Đồ án: Thiết kế nhà máy sản xuất bia đen hiện đại năng suất 75 triệu lít/năm

Đồ án chi tiết thiết kế nhà máy sản xuất bia đen hiện đại năng suất 75 triệu lít/năm, trình bày quy trình công nghệ, cân bằng vật chất và chọn thiết bị.

• Tác giả: Nguyen Tan Sang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyen Thi Lan Anh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm
• Đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế nhà máy
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen

Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen 75 triệu lít/năm là một công trình học thuật toàn diện được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Tấn Sang tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng. Dự án này áp dụng phương pháp công nghệ hiện đại trong sản xuất bia, với quy mô sản xuất đạt 75 triệu lít sản phẩm hàng năm. Đây là một trong những dự án quy mô lớn trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm tại Việt Nam. Nhà máy sản xuất bia đen này được thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế, kết hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Nội dung đồ án bao gồm các khía cạnh từ lập luận kinh tế, tổng quan nguyên liệu, quy trình công nghệ, cho đến tính toán thiết bị cụ thể.

1.1. Mục tiêu và phạm vi của đồ án

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế là xây dựng một nhà máy sản xuất bia đen hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm. Phạm vi bao gồm phân tích kinh tế, lựa chọn quy trình công nghệ tối ưu, tính cân bằng vật chất toàn diện, và thiết kế chi tiết các phân xưởng nấu, lên men, và chiết rót. Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm được tuân thủ theo tiêu chuẩn quốc tế.

1.2. Các số liệu kỹ thuật chính

Sản phẩm bia đen có độ bia 4,3%, tỷ lệ nguyên liệu gồm 70% malt và 30% gạo. Phối trộn malt bao gồm 80% malt đen và 20% malt caramel. Nồng độ dịch lên men đạt 12oBx, độ đắng 15BU. Các thông số kỹ thuật này được tính toán chi tiết để đạt chất lượng sản phẩm tối ưu.

II. Quy trình công nghệ sản xuất bia đen hiện đại

Quy trình công nghệ sản xuất bia đen được thiết kế theo các bước chính từ chuẩn bị nguyên liệu đến hoàn thiện sản phẩm cuối cùng. Quá trình bao gồm: chuẩn bị nguyên liệu, lọc và rửa bã, nấu với hoa houblon, làm lạnh dịch, lên men chính, lên men phụ và tàng trữ, pha bia và bão hòa CO2, thanh trùng, và hoàn thiện sản phẩm. Mỗi giai đoạn được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng bia đen đạt tiêu chuẩn quốc tế. Công nghệ hiện đại được áp dụng trong các bước quan trọng như trao đổi nhiệt, sục khí, và ổn định bia.

2.1. Các quá trình quan trọng trong sản xuất

Quá trình đường hóa chuyển đổi tinh bột thành đường, tạo nền tảng cho lên men. Quá trình houblon hóa cung cấp hương vị đặc trưng và độ đắng. Quá trình lên men sử dụng nấm men để chuyển đường thành cồn, tạo hương thơm đặc sắc. Quá trình lọc giúp làm sáng bia và loại bỏ các chất không mong muốn.

2.2. Các phân xưởng chính của nhà máy

Phân xưởng nấu bao gồm các nồi đun, thiết bị trao đổi nhiệt, và thùng lắng xoáy Whirlpool. Phân xưởng lên men có thiết bị nhân giống nấm men, các bình lên men thân trụ đáy côn, và hệ thống lọc bia. Phân xưởng chiết rót trang bị máy kiểm tra chai, máy chiết rót, hầm thanh trùng, và các thiết bị tự động hóa hiện đại.

III. Lập luận kinh tế và lựa chọn địa điểm

Lập luận kinh tế trong đồ án phân tích tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới và tại Việt Nam, chứng minh tính khả thi của dự án. Việt Nam là một trong những quốc gia có nhu cầu bia cao, với tiềm năng thị trường lớn. Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy dựa trên nhiều tiêu chí quan trọng bao gồm hệ thống giao thông vận tải thuận lợi, nguồn nguyên liệu dồi dào, cung cấp điện ổn định, nước sạch có lưu lượng đủ, và hệ thống xử lý nước thải hiệu quả. Địa điểm được chọn cũng phải có nguồn nhân lực chất lượng cao và thị trường tiêu thụ sản phẩm rộng rãi.

3.1. Phân tích thị trường và nhu cầu sản phẩm

Nhu cầu bia đen tăng trưởng ổn định ở Việt Nam và khu vực Đông Nam Á. Thị trường bia hiện đại yêu cầu các sản phẩm chất lượng cao với công nghệ sản xuất tiên tiến. Dự án nhà máy 75 triệu lít/năm được thiết kế để đáp ứng nhu cầu này, với khả năng cạnh tranh cao trên thị trường.

