Đồ án thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây 75 triệu lít

Đề tài thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây công nghệ lên men hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm tối ưu quy trình và chi phí.

• Tác giả: Lê Thị Ngọc Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Lê Lý Thùy Trâm
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm
• Loại tài liệu: Đồ án công nghệ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây

Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại là giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế. Phương pháp này kết hợp quy trình sản xuất bia truyền thống với công nghệ chiết xuất hương vị trái cây, tạo ra sản phẩm có hương thơm đặc trưng, độ cồn vừa phải và giá trị dinh dưỡng cao. Với năng suất 75 triệu lít/năm, phân xưởng cần tích hợp hệ thống thiết bị hiện đại như thùng lên men kín, hệ thống trao đổi nhiệt, và dây chuyền chiết rót tự động. Mục tiêu chính là tối ưu hóa quá trình lên men, giảm thiểu thất thoát nguyên liệu và đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Công nghệ này còn giúp doanh nghiệp cạnh tranh tốt hơn trong thị trường bia đa dạng hóa sản phẩm.

1.1. Đặc điểm của bia phối vị trái cây

Bia phối vị trái cây là sản phẩm kết hợp giữa bia truyền thống và hương vị tự nhiên từ trái cây. Quá trình sản xuất yêu cầu kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, thời gian lên men và tỷ lệ phối trộn nguyên liệu. Trái cây tươi hoặc dịch chiết trái cây được bổ sung vào giai đoạn lên men phụ hoặc sau khi lọc, nhằm duy trì hương vị tự nhiên và ngăn ngừa biến đổi chất lượng. Độ brix của dịch đường thường dao động từ 11-12%, trong khi tỷ lệ trái cây chiếm 5-15% tổng khối lượng. Sản phẩm cuối cùng có độ cồn từ 4,5-6,5%, độ pH 4,2-4,5, đảm bảo an toàn và hấp dẫn người tiêu dùng.

1.2. Lợi ích của phương pháp lên men hiện đại

Phương pháp lên men hiện đại sử dụng nấm men chủng chọn lọc và hệ thống kiểm soát tự động, giúp rút ngắn thời gian sản xuất từ 2-3 tuần xuống còn 7-10 ngày. Công nghệ này còn giảm thiểu sự hình thành các hợp chất gây vị lạ như diaxetyl hay aldehyd, nhờ kiểm soát chính xác nhiệt độ (12-15°C) và hàm lượng oxy hòa tan. Ngoài ra, hệ thống thu hồi CO2 trong quá trình lên men giúp tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm phát thải. Phương pháp này còn hỗ trợ sản xuất bia hữu cơ, đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao về sản phẩm sạch và thân thiện môi trường.

II. Phân tích nhu cầu và thách thức trong sản xuất bia phối vị trái cây

Thị trường bia phối vị trái cây tại Việt Nam đang phát triển nhanh chóng với nhu cầu tiêu thụ tăng 15-20% mỗi năm. Người tiêu dùng ưa chuộng sản phẩm có hương vị tự nhiên, ít chất bảo quản và có lợi cho sức khỏe. Tuy nhiên, sản xuất bia phối vị trái cây gặp nhiều thách thức như biến động giá nguyên liệu, khó khăn trong kiểm soát chất lượng hương vị, và yêu cầu cao về vệ sinh an toàn thực phẩm. Ngoài ra, quá trình phối trộn trái cây dễ gây nhiễm khuẩn nếu không tuân thủ quy trình vô trùng. Áp lực cạnh tranh từ các thương hiệu quốc tế cũng đòi hỏi doanh nghiệp phải đầu tư vào công nghệ hiện đại để nâng cao năng suất và chất lượng.

2.1. Nhu cầu thị trường đối với bia phối vị trái cây

Bia phối vị trái cây thu hút nhóm khách hàng trẻ tuổi, yêu thích đồ uống có hương vị mới lạ và tốt cho sức khỏe. Theo khảo sát, 68% người tiêu dùng sẵn sàng trả giá cao hơn cho sản phẩm bia có thành phần tự nhiên. Các hương vị phổ biến bao gồm cam, chanh dây, dâu tây và việt quất, chiếm 70% doanh số. Sự đa dạng hóa sản phẩm giúp doanh nghiệp mở rộng thị trường, đặc biệt là các phân khúc khách hàng khó tính tại thành phố lớn. Tuy nhiên, yêu cầu về bao bì thân thiện môi trường cũng đang trở thành tiêu chuẩn bắt buộc.

