Mendelova univerzita v Brně Zahradnická fakulta v Lednici. FILTRAČNÍ TECHNIKY PŘI VÝROBĚ VÍNA Bakalářská práce. Vedoucí bakalářské práce

Mendelova univerzita v Brně Zahradnická fakulta v Lednici FILTRAČNÍ TECHNIKY PŘI VÝROBĚ VÍNA Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce Ing. Michal Kumšta Vypracoval Václav Beran Lednice 2013

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Filtrační techniky při výrobě vína vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Zahradnické fakulty Mendelovy univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům. V Lednici, dne Podpis bakalanta

Obsah 1. Úvod... 6 2. Cíl práce... 7 3. Současný stav řešené problematiky... 8 3.1 Základní principy filtrace... 8 3.1.1 Fyzikální aspekty filtrace... 8 3.1.2 Filtrační mechanismus... 9 3.2 Metody posuzování kvality filtrace... 14 3.2.1 Fyzikální metody... 14 3.2.2 Mikrobiologické analýzy... 15 3.3 Filtrační materiály... 17 3.3.1 Celulóza... 18 3.3.2 Křemelina... 19 3.3.3 Perlit... 20 3.3.4 Celulózové desky a moduly... 20 3.3.5 Membrány... 22 3.4 Filtrační techniky a zařízení... 26 3.4.1 Křemelinová filtrace... 26 3.4.2 Filtrace přes celulózové desky... 34 3.4.3 Membránová filtrace... 40 3.4.4 Tangenciální filtrace... 45 3.5 Vliv filtrace na složení a organoleptické vlastnosti vína... 50 3.5.1 Změny ve složení vína a dopad na jeho senzorické vlastnosti... 51 3.5.2 Srovnání vlivů filtrace a čiření na ošetřované víno... 54 3.5.3 Koncová filtrace vína před lahvováním... 55 4. Vlastní komentář k řešené problematice... 56 5. Závěr... 58 6. Souhrn a Resume, Klíčová slova a Key words... 61 7. Seznam použité literatury a pramenů... 62

1. Úvod Filtrace je technika sloužící k oddělování pevných částic v suspenzi od kapaliny. K oddělení dochází průchodem filtrované kapaliny přes filtrační médium, které tvoří bariéru a dle svých vlastností zachycuje pevné částice o definované velikosti. Filtrace se při výrobě vína využívá k odkalování moštů a čištění kalů, k hrubšímu předčištění mladých vín a k finálnímu jemnému a sterilnímu čištění vín před lahvováním. Poslední uvedenou aplikaci nelze zajistit jinou technikou v kvalitě odpovídající filtraci. Cílem filtrace je snižování obsahu kalů v moštu a mladém víně a dosažení jiskrného vína bez nečistot, zákalu a mikrobiální kontaminace. Vzhled vína je první hodnocenou vlastností spotřebitelem a jedinou přijatelnou možností je jiskrně čisté víno. Určitá tolerance mezi spotřebiteli existuje ve vnímání přítomnosti vinného kamene. Naproti tomu mikrobiální čistota vína musí být dodržena bez výjimky. Přítomnost mikroorganismů ve víně, byť zprvu pouhým okem neviditelných, může v budoucnu způsobit problémy nejen ve vzhledu vznikem zákalu resp. sedimentu, ale také tvorbou látek negativně ovlivňující vůni a chuť již dokončeného vína. Jednou ze základních obecných charakteristik filtrace je zajištění její kvality ve smyslu zachycení všech částic předpokládané velikosti, zejména všech mikroorganismů. Snižování obsahu kalů musí probíhat postupně v několika filtračních krocích a nelze, s výjimkou tangenciální membránové filtrace, dosáhnout jiskrného a mikrobiálně stabilního nápoje v jednom filtračním kroku. Pro zajištění časově a finančně efektivní filtrace je třeba mít neustále na mysli dvě další obecné charakteristiky filtrace, filtrační průtok a s ním související ucpávání filtračního média. Filtrace vysoce kalného vína přes jemné filtrační médium vede k rychlému poklesu průtoku a k ucpání filtrační přepážky. Naopak filtrace již jemně předčištěného vína přes hrubé filtrační médium probíhá při velmi dobrém průtoku bez ucpávání, ale nevede k očekávanému zachycování malých částeček resp. mikroorganismů. Při použití kvalitních filtračních zařízení, ověřených filtračních médií a při dodržení všech požadovaných podmínek, nemá filtrace na organoleptické vlastnosti vína žádný negativní vliv. I tak by se její rozsah měl vždy omezit na nutné minimum. Ke snižování obsahu kalů slouží nejen filtrace, ale i další postupy jako sedimentace, čiření, centrifugace. Společně tvoří celkový technologický postup odstraňování pevných částic rozličných velikostí z moštu a vína. 6

2. Cíl práce Cílem bakalářské práce bylo soustředit a zpracovat odborné informace týkající se filtračních technik a využívaných filtračních materiálů. Tyto informace následně objektivně vyhodnotit a jejich pomocí jednotlivé techniky a materiály popsat. K plnému pochopení dané problematiky bylo nutné před vlastním popisem filtračních technik a materiálů uvést základní fyzikálně-chemické principy filtrace a základní metody používané pro posuzování její kvality. V poslední části práce bylo cílem charakterizovat popsané filtrační techniky a materiály ve vztahu ke kvalitě vyfiltrovaného vína a vlivu na jeho složení a organoleptické vlastnosti. 7

3. Současný stav řešené problematiky 3.1 Základní principy filtrace Existuje několik typů filtračních technik, které využívají ke své činnosti různé typy filtračních materiálů a různé typy zařízení. Ve vinařské praxi se využívá filtrace přes naplavenou vrstvu filtračního média nejčastěji křemeliny, filtrace přes celulózové desky a moduly, filtrace přes membrány s kalibrovanými póry s přímým nebo podélným přítokem filtrované kapaliny k filtrační membráně. Pro všechny typy filtrace platí ovšem stejné principy, jejichž popis bude náplní následujících dvou kapitol. 3.1.1 Fyzikální aspekty filtrace Poiseuilleův zákon definuje rychlost proudění kapaliny přes filtrační médium v ideálním případě, kdy nejsou póry média průchodem kapaliny ucpávány. Rychlost průtoku q je přímo úměrná ploše filtračního média S a filtračnímu tlaku p a nepřímo úměrná tloušťce filtračního média E. Konstanta K je přímo úměrná čtvrté mocnině průměru pórů a jejich počtu na jednotku plochy a nepřímo úměrná viskozitě protékající kapaliny (Ribéreau-Gayon et al., 2006). V praxi je matematická rovnice popisující dynamiku filtrace odlišná a je závislá na použitém typu filtračního média. Dynamika je rozdílná u filtrace s postupným ucpáváním pórů a u naplavovací filtrace. Dynamikou filtrace postupného ucpávání pórů kalovými látkami se řídí filtrace přes celulózové desky a moduly a klasická membránová filtrace. U naplavovací filtrace jsou kalové částice zachycovány hmotou filtračního koláče, jehož tloušťka neustále narůstá naplavováním nového filtračního média, čímž dochází k obnovování filtrační bariéry. Touto dynamikou se řídí křemelinová filtrace a navzdory jinému funkčnímu mechanismu i filtrace tangenciální. 8

