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Beer Filtration: Membrane Morphology and Fluid Dynamics

MBAA TQ vol. 42, no. 4, 2005, pp. 342-345  |  VIEW ARTICLE

John D. Brantley, Ph.D. Pall Corporation, 3669 State Road 281, Cortland, NY 13045.

Abstract
The filtration of beer is inherently a balancing act. The filtration system must be tight enough to remove those unwanted components, yet loose enough so the essential qualities of the beer are unaffected. Generally, the goal is to remove the yeast, protein and polyphenol precipitates, and suspended polysaccharide gels. Since beer and its ingredients are natural products, there can be wide variation in the proportion of these suspended solids from year to year if not month to month. Thus, the filtration process must be sufficiently robust to handle these expected variations as well as any unexpected ones. The situation is complicated by the additional fact that there are many different styles of beer. Proper selection of the membrane is certainly one of the keys to successful separation. The rating, the material of construction, and the morphology all affect how efficiently and how economically this process occurs. Less obvious is the role played by the fluid dynamics, that is, the actual process of filtration. For example, in direct flow filtration, the flux of the beer through the filter affects the throughput. In crossflow filtration, the situation is more complex. Inherent in the technique is the contribution provided by the fluid dynamics. Both the flow across the membrane, as well as the flow through the membrane, are affected by the morphology of the membrane. All of these factors must work together to produce the required separation. This paper illustrates how fundamental principles of fluid dynamics and membrane structure and function, as well as knowledge of brewing chemistry, can work together to produce brilliantly clear, microbially stable beer.
Keywords: crossflow, direct flow, filtration, fluid dynamics, membrane

 

Síntesis
La filtración de cerveza es básicamente un acto de equilibrio. El sistema de filtración debe ser lo suficientemente apretado para remover los componentes no deseados, pero suficientemente suelto para no afectar las características esenciales de la cerveza. El objetivo general es la eliminación de levadura, precipitaciones de proteínas con polifenoles, y los gel de polisacáridos en suspensión. Debido a que la cerveza proviene de ingredientes naturales, existe una gran variación en la concentración de estos sólidos en suspensión, tanto de de año en año como de mes a mes, lo que requiere de un proceso de filtración lo suficientemente robusto para tolerar tanto estas variaciones esperadas como las inesperadas. Esta situación se complica por el hecho que el medio filtrante debe procesar diferentes tipos de cerveza. Una separación idónea requiere de una cuidadosa selección del tipo de membrana a utilizar. La eficiencia y rentabilidad del proceso depende del material de construcción, su clasificación y morfología. La dinámica del flujo también juega un rol importante. Por ejemplo, en la filtración por flujo directo, el flujo de la cerveza por la membrana afecta la capacidad del filtro, mientras que en la filtración a flujo transversal, la situación es más compleja. En esta última, tanto el flujo a lo largo de la membrana como aquella a través de la membrana son afectados por por la morfología de la membrana. Todos estos factores deben trabajar juntos para alcanzar la separación deseada. Esta presentación ilustra como los principios fundamentales de las dinámicas de flujo y de la estructura y función de la membrana, junto con un conocimiento de la química cervecera, pueden conducir a una cerveza estable microbiologicamente y absolutamente transparente.
Palabras claves: flujo transversal, flujo directo, filtración, dinámica de fluidos, membrana

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