3.2. Các yếu tố địa lý và cơ sở hạ tầng

Địa điểm xây dựng được chọn dựa trên hệ thống giao thông vận tải liên kết tốt giữa nơi sản xuất và tiêu thụ. Nguồn nước sạch phải đạt tiêu chuẩn cho sản xuất bia đen. Nguồn điện cung cấp ổn định và đủ công suất cho toàn bộ hoạt động nhà máy là yêu cầu thiết yếu.

IV. Tính toán cân bằng vật chất và chọn thiết bị

Tính cân bằng vật chất là công tác quan trọng để xác định lượng nguyên liệu đầu vào, sản phẩm chính, sản phẩm phụ, và chất thải từ mỗi giai đoạn sản xuất. Tính toán được thực hiện cho 100kg nguyên liệu đầu vào, sau đó mở rộng lên các mức độ: 1 ngày, 1 mẻ, 1 giờ, và 1 năm. Các tỷ lệ hao hụt ở mỗi công đoạn sản xuất được tính toán chi tiết dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Chọn thiết bị phù hợp dựa trên năng suất, kỹ thuật công nghệ, độ tin cậy, và điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Mỗi phân xưởng được trang bị các thiết bị cụ thể để đạt hiệu suất tối ưu.

4.1. Phương pháp tính toán cân bằng vật chất

Cân bằng vật chất được tính toán chi tiết bằng cách xác định tỷ lệ hao hụt ở mỗi công đoạn: chuẩn bị nguyên liệu, lọc rửa bã, nấu, làm lạnh, lên men, ổn định, và chiết rót. Tỷ lệ hao hụt của nguyên liệu phụ như houblon, men, và các chất phụ gia cũng được xem xét. Kết quả cho phép xác định chính xác lượng nguyên liệu cần thiết cho sản xuất 75 triệu lít bia/năm.

4.2. Thiết kế chi tiết các phân xưởng

Thiết bị nấu bao gồm silo chứa, nồi đun, thiết bị trao đổi nhiệt tấm, và hệ thống sục khí. Thiết bị lên men gồm bình lên men côn, thiết bị nhân giống men, và tank ổn định. Thiết bị chiết rót bao gồm máy kiểm tra chai, máy chiết rót tự động, hầm thanh trùng hiệp lực, đảm bảo sản xuất bia chất lượng cao với hiệu suất cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: LẬP LUẬN KINH TẾ.3 Bản đồ quy hoạch khu công nghiệp Hòa Khánh tính đến năm 2019 [1] 1.3 Khí hậu Đà Nẵng là thành phố nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa. Nhiệt độ cao và ít biến động. Nhiệt độ trung bình hằng năm là 25,6 oC, độ ẩm trung bình 83,4oC. Hướng gió chính là Đông Nam [2].4 Hệ thống giao thông vận tải Khu công nghiệp Hòa Khánh nằm gần Quốc lộ 1A, đường sá trong khu công nghiệp được quy hoạch một cách hệ thống.

Mặt khác khu công nghiệp cũng không xa so với cảng biển, sân bay, nhà ga. Vì vậy, việc vận chuyển nguyên liệu, trang thiết bị của nhà máy cũng như tiêu thụ sản phẩm rất thuận lợi và nhanh chóng [12]. SVTH: Nguyễn Tấn Sang GVHD: TS. Nguyễn Thị Lan Anh 4 Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm 1.5 Nguồn nguyên liệu Nguyên liệu chính dùng để sản xuất bia tại nhà máy là malt đại mạch, hoa houblon.

Điều kiện khí hậu ở nước ta không thích hợp với việc trồng đại mạch và hoa houblon nên cả hai loại nguyên liệu này đều được nhập từ nước ngoài. Với vị trí của khu công nghiệp khá gần cảng biển và sân bay trong thành phố, nên việc vận chuyển nguyên liệu về nhà máy tương đối thuận tiện, giảm bớt chi phí vận chuyển đường bộ. Nguyên liệu thay thế là gạo có thể mua tại các nhà phân phối gạo trong thành phố hay ở các tỉnh lân cận.6 Nguồn cung cấp điện Nguồn điện của nhà máy lấy từ lưới điện quốc gia, thông qua trạm biến áp riêng. Ngoài ra, để đảm bảo quá trình sản xuất được liên tục, đề phòng khi mất điện nhà máy còn trang bị máy phát điện dự phòng.7 Nguồn cung cấp nước Lượng nước sử dụng trong nhà máy rất lớn với nhiều mục đích khác nhau: nước dùng trong công nghệ, nước dùng để vệ sinh máy móc thiết bị, nhà xưởng,… Nguồn cung cấp nước chính của nhà máy là nguồn nước của thành phố, bên cạnh đó nhà máy còn sử dụng thêm nguồn nước từ giếng bơm.