Společně s výsledky laboratorních testů slouží matematické rovnice k předvídání průběhu filtrace ve velkokapacitních provozech (Serrano, Ribéreau-Gayon, 1981). 3.1.2 Filtrační mechanismus Kalové částice jsou filtrační vrstvou zachycovány dvěma způsoby. Částice větší než průměr pórů filtračního média jsou zachyceny sítovým mechanismem vně nebo uvnitř filtrační vrstvy, částice menší než průměr pórů jsou zachyceny adsorpcí ve filtrační vrstvě. Je zřejmé, že oba mechanismy působí při filtraci současně. Při filtraci suspenze kvasinek přes vrstvu celulózy závisí mechanismus filtrace na filtračním tlaku. Při nízkém tlaku jsou póry mezi vlákny celulózy větší, než je průměr kvasinek, ty jsou proto zachycovány pouze adsorpcí uvnitř média. Adsorpční kapacita celulózy se ale brzy vyčerpá a kvasinky projdou až na výstupní stranu filtrační vrstvy a zůstanou v kapalině. Při vyšším tlaku dojde ke zmenšení pórů mezi vlákny celulózy a začne se kromě adsorpce uplatňovat i sítový mechanismus zachycování kvasinek. Přefiltrované frakce jsou v průběhu filtrace o dost méně kalné. Azbest byl ideálním filtračním médiem využívajícím sítový zachycovací mechanismus. Po jeho zákazu s důvodu možné karcinogenity je se stejným efektem využívána směs celulózy a pozitivně nabité křemeliny. Tekutina na výstupu z filtračního média neboli filtrát zůstává bez kalových částic až do úplného ucpání filtrační vrstvy a zastavení filtrace (Ribéreau-Gayon et al., 2006). Jednotlivé filtrační mechanismy, jejich obměny a kombinace, jsou znázorněny na obrázku 1. Varianta (a) znázorňuje sítový mechanismus, kalové částice jsou větší než průměr pórů a nedochází k jejich deformaci. Vytváří na povrchu média porózní koláč a ucpávají postupně všechny póry. Průtok tekutiny postupně klesá až k nule. Varianta (b) je totožná s předešlou, částice jsou ale deformovatelné (např. při vyšším tlaku). Penetrují dovnitř kanálů a blokují je. Průtok filtrační vrstvou klesá rychleji a brzy je médium kompletně ucpané. Varianta (c) je kombinací sítového mechanismu a adsorpce. Částice pronikají do filtrační vrstvy a jsou zachycovány adsorpcí nebo mechanicky, postupně ucpávají jednotlivé póry a snižují filtrační výkon. Filtrace do úplného ucpání média probíhá ale relativně dlouho. Varianta (d) znázorňuje adsorpci. Malé částice pronikají filtrační vrstvou a jsou zachyceny adsorpcí na vnitřních stěnách kanálů. Jakmile je ale adsorpční kapacita média vyčerpána, kapalina proudí sice filtrační 9

l/h/m 2 l/h/m 2 (a) čas (b) čas l/h/m 2 l/h/m 2 (c) čas (d) čas Obr. 1 Filtrační mechanismy (podle Ribéreau-Gayon et al., 1977) vrstvou nadále, ale částice pronikají bez zachycení a filtrace tak ztrácí účinnost (Ribéreau-Gayon et al., 1977). Charakter kalových částic ovlivňuje kvalitu prováděné filtrace a filtrační výkon resp. ucpávání filtrační vrstvy. V tomto ohledu se jednotlivá vína chovají odlišně. Některá ucpávají filtrační médium velice málo a jiná, ne vždy vizuálně kalnější, ucpávají filtrační vrstvu již po zfiltrování několika hektolitrů. Schopnost vína ucpávat při průchodu filtrační vrstvu nesouvisí s jeho vizuálně pozorovanou kalností. Vizuálně čistá vína mohou při filtraci ucpávat filtrační vrstvu více než zakalená vína. Ucpávání filtračního média závisí spíše na velikosti kalových částic. Velké částice vytváří na povrchu filtračního média porózní vrstvu a neucpávají ho tolik jako malé 10

částice, které pronikají do filtračního média a způsobují jeho rychlé ucpání. Přidání kvasinek do vyfiltrovaného vína nezvýší při opětovné filtraci jeho schopnost ucpat filtrační vrstvu. Z toho lze usoudit, že problémy s ucpáváním filtrační vrstvy při filtraci mladých vín způsobují koloidní slizovité látky, nikoli kvasinky. Schopnost bakterií ucpávat filtrační vrstvu je variabilní, ale spíše vyšší. Některé octové a mléčné bakterie produkují polysacharidy a další slizovité látky s vysokou ucpávací schopností. Problémy s ucpáváním filtrační vrstvy vykazují vína s kovovými zákaly, s teplem vysráženými bílkovinami a s vysráženými barvivy u červených vín. Z tohoto pohledu je velice vhodné před filtrací provádět čiření vín, s následným důkladným oddělením vyčištěného vína od bentonitových kalů, které se vyznačují vysokou ucpávací schopností. Ke zvýšení filtračního průtoku a zmírnění ucpávání filtrační vrstvy koloidními polysacharidy se s úspěchem využívají pektolytické enzymy. Ty sice nerozloží koloidy odpovědné za ucpávání, ale poruší pektinovou vrstvu, která tyto koloidy obaluje a chrání. S velkým úspěchem se toto ošetření provádí u mladých červených vín, u vín získaných nešetrným lisováním hroznů nebo rmutu a u vín z tepelně ošetřených hroznů, kde byly přirozené enzymy deaktivovány vysokou teplotou. Ošetření vína pektolytickými enzymy dávkou 4 g/hl může zvýšit průtok vína přes celulózové desky při filtraci až čtyřikrát (Ribéreau-Gayon et al., 2006). Vína vyrobená z hroznů napadených šedou hnilobou mají silnou tendenci k ucpávání filtrační vrstvy. Botrytis cinerea přítomná na hroznech vylučuje dovnitř bobulí koloidní polysacharidy odpovědné za obtížnou filtrovatelnost vyrobeného vína. Hlavní řetězce těchto polysacharidů tvoří molekuly glukózy spojené β (1 3) vazbami. Na molekuly glukózy hlavního řetězce jsou β (1 6) vazbami poutány další jednotlivé molekuly glukózy a tvoří tak jednomolekulové větvení. Mezi větvícími se molekulami glukózy na hlavním řetězci jsou jedna až dvě molekuly bez větvení. Molekulová hmotnost těchto polysacharidů je řádově 9 x 10 5. Na obrázku 2 je znázorněn efekt polysacharidu produkovaného Botrytis cinerea na filtraci přes celulózové desky. Křivka I znázorňuje dynamiku filtrace bílého suchého vína vyrobeného ze zdravých hroznů. Křivka II znázorňuje dynamiku filtrace stejného vína s přídavkem 200 mg/l zmiňovaného polysacharidu. Síla účinku tohoto glukanu závisí na koncentraci alkoholu, podmínkách zpracování hroznů a na teplotě. Při 4 C a níže dochází k flokulaci makromolekul, vytvořené shluky jsou větší než jednotlivé 11

