Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất đồ uống, đặc biệt là ngành sản xuất bia, giữ vị trí quan trọng trong cơ cấu ngành công nghiệp thực phẩm toàn cầu và tại Việt Nam. Bước vào thập niên 2010, thị trường bia Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng bình quân 13,11%/năm (giai đoạn 2001–2007). Mức tiêu thụ bia bình quân đầu người tại Việt Nam thời điểm năm 2011 đạt khoảng 28 lít/người/năm, thấp hơn đáng kể so với các quốc gia như Cộng hòa Séc (131,7 lít/người/năm), Phần Lan (82,7 lít/người/năm) và Trung Quốc (31,5 lít/người/năm). Dự báo đến năm 2015, sản lượng tiêu thụ toàn ngành đạt từ 4,2 đến 4,4 tỷ lít bia, với mức tiêu thụ bình quân đạt 45–47 lít/người/năm. Đồng thời, cơ cấu dân số Việt Nam bước vào giai đoạn cơ cấu vàng với 71% dân số (khoảng 68 triệu người trên tổng số 87,8 triệu người) nằm trong độ tuổi lao động từ 15 đến 64 tuổi — nhóm khách hàng có khả năng chi trả và nhu cầu tiêu thụ đồ uống lên men cao nhất.

Trong bối cảnh tỉnh Bắc Ninh quy hoạch mở rộng phát triển công nghiệp và dịch vụ, đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Bình Minh (chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Khóa 52) giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một cơ sở sản xuất công nghiệp: "Thiết kế nhà máy bia năng suất 30 triệu lít/năm".

Mục tiêu và các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể của đồ án được xác định gồm 8 phần chính:

  1. Lập luận kinh tế - kỹ thuật, phân tích thị trường tiêu thụ, vùng nguyên liệu và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy tại Khu công nghiệp Từ Sơn, tỉnh Bắc Ninh.
  2. Lựa chọn mặt hàng sản xuất, tiêu chuẩn sản phẩm, phương pháp công nghệ cho từng công đoạn và thuyết minh dây chuyền sản xuất cùng quy trình xử lý nước cấp, nước thải.
  3. Lập kế hoạch sản xuất theo mùa vụ trong năm và tính toán cân bằng vật chất (cân bằng sản phẩm) cho từng phân xưởng.
  4. Tính toán và lựa chọn danh mục thiết bị công nghệ cho các phân xưởng tiếp nhận nguyên liệu, nấu đường hóa, lên men và hoàn thiện sản phẩm.
  5. Tính toán nhu cầu năng lượng (nhiệt hơi, nhiệt lạnh) và nhu cầu nước kỹ thuật cho toàn nhà máy.
  6. Thiết kế mặt bằng tổng thể, bố trí các hạng mục công trình xây dựng và đánh giá các chỉ tiêu xây dựng công nghiệp.
  7. Đánh giá sơ bộ các chỉ tiêu kinh tế, giá thành sản phẩm và hiệu quả đầu tư của dự án.
  8. Đề xuất các biện pháp bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm, an toàn lao động và bảo vệ môi trường.

Đối tượng nghiên cứu là dây chuyền công nghệ sản xuất bia vàng với 2 dòng sản phẩm: bia chai (chiếm 70% tổng sản lượng, nồng độ chất khô 12 °Bx) và bia hơi (chiếm 30% tổng sản lượng, nồng độ chất khô 10,5 °Bx), sử dụng 20% gạo làm nguyên liệu thay thế malt đại mạch. Phạm vi địa lý đặt tại Khu công nghiệp Từ Sơn, tỉnh Bắc Ninh; cung ứng sản phẩm cho thị trường tỉnh Bắc Ninh, Thủ đô Hà Nội, Hải Phòng và các tỉnh lân cận thuộc khu vực miền Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án được xây dựng trên nền tảng cơ sở khoa học của công nghệ lên men và kỹ thuật thực phẩm, kết hợp các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về đồ uống và nước thải công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và công nghệ

