Tiefenfiltermodule im Fokus
Der Einsatz von Tiefenfiltermodulen zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Im Gegensatz zur Schichtenfiltration handelt es sich beim Tiefenfiltermodul um ein hermetisch geschlossenes System, das tropffrei ist und damit ein höheres hygienisches Qualitätslevel ermöglicht. Ein Tiefenfiltermodul besteht aus mehreren übereinandergestapelten und miteinander verbundenen Filterzellen. Je nach Bedarf können unterschiedlich viele Filterzellen aufeinandergestapelt und in einem Modul miteinander verbunden werden (5 bis 17 Filterzellen).
Dieser Aufbau ermöglicht eine kompakte Filtrationseinheit mit einer deutlich kleineren Mischzone als bei herkömmlichen Schichtenfiltersystemen und damit eine flexiblere Anpassung an verschiedene Volumina. Vor allem bei der Filtration kleinerer Weinchargen ist die kleinere Mischzone von Vorteil, da hier schneller zwischen unterschiedlichen Chargen gewechselt werden kann. Eine Anlage mit kleiner Mischzone kann also sowohl große als auch kleine Chargen gut verarbeiten. Gerade bei beengten Platzverhältnissen punkten die platzsparenden Modulgehäuse. Abhängig vom Gehäusetyp und der Anschlussverrohrung kann auf einer Fläche von 60 bis 70 cm im Durchmesser ein Gehäuse mit bis zu vier Tiefenfiltermodulen, sprich maximal 14,8 m² Filterfläche, installiert werden.
Abbildung 1 zeigt das Filtrationsprinzip in einem Tiefenfiltermodul. Die Anströmung erfolgt von außen nach innen. Der Wein durchströmt die Tiefenfilterschichten und wird dabei filtriert. Anschließend gelangt er über die Drainageplatten in den Filtratkanal im Inneren des Moduls. Von dort aus fließt der filtrierte Wein ab.
Wie lassen sich Tiefenfiltermodule reinigen?
Für die Reinigung empfiehlt sich eine Spülung in Fließrichtung samt anschließender Sterilisation. Dabei ist zu beachten, dass die meisten Tiefenfiltermodule nicht rückspülbar, also alle Arbeitsschritte nur in Fließrichtung möglich sind. Denn die Tiefenfilterschichten könnten im Falle einer Rückspülung beeinträchtigt werden. Die Beschädigung kann dabei sowohl großflächig und offensichtlich sein als auch aus Mikrorissen bestehen, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. In beiden Fällen ist eine ordnungsgemäße Filtration nicht mehr möglich oder zumindest nicht mehr ohne die Gefahr eines Bypasses gewährleistet. Die Beschränkung auf eine Fließrichtung wirkt sich auf die Standzeit aus: Durch die fehlende Rückspülung sind die Reinigungseffekte begrenzt, was die Gesamtstandzeit des Tiefenfiltermoduls reduziert.
Die Alternative: Längere Standzeit durch Rückspülung
Führende Anbieter haben ihre Tiefenfiltermodule daher weiterentwickelt, damit Rückspülungen möglich sind. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Modifikationen am Beispiel des Eaton Becodisc R+-Tiefenfiltermoduls, bei dem zwischen den einzelnen Filterzellen ein wabenförmiges Polyestergewebe eingesetzt ist. Das Gewebe wirkt wie ein Puffer, der die einzelnen Filterzellen während der Filtration und Rückspülung räumlich voneinander getrennt und formstabil in korrekter Position zueinanderhält. Diese Bauweise maximierte zum einen die Stabilität des Tiefenfiltermoduls. Und zum anderen unterstützt sie die vollständige Nutzung der Filterfläche.
Diese spezielle Bauweise (Abb. 3) ermöglicht neben einer besseren Stabilität mit mehr als 20 Rückspülzyklen eine längere Standzeit sowie eine höhere Effektivität. Trotz dieser Modifikation verändert sich die einfache Handhabung gegenüber der Standardlösung nicht, sodass auch vorhandene Modulgehäuse mit handelsüblichen Flachadapteranschluss und Edelstahlzwischenblechen weiterhin genutzt werden können. Spezielle Rückspülsets sind nicht nötig.