přefiltrovaný objem (ml) čas filtrace (min) Obr. 2 Efekt polysacharidu produkovaného Botrytis cinerea na dynamiku deskové filtrace (podle Dubourdieu, 1982) makromolekuly a jejich negativní efekt na filtraci je potlačen. Při běžné a vyšší teplotě (30 40 C) jsou koloidní částice menší, neshlukují se a rychle ucpávají filtrační vrstvu. Předfiltrace postiženého vína přes hrubé médium nebo fyzikální rozbití zmiňovaných koloidů (ultradisperze) řeší problém s těmito polysacharidy pouze částečně. Opakované čiření vína organickými přípravky nebo bentonitem nemá na tyto polysacharidy vliv. Úplným řešením je použití enzymu glukanázy, která je produkována kulturami hub rodu Trichoderma a rozkládá polysacharidy produkované Botrytis cinerea (Dubourdieu, 1982; Steidl, Leindl, 2003). Obrázek 3 znázorňuje dynamiku deskové filtrace bílých vín vyrobených z napadených hroznů po přidání různých dávek glukanázy SP 116 během fermentace. Křivka 1 je kontrola bez přídavku enzymu. Křivka 2 reprezentuje přídavek 2 g/hl, křivka 3 přídavek 4 g/hl a křivka 4 přídavek 6 g/hl. 12

přefiltrovaný objem (ml) čas filtrace (min) Obr. 3 Efekt glukanázy SP 116 na dynamiku deskové filtrace vína vyrobeného z hroznů napadených šedou hnilobou (podle Dubourdieu, 1982) 13

3.2 Metody posuzování kvality filtrace Obecně je cílem filtrace dosažení vizuálně a mikrobiologicky čistého a stabilního vína připraveného k naplnění do spotřebitelských obalů. Kvalitu filtrace můžeme hodnotit měřením několika parametrů. Metody používané k měření lze rozdělit na fyzikální a mikrobiologické. 3.2.1 Fyzikální metody Pokud jsou ve víně přítomné pevné částice, dochází na nich k rozptylu světla procházejícího tímto vzorkem. Na tomto principu jsou založeny metody měřící stupeň čirosti resp. kalnosti vína turbidimetrie a nefelometrie. Turbidimetrie měří intenzitu světla procházejícího vzorkem v původním směru. Nefelometrie měří pod úhlem 90 intenzitu světla rozptýleného. Výsledek je uveden v jednotkách NTU (nephelometric turbidity units), čím více je víno zakalené, tím vyšší má NTU. Těchto metod se využívá stále častěji z důvodu jejich jednoduchosti a finanční dostupnosti. Bílá vína jsou jiskrně čistá, pokud je NTU 1,1 a méně. Zakalená při NTU 4,4 a více. Mezi těmito dvěma hodnotami může být víno považováno za čisté, matné, lehce zkalené. U růžových vín jsou tyto hranice 1,4 a 5,8 NTU, u červených vín 2 a 8 NTU. Čiření, centrifugace a naplavovací filtrace zanechávají víno jiskrně čisté s NTU 1 a méně. Filtrace přes celulózové desky a membránová filtrace před plněním do lahví zanechávají víno s NTU 0,1 až 0,65. Víno se čistí na takovou úroveň z důvodu úplné eliminace všech mikroorganismů a z důvodu pravidelně se zvyšujícího stupně zakalení vína během jeho lahvového zrání i bez předchozí kontaminace. Další metodou posuzování kvality filtrace je stanovení obsahu pevných látek. Obsah pevných částic se vyjadřuje procentuálně jako poměr objemu/hmotnosti pevných částic k celkovému objemu/hmotnosti zkoumaného vzorku. Pevné částice se od vína oddělují centrifugací, filtrací přes membránu ze skleněného vlákna, filtrací přes membránu schopnou zadržet koloidy s velikostí pórů 0,45 µm nebo odpařováním kapaliny ze vzorku do úplného vysušení. Ve vinařské praxi se nejvíce využívá centrifugace při 3000 otáčkách za minutu po dobu 5 minut, ve speciálních zkumavkách cejchovaných procenty celkového objemu. Metody centrifugace se využívá u bílých moštů, usazenin po sedimentaci moštů, kvasničných usazenin, usazenin po čiření vín 14

(množství pevných částic více než 3 % objemová) a u mladých vín (množství pevných částic od 0,5 do 2 % objemových). Další metodou je stanovení počtu pevných částic. Využívá se několika typů měřících přístrojů pracujících na různých principech jako elektrická vodivost, pohlcování rentgenového záření, rozptyl a ohyb laserového paprsku. Tyto metody jsou omezeny na laboratorní využití. Jejich nevýhodou je vysoká pořizovací cena přístrojů a fakt, že nedokáží detekovat částice menší než 0,5 µm, které ovšem také ovlivňují čistotu vína (Ribéreau-Gayon et al., 2006). 3.2.2 Mikrobiologické analýzy Kvasinky a bakterie, které zůstali ve víně po naplnění do láhve, mohou s vysokou pravděpodobností negativně ovlivnit jeho biologickou stabilitu v průběhu skladování. Z tohoto pohledu jsou mikrobiologické analýzy podstatnou součástí metod posuzování kvality filtrace. Pro počítání celkového počtu mikroorganismů pod optickým mikroskopem se používají různé typy počítacích komůrek, např. Malassez komůrka. V případě méně rozsáhlé populace je třeba mikroorganismy zkoncentrovat centrifugací, výsledek je potom ale nepřesný a metoda zdlouhavá. Pro posuzování biologické stability vína je ale podstatné počítání živých buněk mikroorganismů (Ribéreau-Gayon et al., 2006). Pro počítání živých kvasinek a bakterií se využívá kultivace těchto mikroorganismů na specifických médiích tvořených agarem, výživou a inhibitory. Kolonie vzniklé na médiu v Petriho miskách lze počítat pouhým okem. Jednotlivé buňky lze počítat epifluorescenčním mikroskopem. Pro počítání kolonií kvasinek se do agaru kromě výživy přidává bifenyl inhibující růst plísní a chloramfenikol inhibující růst bakterií. Pro selekci kvasinek jiných než Saccharomyces, např. Brettanomyces, se do živného média přidává cykloheximid. Inkubace rodu Saccharomyces trvá 2 až 3 dny, rodů kvasinek jiných než Saccharomyces 7 až 10 dnů, obojí při teplotě 25 C. Pro počítání bakteriálních kolonií se využívá živné médium s přídavkem pimaricinu, který inhibuje růst veškerých kvasinek. Pro selekci octových bakterií je do média přidán penicilin inhibující růst mléčných bakterií, inkubační doba je 5 až 7 dnů. Pro selekci mléčných bakterií jsou Petriho misky udržovány v anaerobních podmínkách 15

