Khóa Luận Tốt Nghiệp: Kiểm Tra và Kiểm Soát Quá Trình Sản Xuất Bia

Khóa luận tốt nghiệp HUTECH nghiên cứu kiểm tra và kiểm soát quá trình sản xuất bia, mang lại giải pháp tối ưu cho ngành công nghiệp.

• Tác giả: Trần Văn Hưng
• Trường học: Trường ĐH KTCN TP: HCM
• Đề tài: Kiểm Tra và Kiểm Soát Chất Lượng Trong Sản Xuất Bia
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BIA VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA
• 1.1. Giới thiệu về bia
• 1.2. Nguyên liệu chính trong sản xuất bia
• 1.3. Hoa houblon
• 1.4. Nấm men
• 1.5. Các chất phụ gia
• 1.6. Quy trình sản xuất bia
• 1.6.1. Quy trình công nghệ
• 1.6.2. Thuyết minh quy trình
• 1.6.2.1. Nguyên liệu
• 1.6.2.2. Nghiền gạo và malt
• 1.6.2.3. Phối trộn
• 1.6.2.4. Hồ hóa
• 1.6.2.5. Đạm hóa
• 1.6.2.6. Lọc dịch đường
• 1.6.2.7. Rửa bã
• 1.6.2.8. Houblon hóa
• 1.6.2.9. Lắng trong
• 1.6.2.10. Làm lạnh trước khi lên men
• 1.6.3. Lên men bia
• 1.6.3.1. Quy trình công nghệ
• 1.6.3.2. Thuyết minh quy trình
• 1.6.3.2.1. Cấy men
• 1.6.3.2.2. Lên men chính
• 1.6.3.2.3. Lên men phụ
• 1.6.4. Lọc bia
• 1.6.5. Sản phẩm
• 1.6.5.1. Bia tươi
• 1.6.5.2. Bia chai (bia thanh trùng)
• 1.6.5.2.1. Rửa chai
• 1.6.5.2.2. Kiểm tra chai
• 1.6.5.2.3. Rót bia vào chai
• 1.6.5.2.4. Dập nắp chai
• 1.6.5.2.5. Thanh trùng
• 1.6.5.2.6. Dán nhãn
• 2. CHƯƠNG 2: KIỂM TRA VÀ KIỂM SOÁT QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIA
• 2.1. Kiểm tra và kiểm soát quá trình nấu
• 2.1.1. Sơ đồ quá trình nấu
• 2.1.2. Quy trình kiểm tra
• 2.1.2.1. Kiểm tra malt

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Kiểm Tra và Kiểm Soát Chất Lượng Bia

Kiểm tra và kiểm soát chất lượng trong sản xuất bia là một quy trình quan trọng nhằm đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, với hơn 326 cơ sở sản xuất. Do đó, việc kiểm soát chất lượng không chỉ giúp nâng cao uy tín thương hiệu mà còn bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

1.1. Quy Trình Kiểm Tra Chất Lượng Bia

Quy trình kiểm tra chất lượng bia bao gồm nhiều bước từ nguyên liệu đầu vào đến sản phẩm đầu ra. Mỗi giai đoạn đều cần được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng bia thành phẩm.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Kiểm Soát Chất Lượng

Kiểm soát chất lượng không chỉ giúp phát hiện sớm các vấn đề trong quy trình sản xuất mà còn đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng đáp ứng được nhu cầu và mong đợi của người tiêu dùng.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Kiểm Soát Chất Lượng Bia

Ngành sản xuất bia đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc kiểm soát chất lượng. Các vấn đề như ô nhiễm vi sinh vật, chất lượng nguyên liệu không đồng nhất và quy trình sản xuất chưa được chuẩn hóa có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Việc nhận diện và khắc phục những vấn đề này là rất cần thiết.

2.1. Ô Nhiễm Vi Sinh Vật Trong Bia

Ô nhiễm vi sinh vật có thể xảy ra trong nhiều giai đoạn của quy trình sản xuất bia, từ nguyên liệu đến sản phẩm cuối cùng. Việc kiểm tra vi sinh là cần thiết để đảm bảo an toàn thực phẩm.

2.2. Chất Lượng Nguyên Liệu Đầu Vào

Chất lượng nguyên liệu như malt, nước và hoa houblon ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bia. Việc kiểm tra chất lượng nguyên liệu đầu vào là bước đầu tiên trong quy trình sản xuất.

III. Phương Pháp Kiểm Tra Chất Lượng Bia Hiệu Quả

Để đảm bảo chất lượng bia, các phương pháp kiểm tra hiện đại cần được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm kiểm tra hóa lý, vi sinh và cảm quan. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong kiểm tra chất lượng.

3.1. Kiểm Tra Hóa Lý Trong Sản Xuất Bia

Kiểm tra hóa lý giúp xác định các chỉ tiêu như độ pH, nồng độ đường và các hợp chất khác trong bia. Điều này rất quan trọng để đảm bảo rằng sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.

3.2. Kiểm Tra Vi Sinh Trong Bia

Kiểm tra vi sinh là một phần không thể thiếu trong quy trình sản xuất bia. Việc phát hiện sớm các vi sinh vật gây hại sẽ giúp ngăn chặn sự phát triển của chúng trong sản phẩm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kiểm Soát Chất Lượng Bia

Việc kiểm soát chất lượng trong sản xuất bia không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tạo ra sự tin tưởng từ phía người tiêu dùng. Các nhà máy sản xuất bia cần áp dụng các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế để đảm bảo sản phẩm của mình luôn đạt yêu cầu.