2.2. Thách thức trong kiểm soát chất lượng hương vị

Khó khăn lớn nhất trong sản xuất bia phối vị trái cây là duy trì sự ổn định của hương vị do đặc tính dễ biến đổi của trái cây. Sự chênh lệch về chất lượng nguyên liệu theo mùa vụ ảnh hưởng trực tiếp đến hương vị sản phẩm. Ngoài ra, quá trình lên men có thể tạo ra các hợp chất gây vị lạ nếu không kiểm soát tốt nhiệt độ và thời gian. Phương pháp kiểm soát cảm quan bằng chuyên gia vẫn chiếm ưu thế, nhưng tốn nhiều thời gian và chi phí. Do đó, đầu tư vào công nghệ cảm biến và hệ thống phân tích tự động trở thành giải pháp tối ưu.

III. Giải pháp thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây

Giải pháp thiết kế phân xưởng tập trung vào tích hợp công nghệ hiện đại và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Hệ thống lên men kín với khả năng kiểm soát nhiệt độ ±0,5°C đảm bảo quá trình lên men diễn ra ổn định. Dây chuyền chiết rót tự động với hệ thống vô trùng đạt tiêu chuẩn GMP giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm khuẩn. Phòng thí nghiệm nội bộ được trang bị thiết bị phân tích sắc ký khí và quang phổ để kiểm soát chất lượng nguyên liệu và sản phẩm. Ngoài ra, hệ thống quản lý năng lượng thông minh giúp tiết kiệm 15-20% chi phí vận hành. Phân xưởng cũng được thiết kế theo mô hình xanh, tích hợp hệ thống xử lý nước thải sinh học.

3.1. Quy trình sản xuất bia phối vị trái cây

Quy trình bắt đầu từ khâu chuẩn bị nguyên liệu: malt vàng, gạo, đường và dịch chiết trái cây. Giai đoạn nấu dịch đường diễn ra ở nhiệt độ 100°C trong 2 giờ, sau đó bổ sung enzyme Termamyl để thủy phân tinh bột. Quá trình lên men chính diễn ra trong 7 ngày ở nhiệt độ 12-15°C với nấm men chủng Saccharomyces cerevisiae. Sau khi đạt độ cồn mong muốn, dịch bia được lọc và bổ sung dịch chiết trái cây (5-10%) trong giai đoạn lên men phụ. Cuối cùng, sản phẩm được chiết rót vào chai thủy tinh hoặc lon nhôm, tiệt trùng và đóng gói.

3.2. Hệ thống thiết bị và công nghệ tiên tiến

Phân xưởng sử dụng hệ thống nồi nấu 3 tầng (mash tun, lauter tun, nồi nấu) với dung tích 12.000 lít. Hệ thống lên men gồm 12 thùng thép không gỉ dung tích 20.000 lít, trang bị cánh khuấy tốc độ chậm và hệ thống làm lạnh kín. Máy chiết rót tự động 40.000 chai/giờ với hệ thống vô trùng bằng hơi nước nóng. Ngoài ra, phòng thí nghiệm được trang bị sắc ký khí GC-MS để phân tích thành phần hương vị và vi sinh vật. Hệ thống quản lý sản xuất MES tích hợp giúp giám sát toàn bộ quy trình theo thời gian thực.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của thiết kế

Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại là giải pháp toàn diện đáp ứng nhu cầu thị trường và xu hướng tiêu dùng. Với năng suất 75 triệu lít/năm, phân xưởng có thể sản xuất đa dạng sản phẩm với hương vị ổn định và chất lượng cao. Áp dụng công nghệ hiện đại giúp giảm 30% thời gian sản xuất, tiết kiệm 25% chi phí nguyên liệu và tăng 40% hiệu suất lao động. Kết quả thử nghiệm cho thấy sản phẩm đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm, độ cồn 5,2%, độ pH 4,3 và thời hạn sử dụng 6 tháng. Ứng dụng mô hình này không chỉ mang lại lợi nhuận kinh tế mà còn góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp bia Việt Nam phát triển bền vững.

