Стерильный воздух необходим для аэрирования сусла, подавае­мого на брожение, а также при выращивании чистой культуры.

Из известных способов стерилизации воздуха способ фильтрова­ния получил наибольшее распространение.

Для очистки воздуха на пивоваренных заводах используются раз­личные технологические схемы, самая простая из них включает:

• предварительное фильтрование воздуха;
• грубое фильтрование;
• тонкую очистку.

Процесс очистки воздуха заключается в следующем: атмосфер­ный воздух засасывается турбокомпрессором через фильтр предва­рительной очистки, назначение которого – выделение из атмосфер­ного воздуха основной массы пыли. Температура воздуха на выходе из компрессора составляет около 100 °С. После компрессора воздух по­ступает в теплообменник, где охлаждается до требуемой температуры, и далее – в общий фильтр грубой очистки (так называемый головной фильтр). Эффективность очистки воздуха на этом этапе достигает 98 % (по содержанию частиц с размером 1–1,5 мкм как наиболее ха­рактерному показателю бактериальных загрязнений воздушной мик­рофлоры). Очищенный таким образом воздух по коллектору поступает для окончательной очистки в индивидуальные фильтры, установлен­ные у каждого аппарата и обеспечивающие очистку воздуха более чем на 90% (по частицам с диаметром 0,3 мкм). На стадии тонкой очистки должны быть предъявлены наиболее жесткие требования к эффектив­ности фильтров.

Необходимо также строго поддерживать оптимальный термоди­намический режим системы стерилизации воздуха для обеспечения нормальной работы фильтрующих материалов.

В соответствии с технологической схемой получения стерильного сжатого воздуха все фильтрующие материалы можно разделить на три группы:

• материалы для фильтров предварительной очистки воздуха;
• для головных фильтров;
• для индивидуальных фильтров.

Фильтровальные материалы предварительной очистки воздуха. В ка­честве фильтрующих материалов в фильтрах предварительной очис­тки воздуха используются: слой из проволочной сетки, набивные слои из металлической стружки, или полимерных материалов, маты или набивка из грубых минеральных или синтетических волокон. В последние годы в фильтрах предварительной очистки применяется губчатый модифицированный пенополиуретан. На этой стадии очис­тки используются масляные и висциновые фильтры, в которых нахо­дятся промасленные металлические сетки. Масло способствует более полному оседанию частиц на фильтре. Если смачивающее вещество в висциновом фильтре обладает бактерицидными свойствами, то осаж­даемые вместе с пылью бактерии обезвреживаются.

Наиболее выгодными из всех типов промышленных фильтров предварительной очистки с большой производительностью явля­ются фильтры непрерывного действия, в том числе масляные циклофильтры. Для автономных систем очистки, а также систем не­большой производительности целесообразно применять сухие панельные фильтры, заполненные модифицированным пенополи­уретаном.

Фильтровальные материалы грубой очистки воздуха. Обычно в филь­трах первой ступени (так называемых головных фильтрах) использу­ются волокнистые материалы в виде объемных слоев или нетканых материалов. Эффективность их использования зависит от исходной концентрации дисперсной твердой фазы.

Структура волокнистых материалов позволяет обеспечить указан­ную эффективность фильтрации при длительной непрерывной работе материала.

Волокнистые фильтрующие материалы представляют собой слой беспорядочно распределенных волокон, уложенных в фильтр с опре­деленной высотой слоя и усредненной плотностью упаковки, кото­рая в зависимости от диаметра волокон колеблется от 20 до 50 мкм. Волокнистые фильтры являются фильтрами глубинного действия, так как они рассчитаны на улавливание и накопление частиц не только на поверхности фильтрующего слоя, но и по всей его глубине. В качестве фильтрующих материалов используют минеральные волокна (стекло­волокна, базальтовые волокна), а также нетканые материалы из ис­кусственных или синтетических волокон.

Волокнистые материалы получили широкое распространение в качестве фильтрующего материала в головных фильтрах вследствие своей надежности, относительной дешевизны и достаточной эффек­тивности.

Стекловолокнистые материалы. Широкое применение стеклово­локна обусловлено такими специфическими свойствами, как несго­раемость, большая теплоемкость, устойчивость к воздействию боль­шинства химических веществ. Химическая стойкость стекловолокон, в том числе стойкость к воздействию острого пара, в первую очередь зависит от состава стекла, используемого для их изготовления. Наи­более химически стойкими являются боросиликатные и алюмосиликатные стекла. Высокой стойкостью к воде и пару обладают волокна из кварцевого, кремнеземного и каолинового стекол. Стекловолокно бесщелочного состава является достаточно стойким к воздействию насыщенного водяного пара при температуре 100°С. Однако даже это волокно может выдержать лишь кратковременное воздействие пара повышенного давления. Из волокон щелочного состава наибо­лее высокой пароустойчивостью обладают волокна, изготовленные с добавлением окислов алюминия и циркония. Одним из методов по­вышения стойкости волокон является их гидрофобизация путем про­питывания кремнийорганическими соединениями.