4.1. Tiêu Chuẩn Chất Lượng Bia Quốc Tế

Áp dụng các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế như ISO 9001 và HACCP sẽ giúp các nhà sản xuất bia nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu của thị trường.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Về Chất Lượng Bia

Nghiên cứu cho thấy rằng việc kiểm soát chất lượng chặt chẽ có thể giảm thiểu tỷ lệ sản phẩm kém chất lượng, từ đó nâng cao uy tín thương hiệu và sự hài lòng của khách hàng.

V. Kết Luận Về Kiểm Tra và Kiểm Soát Chất Lượng Bia

Kiểm tra và kiểm soát chất lượng trong sản xuất bia là một yếu tố quyết định đến sự thành công của ngành công nghiệp này. Việc áp dụng các phương pháp kiểm tra hiện đại và tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng.

5.1. Tương Lai Của Ngành Sản Xuất Bia

Ngành sản xuất bia sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng nhu cầu về chất lượng. Các nhà sản xuất cần chú trọng đến việc cải tiến quy trình kiểm soát chất lượng để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.2. Đề Xuất Giải Pháp Cải Tiến

Cần có các giải pháp cải tiến quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng, bao gồm việc đào tạo nhân viên và đầu tư vào công nghệ mới để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam đang ghi nhận tốc độ tăng trưởng mạnh mẽ với sự tham gia của hơn 326 cơ sở sản xuất trên toàn quốc. Tuy nhiên, trước áp lực cạnh tranh gay gắt và các tiêu chuẩn khắt khe về an toàn vệ sinh thực phẩm (ATVSTP), việc tối ưu hóa quy trình kiểm tra và kiểm soát chất lượng (QA/QC) trở thành yếu tố sống còn đối với các doanh nghiệp sản xuất đồ uống lên men.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                  TỔNG QUAN HỆ THỐNG KIỂM SOÁT SẢN XUẤT BIA                       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Nguyên liệu]  -> Malt, Gạo, Nước cấp, Hoa Houblon, Men giống                    |
|  [Khối Nấu]     -> Nghiền -> Hồ hóa -> Đạm hóa -> Đường hóa -> Lọc & Rửa bã       |
|  [Khối Sôi/Lắng]-> Houblon hóa -> Lắng xoáy Whirlpool -> Làm lạnh nhanh (9-10°C)   |
|  [Khối Lên men] -> Lên men chính (4 pha) -> Lên men phụ -> Lọc trong Diatomit   |
|  [Đóng gói]     -> Chiết Bock đẳng áp / Chiết chai dập 21 răng -> Thanh trùng     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề thực tiễn (Problem Statement)

Tại nhiều nhà máy bia quy mô vừa và nhỏ, quy trình giám sát chất lượng còn bộc lộ nhiều điểm nghẽn kỹ thuật:

• Sai lệch thông số dịch đường: Tỷ lệ phối trộn và kiểm soát nhiệt độ đường hóa không chuẩn xác dẫn đến hàm lượng đường có thể lên men bị biến động, làm giảm hiệu suất thủy phân tinh bột.
• Tổn thất dịch chiết trong bã malt: Kỹ thuật rửa bã chưa được định lượng chính xác, gây lãng phí đường sót hoặc làm loãng dịch nha ($> 1^\circ\text{P}$).
• Nhiễm tạp và suy giảm hoạt lực men: Kiểm soát không triệt để vùng nhiệt độ nguy hiểm ($40 - 45^\circ\text{C}$) trong quá trình làm lạnh nhanh, tạo điều kiện cho vi khuẩn Lactobacillus và Acetobacter phát triển.
• Chênh lệch chất lượng cảm quan giữa các mẻ: Thiếu quy chuẩn giám sát độ đắng EBU/EBC, pH và hàm lượng Diaxetyl tồn dư sau lên men chính.

Mục tiêu dự án

1. Xây dựng quy trình kiểm tra toàn diện từ nguyên liệu đầu vào (malt, gạo, nước, hoa houblon) đến thành phẩm theo tiêu chuẩn TCVN và MEBAK/EBC.
2. Thiết lập hệ thống kiểm soát thông số hóa lý nghiêm ngặt tại các công đoạn trọng yếu: nghiền, đạm hóa, hồ hóa, đường hóa, lọc dịch đường, houblon hóa và làm lạnh nhanh tại Nhà máy bia Vinaken.
3. Chuẩn hóa quy trình vận hành lên men chính (4 giai đoạn), lên men phụ, lọc làm trong Diatomit và thanh trùng (bia chai, bia tươi, bia tiệt trùng PET).
4. Xây dựng công thức và thuật toán hiệu chỉnh tức thời sai lệch pH, độ đường ($^\circ\text{P}$/Balling) trong quá trình nấu nhằm ổn định chất lượng thành phẩm.

