La filtration est l'une des dernières étapes importantes du processus avant que la bière n'atteigne la cuve de bière claire ou la chaîne de conditionnement, mais il ne s'agit pas simplement de rendre la bière aussi limpide que possible.
Une bière fraîchement fermentée peut encore contenir de la levure, des particules de houblon, des matières protéiques et d’autres solides en suspension. La quantité et la nature de ces éléments varient considérablement en fonction du style de bière, du procédé de fermentation, de la durée de maturation et de la pratique du « dry hopping ». Un système de filtration doit donc faire plus que simplement éliminer les particules. Il doit être adapté à la bière, au calendrier de production et au reste de la brasserie.
Pour une brasserie, un système de filtration au kieselguhr classique peut constituer le choix le plus pratique. Une autre pourrait tirer profit d’une clarification centrifuge avant la filtration, tandis qu’une brasserie produisant des bières de spécialité sélectionnées n’aura peut-être aucune raison de rechercher une clarté exceptionnelle. La filtration sur membrane, la filtration en profondeur et la filtration sur cartouche ont également leur place lorsque le processus exige une séparation plus fine ou un contrôle en aval plus rigoureux.
Le choix du système de filtration de la bière approprié relève donc davantage d'une décision relative à la conception du procédé que d'un simple achat d'équipement.
Que devient la bière après la fermentation ?
Les exigences en matière de clarification de la bière évoluent au fur et à mesure de son passage dans la cave.
Une fois la fermentation terminée, la bière est loin d'être un liquide parfaitement limpide. La levure reste en suspension dans la bière, tandis que les protéines, les polyphénols, les résidus de houblon et d'autres matières colloïdales peuvent contribuer à son trouble. Certaines de ces matières solides se déposent naturellement au cours de la maturation, mais la quantité restant en suspension peut tout de même être importante.
C'est important car un filtre fin fonctionne beaucoup plus efficacement lorsqu'il n'est pas surchargé par de grandes quantités de levure et de matières solides. Une forte charge en matières solides peut augmenter la perte de charge, réduire la durée de vie du filtre et accroître la quantité de bière retenue dans le milieu filtrant.
C'est pourquoi les brasseries considèrent souvent la clarification comme une série d'étapes plutôt que comme une opération unique :
Fermentation → Maturation → Clarification primaire → Filtration fine → Bière claire → Conditionnement
Toutes les bières ne nécessitent pas toutes les étapes. Le processus peut être raccourci pour les bières naturellement troubles, tandis qu'une grande brasserie industrielle peut recourir à plusieurs étapes de clarification et de filtration afin d'assurer un débit stable et une qualité constante de la bière finie.
Selon la Brewers Association, la clarification de la bière consiste en une combinaison de méthodes de séparation et de filtration, les systèmes à membrane étant couramment utilisés pour la filtration de finition ou de stérilisation, et souvent précédés d'une centrifugation ou d'une filtration à pré-revêtement.
Les principales technologies de filtration et de séparation de la bière
Bien que les brasseries utilisent souvent le terme “ filtre ” pour désigner l'ensemble des équipements de clarification, les différents systèmes fonctionnent de manière très différente.
| Technologie | Comment ça marche ? | Fonction type |
|---|---|---|
| Centrifugeuse à bière | Sépare les matières solides grâce à la force centrifuge | Décantation primaire, séparation des levures, préfiltration |
| Filtre à kieselguhr | Permet de former un gâteau de filtration poreux à l'aide de terre de diatomées | Clarification traditionnelle de la bière |
| Filtre à plaques et à cadres | Fait passer la bière à travers des feuilles filtrantes | Clarification et affinage en batch |
| Filtre en profondeur | Retient les particules à travers un milieu poreux | Clarification détaillée |
| Filtre à cartouche | Utilise des médias filtrants spécifiques pour une rétention contrôlée des particules | Polissage et protection en aval |
| Filtre à membrane / à flux transversal | Sépare la bière à l'aide d'une membrane sélective | Filtration fine et réduction de la charge microbienne |
| Filtre à manches | Retient les particules grossières dans un sac filtrant remplaçable | Préfiltration ou filtration auxiliaire |
Ces systèmes ne doivent pas être considérés comme des versions interchangeables d'une même machine. Une centrifugeuse n'utilise aucun milieu filtrant, tandis qu'un système à kieselguhr repose sur un gâteau de filtration. Un système à membrane s'appuie sur les caractéristiques de la membrane et les conditions de fonctionnement plutôt que sur le même mécanisme de filtration que celui utilisé par les filtres en profondeur classiques.