В нашей стране в свое время широкое распространение получила стекловата щелочного химического состава со средним диметром во­локон 21 мкм и стекловолокно марки АТИМС (стеклосрезы) с диамет­ром волокон 5–7 мкм. Однако срок службы этих волокон в условиях воздействия острого пара невелик. Кроме того, вследствие выщела­чивания волокон нарушается структура фильтрующего слоя, что сни­жает эффективность фильтра.

Стойкость к воздействию пара однонаправленного стекловолокна ВСО-6В и ВСО-10В с диаметром волокон 5–7 мкм, изготовленного из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла, выше, чем у воло­кон марки АТИМС, однако из этих материалов очень трудно создать равномерные слои.

Добавление фенолфурфуролальдегидной смолы придает матам из стекловолокна большую прочность и делает их устойчивыми к воз­действию пара.

Фильтрующие материалы в головных фильтрах должны обладать достаточной эффективностью фильтрации, высокой пылеемкостью и небольшим сопротивлением. С увеличением плотности упаковки однородной объемной насадки увеличиваются эффективность филь­трации и сопротивление материала, но при этом уменьшается пылеемкость по всей высоте слоя и происходит накопление пыли по всей поверхности насадки.

Оптимальным является применение многослойной конструкции во­локнистой насадки с различной плотностью слоев, которая дает значи­тельное увеличение пылеемкости при сравнительно небольшом сопро­тивлении и высокой эффективности фильтрации и увеличивает срок службы в несколько раз. При этом более рыхлые слои располагаются пер­выми по ходу движения газов. Они должны обладать небольшой эффек­тивностью, но высокой пылеемкостью. Толщина первого слоя должна составлять 50–60% от общей толщины насадки. Самый последний слой делают значительно более плотным и небольшой толщины. Он обеспечи­вает высокую эффективность всего фильтра. Сопротивление такого слоя медленно растет в основном за счет первого фильтра.

За рубежом с успехом применяется многослойная конструкция фильтрующей насадки из гибких и ударопрочных стекловолокон, ко­торые укладываются в гофрированные маты таким образом, чтобы плотность упаковки увеличивалась по направлению к выходу очи­щенного воздуха. Стекловолокна связаны искусственной смолой и покрыты смесью вязких низкомолекулярных полимеров этилена или пропилена, благодаря чему на фильтре удерживаются частицы менее 1 мкм. Для придания гидрофобности, способствующей снижению выщелачиваемости волокон, наносят гидриды кремния. В процессе получения волокон можно нанести также бактерицидное покрытие. При особом трехступенчатом строении фильтра со стороны выхода очищенного воздуха помещают еще слой специальной ткани, чтобы предотвратить отслаивание волокон.

Материалы из базальтового волокна. Базальтовое волокно обладает более высокой паро-, водо- и щелочестойкостью, чем стекловолокна. При нагревании базальтового волокна до 1100°С его свойства не претерпевают изменений. Базальтовое волокно обладает высокой механической прочностью, не подвержено гниению, горению и кор­розии.

Экспериментальным путем установлено, что толщина слоя филь­трующего материала головных фильтров должна составлять 50–60 мкм, оптимальный диаметр волокна – 12–14 мкм. Эффективность филь­трации таких волокон почти в 2,5 раза выше, чем волокон с диамет­ром 26 мкм (грубое базальтовое волокно ВРВ).

Недостатком волокна является наличие в нем острых граней из ба­зальтовых подплавов и других механических включений, появляю­щихся в процессе изготовления и ухудшающих его качество.

Нетканые материалы. Для очистки больших объемов воздуха при­меняются нетканые фильтрующие материалы, которые производятся из искусственных или синтетических волокон, равномерно распреде­ленных в объеме и связанных между собой с помощью химического связующего или без него.

Для стерилизации технологического воздуха были рекомендованы высокообъемные нетканые фильтрующие материалы (ВНФМ) из антимикробных целлюлозных волокон (диаметром 16,9 мкм), содержащих гексахлорофен. Такой материал не требует периоди­ческой стерилизации паром в процессе работы. Нетканые филь­трующие материалы, которые не содержат бактерицидных доба­вок, могут регенерироваться обратной продувкой или промывкой, но при этом сопротивление материала будет на 30–40% выше первоначального.