Nước từ nguồn nước sinh hoạt thành phố hay giếng đều cho qua hệ thống xử lý nước trước khi đưa vào sản xuất để đảm bảo yêu cầu trước khi đưa vào sử dụng.8 Hệ thống xử lý nước thải Lượng nước thải của nhà máy bia cũng rất lớn, chứa nhiều tạp chất, nếu không được xử lý sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh. Vì vậy toàn bộ nước thải của nhà máy phải được đưa qua hệ thống xử lý nước thải của nhà máy trước khi thải ra ngoài môi trường.9 Nguồn nhân lực Công nhân của nhà máy chủ yếu lấy từ nguồn nhân lực địa phương, như vậy vừa giải quyết được công ăn việc làm cho người dân ở địa phương vừa giảm được chi phí về nhà ở sinh hoạt cho công nhân. Cán bộ quản lý và cán bộ kỹ thuật được cung cấp từ các trường đại học ở miền Trung như: Đà Nẵng, Huế, Nha Trang,… Trong những năm gần đây, các khu công nghiệp ở Đà Nẵng thu hút lượng lớn người lao động ở các tỉnh lân cận khác. Như vậy, nguồn nhân lực ở đây rất dồi dào và đa dạng [13].

SVTH: Nguyễn Tấn Sang GVHD: TS. Nguyễn Thị Lan Anh 5 Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm 1.10 Nguồn tiêu thụ sản phẩm Thị trường tiêu thụ trong nước, đặc biệt là thị trường tiêu thụ tại Đà Nẵng nói riêng và miền Trung nói chung đang tăng mạnh trong những năm gần đây và tương lai. Dần dần, thị trường tiêu thị được mở rộng ra ở các tính phía Bắc và phía Nam. Bên cạnh đó, nhờ vào vị trí địa lý và hệ thống giao thông vận tải thuận lợi, sản phẩm có thể được xuất khẩu sang các nước trong khu vực Đông Nam Á như Indonesia, Malaysia, Lào, Campuchia,… SVTH: Nguyễn Tấn Sang GVHD: TS.

Nguyễn Thị Lan Anh 6 Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 2.1 Tổng quan nguyên liệu 2.1 Malt đại mạch Malt đại mạch là nguyên liệu chính để nấu bia. 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). Căn cứ vào sự sắp xếp hạt trên bông đại mạch mà chia đai mạch thành 2 loại: hai hàng và sáu hàng.

Trong đó loại hai hàng có kích thước to, đầy đặn, vỏ trấu có nếp nhăn đều, mỏng, chứa hàm lượng có ích tương đối lớn, không nhiều các hợp chất polyphenol và hợp chất đắng, nên được dùng chủ yếu cho công nghiệp sản xuất bia. Loại hạt sáu hàng chủ yếu làm thức ăn cho gia súc và gia cầm. Hình CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM.4 Đại mạch [14] Thành phần hóa học của đại mạch Hàm lượng ẩm trung bình của đại mạch thường là 14 – 15%. Hàm lượng ẩm có thể biến thiên từ 12% trong điều kiện thu hoạch khô ráo đến trên 20% trong điều kiện ẩm ướt.

Đại mạch có độ ẩm cao cần được sấy khô để bảo quản được lâu và không làm mất khả năng nảy mầm. Để bảo quản lâu, đại mạch phải có độ ẩm dưới 15%. Hàm lượng trung bình của các thành phần tính theo khối lượng chất khô như sau: - Cacbonhydrat tổng số: 70 – 85% - Protein: 10,5 – 11,5% - Các chất vô cơ: 2 – 4% SVTH: Nguyễn Tấn Sang GVHD: TS. Nguyễn Thị Lan Anh 7 Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm - Chất béo: 1,5 – 2% - Các chất khác(polyphenol, tanin, vitamin, enzyme,…): 1 – 2% [6].

Hạt đại mạch trải qua quá trình ngâm, ươn mầm sẽ trở thành hạt malt tươi. Hạt malt tươi lại tiếp tục qua quá trình sấy, tách rễ và đánh bóng sẽ trở thành hạt malt khô tiêu chuẩn có thể bảo quản dài ngày trong điều kiện khô, mát và được sử dụng để sản xuất bia. Trong quá trình xử lý hạt đại mạch để trở thành hạt malt hoàn thiện hệ enzyme trong hạt đã được hoạt hóa và tăng cường hoạt lực, đặc biệt là hệ enzyme thủy phân thực hiện quá trình chuyển hóa các chất cao phân tử để tạo ra chất chiết của dịch đường. Malt được sử dụng trong sản xuất bia đen là malt đen và malt caramel.