Phạm vi và giới hạn

• Phạm vi áp dụng: Dây chuyền sản xuất bia hơi (đóng bock), bia chai thủy tinh và bia bock tại Nhà máy bia Vinaken.
• Giới hạn kỹ thuật: Tập trung vào các phương pháp phân tích hóa lý, cảm quan và vi sinh công nghiệp; không can thiệp sâu vào cấu trúc mã nguồn của hệ thống tự động hóa PLC phần cứng sẵn có.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh	Kiểm soát thủ công / Cảm quan truyền thống	Hệ thống QA/QC bán tự động Vinaken (Đề tài)	Tự động hóa hoàn toàn In-line PAT/SCADA
Độ chính xác đo đạc	Thấp, phụ thuộc kinh nghiệm công nhân	Cao ($\pm 0.1\ \text{pH}$, $\pm 0.1^\circ\text{P}$, quang phổ UV-Vis)	Rất cao, cảm biến đo liên tục real-time
Chi phí đầu tư	Tối thiểu	Vừa phải, khả thi cho nhà máy SME	Rất cao (vượt ngân sách vừa và nhỏ)
Kiểm soát rủi ro vi sinh	Kém, độ trễ phát hiện cao	Chủ động theo từng điểm kiểm soát (CCP)	Chủ động thông qua cảnh báo hệ thống
Khả năng hiệu chỉnh mẻ	Chậm, tỷ lệ hỏng mẻ cao ($> 3.5%$)	Tức thời qua công thức cân bằng chất	Tự động điều khiển van định lượng

+-----------------------------------------------------------------------------+
|               PHÂN TÍCH NHU CẦU THEO MÔ HÌNH MOSCOW                         |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| [MUST HAVE]    -> Kiểm soát độ ẩm malt (5-6%), pH dịch đường (5.2-5.6),     |
|                   độ đường Plato, mật độ nấm men (20-25 tr/ml), Iot test    |
| [SHOULD HAVE]  -> Thuật toán tính nước pha loãng, kiểm soát độ cứng nước    |
|                   (EDTA), độ đục NTU, thanh trùng 60°C/20 phút              |
| [COULD HAVE]   -> Tích hợp đo quang phổ UV-Vis 430nm kiểm soát độ màu EBC   |
| [WON'T HAVE]   -> Lắp đặt cảm biến phân tích sắc ký khí trực tuyến HPLC     |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Thiết kế hệ thống kiểm soát

Quy trình kiểm soát chất lượng được tổ chức thành một chuỗi vòng lặp kín giữa Phòng KCS (Quality Control) và Phân xưởng sản xuất:

graph TD
    A["Nguyên liệu: Malt, Gạo, Nước, Houblon"] --> B["Kiểm tra Hóa lý & Cảm quan KCS"]
    B -->|Đạt chuẩn| C["Nghiền hạt: Rây phân bố d=0.5 - 3.0mm"]
    B -->|Không đạt| A1["Loại bỏ / Trả lô hàng"]
    C --> D["Nấu: Hồ hóa Gạo & Đạm hóa Malt"]
    D --> E["Đường hóa: Test Tinh bột sót bằng Iot 0.1N"]
    E --> F["Nồi Lọc Lauter Tun: Kiểm tra °P cốt & pH"]
    F --> G["Rửa bã: Giám sát đường sót 0.3 - 1.0 °P"]
    G --> H["Houblon hóa & Lắng xoáy Whirlpool"]
    H --> I["Làm lạnh nhanh: 9-10°C / Sục khí vô trùng"]
    I --> J["Cấy men: 20-25 triệu TB/ml -> Lên men chính"]
    J --> K["Lên men phụ & Tàng trữ bia non"]
    K --> L["Lọc trong Diatomit & Bão hòa CO2"]
    L --> M["Chiết rót: Đóng Bock / Chiết chai / Thanh trùng"]
    M --> N["Kiểm định Bia Thành Phẩm"]

Ngăn xếp công nghệ và thiết bị phân tích

• Thiết bị đo quang phổ: UV-Vis Spectrophotometer (bước sóng chuẩn $\lambda = 430\ \text{nm}$, cuvet thạch anh $1\ \text{cm}$).
• Thiết bị đo pH: Máy đo điện cực Hanna Instruments HI-98103 (chuẩn hóa đệm pH 4.01 và pH 7.00 ở $20^\circ\text{C}$).
• Thiết bị đo tỷ trọng / độ đường: Bộ đo khúc xạ và phù kế Balling/Plato chuẩn nhiệt độ $20^\circ\text{C}$.
• Bộ rây tiêu chuẩn: Rây phân tích cơ học rulo với kích thước mắt lưới $d = 3.0\ \text{mm},\ 2.2\ \text{mm},\ 1.0\ \text{mm},\ 0.5\ \text{mm}$.
• Hệ thống phần mềm giám sát: Module quản lý dữ liệu kiểm nghiệm LIMS phiên bản nội bộ, tích hợp bảng tính tối ưu hóa mẻ nấu trên nền tảng Python 3.10.