pod tlakem CO 2, což inhibuje růst octových bakterií, inkubační doba je 7 až 12 dnů v závislosti na zkoumaných druzích. Inkubace probíhá v obou případech při 25 C. Pokud víno obsahuje malé množství mikroorganismů, je filtrováno přes membránu s póry o velikosti 0,45 µm a ta je následně uložena na speciální kultivační médium. Počet kolonií na kultivačním médiu by měl být od 30 do 300. Počet mikroorganismů stanovený touto kultivační metodou je vyjádřený v jednotkách CFU (Colony Forming Units) na ml zkoumané kapaliny, v našem případě vína (Lafon-Lafourcade, Joyeux, 1979). Počet mikroorganismů vyjádřený v jednotkách CFU ale neodpovídá počtu živých buněk ve zkoumaném víně. Existují bakterie, které nelze kultivovat na živných médiích, ale ve víně úspěšně žijí, rozmnožují se a mohou způsobovat jeho zakalení. To je důležité si uvědomit především u vín určených k delšímu lahvovému zrání. K určení počtu všech živých buněk ve víně se využívá metoda epifluorescenční mikroskopie. Vzorek určený k analýze je přefiltrován přes membránu s póry o velikosti 0,4 µm. Takto získané mikroorganismy jsou 15 až 30 minut kultivovány při 30 C na substrátu, který pronikne dovnitř buněk. Substrát je uvnitř buněk rozštěpen buněčným enzymem a uvolňuje se z něj fluorochrom, který se akumuluje. Po vybuzení světlem určité vlnové délky uvolňuje fluorochrom světlo o delší vlnové délce. Tento jev se nazývá fluorescence. Neprobíhá u mrtvých buněk. Živé buňky označené fluorescencí jsou počítány pomocí epifluorescenčního mikroskopu, výsledek je vyjádřen v počtu živých buněk na ml vína (Millet, 2001; Millet, Lonvaud-Funel, 2000). Ihned po skončení fermentace je ve víně řádově 10 6 /ml mikroorganismů. Tato hodnota rychle klesá na 10 4 /ml až 10 3 /ml v důsledku sedimentace a následného stočení. Po křemelinové filtraci víno obsahuje řádově 10 2 /ml mikroorganismů. Bez těchto předběžných zásahů může populace mikroorganismů ve víně zůstat poměrně veliká. Mikrobiologicky účinná filtrace zanechá ve víně méně než 1 živou buňku na 100 ml vína, sterilní filtrace zanechá ve víně méně než 1 živou buňku na láhev vína. K mikrobiologicky účinné a sterilní filtraci před plněním vína do lahví lze využít filtraci přes celulózové desky a moduly a membránovou filtraci. Aby bylo dosaženo zmiňovaných výsledků, musí celý proces finální filtrace probíhat za vysoce čistých podmínek (Ribéreau-Gayon et al., 2006). 16

3.3 Filtrační materiály Výkonnost filtračního média definují dva parametry, porozita a permeabilita. Porozita je vyjádřena procentuálně jako poměr objemu volného prostoru v porózním médiu k celkovému objemu tohoto média. Porozita naznačuje, jaký objem nečistot by mohlo filtrační médiu zadržet. Čím větší porozita, tím větší kapacita pro záchyt kalových částic. Porozita dále přímo souvisí s poklesem tlaku ve filtru, tedy s energií potřebnou k průchodu filtrované tekutiny přes filtrační médium. Čím vyšší je porozita, tím menší je potřeba energie na průchod kapaliny filtračním médiem. Vysoká porozita filtračního média prodlužuje jeho životnost během filtrace a snižuje množství energie potřebné na průchod filtrované kapaliny filtračním médiem. Porozita celulózových filtračních desek, membrán a naplavené křemeliny může být až 80 %. Permeabilita filtračního média definuje jeho propustnost pro filtrovanou kapalinu. Je vyjádřena rychlostí průtoku filtrované kapaliny přes filtrační médium v závislosti na jeho vlastnostech, vlastnostech filtrované kapaliny a podmínkách filtrace. Jednotkou je 1 Darcy. Jeden Darcy odpovídá permeabilitě filtračního média o ploše 1 cm 2 a tloušťce 1 cm, které propustí 1 ml za vteřinu filtrované kapaliny o viskozitě 1 centipoise (jednotka dynamické viskozity, odpovídá 1 mpa s nebo mn s m -2 ), při rozdílu tlaků na vstupu a výstupu 1 bar. Přibližná hodnota permeability sterilních celulózových desek je 0,017 Darcy, jemných desek 0,15 Darcy, hrubých desek 1 až 2 Darcy, naplavené křemeliny 0,5 až 5 Darcy, hrubého média pro rychlou filtraci 2 až 7 Darcy. Permeabilita v jednotkách Darcy se používá k označení jednotlivých variant křemeliny. Další důležitou charakteristikou filtračního média je prahová velikost částic, při které již filtrační médium není schopno tyto částice zadržet. V anglické terminologii je tato vlastnost označována jako cutoff. U membrán je v ideálním případě tato vlastnost absolutní, je dána velikostí pórů membrány a odpovídá velikosti největších částic, které membránou procházejí. U heterogenních filtračních médií s nepravidelně rozmístěnými póry různých velikostí je tato vlastnost dána nominální velikostí částic, při které jsou tyto částice za normálních podmínek ještě filtračním médiem zachyceny, ale zároveň může dojít i k průniku malého množství větších částic. Obecně nominální hodnota zastupuje hodnotu skutečnou, která nemá jednu konkrétní velikost, ale nabývá hodnot z určitého rozmezí. 17

Účinnost filtračních membrán lze za jasně daných pracovních podmínek definovat poměrem množství sledovaných mikroorganismů před membránou k množství těchto mikroorganismů membránou prošlých. Tento ukazatel se nazývá redukční koeficient RR (z anglického reduction ratio). Membrány s velikostí pórů 0,65 µm mají pro Leuconostoc oenos (nyní Oenococcus oeni) RR 10 5. Neboli z množství 10 5 těchto mikroorganismů projde membránou za přesně definovaných podmínek právě jedna buňka (Ribéreau-Gayon et al., 2006). 3.3.1 Celulóza Celulóza je makromolekula složená z velkého počtu jednotlivých molekul glukózy, které polymerizují do dlouhých řetězců s periodickou strukturou. Většina těchto řetězců je zarovnána v jednom směru a dohromady tvoří drobná vlákna celulózy. Celulóza využívaná při filtraci se získává ze dřeva borovic, bříz nebo buků. Dřevo se rozřeže na drobné části, chemickou cestou se v něm rozpustí lignin a následně dojde k uvolnění vláken celulózy. Zpracovaná dřevní hmota se propere ve vodě a projde ještě několika dalšími stupni čištění. Vyčištěná hmota se rozprostře do plochy a suší se. Vlákna celulózy mohou být mechanickým postupem rozdrcena na prášek. Dle intenzity zpracování obsahuje prášek částice různé velikosti vhodné k různým typům filtrace. Při filtraci využívaná celulóza je vláknitá, dodávaná ve formě celulózových desek nebo prášku. Prášek je samostatně nebo v kombinaci s dalším filtračním médiem využíván při naplavovací filtraci. Filtrační celulóza je relativně čistá, ale může obsahovat stopy kationtů. Je senzoricky neutrální, přesto se doporučuje ji před filtrací důkladně propláchnout dostatečným množstvím vody, aby se případná papírová pachuť nepřenesla do vína. Do roku 1980 se filtrační celulóza s negativním elektrokinetickým nábojem míchala s azbestem. Výsledkem bylo snížení poměrně vysoké porozity celulózy a zvětšení využitelného filtračního povrchu. Takové médium lépe zachycovalo mikroorganismy a koloidní částice. Od roku 1980, kdy bylo použití azbestu z hygienických důvodů zakázáno, se filtrační desky vyráběly z čisté celulózy. V současné době se jako pomocné látky při výrobě celulózových desek využívají křemelina, perlit nebo polyethylen. V kombinaci s těmito látkami musí celulóza mít pozitivní elektrokinetický náboj (Ribéreau-Gayon et al., 2006). 18

