金作宏，王素霞

(1.河北美邦工程科技股份有限公司，河北石家莊 050035；2.河北省膜過(guò)程工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050035)

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從啤酒廢酵母泥中回收啤酒和啤酒酵母的研究

金作宏1,2，王素霞1,2

(1.河北美邦工程科技股份有限公司，河北石家莊 050035；2.河北省膜過(guò)程工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050035)

為了得到高附加值的產(chǎn)品，利用陶瓷膜分離設(shè)備從啤酒廢酵母泥中過(guò)濾得到啤酒和啤酒酵母，啤酒用于后續(xù)純生啤酒或者清酒的加工，啤酒酵母進(jìn)入后續(xù)深加工系統(tǒng)。小試試驗(yàn)、中試試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果表明：使用陶瓷膜分離設(shè)備處理啤酒廢酵母泥，無(wú)廢棄物排放，啤酒廢酵母泥中啤酒回收率可達(dá)70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上；與傳統(tǒng)的板框過(guò)濾法相比，該方法動(dòng)力消耗小、回收率高，回收的啤酒不含酵母細(xì)胞，濁度合格，達(dá)到了降低酒損、提高啤酒收率的目的，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益；無(wú)廢棄物排放，解決了環(huán)保問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了資源的優(yōu)化配置。

食品化工；陶瓷膜；啤酒；廢酵母泥；回收利用

金作宏，王素霞.從啤酒廢酵母泥中回收啤酒和啤酒酵母的研究[J].河北工業(yè)科技,2016,33(5):404-409.

JIN Zuohong,WANG Suxia. Research on the recycle of beer and beer yeast from waste beer yeast mud[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(5):404-409.

啤酒釀造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生剩余酵母泥，每生產(chǎn)100 t啤酒就可產(chǎn)含水分75%～80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的剩余酵母泥1.5 t[1-2]，其中一小部分剩余酵母泥作為種酵母再次利用，其余部分則成為啤酒廢酵母泥。啤酒廢酵母泥中固形物約占9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，固形物富含蛋白質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于45%)[3]，其余大部分為啤酒，利用價(jià)值非常高[4-5]。最早對(duì)啤酒廢酵母泥回收利用的主要方法是通過(guò)板框壓濾獲得酵母餅和啤酒液[6]，不僅浪費(fèi)資源，而且造成環(huán)境的嚴(yán)重污染[7]。隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)啤酒廢酵母泥的利用方法逐漸增多，比如制取核糖核酸等高附加值產(chǎn)品[8-13]、生產(chǎn)酵母浸膏[14-15]、制造營(yíng)養(yǎng)酸奶[16]等。由于啤酒在啤酒廢酵母泥中占有很大比例，因此，尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的從啤酒廢酵母泥中回收啤酒的技術(shù)是國(guó)內(nèi)許多啤酒廠亟待解決的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用啤酒廢酵母泥來(lái)自石家莊嘉禾啤酒有限責(zé)任公司，為該公司啤酒釀造過(guò)程中產(chǎn)生的12°特啤啤酒廢酵母泥。

本研究所用陶瓷膜分離設(shè)備由河北美邦工程科技股份有限公司制造，設(shè)備型號(hào)為MBKJ-4F-01。陶瓷膜分離設(shè)備關(guān)鍵分離材料為陶瓷膜，其規(guī)格為CUF-50×1016×30×4.0。

啤酒濁度采用HD-2015型濁度儀(北京邊華電化學(xué)分析儀器有限公司提供)測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)流程

啤酒廢酵母泥回收的關(guān)鍵過(guò)程為陶瓷膜分離，其過(guò)程如下：把啤酒廢酵母泥置于富CO2的環(huán)境中使其隔絕空氣，控制一定的溫度、壓力，經(jīng)過(guò)陶瓷膜分離設(shè)備進(jìn)行分離，分離到一定的程度后，通過(guò)流加少量含有CO2的純化水，洗滌酵母泥中的啤酒，收集滲透?jìng)?cè)的啤酒，用于后續(xù)生產(chǎn)純生啤酒或者添加到清酒中。截留側(cè)得到的酵母泥濃縮液進(jìn)入后續(xù)深加工系統(tǒng)，以得到高附加值的產(chǎn)品。具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 啤酒廢酵母泥回收啤酒流程圖Fig.1 Flow chart of beer recycle from waste beer yeast mud

1.3 試驗(yàn)方法

1)板框過(guò)濾

將加30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的水混勻后的啤酒酵母泥通過(guò)0.5 m2的板框過(guò)濾設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)口壓力控制在0.3～0.4 MPa，溫度為10～20 ℃，收集板框?yàn)V液和濾餅。

2)陶瓷膜過(guò)濾[17]

本研究分別進(jìn)行了小試試驗(yàn)、中試試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)。

①小試試驗(yàn):采用膜面積為0.23 m2的單膜管陶瓷膜分離設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾，如圖2所示，啤酒廢酵母泥處理量為0.05 m3/d。

