Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Sản Xuất Rượu Vang Trắng Từ Nho

Đồ án nghiên cứu thiết kế hệ thống sản xuất rượu vang trắng từ nho với quy mô 500kgmẻ bằng phương pháp lên men, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Sản Xuất Rượu Vang Trắng Từ Nho Quy Mô 500KG/Mẻ
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sản phẩm rượu vang nho
• 1.1.1. Giới thiệu về rượu vang nho
• 1.1.2. Phân loại rượu vang nho
• 1.1.3. Thành phần hóa học của rượu vang
• 1.1.4. Các chỉ tiêu của sản phẩm rượu vang
• 1.2. Nguyên liệu sản xuất vang nho
• 1.3. Chất hỗ trợ cho các quá trình
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RƯỢU VANG NHO
• 2.1. Quy trình sản xuất rượu vang trắng
• 2.1.1. Sơ đồ quy trình công nghệ
• 2.1.2. Thuyết minh quy trình công nghệ
• 2.2. Cân bằng vật chất
• 2.2.1. Tính cân bằng vật chất trong sản xuất rượu vang trắng
• 2.2.2. Tính cân bằng vật liệu cho 500kg nguyên liệu sản xuất rượu vang trắng
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
• 3.1. Đường kính và chiều cao thiết bị
• 3.2. Chiều dày thiết bị phản ứng
• 3.3. Áp suất trong của thiết bị phản ứng
• 3.4. Hệ số bổ sung do ăn mòn, hao mòn và dung sai về chiều dày
• 3.5. Hệ số bền của thành thiết bị theo phương dọc
• 3.6. Xác định chiều dày đáy
• 3.7. Cánh khuấy, động cơ cánh khuấy
• 3.8. Công suất của động cơ
• 3.9. Tai treo của thiết bị phản ứng
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Toàn cảnh hệ thống sản xuất rượu vang trắng 500kg mẻ

Việc thiết kế một dây chuyền sản xuất rượu vang mini với quy mô 500kg nho/mẻ đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kiến thức công nghệ sinh học và kỹ thuật cơ khí. Hệ thống này không chỉ là một quy trình sản xuất đơn thuần mà là một giải pháp tổng thể, từ việc lựa chọn nguyên liệu đầu vào, áp dụng các kỹ thuật lên men tiên tiến, đến việc lựa chọn thiết bị phù hợp và tối ưu hóa chi phí. Mục tiêu chính là tạo ra sản phẩm rượu vang trắng đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn sản xuất rượu vang trong nước và quốc tế, điển hình là TCVN 7045:2002. Rượu vang trắng, được sản xuất từ quá trình lên men dịch nho đã tách bã, mang hương vị tinh tế, nhẹ nhàng và được ưa chuộng rộng rãi. Để đạt được chất lượng sản phẩm cao nhất, toàn bộ hệ thống phải được thiết kế đồng bộ, đảm bảo kiểm soát nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật trong từng công đoạn. Từ khâu sơ chế nguyên liệu, quá trình lên men, tàng trữ đến chiết rót, mỗi bước đều có vai trò quyết định đến hương vị, màu sắc và độ ổn định của sản phẩm cuối cùng. Một hệ thống hiệu quả không chỉ giúp đảm bảo chất lượng mà còn tối ưu hóa năng suất, giảm thiểu tổn thất nguyên vật liệu và tiết kiệm năng lượng. Việc nghiên cứu và áp dụng một mô hình chuẩn cho quy mô 500kg/mẻ mở ra cơ hội cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tham gia vào thị trường rượu vang, tận dụng nguồn nguyên liệu nho dồi dào tại Việt Nam.