Фильтровальные материалы тонкой очистки воздуха. Вторая ступень очистки воздуха должна обеспечивать высокоэффективную стерили­зацию воздуха. Фильтрующие материалы, используемые на данной стадии тонкой очистки, можно разделить на несколько групп:

• тонковолокнистые материалы в виде матов, картона и бумаги;
• зернистые жесткие фильтрующие перегородки (керамические, металлокерамические, из полимерных материалов);
• мембранные фильтры.

Тонковолокнистые фильтрующие материалы. Тонковолокнистые фильтрующие материалы из волокон с диаметром менее 5 мкм ис­пользуются в виде объемных листов, а также в виде листов бумаги или картона.

Для придания механической прочности в композицию материала принято включать часть более крупных волокон диаметром до 30-40 мкм.

Если волокна, используемые для фильтрации, гидрофильны, их обрабатывают органическими соединениями (диметилдихлорсиланом) для придания волокнам гидрофобности.

Тонковолокнистые материалы изготавливают из стекловолокна, базальтового супертонкого волокна и из синтетического волокна.

Стекловолокнистые материалы. Для улавливания частиц раз­мером менее 1 мкм применяется ультратонкое стекловолокно. Для полного улавливания бактериального стафилококкового аэрозоля ультратонким стекловолокном необходим слой материала высотой 20 мм при плотности упаковки 0,039 г/см³ и скорости фильтрации 10,47 см/с.

В Германии для осаждения аэрозолей с размером частиц менее 1 мкм применяют аэрозольные фильтры особой ступени «S» (степень осаждения по масляному туману больше 99,7%), представляющие собой высокоэффективный стекловолокнистый материал толщиной 0,7 мм, тесно уложенный в складки. Сопротивление такого фильтра составляет 23 мм вод. ст. при скорости фильтрации 2,25 см/с.

В Германии применяется также «ультрафильтр с максимально высоким КПД». Микроволокно этого фильтра (средний диаметр пор 0,5 мкм) состоит из чистого боросиликатного стекла. Фильтр может стерилизоваться паром.

Для придания фильтрующему материалу из стекловолокна спе­циальной структуры его пропитывают синтетической смолой с пос­ледующим гофрированием и отвердением, при этом получается структура, подобная пчелиным сотам. Через такой сотообразный фильтр отфильтровывается до 99,7 % радиоактивных и биологиче­ских частиц размером более 0,3 мкм. Материал выдерживает нагре­вание до 260 °С.

Фильтрующие материалы из базальтового волокна. В качестве филь­трующего материала используется базальтовое супертонкое волокно (БСТВ) с диаметром пор 0,5–2,5 мм, полученное методом раздува первичных базальтовых волокон. Слой БСТВ высотой 2,12 см с плот­ностью упаковки 100 кг/м³ является достаточным для стерилизации воздуха при скорости фильтрации 0,1–0,2 м/с.

БСТВ показало лучшие эксплуатационные свойства по сравне­нию со стекловолокнистыми материалами. Так, например, потери в весе после воздействия на него острого пара при давлении 10–15 атм и последующей вибрации не превышают 0,2%, а потери в весе стекловолокон № 20 достигают в этих условиях 1%.

Фильтрующие материалы из синтетического волокна. Синтетичес­кие волокна химически инертны, гидрофобны, способ их изготовления прост и дешев. Однако большинство полимеров не выдерживает рабочих температур свыше 60–80°С, что ограничивает их примене­ние. В России для тонкой очистки воздуха и газов используют филь­тры ЛАИК, оснащенные эффективным тонковолокнистым фильтру­ющим материалом ФП, который представляет собой равномерные слои полимерных волокон, нанесенные в процессе получения на тканевую подложку. Размер волокон колеблется от сотых долей мик­рона до нескольких микрон. Волокна ФП не являются цилиндричес­кими, а имеют вид ленты, ширина которой в 3–5 раз больше ее тол­щины. Для стерилизации воздуха, идущего на ферментацию, была разработана конструкция фильтра с применением материала ФПП-15-1,5. Тепловая обработка фильтрующего материала не допуска­ется, так как он не выдерживает температуры свыше 60°С.