3.3.2 Křemelina Diatomit je křemičitá usazená hornina různého stupně zpevnění složená z nahromaděných schránek (diatom) jednobuněčných řas rozsivek o velikosti od několika µm do několika set µm. V sypkém nezpevněném stavu se diatomit označuje jako křemelina nebo diatomová zemina. Rozsivky sestávají z jedné buňky pokryté schránkou, která je impregnována aktivním vychytáváním kyseliny křemičité z okolního prostředí. Takto vzniklý minerál tvořící schránky rozsivek se nazývá opál a jde o hydratovaný oxid křemičitý čili o samotnou kyselinu křemičitou. Buňka rozsivky odumře, pevná schránka ale zůstává. Schránky se postupně usazují, dochází k jejich akumulaci a vzniku měkké horniny diatomitu. Diatomit má rozličnou mikroskopickou strukturu, v závislosti na typu usazených schránek. Může být mořského nebo jezerního původu a jeho stáří se odhaduje na 60 až 100 milionů let. Mnoho ložisek diatomitu se nachází ve Spojených státech amerických, převážně v Kalifornii, v Evropě a v severní Africe. Rozsáhlá ložiska se nachází ve Francii v místě bývalých starověkých jezer v oblasti zvané Francouzské středohoří neboli Massif Central. Z těchto ložisek se diatomit těží a jeho rozdrobením vzniká sypký křemičitý prášek zvaný křemelina. K filtraci se křemelina využívá od konce 19. století. Díky své vysoké porozitě našla rychle uplatnění v mnoha průmyslových odvětvích. Efektivní filtrační vrstva představuje 80 % hmoty použité křemeliny, s filtračním povrchem 20 až 25 m 2 /g. Kolem roku 1920 byl vynalezen nový způsob zpracování diatomitu k výrobě vysoce permeabilní křemeliny. V současné době se využívají tři typy křemeliny. Prvním typem je přirozená křemelina. Obsahuje jemné částečky a je šedá. Vzniká drcením a sušením vytěženého diatomitu. Filtrace přes tento typ křemeliny je velice jemná, s vysokou čistící účinností, ale s velice nízkým průtokem. Může obsahovat i zbytky organické hmoty a její používání je na ústupu. Druhým typem je křemelina, která podstoupila proces kalcinace při 1000 C. Je růžová až načervenalá a neobsahuje zbytky organické hmoty. Je drcena na hrubší částice, které zvládají jemnou filtraci při přijatelných průtocích filtrované kapaliny. Třetím typem je fritovaná křemelina, tj. křemelina aktivovaná kalcinací při 1100 až 1200 C za přítomnosti tavidla chloridu nebo uhličitanu vápenatého. 19

Výsledkem tohoto zpracování je bílá křemelina s podstatně většími částečkami a volnější strukturou. Filtrace přes ni je méně jemná, ale rychlá. Podle velikosti částic se křemeliny dělí do několika tříd. Velikost částic ovlivňuje permeabilitu filtračního média, tj. rychlost průtoku filtrované kapaliny. Ve vinařské praxi se rozlišují dvě hlavní skupiny, hrubá křemelina s permeabilitou nad 2 Darcy a jemná křemelina s permeabilitou pod 1 Darcy. V rámci těchto skupin i mezi nimi existuje několik tříd křemelin s rozdílnou permeabilitou. Křemelinu je nutné skladovat na suchém místě mimo dosah jakýchkoliv zápachů. Křemelina totiž velice snadno pohlcuje pachy, které následně může předat filtrovanému vínu (Ribéreau-Gayon et al., 2006). 3.3.3 Perlit Perlit je tvořen sférickými částečkami, které se svým tvarem podobají perlám. Vzniká zpracováním vulkanické vyvřelé horniny. Z chemického hlediska se jedná o křemičitan hlinitý. Důležitou složkou této horniny je vmezeřená voda a okludované plyny. Tyto složky zabírají 2 až 5 % jejího objemu. Díky nim může tato hornina při zahřátí na 1000 C expandovat a zvětšit svůj objem 10 až 20krát. Zároveň dojde ke snížení její hustoty a zvýšení její porozity. Následuje mletí a třídění na základě velikosti obsažených částeček. Výsledkem je bílý prášek perlit, který podle podmínek zpracování obsahuje částečky určité velikosti. Perlit prodlužuje délku filtračního cyklu. Je totiž více porózní než křemelina a jeho nízká hustota (o 20 až 30 % nižší než u křemeliny) snižuje hmotnost požadovaného množství filtračního média. Na druhou stranu má perlit nízkou adsorpční kapacitu a je nejúčinnější při jemné filtraci. Používá se k filtraci moštů a kapalin s vysokým podílem pevných látek. Perlit je abrazivní a způsobuje rychlé opotřebení čerpadel (Ribéreau- Gayon et al., 2006). 3.3.4 Celulózové desky a moduly Celulózové filtrační desky se pro svoji filtrační účinnost v celé své hloubce nazývají často desky hloubkové. Základem desek jsou dřevní celulózová vlákna 20

doplněná křemelinou nebo perlitem. Další složkou může být kationt výměnná pryskyřice (katex) ke zvýšení elektrického náboje (Ribéreau-Gayon et al., 2006). Některé typy celulózo-křemelinových filtračních vložek jsou obohaceny speciálními látkami pro odstraňování vybraných látkových složek vín, např. PVPP (polyvinylpolypyrrolidon) na snížení obsahu polyfenolů (Balík, 1996). Do celulózových desek se dlouho přidával jako doplňkové médium azbest. Filtrace s ním byla více efektivní, protože zmenšoval jinak velké kanály mezi vlákny celulózy a zároveň zvyšoval filtrační kapacitu celulózové desky. Dnes je použití azbestu zakázáno a místo něj se do celulózových desek se stejným výsledným efektem přidávají výše zmiňovaná pomocná filtrační média. Vdechování vláken azbestu, která se vyskytují i přirozeně ve vzduchu, je pokládáno za karcinogenní. Celulózové desky se vkládají mezi rámečky deskových filtrů nebo jsou sestaveny do filtračních modulů, ve kterých jsou pevně uchyceny na plastových nosičích, čímž je zabráněno průsaku filtrované tekutiny skrz desku mimo těleso filtru. V závislosti na požadované ostrosti filtrace jsou vlákna celulózy při výrobě desek zpracována hrubě nebo jemně, jsou přidána pomocná filtrační média a připravená směs je rozmíchána ve vodě a míchána prostřednictvím vibrací. Vakuovou filtrací se připravená suspenze přenese na pás vakuového filtru. Vytvořená vrstva filtračního média se vysuší a nařeže na požadované velikosti. Podle složení výchozí směsi a nastavení vakuového filtru jsou produkovány desky pro hrubou až sterilní filtraci, desky s rozdílnou permeabilitou a různými fyzikálními vlastnostmi. Póry celulózových desek jsou rozmístěny nerovnoměrně a mají rozdílné velikosti, největší jsou na vstupní straně filtrační desky. Strukturu desky lze přirovnat k trojrozměrnému sítu s velkým množstvím drobných kanálků. Objem těchto kanálků představuje 70 až 85 % celkového objemu filtrační desky. Filtrovaná tekutina prochází kanálky relativně pomalu. Uvnitř kanálků dochází k záchytu pevných nečistot, mikroorganismů a koloidních částic. Na záchytu se podílí sítový mechanismus a adsorpce. Adsorpci umožňuje rozdílný elektrokinetický potenciál, tzv. zeta potenciál, mezi pozitivně nabitými stěnami kanálků a negativně nabitými částicemi. Adsorpce značně zesiluje filtrační účinek celulózových desek. Rozsah adsorpce závisí na ph, teplotě a rychlosti průtoku filtrované kapaliny a na velikosti elektrokinetického náboje celulózy (Ribéreau-Gayon et al., 2006). Je třeba dbát na skutečnost, že částice zachycené tímto mechanismem se mohou při zastavení a obnovení filtrace z filtračního média uvolnit a znečistit tak filtrát (Starbard, 2008). K adsorpci je zapotřebí i určité 21