4.1. Hiệu quả kinh tế và môi trường

Dự án ước tính vốn đầu tư ban đầu là 50 tỷ đồng, nhưng thời gian hoàn vốn chỉ 4,5 năm nhờ hiệu quả sản xuất cao. Hệ thống thu hồi CO2 giúp tiết kiệm 2 tỷ đồng/năm chi phí sản xuất. Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT, có thể tái sử dụng cho sản xuất. Giảm 50% lượng chất thải rắn nhờ tái chế bã malt và vỏ trái cây. Ngoài ra, sản phẩm đạt chứng nhận hữu cơ, giúp tăng giá bán lên 15-20% so với bia truyền thống.

4.2. Triển vọng phát triển và mở rộng thị trường

Thị trường bia phối vị trái cây có tiềm năng tăng trưởng 25% trong 5 năm tới, đặc biệt tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP.HCM và Đà Nẵng. Doanh nghiệp có thể mở rộng sản xuất các dòng sản phẩm mới như bia phối vị trái cây hữu cơ, bia không cồn phối vị, hoặc bia lên men tự nhiên. Hợp tác với các nông trại địa phương để đảm bảo nguồn nguyên liệu ổn định và chất lượng. Ngoài ra, xuất khẩu sang thị trường châu Âu và Mỹ sẽ mang lại doanh thu cao hơn nhờ nhu cầu tiêu thụ sản phẩm sạch và đa dạng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về bia Bia là sản phẩm thức uống có cồn, nồng độ cồn thấp (3 – 8%) được lên men từ malt đại mạch và hoa houblon. Bia có truyền thống lâu đời, có giá trị dinh dưỡng cao và có độ cồn thấp, mùi vị thơm, ngon và bổ dưỡng. Đặc biệt, nhờ có CO 2 giữ được trong bia nên tạo nhiều bọt khi rót, bọt là đặc tính ưu việt của bia so với những loại nước giải khát khác. Về mặt dinh dưỡng, một lít bia có chất lượng trung bình tương đương với 25g thịt bò hoặc 150g bánh mỳ loại một, hoặc tương đương với nhiệt lượng là 500 kcal.

Vì vậy bia được mệnh danh là bánh mỳ nước. Ngoài ra trong bia còn có vitamin B1, B2, nhiều vitamin PP và axit amin rất cần thiết cho cơ thể. Theo Hopkins, trong 100 ml bia 10% chất khô có: 2,5 - 5mg vitamin B1, 35 - 36 mg vitamin B2 và PP [1]. Ngoài việc cung cấp một lượng calori khá lớn, trong bia còn chứa một hệ enzim khá phong phú, đặc biệt là nhóm enzim kích thích tiêu hóa amylaza.

Được sản xuất từ các loại nguyên liệu chính là đại mạch ươm mầm, hoa houblon và nước với một quy trình công nghệ khá đặc biệt, cho nên bia có các tính chất cảm quan rất hấp dẫn đối với con người: hương thơm đặc trung, vị đắng dịu, lớp bọt trắng mịn, hàm lượng CO 2 khá cao (4 – 5g/l) giúp cơ thể con người giải khát một cách triệt để khi uống [2]. Trong khoảng 10 năm trở lại đây ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và công nghiệp sản xuất bia nói riêng của nước ta đã có một diện mạo mới. Lượng bia sản xuất được ngày càng tăng, số người tiêu thụ và quan tâm đến công nghệ sản xuất bia ngày nhiều. Đòi hỏi tính sáng tạo và đột phá cao trong quá trình sản xuất bia để có thể cạnh tranh với các nhãn hiệu bia trong và ngoài nước.

1: Hình ảnh về bia [3] SVTH : Lê Thị Ngọc Hiếu SVTH : TS. Lê Lý Thùy Trâm Trang 1 Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm 1.1 Phân loại bia: Bia được phân loại theo các tiêu chí sau:  Theo Màu sắc: Màu sắc của bia được phân bố từ vàng đến đen, được quyết định chủ yếu bởi màu sắc của malt (tùy vào độ sấy mà malt sẽ có màu khác nhau). 2: Phân loại bia theo màu sắc [23].  Theo Công nghệ sản xuất: Gồm có phương pháp truyền thống (cổ điển) và phương pháp hiện đại.

Khác biệt chính giữa hai phương pháp này là cách thực hiện quá trình lên men bia. Trong phương pháp truyền thống, hai quá trình lên men chính và phụ được thực hiện ở hai thiết bị riêng biệt, còn ở phương pháp lên men hiện đại thì cả hai quá trình lên men chính và phụ đều được thực hiện trong cùng một thiết bị. Bia sản xuất theo phương pháp truyền thống sẽ ngon hơn và công nghệ sản xuất sẽ đơn giản hơn phương pháp hiện đại. Tuy nhiên, thời gian lên men ở phương pháp truyền thống sẽ dài hơn nên giá thành sẽ đắt hơn.

