtan_，購自Omnichem)處理經(jīng)過離心的工業(yè)啤酒用量在0.5-2.0克/百升之間。在過濾啤酒之前，用合適的投料泵直接在線連續(xù)注射棓單寧。也可以通過批處理啤酒來投入絡合劑，也就是將啤酒投入未過濾啤酒的桶中。
·在另一個實驗中，在過濾之前用膠體二氧化碳溶液代替棓單寧對啤酒進行處理。實驗用的硅溶膠(購自Stabifix的Stabisol 300_或購自GRACE Davison的LUDOX_)濃度約為30-31％，20℃的密度為1.205-1.213克/毫升，比表面積大約為300平方米/克，因其平均粒徑約為8納米。
·過濾助劑是聚酰胺11和PVPP的混合物，比例為50/50。所用聚酰胺11的“最佳”特性規(guī)定如下○根據(jù)馬爾文方法測得的平均直徑約為33微米；○形狀因子，即微粒最小直徑與最大直徑之比約為0.7；○均勻系數(shù)，即80％微粒的直徑與10％微粒的直徑之比約為2.8；○根據(jù)BET方法測得的比表面積約為0.8×106平方米/立方米；○質量密度約為1040千克/立方米。
PVPP(購自BASF公司)是單用形式和可再用形式的混合物，比例為1/2。過濾助劑在過濾過程中連續(xù)投放，投料率為50-130克/百升。過濾助劑的投料率根據(jù)棓單寧的量調整，以免壓力過度升高。根據(jù)本說明書，投料率對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。
圖3顯示在棓單寧和過濾助劑的不同投料率下，壓力隨過濾體積增加。對于所有這些棓單寧投料率，壓力升高都大于不加棓單寧的情況。此外，在過濾助劑的投料率相同的情況下，其壓力升高幅度小于加硅藻土(DE)的情況。還可以看到，在過濾助劑的投料率相同的情況下，棓單寧加得越多，對壓力升高的影響越大。當投料率小于2克/百升時，壓差的增加仍然低于用DE而一點不加棓單寧時得到的幅度。我們相信，棓單寧的投料率應當小于2克/百升。
圖4表示在棓單寧(Brewtan_)投料率與過濾助劑投料率之比不同的情況下，壓差增加的情況。壓差表示為巴/百升除以以平方米為單位的過濾機面積，這樣就可以在不同的過濾設備之間展開對比。指數(shù)曲線顯示，由于棓單寧還有PVPP的存在，所得濾餅稍微可以壓縮。通過利用方程，啤酒釀造商顯然可以計算理想比例(Brewtan_/過濾助劑)，以免壓差過度升高。此比例對于過濾線(過濾機性能、離心機的使用和/或性能、澄清劑的使用等)和未過濾啤酒的質量(酵母量、濁霧、膠體微粒、啤酒溫度等)來說是特有的。
圖5表示膠體二氧化硅(LUDOX_)投料率與過濾助劑投料率之比不同的情況下，壓差增加的情況。壓差表示為巴/百升除以以平方米為單位的過濾機面積，這樣就可以在不同的過濾設備之間展開對比。指數(shù)曲線顯示，由于棓單寧還有PVPP的存在，所得濾餅稍微可以壓縮。通過利用方程，啤酒釀造商顯然可以計算理想比例(LUDOX_/過濾助劑)，以免壓差過度升高。此比例對于過濾線(過濾機性能、離心機的使用和/或性能、澄清劑的使用等)和未過濾啤酒的質量(酵母量、濁霧、膠體微粒、啤酒溫度等)來說是特有的。
圖6和7表示在兩種溫度下用不同投料率的棓單寧得到的過濾啤酒中殘余濁度的結果。圖示結果表明啤酒殘余濁度直接下降，所述殘余濁度在兩種不同散射角度上測得，如本發(fā)明背景部分所介紹。在20℃和0℃測得的下降程度相似，但在0℃測得的比在20℃測得的稍微高一點。本領域的技術人員不難理解，根據(jù)本說明書，多酚與蛋白質之間形成的氫鍵在0℃比在20℃稍微強一些，這部分濁霧也稱作可逆濁霧。棓單寧的投料率在0.5-1克/百升之間就足以顯著減少啤酒中的濁霧。對濁霧來說，此效應在25°散射角測定比在90°散射角測定更加明顯。我們還知道，此投料量有利于整體膠體的穩(wěn)定，但它提供的膠體穩(wěn)定性不足以滿足多數(shù)啤酒釀造商要求的規(guī)格。
圖8顯示在過濾過程中用1克/百升棓單寧處理時濁度的下降情況。在過濾開始時，濁度快速下降，直到變得更加穩(wěn)定。
圖9和10顯示分別用0.7克/百升棓單寧(圖9)和9.3克/百升硅溶膠(圖10)處理時過濾過程中濁度的下降情況。在此實驗中，兩種處理方式使用同一批啤酒。各自進行過濾后，25°和90°的殘余濁度值非常相近。此實驗證明，只要投料率合適，過濾中采用棓單寧和采用硅溶膠能得到相近的濁度。