La question concrète n'est donc pas “ Quel est le filtre le plus fin ? ”, mais “ Que doit éliminer ce procédé, et à quel moment cette élimination doit-elle avoir lieu ? ”
Centrifugeuse à bière : éliminez les matières solides avant qu'elles n'atteignent le filtre
Une centrifugeuse à bière à empilement de disques est avant tout une machine de séparation. Au lieu de faire passer la bière à travers un milieu filtrant, elle utilise la force centrifuge pour séparer la levure et les solides en suspension de la phase liquide.
À l'intérieur du bol rotatif, un empilement de disques coniques crée une vaste zone de séparation efficace. Le champ centrifuge ainsi généré permet aux solides en suspension de se séparer beaucoup plus rapidement qu'ils ne le feraient sous l'effet de la seule gravité.
Dans une brasserie, une centrifugeuse peut être utilisée pour la clarification de la bière brute, la séparation de la levure, la pré-clarification avant la filtration en aval et certaines applications de récupération de la bière.
Son rôle le plus important dans une chaîne de filtration se situe souvent en amont.
Si une grande partie de la charge de levure peut être éliminée avant que la bière ne passe dans un filtre fin, le système en aval a moins de matières solides à retenir. Cela permet de réduire la charge sur le filtre et contribue à maintenir un débit de filtration plus stable. Les recommandations du secteur décrivent également la centrifugation comme une étape de pré-clarification utile pour prolonger les cycles de filtration suivants et réduire la consommation d'adjuvant de filtration.
Cette question prend de plus en plus d'importance à mesure que la production des brasseries augmente. À des débits plus élevés, la filtration n'est plus seulement une question de qualité du produit. Le remplacement des filtres, le temps de nettoyage, les consommables, la récupération de la bière et le renouvellement des cuves commencent tous à influencer la rentabilité de la production.
Il est donc souvent préférable de considérer la centrifugeuse comme s'inscrivant dans une stratégie de clarification plus large plutôt que comme un substitut direct à toutes les autres technologies de filtration.
La filtration au kieselguhr reste une norme couramment utilisée dans le secteur brassicole
Le kieselguhr, également appelé « terre de diatomées » ou « DE », est utilisé dans les brasseries depuis des décennies et reste l’une des méthodes les plus courantes pour obtenir une bière limpide.
Le principe est simple. Un adjuvant de filtration est déposé sur les éléments filtrants afin de former un gâteau poreux. Lorsque la bière traverse ce gâteau, la levure et les autres particules en suspension sont retenues dans la couche filtrante.
Un système classique peut comprendre bien plus que le simple réservoir de filtration principal. En fonction du procédé, l'installation peut inclure un réservoir de dosage ou d'alimentation en kieselguhr, un réservoir de mélange, des réservoirs tampons amont et aval, un filtre à bougies et un piège ou une étape de polissage en aval. Les projets de brasserie développés par StartBrewery utilisent ce type de configuration de filtration intégrée.
L'un des atouts de la filtration DE réside dans sa capacité à traiter une charge en matières solides relativement élevée tout en permettant d'obtenir une bière finale limpide.
Le compromis réside dans l'utilisation d'un adjuvant de filtration consommable. La brasserie doit manipuler, doser et éliminer la kieselguhr usagée, et une partie de la bière reste piégée dans le gâteau de filtration. Ce ne sont pas nécessairement des raisons d'écarter cette technologie, mais ce sont des éléments importants à prendre en compte lors de la comparaison de différentes stratégies de filtration.
Pour les brasseries qui utilisent déjà des technologies de fabrication conventionnelles et dont les calendriers de production sont prévisibles, la filtration au kieselguhr peut tout de même constituer un élément pertinent dans la conception globale de l'usine.