Trong hai phương pháp truyền thống và hiện đại bia có thể được lên men liên tục hoặc hiện đại.  Theo công nghệ lên men: gồm lên men chìm và lên men nổi: - Lên men chìm: bia làm theo phương pháp này được lên men ở nhiệt độ thấp (khoảng 7 - 12⁰C) và men bia nằm ở đáy thùng chứa. Loại bia này được gọi là bia Lager, có màu sáng, hương vị mạnh của hoa bia và có nồng độ etanol từ 3 - 6% [24]. - Lên men nổi (hay còn gọi là bia Ale): phương pháp lên men khác với bia Lager, được lên men ở nhiệt độ cao hơn (18 - 23 ⁰C).

Men bia nổi trên mặt thùng chứa, có nồng độ etanol cao hơn bia Lager, vị bia ngọt có mùi vị của hoa bia hay các loại trái cây như: táo, lê…. SVTH : Lê Thị Ngọc Hiếu SVTH : TS. Lê Lý Thùy Trâm Trang 2 Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm Bảng 1. 1: Ưu và nhược điểm của hai công nghệ lên men này: Lên men chìm Lên men nổi (sử dụng nấm men Saccharomyces (sử dụng nấm men Saccharomyces Carlbergensis) cerevisiae) Ưu điểm - Nấm men có khả năng kết bông - Nhiệt độ lên men cao nên đỡ lắng xuống đáy khi nhiệt độ làm lạnh bằng tác nhân lạnh.

giảm (lên men phụ), dễ dàng rút - Thời gian lên men chính ngắn men. nên tạo ra bia có nồng độ cồn - Bia ngon hơn. Nhược điểm - Thời gian lên men dài. - Gây phức tạp cho công đoạn - Nấm men chịu được nồng độ loại nấm men và sinh khối.

- Hương vị bia không đậm đà như lên men chìm  Theo độ thanh trùng: - Bia thanh trùng (bia lon, bia chai): yêu cầu bảo quản lạnh và thời gian bảo quản dài. - Bia không thnah trùng (bia hơi, bia tươi): ngon hơn và thơm hơn bia thanh trùng vì khi thanh trùng sẽ làm mất đi một số chất và thành phần tạo hương vị thơm ngon cho bia. Tuy nhiên, bia không thanh trùng không bảo quản được lâu mà chỉ nên sử dụng trong vòng 48h kể từ khi sản xuất.  Theo nồng độ cồn: bia được chia làm 3 loại chính: - Bia không cồn: Ở Mỹ nếu lượng còn nhỏ hơn 0.5% thì được coi như là không có etanol.

3: Sản phẩm bia không cồn trên thị trường Việt Nam [25]. SVTH : Lê Thị Ngọc Hiếu SVTH : TS. Lê Lý Thùy Trâm Trang 3 Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm - Bia có nồng độ cồn trung bình từ 3 – 8%. 4: Bia có nồng độ cồn từ 3 – 8% trên thị trường [26].

- Bia cao độ: lên men dài ngày liên tục bia có thể đạt tới 12 – 17% độ. 5: Sản phẩm có độ cồn cao (16%) [27].2 Lợi ích mà bia mang lại:  Giảm bệnh tim: Những vitamin B6 được tìm thấy trong bia giúp ngăn ngừa sựu phát triển của các homocysteine – một axit amin có liên quan đến bệnh tim. Khi có quá nhiều homocysteine trong cơ thể sẽ dễ bị bệnh về mạch máu và tim mạch.  Giảm rủi ro bệnh tiểu đường: uống bia làm tăng mức độ lipoprotein lên cao, đồng thời chúng cũng tăng cholesterol tốt, làm giảm nồng độ insulin trong cơ thể.

Điều này rất tốt để tránh bị tiểu đường vì nó làm giảm cơ hội phát triển bệnh.  Giảm nguy cơ sỏi thận: sỏi thận thường có thể giảm đến 40% ở những nam giới trung niên. Để giải thích cho điều này, các nhà khoa học nghi ngờ rằng chúng nhờ một phần do rượu, nước hay hoa bia.  Giảm mất ngủ: những nghiên cứu đã chỉ ra, dưới ảnh hưởng của bia khi uống, chúng sẽ có xu hướng làm cơ thể rơi vào trạng thái ngủ nhanh hơn.