圖11顯示在過濾過程中用和不用硅溶膠(LUDOX_)處理的濁度結果。在使用硅溶膠的過濾階段，在25°和90°散射角測定的濁度結果相對恒定且低于上限(0.7 EBC)。一旦結束用硅溶膠處理，25°和90°測定的濁度顯著增加，并高于上限0.7 EBC。此實驗證明，在整個過濾階段都應當始終用絡合劑處理，或者說不可能在中斷處理后不會威脅到濁度結果。
為了放大中試結果，我們進行了工業(yè)試驗。第一個試驗在如下條件下進行-過濾前對啤酒進行離心，經(jīng)過離心的啤酒包含200.000-500.000細胞/毫升。
-啤酒過濾后的溫度在-1℃-1.0℃之間。
-啤酒過濾后的濃度為12.4°P。
-過濾線的處理容量為500-550百升/小時。
-過濾機是80平方米(金屬表面)的燭式過濾機。
-過濾助劑是聚酰胺11和PVPP按50/50的比例配成的混合物，如“中試”部分所說明的那樣。
-過濾助劑的投料率為60-70克/百升。
第一次試驗的結果示于圖12，可以看到25°和90°散射角測定的濁度下降。在此約1.200百升的試驗中，兩個淡啤酒桶(BBT)各裝600百升，蛋白質絡合劑棓單寧(Brewtan_)的平均投料率約為0.45克/百升。25°散射角測得的濁度比90°散射角測得的濁度下降更顯著。在過濾過程中，濁度下降幅度逐步減緩，測得每個BBT中的濁度平均值。在25°散射角測定時，第一個BBT中的濁度平均值約為0.4 EBC，第二個BBT中約為0.2 EBC。在90°散射角測時，第一個BBT中的濁度平均值約為0.5 EBC，第二個BBT中約為0.45 EBC。
在過濾量超過8.000百升的第二個長時間過濾過程中，蛋白質絡合劑棓單寧(Brewtan_)的平均投料率約為0.45克/百升。此實驗證明，在整個過濾過程中，25°和90°測得的濁度都非常穩(wěn)定，且位于0.7 EBC的上限之下。90°散射角測得的濁度穩(wěn)定在0.4 EBC上下，高于在25°散射角測得的濁度，后者穩(wěn)定在0.1 EBC以下。
因此總體而言，用優(yōu)選的平均約0.5克/百升的棓單寧進行處理，就足以使過濾后的啤酒殘余濁度小于0.5 EBC(在0℃及25°和90°散射角測得)，在1克/百升的投料率下可以達到最佳效果，而高于此投料率不會增加其效果。相反，投料率過高會過多地增加壓力，在相同的過濾操作下會影響過濾啤酒的量。
類似地，在用膠體二氧化硅作絡合劑的優(yōu)選實施方式中，優(yōu)選的平均投料率約為10克/百升，最大平均投料率約為25克/百升。在此投料率以上，壓力會增加過快，在同樣的過濾操作下對過濾啤酒的量造成負面影響。
權利要求
1.以下方法a.制備液體的方法，所述液體包含可在后面用來分離至少能形成濁霧的蛋白質物質的濁霧敏感蛋白質，所述方法包括下述步驟當在所述分離步驟中用合成聚合物或二氧化硅衍生物或它們的混合物作為過濾助劑時，加入能與至少部分濁霧敏感蛋白質形成絡合物的一種或多種蛋白質絡合劑，以使25°濁度小于0.7 EBC。b.制備液體的方法，所述液體包含可在后面用來分離至少能形成濁霧的蛋白質物質的濁霧敏感蛋白質，所述方法包括下述步驟當在所述分離步驟中用合成聚合物的混合物作為過濾助劑時，加入能與至少部分濁霧敏感蛋白質形成絮凝物的一種或多種蛋白質絮凝劑，以使25°濁度小于0.7 EBC，其中所述混合物包含至少一種帶電荷的聚合物。c.調理在分離步驟中所用的濾餅的方法，具體做法是加入能與液體中所含至少部分濁霧敏感蛋白質形成絮凝物的一種或多種蛋白質絮凝劑，以降低所述濾餅的孔隙率，所述濾餅由作為過濾助劑的合成聚合物的混合物組成，其中至少一種聚合物帶有電荷，從而在所述分離步驟中使25°濁度小于0.7 EBC。
2.如權利要求1所述方法，其特征在于，所述制備液體的方法在分離步驟之后得到的90°濁度小于0.7 EBC。
3.如權利要求1所述方法，其特征在于，所述分離步驟是過濾步驟，包括“深度過濾”過程和/或“表面”過濾過程。
4.如權利要求1所述方法，其特征在于，所述合成聚合物選自聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)、聚酰胺、聚氯乙稀、氟化物、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚甲基戊烯、乙烯共聚物、丙烯酸二元共聚物和三元聚合物、烯屬熱塑性彈性體以及它們的混合物、多聚合物(polypolymer)或共擠出物。
5.如權利要求1和4所述方法，其特征在于，用作過濾助劑的合成聚合物的混合物再生之后可以再利用。
6.如權利要求1和3所述方法，其特征在于，所述表面過濾過程是所述絮凝物與帶所述靜電荷的聚合物之間的靜電吸引過程。