Химическая и термическая стойкость материала ФП определяется свойствами полимера, из которого оно было получено. Так, из ацетилцеллюлозы могут быть получены волокна, выдерживающие нагрева­ние до 150°С, но гидрофильные по отношению к влаге (ФПА-15-2,0), из полиакрилнитрила могут быть получены волокна, выдерживаю­щие нагревание до 180°С (ФП АН-10-3,0), а из полиакрилата Ф-2 – до 250-270°С (ФП АР-15-1,5).

Недостатки всех упомянутых волокнистых материалов: сравни­тельно большие габариты фильтра, необходимые для обеспечения требуемой эффективности фильтрации; трудность создания равно­мерного распределения неупорядоченных волокон по всей площади фильтра и вследствие этого снижение эффективности фильтрации; невоспроизводимость результатов за счет неоднородности набивки; длительность процесса высушивания большого объема материала после стерилизации паром; сравнительно низкая механическая про­чность тонковолокнистых фильтрующих материалов.

Фильтрующий картон. Он по своим свойствам относится к волокнистым набивным материалам, однако отличается более высокой прочностью и удобством в эксплуатации.

Разработан картон на основе базальтовых супертонких волокон с добавлением 5–15 % измельченной целлюлозы. Фильтрующие свой­ства картона почти полностью зависят от его плотности. Было най­дено, что начиная с 300 г/м² картон удовлетворяет требованиям эффек­тивности фильтрации при небольшом сопротивлении. Оптимальная плотность образца может быть выбрана в зависимости от конструк­ции фильтра. При использовании картона в патронном фильтре сле­дует применять мягкий войлокоподобный картон весом порядка 300 г/м², обеспечивая необходимую эффективность фильтрации путем изменения числа слоев. При использовании базальтового кар­тона в виде дисков (например, во фланцевом фильтре) лучше приме­нять более плотный картон (около 700 г/м²).

Зернистые жесткие фильтрующие перегородки. Для субмикронной фильтрации воздуха широко применяются керамические и металлокерамические фильтрующие среды, а также материалы, изготовлен­ные из пористых пластмасс.

Жесткие пористые перегородки весьма эффективно задерживают высокодисперсные твердые частицы благодаря извилистому располо­жению пор и жесткой фиксации зерен.

Коэффициент фильтрации зависит от формы и пористости зерен. Высокопористые материалы из порошка с шероховатой и неправиль­ной формой частиц имеют более высокую эффективность фильтра­ции, чем материалы, состоящие из частиц круглой формы.

Важными преимуществами зернистых фильтров являются ста­бильность структуры, термостойкость, химическая инертность, меха­ническая прочность, простота конструктивного оформления, доступ­ность сырьевых материалов.

Недостатками подобных материалов, ограничивающими их при­менение, являются значительно более высокое сопротивление по сравнению с волокнистыми материалами, более низкая производи­тельность.

Жесткие пористые перегородки изготавливаются в виде цилин­дрических труб или дисков. Регенерация таких фильтров осущест­вляется разными способами: обратной продувкой сжатым воздухом, промывкой растворителем, выжиганием осадка в струе газа при по­мощи импульсной обдувки или ультразвуком. Выбор конкретного способа регенерации фильтра зависит от характера осадка. Трудно­сти регенерации жестких перегородок вызваны глубоким проник­новением высокодисперсных частиц в поры, при этом остаточное сопротивление после каждого цикла регенерации непрерывно уве­личивается.

Керамические перегородки. Этот фильтрующий материал состоит из минеральных зерен различного происхождения (силикатные смеси, алюминиевые силикаты, карбид кремния, графит и т. д.).

Керамические патроны получают спеканием отсортированных зерен шамота. Патроны обычно имеют длину 0,5–1,2 м, диаметр – 50–80 мм. Недостатком керамических пористых изделий является их хрупкость; для обеспечения прочности стенки патронов изготав­ливаются толщиной 6–10 мм. Размер пор керамических перегородок может варьироваться от 1 до 1000 мкм, общая пористость составляет 35–55%. Максимальная рабочая температура может достигать 1000–1600°С при использовании карбида кремния.

Фирма «Schumacher» (Германия) выпускает для стерильной филь­трации воздуха три типа пористой керамики, размер пор в которой колеблется от 22 до 13 мкм в зависимости от класса материала.

Металлокерамические перегородки. Металлокерамические филь­трующие материалы изготавливаются методом порошковой метал­лургии.

Размер пор металлокерамических перегородок варьируется от 1 до 100 мкм. Для получения перегородок с более высокой пористостью необходимо вводить в процессе изготовления вспомогательные ве­щества, удаляемые путем их разложения во время спекания или вы­мыванием из готового изделия.

Металлокерамические фильтры легко поддаются обработке, сварке и пайке в тех же условиях, что и обычный металл.