Rückspülbare Tiefenfiltermodule im Praxistest
Um die längere Standzeit des rückspülbaren Tiefenfiltermoduls zu belegen, hat Eaton diese sowie flexible Filtration unterschiedlicher Weine im Praxiseinsatz analysiert. In einer dreiwöchigen Filtrationsreihe bei einer entkeimenden Endfiltration wurden die Filtrationsparameter Differenzdruck und Filterindex von verschiedenen Weinchargen als auch die Rückspül- und Sterilisationsintervalle untersucht. Eingesetzt wurde das Becodisc R+-Tiefenfiltermodul mit Becopad 115 C-Tiefenfilterschichten im nominellen Abscheidebereich von 0,1 bis 0,2 µm, in der 16 Zoll-Ausführung, mit 16 Filterzellen und einer Filterfläche von 3,7 m². Dieses Filtermedium erfüllt die strengen Standards für die mikrobiologische Sicherheit und erhält dabei trotzdem wertgebende Inhaltsstoffe. Die Anströmung betrug 500 l/m2/h, was einer Anströmung von 1.850 l/h pro Tiefenfiltermodul entspricht. Die Druckaufnahme auf der Eingangs- und Ausgangsseite wurden mittels Manometer automatisch gemessen.
Die Filtrierbarkeit der Weinchargen wurde als Filterindex mit dem Indexmessgerät von Eaton bestimmt. Dafür wurden je drei Liter der verschiedenen Weinchargen in die Vorratsbehälter des Messgeräts gefüllt und bei konstantem Druck von 1 bar über eine 0,45 µm Flachfiltermembran filtriert. Der Rückspülzyklus bestand aus zehn Minuten Kaltwasser, gefolgt von fünf Minuten Heißwasser und abschließend erneuten fünf Minuten Kaltwasser. Die Anströmung während des gesamten 20-minütigen Rückspülprozesses entsprach mit 750 l/m2/h dem anderthalbfachen der Anströmung während der Filtration. Der Druckbereich während eines Rückspülzyklus lag auf der Ausgangsseite zwischen 0,6 und 0,8 bar und auf der Eingangsseite bei etwa 0 bis 0,1 bar. Zur Sterilisation wurde das Tiefenfiltermodul über 20 Minuten mit filtriertem Sattdampf bei 110 °C gedämpft. Das Dämpfen erfolgte in Fließrichtung bei einem Überdruck von 0,5 bar. Anschließend wurde die Dampfzufuhr geschlossen und alle Ventile am Filtergehäuse geöffnet. Die Abkühlung des Tiefenfiltermoduls erfolgte mit Kaltwasser für fünf Minuten.
Die Messergebnisse der Druckaufnahme auf Eingangs- und Ausgangsseite sind in Abbildung 4 dargestellt. Der Differenzdruck zwischen Filtereingang und -ausgang zu Beginn und Ende jeder Filtration ist in zwei Kurven (blaue Eingangs- und orange Ausgangsdruckkurve) dargestellt. Die dazugehörigen Werte sind auf der primären linken Y-Achse (Druck) eingetragen. Weiter kann das Filtratvolumen eingesehen werden. Hierzu finden sich die Werte in der sekundären rechten Y-Achse (Filtratvolumen). Die X-Achse gibt die Bezeichnung des filtrierten Weines wieder. Zusätzlich sind auf dieser Achse die Rückspülung und die Sterilisation vermerkt. Die eingetragenen roten Pfeile kennzeichnen die schlecht filtrierbaren Weinchargen (Filterindex ≤ 1.500 ml, s. Tab. 1).