Malt đen (malt melanoid) chiếm thành phần chủ yếu. Loại malt này có màu nâu đen, mùi thơm rất mạnh, chứa nhiều melanoid. Malt đen được sản xuất tương tự malt vàng, tuy nhiên ở công đoạn sấy thời gian dài hơn và nhiệt độ cao hơn so với malt vàng, nên sẽ có mùi vị vượt trội hơn. Malt đen được dùng trong sản xuất bia đen sẽ cho sản phẩm mang vị ngọt đậm đà, hương thơm đặc trưng và cải thiện khả năng tạo và giữ bọt.

Hình CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM.5 Malt đen [15] Malt caramel được dùng như là một chất phụ gia, nhằm tạo cho bia có hương vị đặc trưng. Malt caramel có vị ngọt rất đặc trưng, có màu sáng hơn hoặc sẫm hơn màu cà phê, có hàm ẩm từ 5 – 8% và hàm lượng chất chiết hòa tan khoảng 60 – 70% [3], [4]. SVTH: Nguyễn Tấn Sang GVHD: TS. Nguyễn Thị Lan Anh 8 Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm Hình CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM.6 Malt caramel [16] Thành phần hóa học của malt đen - Độ ẩm malt (vừa sấy xong) < 4,5% và bảo quản tốt cho phép aw <7% - Chất hòa tan tủng bình là 65 – 82% chất khô - Hàm lượng maltose 59 – 65% chất hòa tan - Độ axit: pH đường hóa từ 5,5 – 6,5 - Những thành phần chính của malt khô (%chất khô):  Tinh bột : 58%  Pentose hòa tan: 1%  Hexozan và pentozan không tan: 9%  Xenlulose: 6%  Sacarose : 5%  Đường khử : 4%  Protein (n*6,25): 10%  Protein hòa tan : 3%  Chất béo : 2,5%  Chất tro: 2,5% [7] Malt đen được sản xuất nhiều ở các quốc gia trên thế giới như Bỉ, Úc, Tiệp Khắc cũ,.2 Gạo Gạo là nguyên liệu dạng hạt được dùng để thay thế một phần malt nhằm mục đích cung cấp tinh bột cùng với malt chuyển thành đường maltose trong quá trình đường hóa, SVTH: Nguyễn Tấn Sang GVHD: TS.

Nguyễn Thị Lan Anh 9 Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm giúp giảm giá thành sản phẩm. Gạo được đưa vào sử dụng ở trạng thái chưa ươm mầm và đưa vào chế biến dưới dạng bột nghiền, phối trộn cũng với bột malt. Trong thành phần chất khô của gạo, tinh bột chiếm đến 75%, protein 8%, chất béo 1 – 1,5%, xelluloza 0,5 – 0,8%, chất khoáng 1 – 1,2%. Phụ thuộc vào mức độ chứa đầy protein của tế bào, mức độ liên kết của protein với các hạt tinh bột, cũng như kích thước và hình dáng của chúng (tinh bột) mà nội nhũ của gạo có thể là trắng trong hoặc trắng đục hoặc trắng trong từng phần.

Hạt trắng trong khác hạt trắng đục bởi hàm lượng protein cao hơn, hạt chắc hơn và cứng hơn. Để thay thế malt đại mạch ta nên chọn lại gạo có độ trắng đục cao hơn [4]. Hình CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM.7 Gạo thay malt đại mạch [17] 2.3 Hoa houblon Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản, đứng vị trí thứ hai (sau đại mạch) của công nghệ sản xuất bia. Nó được con người biết đến và đưa vào sử dụng khoảng 3000 năm trước Công nguyên.

Hoa houblon làm cho bia có vị đắng dịu, hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm. Trong công nghệ sản xuất bia, ta chỉ sử dụng loại hoa cái chưa thụ phấn để đảm bảo giá trị công nghệ của chúng vẫn giữ nguyên. Khi hoa bắt đầu chín thì ở bên trong các cánh hoa, và đặc biệt là ở nhị hoa xuất hiện các hạt vàng óng, rất dẻo, gọi là lupulin. Chính những hạt lupulin này là nguồn gốc chính sinh ra chất đắng và tinh dầu thơm của hoa houblon.

SVTH: Nguyễn Tấn Sang GVHD: TS. Nguyễn Thị Lan Anh 10 Đồ án thiết kế nhà máy sản xuất bia đen theo phương pháp hiện đại với năng suất 75 triệu lít/năm Hình CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM.8 Hoa houblon [18] Cây houblon phát triển tốt ở vùng Trung Âu và Bắc Mỹ.