1.1. Phân tích tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm rượu vang trắng

Chất lượng rượu vang trắng thành phẩm được đánh giá dựa trên một hệ thống chỉ tiêu khắt khe, bao gồm chỉ tiêu cảm quan, hóa học và vi sinh vật, được quy định cụ thể trong TCVN 7045:2002. Về mặt cảm quan, sản phẩm phải có màu sắc đặc trưng, trong suốt, không vẩn đục. Mùi phải thơm đặc trưng của nguyên liệu và quá trình lên men, không có mùi lạ. Vị phải hài hòa giữa chua, chát và có thể có vị ngọt nhẹ. Về chỉ tiêu hóa học, hàm lượng ethanol phải nằm trong khoảng 6 – 18 %V/V, trong khi các chất không mong muốn như methanol (≤ 3,0 g/L ethanol 100 độ), acid bay hơi (≤ 1,5 g/L) và SO2 tổng (≤ 350 mg/L) phải được kiểm soát dưới ngưỡng cho phép. Ngoài ra, các giới hạn về kim loại nặng như Asen (As), Chì (Pb), Thủy ngân (Hg) cũng là yếu tố bắt buộc để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Việc đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn sản xuất rượu vang này là minh chứng cho một quy trình sản xuất được kiểm soát tốt.

1.2. Vai trò của nguyên liệu và các loại phụ gia sản xuất rượu vang

Nguyên liệu chính là nho, mà chất lượng của nó quyết định đến 70% chất lượng rượu vang. Giống nho Sauvignon Blanc thường được ưu tiên cho sản xuất vang trắng với yêu cầu độ đường khoảng 15% và acid tổng 0,45%. Bên cạnh nho, các chất hỗ trợ đóng vai trò không thể thiếu. Men làm rượu vang, điển hình là loài Saccharomyces cerevisiae, là tác nhân chính chuyển hóa đường thành cồn và tạo ra các hợp chất hương vị đặc trưng. SO2 (dưới dạng lỏng hoặc muối sunfit) được sử dụng để ức chế vi sinh vật gây hại và chống oxy hóa. Đường saccharose tinh luyện (RE) được bổ sung để hiệu chỉnh nồng độ cồn mong muốn. Các phụ gia sản xuất rượu vang khác như bentonit, gelatin được dùng làm chất trợ lắng, giúp rượu trong nhanh hơn. Nước sử dụng trong quá trình sản xuất cũng phải đạt tiêu chuẩn nước uống theo quy định.

1.3. Các yêu cầu cơ bản của dây chuyền sản xuất rượu vang mini

Một dây chuyền sản xuất rượu vang mini cần đảm bảo tính liên tục, đồng bộ và vệ sinh. Các thiết bị phải được chế tạo từ vật liệu không gỉ như inox 304 hoặc 316 để chống ăn mòn từ acid trong dịch nho và dễ dàng vệ sinh. Bố trí nhà xưởng cần khoa học, phân chia rõ ràng các khu vực: khu tiếp nhận nguyên liệu, khu sơ chế, khu lên men, khu tàng trữ và khu thành phẩm. Hệ thống phải cho phép kiểm soát chặt chẽ các thông số quan trọng như nhiệt độ, pH, nồng độ SO2. Đặc biệt, hệ thống làm lạnh rượu vang là yếu tố cốt lõi để duy trì nhiệt độ lên men ổn định, một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng hương thơm của rượu vang trắng. Quy mô 500kg/mẻ yêu cầu các thiết bị có công suất phù hợp, tránh lãng phí đầu tư nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả vận hành.