Differenzdruck und Filterindex
Insgesamt wurden rund 81.000 Liter über das rückspülbare Tiefenfiltermodul abfiltriert. Hierbei wurden 14 verschiedene Weißweinchargen von elf verschiedenen Rebsorten, Qualitätsstufen und Restzuckerkonzentrationen filtriert und analysiert. Die einzelnen Weinchargen variierten zwischen 1.000 und 12.000 Liter. Unabhängig von den Weinchargen zeigen die Ergebnisse durch die Bank, dass der Differenzdruck bis kurz vor dem Versuchsende konstant blieb. Diese Konstanz belegt die guten Filtrationseigenschaften des rückspülbaren Tiefenfiltermoduls. Der Druck am Filterausgang und somit die Belastung für die nachgeschalteten Membranfilterkerzen war durchgehend gering und hat zum gewünschten Filtrationsergebnis geführt. Wichtig für die Bewertung der Filtrationsleistung ist vor allem der Endflux. Zu dessen Ermittlung wird zunächst der Anfangsflux bestimmt, der das Durchflussvolumen in Millilitern pro Minute nach 200 ml Filtrationsvolumen angibt. Der Endflux wird nach drei Litern bestimmt.Das rückspülbare Tiefenfiltermodul hat sich in dieser Testreihe besonders beim häufigen Sortenwechsel ausgezeichnet. Durch das effektive und schnelle Leerdrücken des Gehäuses waren die Verschnittmengen sehr gering. Dies ist besonders von Bedeutung, wenn Kleinstmengen von etwa 1.000 Litern filtriert werden.
Längere Standzeiten in der entkeimenden Endfiltration
Die Praxistests mit dem Becodisc R+-Tiefenfiltermodul belegen ein mikrobiologisch stabiles Filtrat bei regelmäßiger Regeneration des rückspülbaren Moduls. Es konnten mehr als 20 Rückspülzyklen erreicht werden, was die Standzeiten zu vergleichbaren rückspülbaren Modulen im Markt um etwa 30 % verlängert hat. Die Ergebnisse der Indexmessung aller 14 Weinchargen im Test zeigt die Tabelle. Neun Weinchargen wurden als leicht filtrierbar, eine als durchschnittlich filtrierbar und vier als schwer filtrierbar eingestuft. Bei den vier schlecht zu filtrierenden Weinen handelte es sich um Riesling in den Qualitätsstufen Kabinett, Spätlese und Auslese. Anhand des Filterindex würden diese Weine üblicherweise nicht direkt über eine Tiefenfilterschicht für die entkeimende Endfiltration filtriert. Doch um die maximale Filtrationskapazität des rückspülbaren Tiefenfiltermoduls zu analysieren, wurden auch diese Weine in den Praxistest integriert. Dabei zeigte sich, dass beim Wein mit dem schlechtesten Filterindex, dem Riesling Kabinett feinherb, das Filtermaterial des Moduls vollständig verblockte und trotz Rückspülung nicht regeneriert werden konnte.
Dieses Ergebnis bestätigt die allgemeine Aussage, dass die Filtrierbarkeit und die dazu passende Vorfiltration grundlegenden Einfluss auf den Filtrationserfolg haben und das unabhängig vom eingesetzten Tiefenfiltrationssystem.
Fazit
Die Praxistests belegen den Wert der Rückspülbarkeit von Tiefenfiltermodulen in der Weinfiltration für die moderne Oenologie, vor allem wenn viele verschiedene oder kleinere Weinchargen flexibel und mikrobiologisch sicher filtriert werden sollen. Die Verwendung von Becopad-Tiefenfilterschichten maximiert durch ihre besondere Cellulosematrix die Stabilität im Filtermaterial beim Rückspülprozess und erhält gleichzeitig wertgebende Weininhaltsstoffe. Die technologische Lösung, ein wabenförmiges Polyestergewebe in die Zwischenräume der Filterzellen zu integrieren, stabilisiert die Druckverhältnisse im Tiefenfiltermodul und schützt die Tiefenfilterschichten vor Beschädigungen wie Reißen oder Bersten. So ist ein Rückspülen nach Anleitung ohne Zerstören der Filterschicht möglich. Das erhöht die Filterstandzeit. Ein weiterer Vorteil des rückspülbaren Tiefenfiltermoduls ist das einfache Handling und die kompakte Bauweise in einem geschlossenen, platzsparenden System.