圖2 陶瓷膜過(guò)濾小試設(shè)備Fig.2 Test equipment of ceramic membrane filtration

在進(jìn)行試驗(yàn)前，首先進(jìn)行純水通量測(cè)試，即將進(jìn)膜壓力和出膜壓力分別控制在0.2 MPa和0.1 MPa，溫度控制在室溫25 ℃，使純水通過(guò)陶瓷膜分離設(shè)備，測(cè)試其通量。然后將啤酒廢酵母泥加30%的水混勻后通過(guò)陶瓷膜分離設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾，控制進(jìn)膜壓力和出膜壓力分別為0.3 MPa和0.15 MPa，溫度控制在10～20 ℃，收集滲透啤酒清液，陶瓷膜截留的濃液進(jìn)行深加工處理。

②中試和工業(yè)試驗(yàn)：中試試驗(yàn)采用膜面積為3.2 m2的雙膜組件串聯(lián)的陶瓷膜分離設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾，如圖3所示，啤酒廢酵母泥處理量為2 m3/d。工業(yè)試驗(yàn)采用2套膜面積為68 m2的四并兩串的陶瓷膜分離設(shè)備回收啤酒，啤酒廢酵母泥處理量為150 m3/d，如圖4所示。

圖3 陶瓷膜過(guò)濾中試設(shè)備Fig.3 Pilotscale equipment ceramic membrane filtration

圖4 陶瓷膜過(guò)濾工業(yè)化系統(tǒng)Fig.4 Industrial system of ceramic membrane filtration

試驗(yàn)前，首先進(jìn)行純水通量測(cè)試，即將進(jìn)膜壓力、出膜壓力分別控制在0.3 MPa和0.1 MPa，溫度控制在室溫25 ℃，使純水通過(guò)陶瓷膜分離設(shè)備，測(cè)試其通量。然后將啤酒廢酵母泥加30%的水混勻后通過(guò)陶瓷膜分離設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾，控制進(jìn)膜壓力和出膜壓力分別為0.35～0.40 MPa和0.12～0.15 MPa，溫度控制在10～20 ℃，收集滲透啤酒清液、陶瓷膜截留的濃液進(jìn)行深加工處理。

3)測(cè)定方法

分別測(cè)定啤酒廢酵母泥(加30%的水混勻后)原麥汁濃度(簡(jiǎn)稱原濃)、板框?yàn)V液原麥汁濃度、陶瓷膜濾液原麥汁濃度，計(jì)算啤酒回收率。啤酒原麥汁濃度采用密度瓶法測(cè)定，即在一定溫度下，用同一容積的密度瓶分別稱取等體積的樣品溶液與蒸餾水的質(zhì)量，從兩者的質(zhì)量比求出試樣溶液的相對(duì)密度。

啤酒回收率的計(jì)算公式為

式中：V泥，C1分別是指啤酒廢酵母泥加30%的水混勻后的體積和原麥汁濃度；V清，C2是指板框?yàn)V液或陶瓷膜濾液的體積和原麥汁濃度。

透過(guò)液的理化指標(biāo)用酒精度、實(shí)濃(即酒精濃度)、原濃、發(fā)酵度、酵母攔截率等來(lái)表示。酒精度、實(shí)濃、原濃均采用密封瓶法測(cè)定，發(fā)酵度采用錐形瓶發(fā)酵法測(cè)定，酵母含量采用氣相色譜法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 小試試驗(yàn)

按照1.3節(jié)中小試試驗(yàn)的方法，通過(guò)板框過(guò)濾機(jī)對(duì)啤酒廢酵母泥中的啤酒進(jìn)行回收，統(tǒng)計(jì)平均通量、啤酒回收率及濁度，結(jié)果如表1所示。

表1 板框過(guò)濾小試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照1.3節(jié)中小試試驗(yàn)純水通量測(cè)定方法，測(cè)得陶瓷膜設(shè)備的純水通量為400 L/(m2·h)。

按照1.3節(jié)中小試試驗(yàn)方法，通過(guò)陶瓷膜分離小試設(shè)備對(duì)啤酒廢酵母泥中的啤酒進(jìn)行回收，統(tǒng)計(jì)平均通量、啤酒回收率及濁度，結(jié)果如表2所示。

表2 陶瓷膜過(guò)濾小試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，板框過(guò)濾時(shí)，啤酒廢酵母泥中的啤酒回收率為40%左右，啤酒透過(guò)液平均通量為35～42 L/(m2·h)，通量較低且不穩(wěn)定，不能有效去除酵母菌等雜質(zhì)，啤酒透過(guò)液渾濁，濁度均在2 EBC以上，濁度不合格。

通過(guò)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，陶瓷膜過(guò)濾時(shí)，啤酒廢酵母泥中的啤酒回收率可達(dá)到82%以上，啤酒透過(guò)液平均通量為100～120 L/(m2·h)，約為純水通量(400 L/(m2·h))的1/4，通量較高且比較穩(wěn)定，能夠有效去除酵母菌等雜質(zhì)，啤酒濁度均在0.5 EBC以下，濁度合格率100%。