rychlosti proudění vína při filtraci. Jestliže se jí nedosáhne, pracuje se s příliš vysokým tlakem nebo je vyčerpána adsorpční kapacita, procházejí kalové částice filtrem (Steidl et al., 2002). Celulózové desky a moduly mají díky svému velkému vnitřnímu povrchu schopnost zadržet značné objemy kalné tekutiny (až 3 l/m 2 kalů). V porovnání s filtračními membránami představuje tento parametr výraznou výhodu celulózových filtračních médií (Ribéreau-Gayon et al., 2006). 3.3.5 Membrány Syntetické membrány s kalibrovanými póry jsou ve vinařské praxi využívány při několika technologických operacích. Při ultrafiltraci, při mikrofiltraci s přímým nebo podélným přítokem filtrované kapaliny a při reverzní osmóze. Membrány se využívají i u speciálních separačních technik elektrodialýzy a pervaporace. Při reverzní osmóze prochází membránou především molekuly rozpouštědla, i nejmenší rozpuštěné látky jsou membránou v závislosti na velikosti pórů převážně zadrženy, průměr pórů se pohybuje přibližně od 0,001 do 0,01 µm (Ribéreau-Gayon et al., 2006). Jako filtrát (permeát) odchází především voda, určitý podíl alkoholu, aromatických látek a organických kyselin (Balík, 1996). Rozpuštěné látky, které jsou tvořené molekulami přibližně 10krát většími než je velikost molekul rozpouštědla, jsou oddělovány ultrafiltrací na membráně s průměrem pórů od 0,002 do 0,1 µm (Ribéreau-Gayon et al., 2006). Ultrafiltrace odstraní většinu koloidních látek z vína a byla proto v omezené míře využívána k odstranění nestabilních proteinů z ošetřovaného vína. Zachycuje ale i barevné pigmenty a taniny z červených vín (Jackson, 2008). Použití ultrafiltrace v ošetření bílých vín zdá se neprodukuje neakceptovatelné výsledky ve smyslu negativního ovlivnění organoleptických vlastností bílého vína. Ošetření bílých vín ultrafiltrací je proto intenzivně zkoumáno (Flores et al., 1991). Při ultrafiltraci je možné zachytit některé polyfenoly, peptidy a zejména proteiny a polysacharidy. Jestliže jsou pro filtraci vín použity ultrafiltrační membrány, je třeba pracovat pouze s propustností na rozhraní mezi mikrofiltrací a ultrafiltrací. Jinak dochází k vysokým ztrátám barviv u vín červených a všeobecně k zachycování vyššího procenta koloidů, které se projeví v trvalých změnách filtrovaného vína, případně v destabilizaci vína proti vypadávání koloidních zákalů (Balík, 1996). 22

Mikrofiltrace zadržuje větší částice, průměr pórů membrány je přibližně od 0,1 do 10 µm. V praxi se hranice mezi ultrafiltrační a mikrofiltrační membránou stanovuje obtížně. Na jedné straně mohou být póry ultrafiltrační membrány porušeny vysokým filtračním tlakem a následně propouští i částice o větší velikosti než je definovaná nominální velikost zadržovaných částic. Na druhé straně mohou při mikrofiltraci zadržené nečistoty tvořit na povrchu membrány polarizační vrstvu, která postupně ucpává póry a zadržuje stále jemnější částice za zvyšujícího se filtračního tlaku. Membrány mohou být popisovány absolutní velikostí svých pórů nebo nominální velikostí zachycovaných částic. U mikrofiltračních membrán se velikost pórů udává v µm. Standardní rozměry pórů membrán využívaných při mikrofiltraci vína jsou 1,2; 0,65 a 0,45 µm. U ultrafiltračních membrán není velikost pórů tak přesně definovaná a není ani u všech pórů dané membrány úplně stejná. Proto jsou ultrafiltrační membrány popisovány spíše nominální velikostí nejmenších zachycovaných částic, velikost částic je vyjádřena jejich relativní molekulovou hmotností v Daltonech [Da]. Membrány se vyznačují vysokou a poměrně přesně definovanou separační účinností, rychlým průtokem filtrované kapaliny a dobrou fyzikální, chemickou a tepelnou odolností. Mikrofiltrační membrány se skládají z tenké filtrační vrstvy, která je uložená na základové vrstvě. Základová vrstva může být z materiálu stejného jako filtrační vrstva (membrány symetrické) nebo z odlišného (asymetrické a kompozitní membrány). První používané membrány byly vyrobeny z acetátů celulózy. Měli nízkou odolnost vůči mikroorganismům, teplotě a ph a byly náchylné na další stresové vlivy. Membrány druhé generace byly vyrobeny z polymerů polysulfonu nebo polyakrylonitrilu. Byly o mnoho odolnější. Membrány nynější třetí generace jsou vyrobeny z anorganických materiálů. Mají velice dobrou chemickou, fyzikální a tepelnou odolnost (snáší i teploty vyšší než 100 C). Jejich životnost je téměř neomezená, lehce se čistí a dezinfikují. Mezi provozní parametry membrán patří transmembránový diferenční tlak, teplota filtrované kapaliny, která ovlivňuje její viskozitu, rychlost průtoku filtrované kapaliny a rychlost odtoku retentátu. Membrány jsou vyráběny odpařováním rozpouštědla z výchozího materiálu, rozpouštědlo proniká povrchem materiálu a vytváří tak póry. Porozita membrán závisí na počtu a velikosti těchto otvorů. Ve skutečnosti se filtrační membrány podobají více mycím houbám než sítům. Pro zvětšení filtračního povrchu se membrány plisují a takto poskládané se sestavují do filtračních modulů neboli svíček. Povrch membrány 23