Filtres à plaques et à cadres pour une filtration discontinue flexible
Les filtres à plaques et à cadres fonctionnent en faisant passer la bière à travers des feuilles filtrantes installées entre une série de plaques.
Elles sont particulièrement adaptées au traitement par lots, car la surface filtrante et les caractéristiques des feuilles filtrantes peuvent être adaptées à l'application requise. Il est possible de choisir différentes qualités de feuilles filtrantes selon que la brasserie a besoin d'une clarification grossière, d'une filtration plus fine ou d'un polissage final.
Cette flexibilité peut s'avérer utile pour les brasseries de petite et moyenne taille, en particulier celles qui produisent plusieurs styles de bière avec des objectifs de clarté différents.
L'intervention de l'opérateur est toutefois plus importante que dans le cas des systèmes de filtration hautement automatisés. Les unités traditionnelles à plaques et cadres doivent être ouvertes lors de la mise en place ou du remplacement des feuilles filtrantes, et la manipulation des filtres fait alors partie des tâches de production courantes.
Cela peut tout à fait convenir à une petite brasserie, pour laquelle la flexibilité et un coût initial d'équipement réduit priment sur un fonctionnement automatisé en continu.
Filtration en profondeur et filtration sur cartouche
Les filtres en profondeur et les filtres à cartouche occupent une place différente dans le processus par rapport à la clarification primaire intensive.
La filtration en profondeur utilise un milieu poreux qui retient les particules dans toute sa structure, et non pas uniquement à sa surface. Elle est souvent utilisée lorsque la bière a déjà été largement clarifiée et nécessite un polissage supplémentaire.
Les filtres à cartouche permettent une rétention plus contrôlée des particules et sont généralement installés en aval afin de protéger les équipements d'emballage ou d'atteindre un niveau spécifique de réduction des particules.
Ces systèmes s'avèrent particulièrement utiles lorsque l'étape principale de filtration a déjà éliminé la majeure partie des levures et des matières en suspension. L'utilisation d'un filtre très fin sur une bière très chargée s'avère généralement inefficace. La séquence de filtration fonctionne mieux lorsque chaque étape traite le type de matières solides pour lequel elle a été conçue.
Dans la pratique, cela signifie souvent qu'une brasserie peut recourir à une centrifugeuse ou à une filtration en profondeur classique pour éliminer les matières solides en vrac, puis à un filtre plus fin pour le polissage.
Filtration membranaire et filtration tangentielle
La filtration membranaire offre une autre approche de la clarification de la bière, en particulier pour les brasseries qui cherchent à réduire ou à éliminer l'utilisation d'adjuvants de filtration.
Dans la filtration à flux transversal, la bière s'écoule tangentiellement à travers la membrane au lieu d'être poussée directement à travers un gâteau de filtration fixe. Une partie du liquide traverse la membrane, tandis que les matières retenues restent du côté alimentation et sont emportées par le flux.
En fonction du type de membrane et de la conception du procédé, la filtration membranaire peut être utilisée pour la clarification fine, le polissage et la réduction de la charge microbienne. Elle permet également de mettre en place un procédé en circuit fermé présentant un haut niveau d'automatisation.
Le principal défi technique réside dans l'encrassement des membranes.
Si une membrane est exposée à de la bière contenant une quantité excessive de levures ou de matières colloïdales, sa surface peut s'encrasser rapidement, ce qui peut nuire aux performances de filtration. En d'autres termes, le passage de la filtration sur kieselguhr à la filtration tangentielle ne simplifie pas automatiquement le processus. L'étape de clarification en amont, le choix de la membrane, les conditions de fonctionnement et la procédure de nettoyage en place (CIP) revêtent alors tous une importance capitale.
C'est pourquoi les brasseries qui envisagent de recourir à la filtration sur membrane devraient examiner l'ensemble du processus plutôt que d'évaluer le module de filtration sur membrane de manière isolée. Une étape de clarification en amont bien conçue peut avoir un impact considérable sur la durée de fonctionnement des membranes et sur le rendement global du système.