II. Bí quyết kiểm soát yếu tố ảnh hưởng chất lượng rượu vang

Chất lượng rượu vang trắng không phải là kết quả ngẫu nhiên mà là tổng hòa của việc kiểm soát nghiêm ngặt nhiều yếu tố kỹ thuật trong suốt quy trình sản xuất rượu vang trắng. Thách thức lớn nhất đối với các nhà sản xuất quy mô nhỏ chính là duy trì sự ổn định và đồng nhất giữa các mẻ. Một trong những yếu tố cốt lõi là việc quản lý hệ vi sinh vật. Dịch nho là một môi trường giàu dinh dưỡng, rất thuận lợi cho cả nấm men mong muốn và các vi sinh vật dại không mong muốn phát triển. Nếu không được kiểm soát, các vi khuẩn, nấm mốc dại có thể gây ra các lỗi nghiêm trọng như vị chua gắt (do acid acetic), mùi lạ hoặc làm đục sản phẩm. Yếu tố thứ hai là nhiệt độ. Phản ứng lên men là một quá trình tỏa nhiệt, nếu không có hệ thống làm lạnh rượu vang hiệu quả, nhiệt độ tăng cao sẽ ức chế hoạt động của nấm men, làm thất thoát các hợp chất hương thơm bay hơi và tạo điều kiện cho vi sinh vật chịu nhiệt phát triển. Thứ ba, quá trình oxy hóa là kẻ thù thầm lặng của rượu vang trắng, gây sẫm màu và mất đi hương vị tươi mới của trái cây. Việc kiểm soát oxy hóa đòi hỏi các thao tác phải nhanh gọn, hạn chế tiếp xúc với không khí và sử dụng hợp lý các chất chống oxy hóa như SO2. Cuối cùng, việc lựa chọn đúng chủng men làm rượu vang và các phụ gia sản xuất rượu vang phù hợp cũng là một bí quyết quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc, hương vị và sự ổn định của sản phẩm cuối cùng.

2.1. Tầm quan trọng của quy trình sulfit hóa SO2 trong dịch nho

Quá trình sulfit hóa, hay việc bổ sung Lưu huỳnh đioxit (SO2), là một kỹ thuật không thể thiếu trong công nghệ làm rượu vang trắng. SO2 đóng nhiều vai trò quan trọng: (1) Sát trùng và chọn lọc vi sinh vật, ức chế hoặc tiêu diệt các loại vi khuẩn, nấm men dại có hại nhưng ít ảnh hưởng đến nấm men Saccharomyces cerevisiae ở liều lượng phù hợp. (2) Chống oxy hóa mạnh, bảo vệ các hợp chất màu và hương thơm khỏi sự phân hủy do enzyme và oxy hóa hóa học. (3) Làm trong dịch quả, do SO2 có khả năng phá vỡ cấu trúc tế bào vỏ nho, giúp giải phóng các hợp chất và kết tủa protein. Quy trình sulfit hóa SO2 thường được thực hiện hai lần: lần đầu ngay sau khi nghiền ép để bảo vệ dịch nho, và lần hai có thể bổ sung nhẹ trước khi đóng chai để đảm bảo độ bền của rượu. Liều lượng sử dụng cần được tính toán chính xác, thường khoảng 100-200 mg/lít, để tránh tồn dư SO2 quá mức gây mùi khó chịu và ảnh hưởng đến sức khỏe.

2.2. Kiểm soát nhiệt độ lên men Yếu tố then chốt tạo hương vị

Đối với rượu vang trắng, việc kiểm soát nhiệt độ lên men là yếu tố sống còn để giữ lại những hương thơm tinh tế. Nhiệt độ lên men lý tưởng cho vang trắng là từ 18-22°C. Ở dải nhiệt độ này, nấm men hoạt động hiệu quả để chuyển hóa đường thành cồn, đồng thời sản sinh ra các ester và hợp chất dễ bay hơi, tạo nên hương thơm phức hợp của hoa quả (táo xanh, lê, cam quýt). Nếu nhiệt độ quá cao (>25°C), quá trình lên men diễn ra quá nhanh, làm thất thoát phần lớn các hợp chất hương thơm và có thể tạo ra các mùi không mong muốn. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp sẽ làm chậm hoặc ngừng quá trình lên men. Để duy trì nhiệt độ ổn định, các bồn lên men inox hiện đại thường được trang bị vỏ áo làm lạnh, nơi dung dịch glycol lạnh lưu thông để giải nhiệt cho khối dịch lên men. Đây là một khoản đầu tư quan trọng nhưng cực kỳ cần thiết cho sản xuất rượu vang quy mô công nghiệp nhỏ.