  • Quá trình sinh hóa và thủy phân enzyme: Sử dụng hệ enzyme nội tại của malt đại mạch (chủ yếu là peptidase, protease phân cắt đạm; $\alpha$-amylase và $\beta$-amylase phân cắt tinh bột thành dextrin và đường lên men maltoza) trong điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ và pH.
  • Cơ chế hồ hóa và dịch hóa tinh bột gạo: Do tinh bột gạo có cấu trúc màng tế bào bền vững và chưa qua quá trình ươm mầm, công nghệ áp dụng quá trình đun sôi dịch cháo kết hợp bổ sung enzyme từ malt lót ở nhiệt độ tối thích (72 °C và 83 °C) để phá vỡ cấu trúc tinh bột, giảm độ nhớt dịch hèm trước khi đường hóa.
  • Trích ly và chuyển hóa hợp chất hoa houblon: Quá trình đun sôi dịch đường với chế phẩm hoa houblon (cao hoa và hoa viên nén 90) nhằm hòa tan và đồng phân hóa $\alpha$-axit đắng tạo vị đắng dịu đặc trưng, trích ly tinh dầu thơm, kết tủa phức chất protein-polyphenol không bền keo, đồng thời vô hoạt enzyme và tiệt trùng dịch đường.
  • Động học lên men chìm: Ứng dụng chủng nấm men thuần khiết Saccharomyces carlsbergensis (men chìm), có khả năng lên men hoàn toàn đường đơn, đường đôi và đường tam (raffinose), tạo ethanol, $\text{CO}_2$ và các cấu tử hương este, đồng thời kết chùm và lắng nhanh xuống đáy thùng khi kết thúc giai đoạn lên men chính.

Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Tính toán dòng nguyên liệu, bán thành phẩm và sản phẩm cho từng mẻ nấu và quy mô 1.000 lít bia tiêu chuẩn dựa trên các định mức tổn thất thực tế qua từng công đoạn công nghệ (nghiền: 0,5%; hồ hóa - đường hóa - lọc: 1,5%; nấu hoa: bay hơi 8%; lắng xoáy và làm lạnh nhanh: 2,5%; chiết chai: 4%; chiết bock: 1%).
  • Phương pháp tính toán thiết kế nhiệt - lạnh: Xác định nhu cầu phụ tải nhiệt cho các thiết bị truyền nhiệt (nồi hồ hóa, nồi đường hóa, nồi đun hoa, hầm thanh trùng) và phụ tải lạnh (làm lạnh nhanh dịch đường xuống 8 °C, duy trì nhiệt độ lên men chính 8 °C, làm lạnh bia non xuống 4 °C và lên men phụ ở 2 °C, ổn định bia ở -1 °C trước lọc).
  • Phương pháp định cỡ và lựa chọn thiết bị: Tính toán dung tích làm việc, kích thước hình học, số lượng thiết bị dựa trên chu kỳ sản xuất của từng công đoạn và công suất mẻ cực đại trong các quý cao điểm.

Tiêu chuẩn chất lượng áp dụng

Các chỉ tiêu hóa lý, cảm quan và vi sinh vật của sản phẩm được tác giả đối chiếu theo tiêu chuẩn kỹ thuật ngành:

Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị tính Bia hơi thành phẩm Bia chai thành phẩm
Hàm lượng chất tan ban đầu % khối lượng 10,5 °Bx 12,0 °Bx
Hàm lượng ethanol % v/v $4,0 \pm 0,2$ $5,0 \pm 0,2$
Hàm lượng $\text{CO}_2$ g/l $4,7 \pm 0,2$ $4,7 \pm 0,2$
Độ axit (ml $\text{NaOH } 0,1\text{N} / 10\text{ml}$) ml $1,3 \pm 0,1$ $1,3 \pm 0,1$
pH - $4,4 \pm 0,2$ $4,4 \pm 0,2$
Hàm lượng chất đắng mg/l $18 \div 20$ $22 \div 24$
Hàm lượng Diacetyl mg/l $\le 0,2$ $\le 0,1$
Tổng số vi sinh vật hiếu khí CFU/ml $\le 1000$ $\le 10$
E. coli, S. aureus, C. perfringens CFU/ml 0 0

Thiết kế công nghệ và hệ thống kỹ thuật

Đồ án thiết lập hoàn chỉnh chuỗi dây chuyền công nghệ khép kín từ nguyên liệu thô đến đóng gói bao bì, tích hợp hệ thống phụ trợ và xử lý môi trường.