Les filtres à manches jouent un rôle plus limité
Les filtres à manches sont parfois intégrés aux systèmes de filtration des brasseries, mais ils jouent généralement un rôle secondaire et ne constituent pas le filtre final principal de la bière.
Un filtre à manches peut s'avérer utile pour éliminer les particules relativement grossières ou pour protéger les équipements en aval contre les particules solides de plus grande taille. Dans ce cas, le processus peut se présenter comme suit :
Séparation grossière → Filtre à manches → Filtration fine
L'essentiel est de déterminer ce que le filtre à manches est censé protéger et quelle charge de particules il est censé traiter. Il ne faut pas le choisir simplement parce qu'il est bon marché ou facile à remplacer.
Pour une bière finie qui doit présenter un aspect stable et limpide, il est généralement nécessaire de mettre en place en aval un système de clarification et de filtration plus ciblé.
Toutes les bières nécessitent-elles le même niveau de filtration ?
Non. C'est l'un des aspects les plus faciles à négliger lors de la conception d'une brasserie. La filtration doit mettre en valeur la bière souhaitée plutôt que d'imposer à tous les produits la même apparence visuelle.
lager et pilsner
Les bières blondes traditionnelles et les pilsner se caractérisent souvent par un aspect limpide et brillant. Une maturation prolongée à froid favorise déjà la clarification naturelle, mais la production industrielle peut néanmoins nécessiter une filtration supplémentaire pour obtenir la stabilité visuelle et la reproductibilité souhaitées.
Un procédé classique peut associer une clarification primaire à une filtration sur kieselguhr et à une étape de finition. Les brasseries de plus grande taille peuvent recourir à une clarification par centrifugation afin de réduire la charge en matières solides avant le filtre principal.
Les IPA et autres bières aux arômes prononcés de houblon
Les bières très houblonnées peuvent présenter un comportement différent, car des particules de houblon et un trouble lié aux polyphénols peuvent subsister après la fermentation et le houblonnage à froid.
La clarté maximale n'est pas toujours l'objectif.
Pour certaines IPA et d’autres styles modernes mettant en avant le houblon, une filtration trop intensive risque d’éliminer plus d’éléments que le brasseur ne le souhaite. L’arôme, la sensation en bouche et l’aspect sont tous des critères importants ; il est donc nécessaire de définir l’objectif de filtration avant de choisir l’équipement.
La bonne question serait peut-être de savoir quelle quantité de trouble il faut éliminer, plutôt que de se demander comment obtenir une bière d'une clarté éclatante.
la bière de blé et les bières naturellement troubles
La bière de blé et d'autres styles naturellement troubles peuvent présenter un aspect trouble recherché.
Dans ces cas-là, une filtration poussée peut s'avérer superflue. Une brasserie peut choisir de ne procéder qu'à la séparation nécessaire pour contrôler les matières solides indésirables ou protéger le processus de mise en bouteille, tout en conservant la turbidité souhaitée dans le produit.
C'est pourquoi un système de filtration doit être conçu en fonction de la gamme de produits réelle de la brasserie, plutôt que de se baser sur une spécification de filtration universelle.
Quels sont les critères à prendre en compte lors du choix d'un équipement de filtration pour brasserie ?
Le choix des équipements de filtration doit être effectué en tenant compte des processus en amont et en aval.
Le premier élément à prendre en compte est la bière elle-même. Une lager limpide, une IPA houblonnée à sec et une bière de blé naturellement trouble imposent des exigences différentes en matière de filtration.
Le deuxième facteur est l'encrassement par les matières solides. La concentration en levures et en matières en suspension a une incidence directe sur la vitesse d'encrassement d'un filtre. La clarification en amont peut donc influencer les performances et les coûts d'exploitation de toutes les étapes suivantes.
La capacité de production est un autre facteur déterminant. Un filtre discontinu compact peut tout à fait convenir à une petite brasserie artisanale, tandis qu'une brasserie commerciale de plus grande envergure peut avoir besoin d'une clarification en continu, d'un fonctionnement automatisé du filtre et d'un débit plus élevé.