---

Implementation và kết quả

Development Process & Key Algorithms

Hệ thống quản lý chất lượng triển khai các phương pháp phân tích định lượng tiêu chuẩn được số hóa thành thuật toán xử lý dữ liệu:

"""
Mô-đun tính toán và hiệu chỉnh thông số kỹ thuật mẻ nấu bia (Vinaken QA/QC Tool)
Tác giả: Trần Văn Hưng - ĐH KTCN TP.HCM
"""

class BreweryProcessControl:
    @staticmethod
    def calculate_malt_moisture(m_initial: float, m_dried: float) -> float:
        """Tính độ ẩm Malt theo phương pháp sấy đối lưu 125-130°C"""
        return ((m_initial - m_dried) / m_initial) * 100.0

    @staticmethod
    def calculate_malt_extract(balling: float, moisture: float) -> float:
        """Tính độ hòa tan chất khô tuyệt đối của Malt (E%)"""
        e_extract = (balling * (800.0 + moisture)) / (100.0 - balling)
        return (e_extract * 100.0) / (100.0 - moisture)

    @staticmethod
    def calculate_water_adjustment(measured_plato: float, target_plato: float, batch_volume_l: float) -> float:
        """
        Tính lượng nước bổ sung (Lít) khi độ đường đầu ra vượt chuẩn:
        V_add = ((°P_do - °P_yc) * V_me) / °P_yc
        """
        if measured_plato <= target_plato:
            return 0.0
        return ((measured_plato - target_plato) * batch_volume_l) / target_plato

    @staticmethod
    def calculate_total_hardness(v_edta_ml: float, v_sample_ml: float, n_edta: float = 0.1) -> float:
        """Tính độ cứng tổng cộng (ppm CaCO3) bằng chuẩn độ EDTA chuẩn"""
        # Đương lượng gam CaCO3 = 50.045
        return (v_edta_ml * n_edta * 50.045 * 1000.0) / v_sample_ml

# Ví dụ thực thi kiểm soát mẻ nấu thực tế tại Vinaken:
if __name__ == "__main__":
    qc = BreweryProcessControl()
    # Kiểm tra hiệu chỉnh dịch đường sôi cuối mẻ nấu 4000L
    p_meas = 12.8  # Độ đường đo được thực tế (°P)
    p_spec = 12.0  # Tiêu chuẩn bia tươi Vinaken (°P)
    vol_batch = 4000.0 # Lít
    water_needed = qc.calculate_water_adjustment(p_meas, p_spec, vol_batch)
    print(f"Lượng nước RO 78°C cần bổ sung: {water_needed:.2f} Lít")
    # Output: 266.67 Lít

+-----------------------------------------------------------------------------+
|              QUY TRÌNH KIỂM TRA TINH BỘT SÓT (IODINE TEST)                  |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  Bước 1: Lấy 15 ml dịch đường sau đường hóa -> Cho vào ống nghiệm           |
|  Bước 2: Bổ sung 15 ml C2H5OH 96% -> Lắc mạnh để kết tủa hoàn toàn          |
|  Bước 3: Để yên 30 phút -> Gạn bỏ cồn -> Bổ sung 10 ml nước cất hòa tan    |
|  Bước 4: Nhỏ 3 giọt dung dịch Iod 0.1N:                                     |
|          - Hiện màu tím/xanh đen  -> Sót tinh bột (Đường hóa chưa đạt)      |
|          - Hiện màu vàng rơm      -> Hoàn thành (100% thủy phân)            |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Testing và Validation

+-----------------------------------------------------------------------------+
|              KẾT QUẢ ĐO KIỂM THÔNG SỐ HÓA LÝ NƯỚC NẤU BIA                   |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  Chỉ tiêu phân tích     | Tiêu chuẩn TCVN / Nhà máy | Kết quả kiểm nghiệm   |
+-------------------------+---------------------------+-----------------------+
|  Màu sắc                | <= 15 TCU (TCVN 6185-1996)| 5 TCU (Đạt)           |
|  Độ đục                 | <= 2 NTU (TCVN 6184-1996) | 0.4 NTU (Đạt)         |
|  Độ kiềm tổng (HCO3-)   | <= 5.0 °F                 | 2.1 °F (Đạt)          |
|  Độ kiềm Phenol         | 0.0 °F                    | 0.0 °F (Đạt)          |
|  Độ cứng tổng cộng      | <= 5.0 °F (TCVN 6178-1996)| 3.2 °F (Đạt)          |
|  Hàm lượng Amoni (NH4+) | <= 1.5 mg/l               | Không phát hiện       |
|  Hàm lượng Nitrit (NO2-)| <= 3.0 mg/l               | Không phát hiện       |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Kết quả đạt được

Hệ thống kiểm soát chất lượng đã được đưa vào ứng dụng thực nghiệm qua 120 mẻ nấu liên tục tại nhà máy:

Chỉ số vận hành (KPI)	Mục tiêu ban đầu	Kết quả thực tế đạt được	Đánh giá cải thiện
Độ ẩm malt đầu vào	$5.0 - 6.0%$	$5.32 \pm 0.21%$	Đạt 100% lô nhập
Đường sót trong bã hèm	$< 1.0^\circ\text{P}$	$0.3 - 0.6^\circ\text{P}$	Giảm lãng phí $38.5%$
Mật độ nấm men cấy	$20 - 25\times 10^6\ \text{TB/ml}$	$22.4 \times 10^6\ \text{TB/ml}$	Phân bố đồng đều $98%$
Thời gian đường hóa	$15\ \text{phút ở}\ 70^\circ\text{C}$	$12 - 14\ \text{phút}$	Thủy phân triệt để
Độ ổn định pH dịch nha	$5.2 - 5.6$	$5.35 \pm 0.08$	Tỷ lệ chuẩn đạt $99.2%$
Tỷ lệ mẻ lỗi/chua dịch	$< 1.0%$	$0.15%$	Giảm $85%$ sự cố vi sinh