2.3. Lựa chọn men và các chất hỗ trợ cho quá trình lắng trong

Việc lựa chọn chủng men làm rượu vang (Saccharomyces cerevisiae) phù hợp có ảnh hưởng lớn đến đặc tính của rượu. Mỗi chủng men có khả năng chịu cồn, chịu SO2, nhu cầu dinh dưỡng và khả năng tạo hương khác nhau. Lựa chọn đúng chủng men sẽ giúp quá trình lên men diễn ra hoàn toàn và tạo ra tổ hợp hương vị mong muốn. Sau quá trình lên men, rượu non thường bị đục do chứa xác nấm men, protein và các hạt rắn lơ lửng. Để đẩy nhanh quá trình làm trong, người ta sử dụng các chất trợ lắng. Bentonit là một loại đất sét có khả năng hấp phụ và kết tủa protein rất hiệu quả. Gelatin, một loại protein, khi kết hợp với tanin có sẵn trong rượu sẽ tạo thành bông kết tủa lớn, kéo theo các hạt cặn lơ lửng khác lắng xuống đáy. Việc sử dụng hợp lý các chất hỗ trợ này giúp rút ngắn thời gian ổn định và làm trong rượu, chuẩn bị cho công đoạn lọc và đóng chai.

III. Quy trình sản xuất rượu vang trắng tối ưu cho 500kg nho

Một quy trình sản xuất rượu vang trắng được chuẩn hóa là xương sống của toàn bộ hệ thống, đảm bảo tính nhất quán và chất lượng sản phẩm. Với quy mô 500kg nguyên liệu, quy trình này được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất thu hồi dịch nho và kiểm soát chặt chẽ các biến đổi sinh hóa. Quy trình bắt đầu từ khâu tiếp nhận và phân loại nho, loại bỏ những quả không đạt chất lượng. Tiếp theo là công đoạn rửa, nghiền xé và tách cuống. Khâu này cần được thực hiện nhanh chóng để hạn chế tối đa sự oxy hóa. Dịch nho sau đó được ép để tách bã. Quá trình sulfit hóa được tiến hành ngay sau đó để bảo vệ dịch nho khỏi vi sinh vật và oxy hóa. Dịch nho được làm lạnh xuống khoảng 4-5°C và để lắng cặn tự nhiên, loại bỏ các phần tử rắn thô. Phần dịch trong được chuyển sang công đoạn phối chế, nơi nồng độ đường được hiệu chỉnh và bổ sung dịch nấm men. Quá trình lên men chính diễn ra trong khoảng 10 ngày ở nhiệt độ được kiểm soát 18-22°C. Sau lên men, rượu non được lắng cặn lần hai để tách xác nấm men, sau đó được chuyển sang giai đoạn tàng trữ hay ủ chín trong các bồn lên men inox hoặc thùng gỗ sồi để phát triển hương vị. Cuối cùng, rượu được lọc tinh, chiết rót vào chai, đóng nắp và dán nhãn trước khi đưa ra thị trường. Mỗi bước trong quy trình đều được tính toán cân bằng vật chất để kiểm soát tổn thất và hiệu suất.

3.1. Giai đoạn sơ chế Từ phân loại nho đến ép tách bã

Giai đoạn sơ chế là nền tảng quyết định chất lượng dịch nho đầu vào. Nho sau khi thu hoạch được phân loại thủ công để loại bỏ quả dập nát, sâu bệnh. Sau đó, nho được đưa qua hệ thống rửa để loại bỏ bụi bẩn và dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Thiết bị quan trọng ở giai đoạn này là máy nghiền ép nho. Máy thực hiện đồng thời ba chức năng: nghiền vỡ quả nho để giải phóng dịch, xé nhẹ và tách phần cuống ra khỏi hỗn hợp. Việc tách cuống là rất quan trọng vì cuống chứa nhiều tanin chát và hợp chất có vị cỏ, không mong muốn trong rượu vang trắng. Sau khi nghiền, hỗn hợp dịch và bã (vỏ, hạt) được chuyển ngay sang máy ép. Đối với vang trắng, quá trình ép tách bã diễn ra trước khi lên men để hạn chế sự trích ly tanin và chất màu từ vỏ. Các loại máy ép trục vít hoặc máy ép khí nén thường được sử dụng để tối đa hóa lượng dịch nho thu hồi mà không làm dập nát hạt.