1. Dây chuyền công nghệ sản xuất bia

  • Chuẩn bị và nghiền nguyên liệu: Malt đại mạch vàng hai hàng nhập khẩu được làm sạch và nghiền bằng phương pháp nghiền ướt có ngâm (nhiệt độ ngâm 30–50 °C, thời gian 10–30 phút để đạt độ ẩm hạt 30%), khe hở giữa 2 trục nghiền từ 0,3–0,45 mm nhằm bảo toàn nguyên vẹn vỏ trấu làm lớp màng lọc tự nhiên. Gạo tẻ được nghiền khô mịn bằng máy nghiền búa để tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc.
  • Hồ hóa dịch cháo: Tỷ lệ bột gạo/nước là 1/4. Bổ sung 5% malt lót lần 1 ở 45 °C, điều chỉnh $\text{pH} = 5,4 \div 5,6$ bằng axit lactic. Dịch cháo được nâng nhiệt với tốc độ 1 °C/phút lên 72 °C (giữ 10 phút), nâng tiếp lên 83 °C (giữ 5 phút), hạ nhiệt xuống 72 °C bổ sung tiếp 5% malt lót lần 2 (giữ 10 phút) để enzyme $\alpha$-amylase cắt mạch tinh bột, giảm độ nhớt dịch cháo. Cuối cùng, khối cháo được đun sôi ở 100 °C trong 15 phút. Tổng thời gian nấu hồ hóa là 130 phút.
  • Đường hóa: Sữa malt được phối trộn với nước ấm tỷ lệ nước/malt là 4/1, bổ sung $200\text{ mg/l }\text{NaCl}$ và axit lactic chỉnh $\text{pH} = 5,2 \div 5,4$. Khối dịch được nâng lên 50 °C giữ 10 phút để thực hiện quá trình đạm hóa. Dịch cháo sôi được bơm sang nồi malt, nâng nhiệt độ hỗn hợp lên 63 °C (giữ 20 phút cho $\beta$-amylase tạo đường maltoza), nâng tiếp lên 72 °C (giữ 20 phút cho $\alpha$-amylase đường hóa triệt để phần tinh bột còn lại) và kết thúc ở 76 °C (giữ 20 phút) trước khi chuyển sang thùng lọc. Thời gian đường hóa là 120 phút.
  • Lọc dịch đường và rửa bã: Sử dụng thùng lọc đáy giả (Lauter tun) có hệ thống dao cào đảo bã. Lớp bã malt giữ vai trò vật liệu lọc chính. Dịch đầu đục được hồi lưu 15–20 phút. Quá trình rửa bã thực hiện bằng nước nóng 75–78 °C có độ cứng thích hợp để tránh trích ly polyphenol chát từ vỏ trấu, rửa cho đến khi nồng độ đường sót trong nước rửa bã đạt $0,5 \div 1,0\text{ }^\circ\text{S}$. Tổng thời gian lọc khoảng 160 phút.
  • Nấu hoa houblon: Nồi nấu hoa sử dụng bộ trao đổi nhiệt cấp nhiệt bên trong kiểu chùm ống, đun sôi dịch đường ở 100–106 °C trong 1–2 giờ, cường độ bay hơi đạt 4–8%. Quá trình nạp hoa chia làm 3 đợt:
    1. Đợt 1: Bổ sung toàn bộ cao hoa sau khi dịch sôi 15 phút để trích ly axit đắng và kết tủa protein cao phân tử.
    2. Đợt 2: Bổ sung 1/2 lượng hoa viên nén sau khi dịch sôi 60 phút.
    3. Đợt 3: Bổ sung 1/2 lượng hoa viên nén còn lại trước khi kết thúc đun sôi 10 phút nhằm lưu giữ tinh dầu thơm.
  • Lắng xoáy và làm lạnh nhanh: Dịch đường nóng được bơm vào thùng lắng xoáy Whirlpool theo phương tiếp tuyến với vận tốc 12–14 m/s, thời gian lắng 30 phút để tách hoàn toàn cặn nóng. Dịch trong ở nhiệt độ 85–90 °C đi qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản 1 cấp, hạ nhiệt nhanh xuống 8 °C bằng nước lạnh 2 °C; nước nóng thu hồi đạt 70–80 °C được chuyển về bồn chứa phục vụ nấu.
  • Lên men và tàng trữ: Dịch đường lạnh 8 °C được sục khí nén vô trùng bổ sung oxy hòa tan, sau đó phối trộn nấm men giống S. carlsbergensis.
    • Bia chai (12 °Bx): Chu kỳ 18 ngày. Lên men chính ở 8 °C trong 7 ngày (tốc độ giảm đường 1,5–2 °Bx/ngày), hạ nhiệt xuống 4 °C tháo men sữa, hạ tiếp xuống 2 °C để lên men phụ và tàng trữ.
    • Bia hơi (10,5 °Bx): Chu kỳ 14 ngày. Lên men chính ở 8 °C trong 6 ngày, hạ xuống 4 °C tách men và hạ xuống 2 °C để lên men phụ. Hệ thống thu hồi $\text{CO}_2$ vận hành sau 24 giờ lên men chính.
  • Lọc trong và hoàn thiện: Bia non sau tàng trữ được làm lạnh xuống -1 °C qua bộ trao đổi nhiệt glycol, sau đó lọc qua máy lọc khung bản sử dụng bột trợ lọc diatomit (gồm Hyflosuppercell và Standarlsuppercell định mức 5 kg/lần tạo màng) kết hợp bổ sung chất chống oxy hóa, chống đục (PVPP, polyclar, vicant, collupulin). Bia sau lọc được bão hòa $\text{CO}_2$ áp suất $1,8\text{ kg/cm}^2$ đạt hàm lượng 4,5–5 g/l.
    • Bia hơi: Chiết bock theo nguyên tắc chiết đẳng áp.
    • Bia chai: Trải qua dây chuyền tự động: ngâm rửa chai nước nóng/xút nóng $\rightarrow$ thổi khô $\rightarrow$ soi chai $\rightarrow$ chiết đẳng áp $\rightarrow$ dập nắp $\rightarrow$ thanh trùng hầm phun nước nóng tối đa 65 °C $\rightarrow$ dán nhãn, in date, xếp két.