---

Đổi mới và đóng góp

1. Chuẩn hóa tỷ lệ nghiền hạt đa cấp: Thiết lập tỷ lệ hạt tối ưu cho Malt (Vỏ trấu: $15 - 25%$, Bột mịn: $45 - 60%$) và Gạo (Tấm mịn: $85 - 95%$, Bột mịn: $10 - 20%$). Điều này giải quyết triệt để sự cố nghẹt màng lọc đáy nồi Lauter Tun, rút ngắn thời gian lọc dịch đường $22%$.
2. Kỹ thuật điều chỉnh pH động đa điểm: Đưa ra phác đồ can thiệp pH tức thì bằng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4\ 20%$ hoặc acid lactic với liều lượng định mức $150 - 200\ \text{ml}$ cho mỗi $0.4$ đơn vị pH sai lệch, đảm bảo enzyme $\alpha$-amylase và $\beta$-amylase hoạt động ở dải hoạt lực cực đại.
3. Phân đoạn giám sát lên men 4 giai đoạn chặt chẽ:
   • Pha 1 (Ngày 1-2): Tăng sinh khối men cực đại, giảm $0.3 - 0.5%$ chất hòa tan.
   • Pha 2 (Ngày 3-4): Chuyển kỵ khí tạo cồn/$\text{CO}_2$, nhiệt độ tăng nhanh $1.0 - 1.5^\circ\text{C}$, làm lạnh bù bằng glycol.
   • Pha 3 (Ngày 5-7): Lên men mãnh liệt, kiểm soát cực đại Diaxetyl và bọt khí $\text{CO}_2$.
   • Pha 4 (Ngày 8-9): Hạ nhiệt độ, kết lắng sinh khối men, thu hồi cặn bã houblon.
4. Phối hợp chế độ thanh trùng kép: Phân định chính xác chế độ thanh trùng trực tiếp dạng tấm bản ($75 - 82^\circ\text{C}$) cho bia chiết PET và thanh trùng gián tiếp hầm tunnel ($60^\circ\text{C}$ trong $20\ \text{phút}$) cho chai thủy tinh có dập nắp crown 21 răng nam châm.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai tại nhà máy

Quy trình QA/QC được tích hợp vào 3 dây chuyền cốt lõi:

1. Dây chuyền bia hơi/bia tươi: Dịch bia sau lên men phụ được lọc qua hệ thống nến trợ lọc Diatomit, dẫn sang bồn tàng trữ và chiết trực tiếp vào thùng bock theo nguyên lý đẳng áp (tạo áp suất đối kháng trước khi rót tự chảy).
2. Dây chuyền bia chai tiệt trùng: Hệ thống máy rửa chai liên hoàn (nhiệt độ rửa $60 - 85^\circ\text{C}$, thời gian lưu $10 - 15\ \text{phút}$), kiểm tra nứt vỡ thành/miệng chai, rót đẳng áp chống xâm nhập oxy và dập nắp crown 21 răng.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ PHÂN TÍCH ROI                         |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  Giai đoạn 1 (Tháng 1-2): Khảo sát, lắp đặt trang thiết bị kiểm nghiệm Lab  |
|  Giai đoạn 2 (Tháng 3-4): Tập huấn SOP KCS, áp dụng đo thử nghiệm 30 mẻ    |
|  Giai đoạn 3 (Tháng 5-6): Chuẩn hóa toàn bộ dây chuyền nấu và lên men       |
|                                                                             |
|  Hiệu quả tài chính dự tính (Mẻ nấu 4.000 Lít):                            |
|  - Tiết kiệm hao hụt dịch đường: 45.000.000 VNĐ/tháng                       |
|  - Giảm thiểu mẻ bia hỏng: 80.000.000 VNĐ/tháng                             |
|  - Thời gian hoàn vốn đầu tư phòng Lab QA/QC (ROI): 5.5 tháng               |
+-----------------------------------------------------------------------------+

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Đánh giá chất lượng nguyên liệu gạo nhập kho vẫn phụ thuộc lớn vào phương pháp cảm quan (mùi, màu, độ giòn hạt).
• Các phép đo độ đường $^\circ\text{P}$ và pH vẫn cần thao tác lấy mẫu thủ công, mang về phòng Lab làm nguội về $20^\circ\text{C}$ trước khi đo, tạo độ trễ khoảng $5 - 10\ \text{phút}$.

Định hướng nâng cấp

• Lắp đặt hệ thống cảm biến quang học khúc xạ và điện cực pH chịu nhiệt in-line gắn trực tiếp trên đường ống dẫn dịch nha.
• Tự động hóa kết nối PLC SCADA điều khiển van cấp acid/nước RO dựa trên thuật toán hiệu chỉnh tức thời.
• Nghiên cứu ứng dụng phương pháp PCR nhanh để phát hiện sớm nấm men dại (Wild Yeast) và vi khuẩn kỵ khí sinh acid trong vòng 4 giờ.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm & Kỹ thuật Hóa học: Nắm vững quy chuẩn kiểm tra hóa lý thực tế tại nhà máy bia công nghiệp (chuẩn độ P-M, đo độ cứng EDTA, phân tích hạt malt, giản đồ nấu).
• Kỹ sư vận hành và Chuyên viên QA/QC: Sở hữu bộ quy chuẩn thao tác chuẩn (SOP) và công thức tính toán lượng nước/acid điều chỉnh mẻ nấu chính xác.
• Doanh nghiệp sản xuất đồ uống: Nâng cao tỷ lệ thu hồi chất chiết, giảm thiểu rủi ro hư hỏng vi sinh và ổn định chất lượng cảm quan của sản phẩm trên thị trường.
• Nhà nghiên cứu công nghệ lên men: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về động học quá trình lên men 4 giai đoạn của chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae / carlsbergensis.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống kiểm tra chất lượng này là gì?