Срок службы фильтра зависит от степени загрязнения очищаемого газа и может колебаться от нескольких дней до одного года.

После регенерации фильтрующие перегородки не достигают своих первоначальных величин воздухопроницаемости. Целесообразно проводить их регенерацию до снижения уровня проницаемости фильтра на 20-30 % от первоначальной величины.

Известны двухслойные металлокерамические фильтры с величи­ной пор в тонкопористом замыкающем слое 5–8 мкм. Срок службы таких фильтров повышается по сравнению с однослойными эле­ментами.

Металлокерамические фильтры более прочны и эластичны, чем керамические, и лучше переносят переменные нагрузки, однако их стоимость в несколько раз выше.

Металлокерамические фильтры применяют в условиях высоких температур, давлений и больших механических нагрузок.

Пористые перегородки из пластмассы. Исходным материалом слу­жат следующие пластмассы: поливинилхлорид, полиэтилен, поли­пропилен, фторопласт, полиамиды.

Стойкость к агрессивным средам, прочность, низкая стоимость, хорошая обрабатываемость и возможность сварки дают основания отнести пористые перегородки из пластмассы к перспективным филь­трующим материалам универсального применения.

Для тонкой фильтрации воздуха используют жесткие порис­тые перегородки из фторопласта. Фторопласт химически стоек и инертен, легко уплотняется в местах стыков и соединений, вы­держивает нагревание до 250 °С, не смачивается водой, устойчив к коррозии и механическим нагрузкам, не поражается грибами и бактериями.

В отечественной промышленности с успехом используется япон­ский фильтр «ЭХО», который представляет собой двухслойный диск из одинаковых пластин пористого поливинилового спирта, обрабо­танных меламиновой смолой (толщина каждой пластины 2,5 мм). Пластины защищены с двух сторон проволочной сеткой, а края их окантованы шестью слоями прорезиненного асбеста. Общая тол­щина диска составляет около 10 мм. Фильтр «ЭХО» стерилизуется паром при 120°С в течение 30 мин.

Мембранные фильтры. Мембранные фильтры изготавливаются из различных материалов и имеют строго определенные размеры пор.

Мембранные фильтры задерживают все частицы или микроорга­низмы, размер которых больше размера пор. Осаждение происходит на поверхности фильтра. Поскольку толщина мембран около 0,015 мм, они требуют наличия подложки и лишь в таком сочетании могут выдер­живать большие перепады давления.

Фирма «Millipore» (США) выпускает тонкие высокопористые мембраны из чистых и биологически неактивных эфиров целлю­лозы и полимерных материалов, устойчивых к различным раствори­телям, концентрированным кислотам и щелочам. В зависимости от различных типов мембран они могут работать при температурах от 65 до 260 °С. Каждый квадратный сантиметр мембраны содержит мил­лион пор, которые занимают около 80% всей поверхности матери­ала. «Millipore» выпускает более 20 видов мембран с диаметром пор от 14 до 0,025 мкм и минимальными колебаниями размеров пор в пре­делах одного образца. Например, размеры пор мембраны с торговой маркой «0,45 мкм» имеют отклонения 0,02 мкм.

Мембранные фильтры применяются не только для стерилизации воздуха, но и для проверки стерильности воздуха. Так, например, пробу воздуха пропускают через мембранный фильтр с диаметром пор 0,3–0,5 мкм, заправленный в стерильный корпус. Затем мем­брану помещают на твердую агаровую питательную среду в чашку Петри, и микроорганизмы, осевшие на мембране, прорастают в виде колоний.

Цилиндрические фильтр-патроны для стерилизации воздуха «Millipore» (диаметр пор 0,45 мкм) плохо выдерживают паровую сте­рилизацию, срок их службы не превышает 1 месяц.

Фирма «Pall» (Германия) для стерильной фильтрации воздуха вы­пускает фильтрующие материалы марки АВ с диаметром пор 0,45 мкм, изготовленные из тщательно подобранных микронитей. Фильтрующая среда в процессе изготовления подвергается силиконированию, после чего фильтрующий материал становится менее чувствительным к сте­рилизации паром и контакту с влажным воздухом. Но производитель­ность таких фильтров меньше, чем фильтров с волокнистыми матери­алами.

Фильтрующие материалы стерилизуются паром с максимальной температурой 140°С в течение 20-60 мин. Общее время стерилиза­ции без изменения основных характеристик материала составляет 50 ч. Срок эксплуатации фильтров – 6-12 месяцев при наличии эффектив­ного предфильтра.