2. Hệ thống kỹ thuật xử lý nước cấp và nước thải

  • Xử lý nước cấp: Nguồn nước ngầm giếng khoan đi qua 2 bể lọc cát thô và 2 bể lọc cát tinh hoạt động luân phiên.
    • Nước nấu bia và rửa nấm men: Bổ sung nước Javen và sục khí khử trùng $\rightarrow$ lọc cát thạch anh $\rightarrow$ hấp phụ than hoạt tính khử clo dư và màu $\rightarrow$ lọc màng thẩm thấu ngược (RO). Chỉ tiêu đạt được: Fe, $\text{Mn} < 0,1\text{ mg/l}$; cặn tồn đọng $< 0,1\text{ mg/l}$; Ca, $\text{Mg} < 0,08\text{ mg/l}$; clo dư $< 0,1\text{ mg/l}$.
    • Nước rửa chai: Khử trùng Javen $\rightarrow$ vật liệu khử Fe/Mn $\rightarrow$ than hoạt tính $\rightarrow$ làm mềm bằng cột trao đổi ion cationist $\rightarrow$ tinh lọc lõi sợi (clo dư $< 0,05\text{ mg/l}$).
  • Xử lý nước thải: Nước thải sản xuất thu gom qua mương dẫn $\rightarrow$ song chắn rác và bể lắng sơ bộ $\rightarrow$ bể điều hòa $\rightarrow$ bể metan hóa kỵ khí lớp bùn dòng chảy ngược $\rightarrow$ bể sinh học hiếu khí Aerotank $\rightarrow$ bể lắng đứng tách bùn (tuần hoàn một phần bùn hoạt tính, phần dư ép khô làm phân bón) $\rightarrow$ bể tiếp xúc khử trùng. Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại B:
    • $\text{pH} = 5,5 \div 9,0$
    • $\text{BOD}_5 = 50\text{ mg/l}$
    • $\text{COD} = 100\text{ mg/l}$
    • Tổng chất rắn lơ lửng ($\text{SS}$) $= 100\text{ mg/l}$

Nội dung chính theo từng phần

Phần I: Lập luận kinh tế và kỹ thuật

Tác giả phân tích tiềm năng thị trường đồ uống Việt Nam, xu hướng chuyển dịch cơ cấu dân số và cơ hội phát triển công nghiệp của tỉnh Bắc Ninh. Nhà máy được quyết định xây dựng tại Khu công nghiệp Từ Sơn, Bắc Ninh với diện tích thuận lợi, cách Hà Nội 30 km, sân bay Nội Bài 28 km và cảng Hải Phòng 85 km. Vị trí này nằm trên trục Quốc lộ 1, gần nhà máy sản xuất malt công suất 120.000 tấn/năm và Viện Nghiên cứu Rượu - Bia - Nước giải khát, bảo đảm nguồn cung ứng nguyên liệu, điện lưới quốc gia, nguồn nước ngầm dồi dào và nhân lực kỹ thuật chất lượng cao từ các trường đại học tại Hà Nội. Định mức tiêu hao nước toàn nhà máy được xác định là $6\text{ hl nước} / 1\text{ hl bia}$.

