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

Для придания специальной структуры фильтрующему материалу из стекловолок­на 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 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 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. Базальтовые волокна имеют более высокую паростойкость, чем стекловолокна. Так, например, потери в весе после воздействия 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 была 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 волока, выдерживающие нагревание до 150°С, но гидрофильные по отноше­нию к влаге (ФПА-15-2,0), из полиакрилнитрила могут быть получены волока, вы­держивающие нагревание до 180°С (ФП АН-10-3,0), из полиакрилата Ф-2 – до 250-270°С.

Недостатками всех волокнистых материалов являются: 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 фильтрова­ния; невоспроизводимость результатов за счет неоднородности набивки; длитель­ность процесса высушивания большого объема материала после стерилизации па­ром; сравнительно низкая механическая прочность тонковолокнистых фильтрующих материалов.

Фильтрующий картон

Фильтрующий картон 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 процесса 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).

В США и Англии широкое применение находит асбестоцеллюлозный картон, со­держание асбеста в котором составляет 5-50%. Фильтрующие свойства такого картона почти полностью зависят от вида асбеста и степени его расщепления на тонкие волокна (0,01-1 мкм). Асбестосодержащие материалы, имея очень малые поры, способны за­держивать бактерии. Однако эти материалы обладают низкой влагостойкостью и пылеемкостью.

Зернистые жесткие фильтрующие материалы

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

Жесткие пористые фильтры 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.

Важным преимуществом зернистых фильтров являются стабильность структуры, термостойкость, химическая инертность, механическая прочность, простота конструк­тивного оформления, доступность сырьевых материалов; недостатками – значительно более высокое сопротивление по сравнению с волокнистыми материалами, более низ­кая производительность.

Жесткие пористые фильтры 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 фильтры. 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. Обыч­но они 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 фильтров может варьиро­ваться от 1 до 1000 мкм, а общая пористость – составлять 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, пори­стость перегородок составляет от 30 до 50%. 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 фильтры, и лучше переносят переменные нагрузки, однако стоимость их в несколько раз выше керамических.

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 грибками и бактериями.

В отечественной промышленности с успехом используется японский фильтр ЭХО, который представляет собой двухслойный диск из одинаковых пластин пористого поливинилового спирта, обработанного меламиновой смолой (толщина каждой пла­стины 2,5 мм). Пластины защищены с двух сторон проволочной сеткой, а края их окантованы 6 слоями прорезиненного асбеста. Общая толщина диска составляет око­ло 10 мм. Фильтр ЭХО стерилизуется паром при 120°С в течение 30 минут.

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°С до 260°С. Каждый квадратный сантиметр мембраны содержит миллионы пор, которые занима­ют около 80% всей поверхности материала. Фирма 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, 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 микробы, осевшие на мембране, прорастают в виде колоний.

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

Фирма Pall SeitzSchenk (Германия) для стерильной фильтрации воздуха и СО2 выпускает фильтры Emflon, которые характеризуются повышенной прочнос­тью, длительным сроком службы и ус­тойчивостью к жестким условиям паро­вой стерилизации в линии как в прямом, так и обратном направлении. Двухслой­ная мембрана Pall ПТФЭ гидрофобна, химически инертна и предназначена для полного удаления бактерий и вирусов. Фильтры Emfon прошли интенсивную на­учную валидацию. Они обладают абсолютной удерживающей способностью 0,003 мкм в газах. Фильтры имеют суммарную продолжительность паровой стерилизации в линии 165 ч при температуре до 142°С. При применении пара с меньшей температурой данный показатель возрастает. Как пра­вило, срок эксплуатации правильно подобранных для конкретного использования фильт­ров определяется из расчета времени и суммарного количества циклов стерилизации. Практически срок непрерывного использования одного сменного фильтровального эле­мента составляет 12 месяцев при температуре фильтруемого воздуха 60 °С.

Фильтры могут быть проверены на целостность непосредственно в линии при помо­щи переносных устройств, разработанных и производимых фирмой. Высокая произ­водительность фильтров позволяет их использовать в установках небольшого размера. Данные фильтры в сочетании с фильтрами предварительной очистки могут быть рас­считаны для любой производительности и других требуемых параметров.

Литература

♦   Ангер Х.М. Оптимизация приборов для измерения мутности пива в лабораторных усло­виях // Brauwelt, Мир пива. - 1996. - № 2. - С. 35-38.

♦   Аннемюллер Г., Шник Т. Предложения по проверке фильтруемости и стабильности нефиль­трованного лагерного пива // Brauwelt, Мир пива. – 1999. – № 3. – С. 40-44.

♦   Баум У. и др. Переработка кизельгурового шлама, образующегося после фильтрации пива // Brauwelt, Мир пива - 1999. - № 3. - С. 29.

♦   Главачек Ф., Лхотский А. Пивоварение. – Пер. с чешек. – М.: Пищевая промышленность, 1977.-  622 с.

♦   Елинов Н. П. Основы биотехнологии. – СПб.: Наука, 1995. – 600 с.

♦   Каглер М., Воборский Я. Фильтрование пива. – Пер. с чешек. – Агропромиздат, 1986. – 279 с.

♦   Кут Н. Кизельгуровая фильтрация – опровержение мифов// Brauwelt, Мир пива. – 1996. – № 5. - С. 67-70.

♦   Линеманн А., Крюгер Е. Структурно-качественные характеристики β-глюкана // Brauwelt, Мир пива. - 1998. - № 4. - с. 14-18.

♦   Новаковская С. С, Шишацкий Ю. И. Производство хлебопекарных дрожжей: справочник. – М.: Агропромиздат, 1990. – 335 с.

♦   Шауб X. П. Фильтрация пива сегодня: новшества и традиции // Brauwelt, Мир пива. – 1998. -№ 1.- с. 38-40.

♦   Эссер К. Д. Попытка критической оценки методов прогнозирования фильтруемости пива // Brauwelt, Мир пива. - 1996. - № 2. - С. 54-61.