v jednom modulu je až 0,82 m 2. Několik modulů (1 až 4) může být sestaveno do jedné pevné a dokonale vzduchotěsné kazety. Po sterilizaci jsou tyto filtrační systémy připraveny k filtraci. Nevyžadují speciální přípravy a jsou zcela neutrální z hlediska senzorického ovlivnění filtrovaného vína. Existuje několik typů syntetických membrán. (1) Membrány z esterů celulózy (diacetáty nebo triacetáty celulózy) jsou vysoce permeabilní a mají dobrou filtrační kapacitu. Nejsou drahé, což podporuje jejich zavádění do praxe. Nevýhodou je již zmiňovaná citlivost k teplotě a ph a nebezpečí degradace mikroorganismy. Směsi acetátu a nitrátu celulózy jsou biologicky inertní, autoklávovatelné a chemicky odolné. (2) Polyamidové a polyimidové membrány jsou více odolné vůči vysokým teplotám a chemikáliím. Jsou pevnější než předešlý typ membrán. Ve vinařství se často využívají membrány vyrobené z nylonu 66. (3) Výchozím materiálem dalšího typu membrán je polyvinyliden fluorid (polymerizovaný vinyliden difluorid). Tyto membrány jsou tepelně, chemicky a fyzikálně stabilní. (4) Membrány z polytetrafluorethylenu se využívají při mikrofiltraci. Jsou získávány metodou vytahování nebo protlačování částečně krystalizovaného, polymerizovaného filmu polytetrafluorethylenu. Mají dobrou tepelnou, chemickou a fyzikální stabilitu a mohou být sterilizovány teplem. (5) Polypropylenové membrány poskytují díky své hloubce více úrovní filtrace. Filtrační proces probíhá v celé tloušťce membrány. Tyto membrány se využívají také jako předfiltrační. (6) Membrány ze skleněných vláken mohou být použity pro předfiltraci i pro koncovou filtraci. Velikost pórů se pohybuje od 1 do 40 µm. Tyto membrány jsou fyzikálně odolné, zvládají diferenční tlak 4 bary při teplotě 80 C. Velikost pórů může být snížena potáhnutím skleněných vláken hygienicky nezávadnými pryskyřicemi. (7) Anorganické keramické membrány jsou vysoce inertní a téměř nezničitelné. Filtrační jednotka se skládá z makroporézní základny, na kterou jsou postupně ukládány různě silné vrstvy keramiky obsahující částice rozdílné velikosti. Čím menší jsou částice a mezi nimi vytvořené póry, tím tenčí je jejich vrstva (nejtenčí vrstvy měří pouze několik µm). Taková struktura poskytuje výbornou fyzikální odolnost a nízký odpor vůči toku filtrované kapaliny. Vnější vrstva obsahuje nejmenší částice, mezi kterými jsou póry s nejmenším průměrem. Tato vrstva je z hlediska filtrace nejaktivnější. V potravinářské praxi se keramické membrány uplatňují hlavně v tangenciálním režimu 24

(s podélným přítokem filtrované kapaliny k filtrační membráně). Keramické membrány se vyrábí z oxidů hliníku, zirkonia a titanu, ze sintrovaných (slinutých) kovů a z dalších materiálů. Tyto membrány se využívají pro mikrofiltraci a ultrafiltraci (Ribéreau-Gayon et al., 2006). 25

3.4 Filtrační techniky a zařízení Ve vinařské praxi se využívá několik typů filtračních technik. Filtrace přes naplavenou vrstvu křemeliny, méně často perlitu nebo celulózy, filtrace přes celulózové desky a moduly, filtrace přes syntetické polymerní membrány s kalibrovanými póry s čelním přítokem filtrované kapaliny a tangenciální filtrace přes anorganické nebo organické membrány s podélným přítokem filtrované kapaliny k filtrační membráně. 3.4.1 Křemelinová filtrace Křemelinová filtrace je již mnoho let velice rozšířenou technikou pro čištění vín. Dříve se jako nosič filtračního křemelinového koláče využívala filtrační tkanina. Křemelina na ni byla naplavována v suspenzi s vínem nebo vodou a vytvořila na povrchu látky filtrační vrstvu. Až poté byla zahájena filtrace. Dnes se již využívá jiný způsob vytvoření filtrační vrstvy. Křemelina je na nosič naplavována kontinuálně, je průběžně dávkována čerpadlem do přicházejícího kalného vína, ještě než víno vstoupí do filtračního tělesa. Filtrační koláč tak postupně během filtrace narůstá, nečistoty jsou rozprostřeny v celé výšce filtrační vrstvy a vnější vrstva filtračního koláče se při dodržování správného pracovního postupu neucpe. Křemelinová filtrace je vhodná pro hrubou, jemnou i koncovou sterilní filtraci. Je to díky možnosti zvolit křemelinu s různou velikostí částic a tedy s různou permeabilitou a ostrostí filtrace, též díky možnosti použít směs křemeliny s jiným filtračním médiem (celulózou nebo perlitem). V tabulce 1 jsou znázorněny výsledky filtrace bílého kalného vína přes tři různé typy křemeliny s rozdílnou permeabilitou. Průběh filtrace lze předpovídat na základě výsledků předchozích laboratorních testů. Křemelinová filtrace slouží především jako první stupeň čištění jinak neošetřených vín. Může ale být díky jemné křemelině použita i k finálnímu ošetření vín před plněním do lahví. Tabulka 2 znázorňuje kvalitu a množství křemeliny potřebné na ošetření vína v různých fázích jeho výroby. V tabulce uvedené jednotlivé stupně filtrace vyžadují různé typy křemeliny a různé dávkování. Nevýhodou tohoto typu filtrace je produkce velkého množství odpadní křemeliny, která znečišťuje životní prostředí. Další nevýhodou je prašné pracovní prostředí. Tangenciální membránová filtrace může být adekvátní náhradou této technologie. 26

Tab. 1 Parametry bílého vína po filtraci přes tři různé typy křemeliny s rozdílnou permeabilitou (podle Guimberteau, 1993) Typ křemelinové filtrace Hrubá Střední Jemná (1,5 Darcy) (0,35 Darcy) (0,06 Darcy) Průměrný průtok (hl/h/m 2 ) 20 15 7 Index zanášení (viz kap. 3.4.3) 250 50 22 Kalnost (NTU) 1,33 1,04 0,36 Živé kvasinky (na 100 ml) 5 000 4 500 500 Živé bakterie (na 100 ml) 7 700 3 000 1 500 Kontrolní vzorek vína: kalnost NTU = 21, živé kvasinky (na 100 ml) 270 000, živé bakterie (na 100 ml) 180 000. Tab. 2 Naplavovací filtrace: kvalita a množství filtračního média potřebného na ošetření vína v různých stupních jeho zpracování. (A) mladé víno, první filtrace (prosinec), (B) víno vylisované z matolin rmutu, (C) víno zrající alespoň jednu zimu, (D) víno filtrované deskovou filtrací, příprava na lahvování, (E) víno filtrované přes membrány, příprava na lahvování (podle Guimberteau, 1993) První naplavení (10 20 minut) Kvalita (Darcy) Množství (kg/m 2 ) Druhé naplavení (10 20 minut) Kvalita (Darcy) Množství (kg/m 2 ) Kvalita (Darcy) Kontinuální naplavování Množství (g/hl) Rychlost průtoku (hl/h/m 2 ) A 2 3 0,5 1 2 3 0,5 2 3 200 300 5 B 2 3 0,5 1 2 3 0,5 2 3 200-400 5 C 1 2 0,5 1 2 0,5 1 2 50 200 10 D 1 0,5 0,4 1 0,5 0,4 1 20 50 15 E 1 0,5 0,06 0,4 0,5 0,06 0,4 20 50 15 Křemelinové filtry Filtry určené pro naplavovací filtraci se skládají z vertikálních nebo častěji horizontálních nosičů, které se snadněji čistí. Nosiče jsou obvykle vyrobeny z pletiva z nerezové oceli, z vinutého nerezového lichoběžníkového profilu, někdy také ze syntetické tkaniny nebo celulózových desek. Filtr je vybaven dopravním čerpadlem a dávkovacím čerpadlem, které vstřikuje suspenzi křemeliny do vína, dříve než víno vstoupí do tělesa filtru. 27