Phần II: Chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ

Phần này thiết lập các thông số tiêu chuẩn cho hai dòng sản phẩm bia chai và bia hơi; xác lập tiêu chuẩn nguyên liệu đầu vào: malt vàng hai hàng (độ ẩm $\le 7%$, hoạt lực amylase $\ge 250\text{ }^\circ\text{WK}$, độ hòa tan $\ge 78%$), gạo tẻ (độ ẩm $\le 13%$, độ hòa tan $\ge 87%$), chế phẩm hoa houblon (tỷ lệ hoa viên nén 90 có axit đắng $6 \pm 1%$ và cao hoa có $\alpha$-axit đắng $40 \pm 1%$ là 80/20). Tác giả so sánh, phân tích ưu nhược điểm của các phương án thiết bị và quyết định lựa chọn: phương pháp nghiền ướt cho malt, nghiền búa khô cho gạo; đường hóa đun sôi từng phần cải tiến; lọc dịch đường bằng thùng Lauter tun đáy giả; cấp nhiệt nồi đun hoa kiểu chùm ống bên trong; lắng trong bằng thùng lắng xoáy Whirlpool; làm lạnh nhanh bằng trao đổi nhiệt tấm bản; lên men gián đoạn hiện đại bằng nấm men chìm S. carlsbergensis; lọc trong bằng máy lọc khung bản có bột trợ lọc diatomit; cùng quy trình chi tiết cho trạm xử lý nước cấp và nước thải đạt chuẩn loại B.

Phần III: Tính cân bằng sản phẩm

Dựa trên năng suất 30 triệu lít/năm và chế độ làm việc 300 ngày/năm (25 ngày/tháng), tác giả xây dựng biểu đồ kế hoạch sản xuất phân bổ theo 4 quý phù hợp với tính mùa vụ của thị trường miền Bắc:

Quý Tỷ trọng sản xuất Sản lượng bia chai (triệu lít) Sản lượng bia hơi (triệu lít) Tổng sản lượng quý (triệu lít)
Quý I 20% 4,5 1,5 6,0
Quý II 30% 6,0 3,0 9,0
Quý III 30% 6,0 3,0 9,0
Quý IV 20% 4,5 1,5 6,0
Cả năm 100% 21,0 (70%) 9,0 (30%) 30,0

Vào các quý cao điểm (Quý II và III), năng suất tối đa đạt 9,0 triệu lít/quý, tương ứng với $120.000\text{ lít/ngày}$. Mỗi ngày vận hành 6 mẻ nấu, tương ứng năng suất mỗi mẻ đạt $20.000\text{ lít}$ dịch đường. Trên cơ sở đó, tác giả tính toán chi tiết cân bằng khối lượng malt, gạo, hoa houblon, nấm men giống, lượng nước bổ sung và lượng bã thải ra cho từng mẻ và cho 1.000 lít bia thành phẩm.

Phần IV: Tính và chọn thiết bị

Thực hiện tính toán công nghệ, kích thước hình học (đường kính, chiều cao, chiều dày thân) và chọn số lượng thiết bị đồng bộ cho từng phân xưởng:

  • Phân xưởng nguyên liệu: Phễu chứa malt, phễu chứa gạo, gầu tải, vít tải, máy nghiền malt ướt, máy nghiền búa, xyclon tách bụi.
  • Phân xưởng nấu: Nồi hồ hóa, nồi đường hóa, thùng lọc Lauter tun, nồi đun hoa, thùng lắng xoáy Whirlpool, thiết bị làm lạnh nhanh tấm bản, bồn chứa nước nóng thu hồi.
  • Phân xưởng lên men: Hệ thống tank lên men hình côn trụ ngoài trời (CCT) có áo lạnh điều khiển nhiệt độ tự động, bồn nhân giống men, thùng chứa men sữa, hệ thống thu hồi và tinh sạch khí $\text{CO}_2$.
  • Phân xưởng hoàn thiện: Thiết bị làm lạnh bia -1 °C, máy lọc khung bản, bồn chứa bia trong (BBT), dây chuyền rửa - chiết - đóng nút - thanh trùng bia chai, máy chiết bock bia hơi.