7.如權利要求1和6所述方法，其特征在于，所述靜電荷是正電荷。
8.如權利要求1、6和7所述方法，其特征在于，帶所述正靜電荷的所述聚合物是PVPP。
9.如權利要求8所述方法，其特征在于，PVPP以預定比例與其他聚合物混合得到混合過濾助劑，以使終產(chǎn)品在儲藏期間獲得膠體穩(wěn)定性，其中該比例液體中多酚含量的函數(shù)。
10.如權利要求9所述方法，其特征在于，混合過濾助劑中PVPP的加入量是蛋白質絮凝劑的性質和投料率的函數(shù)，而且比預定量少10％-40％(重量百分比)，以達到特定啤酒產(chǎn)品的質量規(guī)范(即多酚、膠體穩(wěn)定性、儲藏期)。
11.如權利要求1所述方法，其特征在于，蛋白質絮凝劑選自單寧酸、角叉膠、魚膠、果膠、黃原膠、膠體二氧化硅、殼聚糖、藻酸鹽、陽離子淀粉中的一種或多種。
12.如權利要求10所述方法，其特征在于，所述單寧酸是桔單寧。
13.如權利要求11所述方法，其特征在于，桔單寧的投料率為0.1-最多2克/百升，具體是液體中濁霧敏感蛋白質含量的函數(shù)。
14.如權利要求10所述方法，其特征在于，膠體二氧化硅的投料率為1-最多25克/百升，具體是液體中濁霧敏感蛋白質含量的函數(shù)。
15.如權利要求1所述方法，其特征在于，所述液體是基于水果或谷類的飲料，特征是pH在4-6之間。
16.如權利要求4所述方法，其特征在于，所述基于谷類的飲料是麥芽糖基飲料。
17.如權利要求4所述方法，其特征在于，所述飲料是發(fā)酵飲料，特征是pH在3-5之間。
18.如權利要求5和6所述方法，其特征在于，所述發(fā)酵飲料是啤酒。
19.制備液體的方法，所述液體包含可在后面用來分離至少能形成濁霧的蛋白質物質的濁霧敏感蛋白質，所述方法包括下述步驟以0.1-最多2克/百升的平均投料率加入桔單寧，以便與至少部分濁霧敏感蛋白質絮凝，從而使25°濁度小于0.7EBC，其中桔單寧的具體投料率是液體中濁霧敏感蛋白質含量的函數(shù)。
20.如權利要求13和19所述方法，其特征在于，向未過濾液體中加入的棓單寧和過濾助劑的投料率之比是過濾期間壓力升高速率的函數(shù)。
21.如權利要求20所述方法，其特征在于，所述函數(shù)是數(shù)學拋物線函數(shù)，可通過以下方程模擬y＝392.91x2-2.5855x+0.9508，其中x是桔單寧和過濾助劑的投料率之比，y是過濾期間壓力升高速率，y的單位是巴/百升/平方米。
22.制備液體的方法，所述液體包含可在后面用來分離至少能形成濁霧的蛋白質物質的濁霧敏感蛋白質，所述方法包括下述步驟以1-最多25克/百升的平均投料率加入膠體二氧化硅，以便與至少部分濁霧敏感蛋白質絮凝，從而使25°濁度小于0.7 EBC，其中膠體二氧化硅的具體投料率是液體中濁霧敏感蛋白質含量的函數(shù)。
23.如權利要求14和22所述方法，其特征在于，向未過濾液體中加入的膠體二氧化硅和過濾助劑的投料率之比是過濾期間壓力升高速率的函數(shù)。
24.如權利要求20所述方法，其特征在于，所述函數(shù)是數(shù)學拋物線函數(shù)，可通過以下方程模擬y＝2.8478x2-0.5656x+0.0496，其中x是膠體二氧化硅和過濾助劑的投料率之比，y是過濾期間壓力升高速率，y的單位是巴/百升/平方米。
25.經(jīng)調理的過濾助劑的制備方法和改進以及由此制備的濾餅，該方法涉及以下幾步●使絡合劑與相容反應物發(fā)生反應，形成絡合物；●使絡合物與合成的滯積式過濾輔助材料相互作用，彼此之間形成締合物；●以包含過濾輔助材料的濾餅形式將絡合物和/或締合物保留在濾餅承載網(wǎng)上，其中所述絡合物基本上滯留在所述過濾輔助材料微粒之間的空隙里，從而在統(tǒng)計分布上調理了濾餅的孔隙率。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備含蛋白質(尤其是濁霧敏感蛋白質)的液體的方法，當使用預定的過濾助劑時，可在后面的操作中分離至少能形成濁霧的物質。所述方法包括向液體中加入蛋白質絡合劑，所述絡合劑能夠與液體中的至少部分敏感蛋白質形成絡合物，從而限制分離(例如過濾)步驟后得到的液體中的殘余濁霧。
文檔編號C12H1/056GK1965072SQ200580016115
公開日2007年5月16日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權日2004年5月18日
發(fā)明者P·艾當, P·哈塞拉爾斯, P·揚森斯 申請人:英博有限公司