Les pertes de produit méritent également qu'on s'y attarde. Tout milieu filtrant retient une certaine quantité de liquide, qu'il s'agisse de bière piégée dans un gâteau de filtration ou de produit restant dans un élément filtrant jetable. Pour une brasserie produisant de grands volumes, des pertes en pourcentage relativement faibles peuvent devenir un enjeu économique important.
Les consommables revêtent une importance tout aussi grande. Le kieselguhr, les feuilles filtrantes et les cartouches filtrantes génèrent tous des coûts d'exploitation récurrents. Les systèmes à membranes réduisent la dépendance vis-à-vis des supports de filtration jetables, mais imposent de nouvelles exigences en matière de nettoyage, de surveillance et de remplacement des membranes.
Enfin, le système de filtration doit s'intégrer à la stratégie de nettoyage en place (CIP) et d'automatisation de la brasserie. Un filtre qui semble performant sur le papier peut tout de même poser des problèmes opérationnels si son cycle de nettoyage, ses instruments de mesure ou son système de transfert ne sont pas adaptés au reste de la cave.
Conception d'un système de filtration intégré à la brasserie
Une machine de filtration fonctionne rarement seule.
L'équipement doit s'intégrer de manière cohérente aux cuves de fermentation, aux cuves de maturation, aux cuves de bière claire, aux pompes, à la tuyauterie sanitaire, aux systèmes CIP, au système de gestion du CO₂ et à la ligne de conditionnement. Les capacités de stockage et de régulation peuvent également influencer le mode de fonctionnement du système de filtration.
Pour une petite brasserie artisanale, les priorités en matière de conception peuvent être la simplicité d'utilisation, une filtration par lots flexible et un investissement en capital raisonnable.
Dans le cas d'une brasserie industrielle de plus grande envergure, la conception peut mettre davantage l'accent sur la clarification en continu, l'automatisation, la stabilité du cycle de filtration, la récupération de la bière, l'efficacité du nettoyage en place (CIP) et l'intégration au système global de contrôle de la production.
StartBrewery aborde la filtration brassicole sous cet angle global de l'installation. Ses projets brassicoles comprennent des équipements de filtration et de clarification, ainsi que des systèmes de fermentation, de stockage de la bière claire, de nettoyage en place (CIP), de réfrigération, d'alimentation en services, d'automatisation et de remplissage. Les configurations de projets existantes montrent également l'utilisation de centrifugeuses et de la filtration au kieselguhr dans les grandes installations brassicoles, tandis que les systèmes plus petits peuvent être configurés autour d'un dispositif de filtration plus compact.
C'est le système de filtration qui doit s'adapter à la brasserie, et non l'inverse.
Il n'existe pas de technologie de filtration unique qui convienne à toutes les brasseries.
La clarification centrifuge s'avère utile lorsqu'il est nécessaire d'éliminer rapidement la levure et les matières solides avant la filtration en aval. Le kieselguhr reste une solution conventionnelle pratique pour la clarification de la bière. Les filtres à plaques et à cadres offrent une grande flexibilité pour la production par lots, tandis que les filtres en profondeur et à cartouche sont utiles pour le polissage et la filtration en aval contrôlée. Les systèmes à membrane à flux transversal constituent une autre option lorsque la brasserie recherche un traitement en circuit fermé, hautement automatisé et sans kieselguhr.
La meilleure configuration dépend du type de bière, de la charge en matières solides, du degré de clarté requis, du volume de production, des exigences en matière de conditionnement et de la stratégie d'exploitation.
C'est pourquoi StartBrewery ne considère pas la filtration comme un simple choix d'équipement isolé. L'étape de clarification, le type de filtre, la capacité tampon, le système CIP, l'automatisation et les exigences en matière de conditionnement en aval doivent tous s'intégrer au sein d'un processus de brassage global.
Lorsqu'on envisage la création d'une nouvelle brasserie ou la modernisation d'une ligne de filtration existante, il convient de partir de la bière que l'on souhaite produire et de l'objectif de production à atteindre. Le choix des équipements s'effectuera ensuite en fonction de ces exigences.