Phần V: Tính toán nhu cầu năng lượng và nhu cầu nước

Xác định phụ tải tiêu thụ năng lượng của nhà máy:

  • Nhiệt năng (hơi nóng): Tính lượng hơi bão hòa cần cấp từ nồi hơi sử dụng nhiên liệu dầu để phục vụ các quá trình đun sôi dịch cháo, đun sôi dịch đường hóa, nấu hoa houblon, thanh trùng chai và gia nhiệt hệ thống vệ sinh CIP.
  • Năng lượng lạnh: Tính toán hệ số lạnh cho máy nén lạnh (môi chất $\text{NH}_3$ hoặc Freon, chất tải lạnh glycol/nước muối) phục vụ làm lạnh nhanh dịch đường từ 90 °C xuống 8 °C, giải nhiệt cho quá trình lên men tỏa nhiệt, bảo ôn hạ nhiệt độ lên men phụ 2 °C và ổn định bia trước lọc ở -1 °C.
  • Nhu cầu nước và điện: Lập bảng tổng hợp lưu lượng nước cấp sinh hoạt, nước công nghệ nấu, nước vệ sinh nhà xưởng và công suất điện lắp đặt cho toàn bộ động cơ, máy bơm, máy nén khí, hệ thống chiếu sáng.

Phần VI: Tính toán và thiết kế xây dựng nhà máy

Lập quy hoạch tổng thể mặt bằng trên khu đất công nghiệp tại KCN Từ Sơn, phân khu chức năng hợp lý: khối hành chính - quản trị, phân xưởng sản xuất chính (nấu, lên men, hoàn thiện), phân xưởng phụ trợ (nồi hơi, trạm biến áp, trạm máy nén lạnh, trạm $\text{CO}_2$), kho nguyên liệu - bao bì - thành phẩm, trạm xử lý nước cấp và trạm xử lý nước thải. Thiết kế mạng lưới giao thông nội bộ thuận tiện cho xe tải vận chuyển nguyên liệu nhập và xuất hàng hóa thành phẩm.

Phần VII: Tính kinh tế

Xác định tổng mức vốn đầu tư xây dựng cơ bản và mua sắm thiết bị. Lập bảng tính chi phí nguyên vật liệu chính (malt, gạo, hoa houblon), nguyên liệu phụ, năng lượng (điện, dầu đốt, nước), khấu hao tài sản cố định, chi phí nhân công và chi phí quản lý doanh nghiệp để xác định giá thành đơn vị sản phẩm cho 1 lít bia chai và 1 lít bia hơi. Dự phóng dòng tiền thu chi, nộp ngân sách thuế tiêu thụ đặc biệt và tính toán các chỉ tiêu tài chính cơ bản.

Phần VIII: Vệ sinh an toàn lao động

Trình bày các giải pháp kỹ thuật an toàn đối với hệ thống thiết bị áp lực (nồi hơi, bình tích áp $\text{CO}_2$, tank lên men), an toàn chống rò rỉ môi chất lạnh ($\text{NH}_3$), an toàn vận hành hóa chất tẩy rửa có tính ăn mòn cao ($\text{NaOH}$, $\text{HNO}_3$), hệ thống phòng cháy chữa cháy, chiếu sáng công nghiệp, thông gió nhà xưởng và quy trình vệ sinh công nghiệp CIP định kỳ.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành một bản thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho nhà máy sản xuất bia quy mô công nghiệp 30 triệu lít/năm với các kết quả cụ thể:

  1. Xác lập giải pháp công nghệ kinh tế - kỹ thuật hợp lý: Việc sử dụng 20% gạo tẻ thay thế malt đại mạch giúp hạ giá thành nguyên liệu đầu vào mà vẫn duy trì đầy đủ các chỉ tiêu hóa lý, cảm quan (màu vàng sáng, độ trong suốt, bọt mịn bám thành cốc) theo tiêu chuẩn bia vàng.
  2. Tối ưu hóa các thông số vận hành công đoạn:
    • Quy trình hồ hóa 2 lần bổ sung malt lót (mỗi lần 5%) ở 72 °C xử lý triệt để độ nhớt dịch cháo gạo, tạo cơ chất thuận lợi cho $\beta$-amylase và $\alpha$-amylase hoạt động ở nồi đường hóa (63 °C và 72 °C).
    • Quy trình nạp hoa houblon 3 giai đoạn kết hợp dạng cao hoa (đợt 1) và hoa viên nén 90 (đợt 2 và 3) đạt hiệu suất trích ly axit đắng cao, hạn chế thất thoát tinh dầu thơm.
    • Ứng dụng công nghệ lên men hiện đại rút ngắn chu kỳ sản xuất từ 50–70% so với phương pháp cổ điển, tiết kiệm diện tích mặt bằng nhờ sử dụng tank trụ côn CCT tích hợp lên men chính và phụ.
  3. Hiệu quả thu hồi năng lượng và kiểm soát môi trường:
    • Thu hồi toàn bộ nước nóng 70–80 °C từ thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản sau làm lạnh nhanh dịch đường để tái cấp trực tiếp cho công đoạn nấu, giảm tiêu hao dầu đốt lò hơi.
    • Thiết kế trạm xử lý nước thải sinh học hoàn chỉnh kết hợp kỵ khí (bể metan hóa) và hiếu khí (Aerotank), bảo đảm nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn loại B ($\text{BOD}_5 \le 50\text{ mg/l}$, $\text{COD} \le 100\text{ mg/l}$, $\text{SS} \le 100\text{ mg/l}$), bùn vi sinh dư được tận dụng ép khô làm phân bón nông nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung thuyết minh và phạm vi thiết kế của đồ án, một số hạn chế và hướng phát triển kỹ thuật được ghi nhận:

  • Hạn chế về tính đa dạng sản phẩm: Dây chuyền được định hình chuyên biệt cho 2 sản phẩm truyền thống là bia chai 12 °Bx và bia hơi 10,5 °Bx; chưa tính toán các phương án mở rộng linh hoạt cho các dòng sản phẩm đặc thù khác (như bia đen, bia độ cồn cao, bia không cồn hoặc nước uống đóng chai).
  • Phụ thuộc nguyên liệu ngoại nhập: Dự án vẫn sử dụng nguồn malt và hoa houblon nhập khẩu từ Úc, Đức hoặc Trung Quốc; chưa xây dựng phương án kiểm soát sai số công nghệ khi có sự biến động lớn về hoạt lực enzyme của các lô malt nhập khẩu khác nhau.
  • Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
    • Nghiên cứu tích hợp hệ thống tự động hóa điều khiển giám sát quá trình (SCADA/PLC) đồng bộ từ khâu nghiền đến đóng chai nhằm giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công.
    • Khảo sát phương án thu hồi triệt để nhiệt thừa từ khói thải lò hơi và nâng cấp hệ thống thu hồi khí $\text{CO}_2$ tinh khiết hóa phục vụ thương mại hoặc tái sử dụng nội bộ đạt chuẩn thực phẩm khắt khe hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo kỹ thuật cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học: Cung cấp phương pháp mẫu mực về trình tự các bước thiết kế nhà máy công nghiệp thực phẩm, từ lập luận kinh tế kỹ thuật, tính cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng đến định cỡ thiết bị truyền nhiệt, truyền khối.
  • Kỹ sư công nghệ đồ uống và cán bộ kỹ thuật nhà máy bia: Tham khảo chi tiết chế độ nhiệt độ, pH, thời gian dừng enzyme của quy trình nấu hồ hóa - đường hóa có sử dụng nguyên liệu thay thế; các thông số thiết kế hệ thống xử lý nước cấp RO và trạm xử lý nước thải sinh học.
  • Các nhà đầu tư và tư vấn thiết kế công trình công nghiệp: Cung cấp dữ liệu cơ sở về cơ cấu chi phí, tiêu hao nước ($6\text{ hl/hl bia}$), chỉ tiêu mặt bằng và phương án bố trí các hạng mục công trình phụ trợ cho nhà máy bia quy mô 30 triệu lít/năm.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu sản phẩm và tỷ lệ sử dụng nguyên liệu thay thế trong thiết kế nhà máy bia này được quy định như thế nào?
Nhà máy được thiết kế với tổng công suất 30 triệu lít bia/năm, trong đó cơ cấu sản phẩm gồm 70% bia chai (21 triệu lít/năm, nồng độ dịch đường 12 °Bx, độ cồn $5,0 \pm 0,2%$) và 30% bia hơi (9 triệu lít/năm, nồng độ dịch đường 10,5 °Bx, độ cồn $4,0 \pm 0,2%$). Tỷ lệ nguyên liệu thay thế là gạo tẻ chiếm 20% tổng lượng nguyên liệu hạt (malt + gạo).