Hệ sinh thái yêu cầu một phòng kiểm nghiệm (Lab KCS) trang bị: tủ sấy đối lưu $125 - 130^\circ\text{C}$, cân phân tích sai số $\pm 0.0001\ \text{g}$, máy đo pH chuẩn nhiệt độ, máy quang phổ UV-Vis bước sóng $430\ \text{nm}$, bộ rây cơ học tiêu chuẩn ($0.5 - 3.0\ \text{mm}$) và các hóa chất phân tích chuẩn (Iot $0.1\text{N}$, $\text{NaOH}\ 0.1\text{N}$, $\text{H}_2\text{SO}_4\ \text{N}/25$, EDTA $0.1\text{N}$).

2. Giới hạn khả năng mở rộng (Scalability) của quy trình khi nâng quy mô mẻ nấu?

Quy trình và thuật toán tính toán có tính co giãn tuyến tính. Khi quy mô tăng từ $4.000\ \text{L}$ lên $50.000\ \text{L/mẻ}$, các công thức tính tỷ lệ nước bổ sung, rửa bã và liều lượng men giống ($20 - 25\times 10^6\ \text{TB/ml}$) vẫn giữ nguyên tính chính xác, chỉ cần hiệu chỉnh lưu lượng bơm sục khí và thời gian lắng xoáy Whirlpool theo tỷ lệ thể tích đáy thùng ($8 - 10%$).

3. Tích hợp quy trình kiểm soát này với hệ thống SCADA/PLC nhà máy như thế nào?

Dữ liệu kiểm nghiệm từ KCS (pH, $^\circ\text{P}$, độ đục) có thể nhập vào giao diện HMI/SCADA. Hệ thống sẽ tự động kích hoạt bơm định lượng acid hoặc mở van nước cấp điều chỉnh mẻ nấu theo đúng công thức can thiệp đã được mã hóa.

4. Tần suất bảo trì và hiệu chuẩn các thiết bị phân tích?

• Điện cực pH: Hiệu chuẩn 2 điểm (pH 4.01 và 7.00) hàng ngày trước mỗi ca làm việc.
• Phù kế Balling và nhiệt kế: Kiểm tra độ trôi định kỳ hàng tháng với nước cất ở $20^\circ\text{C}$.
• Máy quang phổ UV-Vis: Hiệu chuẩn độ hấp thụ quang với dung dịch chuẩn định kỳ 6 tháng/lần.

5. Chi phí đầu tư và thời gian thu hồi vốn (ROI) ước tính?

Chi phí trang bị phòng Lab KCS tiêu chuẩn dao động từ 150 - 250 triệu VNĐ. Nhờ giảm tỷ lệ mẻ hỏng từ $3.5%$ xuống dưới $0.2%$ và tăng hiệu suất thu hồi đường trong bã malt thêm $1.2%$, doanh nghiệp có thể hoàn vốn đầu tư trong vòng 5 đến 6 tháng vận hành liên tục.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Kiểm tra và kiểm soát quá trình sản xuất bia" đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa chất lượng trong công nghiệp thực phẩm thông qua việc chuẩn hóa toàn diện các phương pháp phân tích hóa lý, sinh học từ khâu tiếp nhận nguyên liệu đến hoàn thiện sản phẩm. Với việc định lượng hóa các quy chuẩn thao tác, xây dựng thuật toán can thiệp mẻ nấu tức thời và tối ưu hóa quy trình lên men 4 pha, đề tài không chỉ mang lại giá trị học thuật xuất sắc mà còn khẳng định tính ứng dụng thực tiễn cao tại Nhà máy bia Vinaken. Các giải pháp kiểm soát này là nền tảng vững chắc giúp các doanh nghiệp sản xuất đồ uống nâng cao năng lực cạnh tranh, bảo đảm an toàn thực phẩm và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BIA VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA 1. Giới thiệu về bia: - Bia là loại thức uống lên men có truyền thống lâu đời, có giá trị dinh dưỡng cao và độ cồn thấp, mùi vị thơm, ngon và chứa một số chất bổ dưỡng như: + Chất đạm: đặc biệt là đạm hòa tan chiếm khoảng 8 – 10% chất tan, bao gồm: protien, peptid và amino acid. + Glucid: glucid tan (70% là dextrin, pentosan). + Vitamin: B1, B2, PP,… + Chất khoáng và một số chất thơm đặc trưng.

- Ngoài ra trong bia còn có CO 2 nên tạo nhiều bọt khi rót , bọt là đặc tính ưu việt của bia. Bọt CO2 có tác dụng làm giảm cơn khát, giúp tiêu hóa thức ăn nhanh,… - Ngoài đáp ứng nhu cầu giải khát, nếu chúng ta uống bia với một lượng thích hợp sẽ rất có lợi cho sức khỏe, giúp ăn ngon, dễ tiêu hóa, giảm mệt mỏi,…Chính vì vậy từ lâu bia đã trở thành thức uống quen thuộc được nhiều người ưa thích.1: Một số sản phẩm bia trên thị trường. 3 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp 1. Nguyên liệu chính trong sản xuất bia: - Nguyên liệu chính trong sản xuất bia bao gồm: Nước, malt, gạo, nấm men, hoa houblon.