SVTH : Lê Thị Ngọc Hiếu SVTH : TS. Lê Lý Thùy Trâm Trang 4 Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm  Chống ung thư: Các hoa bia có trong bia chưa xanthohumol, một chất chống oxy hóa mạnh mẽ. Nồng độ của xanthahumol tự nhiên trong bia có thể giúp cơ thể ngăn chặn sự phát triển của các khối u trong giai đoạn đầu.  Chống loãng xương: hoa bia chứa phyto-estrogen, một hợp chất có thể giúp giảm chúng nóng ran và loãng xương ở phụ nữ sau mãn kinh.

Tuy có lợi ích như thế nhưng bia không nên lạm dụng để sử dụng như một liệu pháp thay thế cho điều trị bằng estrogen.  Giảm cholessterol: tiêu thụ một lượng bia trung bình đã được chứng minh tăng cholesterol HDL và làm giảm mật độ lipoprotein (LDL) – một “cholesterol xấu” ở phụ nữ sau mãn kinh.  Tăng huyết áp: phụ nữ tiêu thụ 2 hoặc 3 cốc bia/ tuần cho thấy giảm 14% nguy cơ huyết áp cao. Nó cũng có tác dụng ngay cả với những bệnh nhân bị huyết áp cao mãn tính [4].2 Nguyên liệu sản xuất bia 1.1 Malt Đại mạch Malt là sản phẩm được chế biến từ các loại hạt hòa thảo như đại mạch, tiểu mạch, thóc,ngô,… Sau khi cho nảy mầm ở điều kiện nhân tạo và sấy đến độ ẩm nhất định với những điều kiện bắt buộc.

Nó là một loại bán thành phẩm nhưng rất giàu chất dinh dưỡng: chứa 16 - 18% các chất thấp phân tử dễ hòa tan, chủ yếu là đường đơn giản, dextrin bậc thấp, các axit amin, các chất khoáng, các nhóm vitamin và đặc biệt hệ enzim phong phú, chủ yếu là proteaza và amylaza. Malt đại mạch là nguyên liệu chính để sản xuất các loại bia. Quá trình quan trọng nhất mà qua đó hạt đại mạch trở thành hạt malt là sự nảy mầm. Mục tiêu lớn nhất của quá trình nảy mầm và cũng là mục tiêu chủ yếu của quá trình sản xuất malt là để hoạt hóa, tích lũy về khối lượng và hoạt lực của hệ enzim có trong hạt đại mạch.

Hệ enzim này sẽ là động lực chủ yếu để phân cắt các hợp chất cao phân tử trong nội nhũ của hạt thành các sản phẩm thấp phân tử (chủ yếu là đường đơn giản, dextrin bậc thấp, axit amin, albumoza, pepton và nhiều chất khác) hòa tan bền vững vào nước để trở thành chất chiết của dịch đường [2].  Phân loại malt: malt được chia làm hai loại: malt vàng và malt đen (malt vàng và malt đen chỉ khác nhau ở chế độ sấy), đặc điểm của từng loại như sau:  Malt vàng: màu vàng sáng, hương và vị ngọt nhẹ. Nhiệt độ sấy không vượt quá 40⁰C.  Malt đen: màu nâu sẫm, hương và vị ngọt đậm, tạo bia đen có màu nâu sẫm, độ nhớt cao, khả năng tạo và giữ bọt lớn.

Nhiệt độ sấy tối đa là 105⁰C [1]. SVTH : Lê Thị Ngọc Hiếu SVTH : TS. Lê Lý Thùy Trâm Trang 5 Thiết kế phân xưởng sản xuất bia phối vị trái cây bằng phương pháp lên men hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm Hình 1. 6: Malt vàng và malt đen [28].

 Đại mạch:  Đại mạch giống gieo trồng (Hordeum sativum-jessen) thuộc nhóm thực vật có hạt (spermophyta), phân nhóm bí tử (An-giospermae), lớp một lá mầm (monocotyledonae), họ lúa mỳ(Gramineae) [2].  Căn cứ vào sự sắp xếp hạt trên bông đại mạch mà chia đại mạch thành 2 loại: hai hàng và đa hàng [1].