2. Quy trình hồ hóa dịch cháo gạo được thực hiện qua các mốc nhiệt độ nào và vai trò của việc bổ sung malt lót là gì?
Bột gạo được phối trộn nước tỷ lệ 1/4 ở 45 °C, bổ sung 5% malt lót 1 (chỉnh pH 5,4–5,6 bằng axit lactic), nâng lên 72 °C (giữ 10 phút), nâng lên 83 °C (giữ 5 phút), hạ về 72 °C bổ sung tiếp 5% malt lót 2 (giữ 10 phút), rồi đun sôi 100 °C trong 15 phút. Malt lót cung cấp enzyme $\alpha$-amylase giúp dịch hóa tinh bột gạo trương nở, làm giảm độ nhớt dịch cháo để dễ khuấy trộn và bơm chuyển sang nồi đường hóa.

3. Chế độ bổ sung hoa houblon vào nồi đun hoa được phân chia làm mấy giai đoạn và sử dụng các dạng chế phẩm nào?
Quá trình sử dụng kết hợp hoa viên nén 90 và cao hoa theo tỷ lệ 80/20, chia làm 3 đợt bổ sung: đợt 1 nạp toàn bộ cao hoa sau khi dịch sôi 15 phút (trích ly axit đắng và kết tủa đạm cao phân tử); đợt 2 nạp 1/2 lượng hoa viên nén sau khi dịch sôi 60 phút; đợt 3 nạp 1/2 lượng hoa viên nén còn lại trước khi kết thúc đun sôi 10 phút để lưu hương thơm tinh dầu.

4. Chế độ công nghệ lên men chính và lên men phụ giữa bia chai và bia hơi có điểm gì khác biệt?
Cả hai dòng sản phẩm đều sử dụng nấm men chìm S. carlsbergensis, lên men chính ở 8 °C, hạ xuống 4 °C xả men sữa và lên men phụ ở 2 °C. Tuy nhiên, bia chai (12 °Bx) có tổng chu kỳ lên men là 18 ngày (lên men chính 7 ngày), trong khi bia hơi (10,5 °Bx) có chu kỳ lên men ngắn hơn là 14 ngày (lên men chính 6 ngày).

5. Nước thải sản xuất của nhà máy được xử lý theo quy trình công nghệ nào và chất lượng nước đầu ra đạt tiêu chuẩn gì?
Nước thải được thu gom qua song chắn rác $\rightarrow$ lắng sơ bộ $\rightarrow$ bể điều hòa $\rightarrow$ bể metan hóa kỵ khí lớp bùn $\rightarrow$ bể hiếu khí Aerotank sục khí $\rightarrow$ bể lắng đứng tách bùn $\rightarrow$ bể tiếp xúc. Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn công nghiệp loại B với các thông số: $\text{pH} = 5,5 \div 9,0$; $\text{BOD}_5 = 50\text{ mg/l}$; $\text{COD} = 100\text{ mg/l}$; $\text{SS} = 100\text{ mg/l}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Bình Minh đã giải quyết trọn vẹn và khoa học bài toán thiết kế kỹ thuật nhà máy sản xuất bia năng suất 30 triệu lít/năm tại Khu công nghiệp Từ Sơn, tỉnh Bắc Ninh. Bản thiết kế kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết công nghệ sinh hóa lên men hiện đại với các giải pháp kỹ thuật thực tiễn như sử dụng 20% gạo thay thế, nạp hoa houblon phân đoạn và thu hồi năng lượng nhiệt - nước tuần hoàn. Hệ thống dây chuyền công nghệ, danh mục thiết bị, quy hoạch xây dựng và các công trình xử lý môi trường được tính toán chi tiết, bảo đảm tính khả thi cao và đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.