Moderní typy těchto filtrů jsou vybaveny doplňkovou filtrační jednotkou, která přefiltruje veškeré víno, které zbylo po skončení filtračního cyklu v tělese filtru neboli zvonu. Dále jsou vybaveny systémem pro odstranění použitého filtračního média suchou cestou, což snižuje míru znečišťování životního prostředí. K odstraňování filtračního média se často využívá odstředivá síla. Horizontální nosiče se roztočí a filtrační koláč je odstředivou silou odmrštěn na stěny zvonu. Křemelina je následně ze zvonu odstraněna uzavíratelným otvorem v jeho spodní části. V současnosti jsou křemelinové filtry vyráběny z nerezové oceli, která usnadňuje jejich čištění a údržbu. Důkladné vyčištění celého zařízení po skončení filtračního cyklu je jako u veškeré vinařské technologie velice důležité. Na obrázku 4 je schematicky znázorněn kontinuálně naplavovaný křemelinový filtr s horizontálně umístěnými nosiči ve formě sít z nerezové oceli. Vstupním ventilem (1) se víno dostane k dopravnímu čerpadlu (2), které dodává vínu potřebnou kinetickou energii a vhání ho přes inspekční skleněnou část trubice (3) do vlastního filtračního tělesa (4) s horizontálně uloženými filtračními talířovými síty. Po průchodu filtrační vrstvou se vyčištěné víno dostává přes inspekční skleněnou část trubice (5) k výstupnímu ventilu (6). Součástí filtru je zásobník (7) obsahující suspenzi filtračního média a dávkovací čerpadlo (8). Filtrační zvon je ve spodní části opatřen uzavíratelnými dvířky (9) pro odstraňování použitého filtračního média. Po ukončení filtračního cyklu je zbylé víno ve zvonu filtrováno doplňkovou filtrační jednotkou (10). Před započetím filtrace musí být na nosiči připraveny dvě naplavené vrstvy. Dávky filtračních médií potřebné pro naplavení těchto vrstev ukazuje tabulka 2. Druhá vrstva zahajuje filtrační cyklus. První vrstva slouží jako mechanická podpěra pro druhou vrstvu a je naplavena z hrubého média (o permeabilitě 1 Darcy a více) s možným přídavkem média na bázi celulózy (v množství 10 %). Efektivita filtrace závisí na kvalitním naplavení této podpůrné vrstvy. Náhlé změny tlaku ve filtru způsobené rychlým otevíráním a zavíráním ventilů nejsou během přípravné fáze na závadu. Naopak. Naplavené vrstvy jsou díky nim více stabilní a odolné proti případným tlakovým rázům v průběhu filtrace, kterým je ale třeba se důsledně vyvarovat. 28

8 3 7 4 10 9 5 2 6 Obr. 4 Schéma kontinuálně naplavovaného křemelinového filtru s horizontálně umístěnými nosiči (podle Ribéreau-Gayon et al., 2006) 1 Je doporučováno naplavovat obě přípravné vrstvy pomocí vody nebo vyfiltrovaného vína. Jakmile jsou obě vrstvy naplaveny, může začít filtrace vína. Vnější povrch naplavené vrstvy je neustále obnovován kontinuálním naplavováním stejného filtračního média, jako je ve druhé vrstvě, nebo směsí médií. Díky tomu nedochází k rychlému ucpávání filtrační vrstvy a prodlužuje se délka filtračního cyklu. Pokud se filtruje víno, které se bude následně lahvovat, je třeba ke kontinuálnímu naplavování použít křemelinu jemnější, než byla křemelina použitá k vytvoření první podpůrné vrstvy. Množství dávkované křemeliny kolísá od 20 do 200 g/hl filtrovaného vína a může být v případě vysoce zakalených vín i vyšší. Diferenční tlak je zpočátku nízký a může se postupně zvyšovat v závislosti na nastavení procesu naplavování. Optimální filtrační podmínky odpovídají růstu tlaku 0,1 až 1 bar za hodinu po celou dobu filtračního cyklu. Pokud je množství naplavovaného média nedostatečné, efektivita filtrace klesá, filtrační vrstva se ucpává, tlak rychle vzrůstá a filtrační cyklus se zkracuje. Pokud je množství naplavovaného média zbytečně vysoké, tlak sice vzrůstá velice pomalu, ale filtrační cyklus se zkracuje nadbytečných zaplňováním filtrační 29

komory filtračním médiem. Rychlost průtoku vína filtrem při filtraci je znázorněna v závislosti na typu použitého filtračního média v tabulce 2. Kvalitu filtrace je třeba v průběhu celého filtračního cyklu kontrolovat. Proces kontroly může být automatizován. Hlavní příčinou nedostatečného čištění vína při filtraci je příliš hrubé filtrační médium, které není schopné zachytit všechny drobnější nečistoty. Náhlé změny tlaku během filtrace v kombinaci s chybnou obsluhou filtru mohou poničit filtrační vrstvu, ze které se následně uvolňují kalové částice znečišťující vyfiltrované víno. Další příčinou nedostatečného čištění vína je ucpávání nosičů filtračního média mechanickou překážkou. V takovém místě nedochází k cirkulaci tekutiny a naplavování filtrační vrstvy. Jakmile ale dojde ke vzrůstu tlaku, překážka je vytlačena a víno začíná procházet uvolněnou oblastí, aniž by bylo vyčištěno, protože filtrační vrstva média v tomto místě neexistuje. Po ukončení filtračního cyklu, tj. po vyfiltrování vína zbylého ve filtračním zvonu, musí být filtr důkladně umyt a vysušen. Pravidelné chemické čištění a odstraňování vinného kamene nezbytné. Kalolisy Kalolisy se využívají k filtraci kapalin s vysokým obsahem pevných kalových částic. Tzn. k filtraci usazenin po statické sedimentaci bílých moštů, k filtraci kvasničných kalů po skončení fermentace a k filtraci usazených kalů a čiřidel po čiření a stočení vín. Schéma kalolisu je znázorněno na obrázku 5. Kalolis se skládá ze sady polypropylenových desek (1) popř. pružných membránových desek (2) se schopností stlačovat filtrační koláč prostřednictvím obvodu s tlakovým vzduchem (3). Desky jsou zasazeny do rámu z nerezové oceli (4) a pevně jsou stlačeny hydraulickým pístem. Na tyto desky se napínají polypropylenové filtrační plachetky (5), které uvnitř filtru mezi sebou uzavírají filtrační komory (6), do kterých je vysokotlakým pístovým čerpadlem (7) dopravována filtrovaná kapalina centrálně vytvořeným přívodním kanálem (8). Pístové čerpadlo je vybaveno vyrovnávací tlakovou nádrží (9). Po průchodu filtrované kapaliny filtrační vrstvou, která se tvoří na plachetkách, pokračuje filtrát výstupními kanálky v deskách do sběrného potrubí (10) a následně ven z filtru. Tlakem vzduchu se na závěr filtrace vysuší vzniklé filtrační koláče a kaly se téměř suché odstraní. 30