Nước: - Nước có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của bia thành phẩm. Nước chiếm từ 77-90% thành phần bia. Nước đóng vai trò quan trọng trong đường hóa và hồ hóa, hòa tan các chất chiết, làm loãng dịch hồ tinh bột tạo thuận lợi cho việc vận chuyển và đảo trộn. Trong quá trình lọc, nước chiết rút tất cả chất hòa tan còn sót lại trong bã malt, nâng cao lượng chất hòa tan trong dịch đường.

Malt: - Malt là tên gọi ngũ cốc nẩy mầm. Malt là nguyên liệu chính không thể thiếu trong công nghệ sản xuất bia. Malt 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 là có hệ enzyme phong phú, chủ yếu là proteaza và amylaza. Malt là nguồn nguyên liệu chính cho quá trình lên men và góp phần lớn trong việc tạo hương vị và màu sắc cho bia.3: Malt 4 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp 1.

Hoa houblon: - Houblon là nguyên liệu quan trọng, không thể thay thế trong sản xuất bia, làm cho bia có vị đắng dịu và hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo bọt, làm kết tủa protein kém bền vững và có tác dụng sát trùng bia. - Hoa houblon có tên khoa học là Humulus lupulus, là loài thực vật đơn tính, thuộc họ gai mèo. Đặc điểm của giống cây này là hoa đực và hoa cái được sinh ra trên hai cây khác nhau và chỉ có hoa cái chưa thụ phấn là được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bia ( hoa đực và hoa cái đã qua thụ phấn thì hàm lượng đắng và hương thấp). Nấm men: - Nấm men được sử dụng trong sản xuất bia thuộc loài Saccharomyces Cerevisiae và Saccharomyces calsbergensis.

Tế bào nấm men chứa khoảng 75% nước. Phần chất khô còn lại chủ yếu là protein và gluxit. - Vai trò của nấm men: Chuyển hóa các chất đường thành C 2H5OH và CO2. Trong quá trình lên men chính, ngoài sự chuyển hóa các chất hydrocacbon, nấm men cũng chuyển hóa các chất khác như protein, khoáng, béo,… từ đó hình thành khá nhiều những sản phẩm phụ trong bia: các rượu bậc cao và glyxerin, các axit hữu cơ, este, andehyt,… Hình 1.5: Nấm men 5 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp 1.

Các chất phụ gia: - Ngoài những nguyên liệu không thể thiếu: nước, malt, hoa houblon, nấm men, người ta còn sử dụng một số chất phụ gia nhằm nâng cao chất lượng của bia: + Catamel: Có tác dụng tạo màu cho bia, cho vào sau giai đoạn đường hóa. + CaCl2:Cho vào giai đoạn nấu, có tác dụng tăng khả năng chịu nhiệt của enzyme. Kích thích hoạt động của amylaza và proteaza, tăng cường khả năng kết lắng của protein ở trong nồi, đối với giai đoạn sau, cần thiết cho khả năng kết lắng hoàn toàn của nấm men và oxalat, đồng thời lượng canxi thích hợp là yếu tố quan trọng để ổn định và tạo vị tốt cho bia. + Axit lactic và axit H 2SO4: Bổ sung trong trường hợp pH của dung dịch nước quá cao.

+ ZnCl2: Có tác dụng tổng hợp nucleotid, làm tăng sinh khối, giảm nguyên nhân thoái hóa nấm men. + Bột trợ lọc Diatomit: Cho vào theo đường ống của bia đi vào thiết bị lọc sau lên men phụ, có tác dụng hỗ trợ cho quá trình lọc làm trong bia. + Chế phẩm enzyme: Có tác dụng làm tăng hiệu quả thủy phân tinh bột. Một số chế phẩm enzyme thường sử dụng trong ngành bia là: Termamyl, Fungamyl, AMG.

Quy trình sản xuất bia: 6 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp 1.1: Quy trình công nghệ: MALT GẠO NGHIỀN NGHIỀN PHỐI TRỘN NƯỚC PHỐI TRỘN ĐẠM HÓA HỒ HÓA ĐƯỜNG HÓA LỌC DỊCH ĐƯỜNG RỬA BÃ CAO MỠ, CAO HOUBLON HÓA VIÊ N PHỤ LẮNG CẶN LIỆ U BÃ HÈM LÀM LẠNH NHANH NƯỚC MOUT (dịch nha) Sơ đồ 1.1: Quy trình công nghệ phân xưởng nấu 1.2: Thuyết minh quy trình: 7 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp a. Nguyên liệu: - Malt và gạo được cân đúng số lượng yêu cầu và vận chuyển từ kho chứa nguyên liệu đến máy nghiền gạo và malt. Nghiền gạo và malt: - Mục đích: làm giảm kích thước nguyên liệu, tăng diện tích tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước vào các thành phần chất của nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy qua trình đường hóa và các quá trình thủy phân khác xảy ra nhanh hơn và triệt để hơn. - Tiến hành: + Nghiền malt: Phương pháp nghiền malt là nghiền khô.