因此，不考慮采用板框過(guò)濾進(jìn)行啤酒酵母泥中啤酒的回收，將陶瓷膜過(guò)濾作為啤酒酵母泥中啤酒回收的最佳選擇。

2.2 中試試驗(yàn)

按照1.3節(jié)中中試試驗(yàn)的方法，采用陶瓷膜分離中試設(shè)備對(duì)啤酒廢酵母泥進(jìn)行過(guò)濾分離批量試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)啤酒的回收率、平均通量、濁度等數(shù)據(jù)并測(cè)定透過(guò)液的理化指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示，陶瓷膜平均膜通量約為60 L/(m2·h)，啤酒回收率為80%左右，回收酒液的濁度小于0.5 EBC，濁度合格。

表3 中試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 透過(guò)液理化指標(biāo)

注：表中的酒精度為體積分?jǐn)?shù)。

由表4可知，透過(guò)液的酒精度約為4.5%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，實(shí)濃在3%(體積分?jǐn)?shù)，下同)左右，原濃為12%(體積分?jǐn)?shù)，下同)左右，發(fā)酵度70%以上，酵母攔截率100%，符合12°特啤的理化指標(biāo)，即透過(guò)液理化指標(biāo)合格。

膜通量隨時(shí)間的衰減情況如圖5所示。在啤酒回收的過(guò)程中，隨著時(shí)間增加，陶瓷膜分離設(shè)備的平均通量基本穩(wěn)定在50～60 L/(m2·h)，衰減不明顯。說(shuō)明陶瓷膜系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，減少了膜清洗、再生等的投資。

圖5 膜通量隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of membrane flux with time

2.3 工業(yè)試驗(yàn)

按照1.3節(jié)的方法，采用陶瓷膜分離設(shè)備對(duì)啤酒廢酵母泥進(jìn)行過(guò)濾分離工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表5所示。由表中數(shù)據(jù)可知，啤酒回收膜分離系統(tǒng)在不同溫度時(shí)的處理量不同，溫度低時(shí)，啤酒回收膜分離系統(tǒng)處理能力相對(duì)較低，溫度高時(shí)處理能力較高。采用陶瓷膜錯(cuò)流過(guò)濾分離技術(shù)從廢酵母泥中回收啤酒收率可達(dá)70%以上。啤酒回收膜分離系統(tǒng)回收的啤酒質(zhì)量較好，濁度小于0.5 EBC，口感和觀感較好，回收啤酒的品質(zhì)同現(xiàn)有板框式硅藻土過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)的啤酒品質(zhì)相當(dāng)。啤酒回收膜分離系統(tǒng)平均通量基本穩(wěn)定，衰減不明顯。2011年3月，啤酒廢酵母泥回收啤酒工業(yè)示范裝置進(jìn)入正式工業(yè)生產(chǎn)階段，到目前已穩(wěn)定運(yùn)行5年多，啤酒回收率及回收質(zhì)量均未發(fā)生改變。

3 結(jié) 論

使用啤酒回收膜分離系統(tǒng)處理啤酒廢酵母，無(wú)廢棄物排放，啤酒廢酵母泥中啤酒回收率可達(dá)70%以上，與板框過(guò)濾法相比，動(dòng)力消耗小、回收率高，回收的啤酒不含酵母細(xì)胞，濁度合格。每年全國(guó)可回

表5 工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

收12～17萬(wàn)t的啤酒，折合人民幣約2億元，啤酒廠污水BOD值可減少50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益和應(yīng)用前景。

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Research on the recycle of beer and beer yeast from waste beer yeast mud

JIN Zuohong1,2, WANG Suxia1,2

(1.Hebei Meibang Engineering Technology Company Limited, Shijiazhuang, Hebei 050035, China; 2. Membrane Process Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050035, China)

In order to obtain high value-added products, a ceramic membrane separation equipment is used to filter waste beer yeast mud to obtain beer and beer yeast, and the beer is injected to the subsequent draft beer or added to the sake, and the beer yeast is injected to the subsequent deep processing system. The small scale test, pilot test and industrial test results show that using ceramic membrane separation equipment to dispose waste beer yeast mud can make the beer recovery of waste beer yeast mud reach above 70%(wt), and there is no waste emissions. Compared with the traditional method of plate and frame filtration, this method can get power consumption, high recovery, no yeast cells and qualified turbidity. It has achieved the goal of reducing the loss, improving the yield of beer, and improving the economic benefits of enterprises. The no-waste-discharge solves the environmental problem and gains the purpose of optimizing the allocation of resources.

food chemistry; ceramic membrane; beer; waste beer yeast mud; reclaim and utilization

1008-1534(2016)05-0404-06

2016-03-17;

2016-07-08；責(zé)任編輯：王海云

河北省膜過(guò)程工程技術(shù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目

金作宏(1971—)，男(滿族)，遼寧營(yíng)口人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事精細(xì)化工產(chǎn)品方面的研究。

E-mail:jinzuohong@163.com

TS262.2；TS261.4；X797

A

10.7535/hbgykj.2016yx05008