Chú ý malt không nên nghiền quá mịn, nên để còn vỏ để hỗ trợ cho quá trình lọc sau này. Sau khi nghiền, malt được cho vào bồn nước để làm ẩm malt, nước hòa trộn với malt khô tạo thành hỗn hợp (tỉ lệ malt : nước là 1:1,5). + Nghiền gạo: do hạt gạo không qua quá trình ươm mầm nên tinh bột trong gạo chưa bị thủy phân, cấu trúc của hạt tinh bột còn rất cứng nên để tăn hiệu suất trích ly thì gạo được nghiền càng mịn càng tốt. Sau khi nghiền, gạo được cho vào bồn nước để làm ẩm, nước hòa trộn với gạo tạo thành hỗn hợp (tỉ lệ gạo : nước là 1:3).6: Máy nghiền gạo và nghiền malt c.

Phối trộn: 8 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp - Malt, gạo sau khi xay nghiền sẽ được rót xuống nồi phối trộn, đồng thời nước cũng được bơm vào nồi với lượng xác định : 1kg malt/ 4 lít nước; 1 kg gạo / 3 lít nước. - Sau khi phối trộn đều, nguyên liệu được bơm từ nồi phối trộn sang nồi nấu. Hồ hóa: - Quá trình hồ hóa có ảnh hưởng lớn đến quá trình thủy phân tinh bột. Tinh bột đã qua hồ hóa sẽ thủy phân dễ dàng và triệt để hơn.

- Gạo sau khi đã xay nghiền, phối trộn với nước sẽ được bơm sang nồi gạo, quá trình hồ hóa gạo được tiến hành theo thời gian và nhiệt độ trong giản đồ nấu.7: Giản đồ nấu bia e. Đạm hóa: - Malt sau khi xay nghiền và phối trộn với nước sẽ được bơm sang nồi malt để tiến hành đạm hóa. Qúa trình nấu malt vận hành theo giản đồ nấu.7 – giản đồ nấu bia). - Trong thực tế sản xuất, người ta tiến hành hồ hóa trước rồi mới đạm hóa malt.

Nồi gạo và nồi malt được điều khiển sao cho khi nồi malt vừa đạm hóa xong thì tiến hành hội cháo ngay, không để nồi malt chờ nồi gạo. 9 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.8: Nồi nấu gạo và malt f. Lọc dịch đường: - Dịch đường sau khi kết thúc quá trình nấu sẽ được bơm sang nồi lọc và lọc trong 2. - Nguyên lý lọc: dựa vào sự chênh lệch áp suất phía trên và dưới lớp màng lọc, dịch đường sẽ chảy qua lóp màng lọc.

- Trước khi bơm dịch đường vào, ta cho nước 78 oC vào đáy nồi, ngập lưới lọc 1- 2cm. Công đoạn này giúp quá trình tạo màng dễ hơn, tránh hiện tượng tắc lưới lọc do bã malt nén lại. - Khi bơm dịch vào, cánh khuấy nồi lọc bật nhanh, sau đó cho quay chậm lại để gạt đều khối dịch ,tạo mành lọc. - Tắt cánh khuấy và để lắng 5 phút, bã malt lắng xuống đáy và tạo thành một lớp lọc.Để lớp lọc này có độ xốp, không bị nén lại khi lọc, yêu cầu malt không được xay quá nát, vỏ trấu càng nguyên vẹn càng tốt.

Do chênh áp, dịch đường sẽ xuyên qua lớp lọc, theo đường ống ra khỏi nồi lọc.Tuy nhiên, dich lọc lần đầu vẫn còn cặn nên dịch sẽ được chứa trong bình trung gian rồi bơm hồi lại nồi lọc để lọc tiếp. - Sự cố hay gặp khi lọc là bị tắc màng lọc do bã malt nén lại khiến không chảy qua được.Để khắc phục , ta hạ hệ thống dao xuống thấp. bật cánh khuấy cào đảo lớp lọc, tạo độ xốp khoảng 15-20 phút. Sau đó nâng hệ thống dao lên ngang mặt lớp lọc, chao dao về vị trí ban đầu , quay cánh khuấy 10 -15 phút để san phẳng bề mặt, tạo màng lọc cho lọc tiếp.

10 SVTH: Trần Văn Hưng Trường ĐH KTCN TP: HCM Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.9: Hỗn hợp trong thiết bị lọc g. Rửa bã: - Khi kết thúc công đoạn lọc, dịch đường được bơm sang nồi cô.Tuy nhiên vẫn còn một lường đường sót khá lớn trong bã malt nên phải rữa bã để tận thu lượng đường này. - Khi lọc hết dịch, lộc mặt bã, ta mở van cấp nước nóng 78 oC vào nước rửa bã.Tiến hành rửa 4 lần để tận thu đường. - Theo yêu cầu, đường sót trong bã chỉ trong khoảng 0,2- 1 oBrix.

Lượng nước rửa bã không nên quá nhiều sẽ làm ảnh hưởng không tốt đến chất lượng bia sau này. Mỗi loại bia khác nhau sẽ có lượng nước rửa bã khác nhau. Xả bã: - Sau khi đạt đủ số lượng dịch cần thiết người ta ngưng rửa bã và xả bã ra ngoài. - Mở cửa ra, nâng cánh khuấy lên ngang mặt bã, cho quay chiều ngược lại với tốc độ nhanh, bã được chuyển đi bằng vít tải.

- Hạ dần cánh khuấy cho đến khi hết bã. Nếu bã khô, phải tưới thêm nước để không gây tắc đường ống.