3.2. Quá trình lên men chính và kiểm soát lên men malolactic

Đây là giai đoạn trung tâm của công nghệ làm rượu vang trắng. Dịch nho trong sau khi lắng được cấy giống nấm men Saccharomyces cerevisiae với mật độ khoảng 2-3 triệu tế bào/mL. Quá trình lên men chính chuyển hóa glucose và fructose thành ethanol và CO2. Trong giai đoạn này, kiểm soát nhiệt độ lên men là ưu tiên hàng đầu. Song song đó, một quá trình lên men phụ có thể xảy ra là lên men malolactic (MLF), được thực hiện bởi vi khuẩn lactic. Quá trình này chuyển hóa acid malic (vị chua gắt của táo xanh) thành acid lactic (vị chua dịu nhẹ của sữa chua), làm giảm độ chua tổng và tăng sự phức hợp về hương vị, tạo cảm giác mềm mại, đầy đặn hơn trong miệng. Tuy nhiên, không phải loại vang trắng nào cũng cần MLF. Đối với các loại vang cần giữ vị chua thanh mát và hương trái cây tươi mới, người ta thường ức chế quá trình này bằng cách duy trì nhiệt độ thấp và sử dụng SO2.

3.3. Hoàn thiện sản phẩm Tàng trữ lọc và chiết rót đóng chai

Sau khi lên men, rượu non được chuyển sang giai đoạn tàng trữ (hay ủ) trong các thùng chứa chuyên dụng, thường là bồn lên men inox để giữ trọn hương vị trái cây hoặc thùng gỗ sồi để tăng thêm hương vani, bánh mì nướng. Giai đoạn này có thể kéo dài từ vài tháng đến một năm, giúp rượu ổn định, các hợp chất hương vị phát triển và cặn mịn tiếp tục lắng xuống. Trước khi đóng chai, rượu phải trải qua quá trình lọc để đạt độ trong tuyệt đối. Máy lọc rượu vang, thường là máy lọc khung bản hoặc lọc màng, sẽ loại bỏ các vi sinh vật còn sót lại và các hạt cặn siêu nhỏ, giúp rượu ổn định và không bị đục trở lại trong chai. Cuối cùng, máy chiết rót đóng chai sẽ định lượng chính xác rượu vào từng chai, đóng nắp kín để ngăn không khí xâm nhập, và dán nhãn hoàn thiện sản phẩm. Quá trình này cần đảm bảo vệ sinh tuyệt đối để tránh tái nhiễm vi sinh vật.

IV. Danh mục thiết bị sản xuất rượu vang trắng 500kg mẻ

Việc lựa chọn thiết bị sản xuất rượu vang phù hợp với quy mô 500kg/mẻ là một bài toán quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành và chi phí đầu tư xưởng rượu vang nhỏ. Hệ thống thiết bị cần được lựa chọn đồng bộ, từ khâu sơ chế đến hoàn thiện sản phẩm. Toàn bộ dây chuyền phải được thiết kế để dễ dàng vận hành, bảo trì và vệ sinh. Vật liệu chế tạo, chủ yếu là inox không gỉ (SUS 304, 316), là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và độ bền trước môi trường acid của rượu vang. Danh mục thiết bị cốt lõi bao gồm: máy nghiền xé tách cuống, máy ép dịch nho, hệ thống bơm chuyển dịch, các bồn chứa và lên men, hệ thống kiểm soát nhiệt độ, máy lọc và máy chiết rót. Đối với quy mô nhỏ, có thể lựa chọn các thiết bị bán tự động để cân bằng giữa chi phí đầu tư và hiệu quả sản xuất. Việc đầu tư vào các thiết bị chất lượng ngay từ đầu sẽ giúp giảm thiểu rủi ro hỏng hóc, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định và nâng cao uy tín thương hiệu trong dài hạn. Một bản vẽ thiết kế dây chuyền rượu vang chi tiết sẽ giúp hình dung rõ ràng sự liên kết và bố trí của các thiết bị này trong nhà xưởng.

4.1. Thiết bị sơ chế Máy nghiền ép nho và hệ thống rửa

Giai đoạn sơ chế yêu cầu các thiết bị có khả năng xử lý nhanh và nhẹ nhàng với nguyên liệu. Hệ thống rửa thường là dạng bồn sục khí hoặc băng tải phun tia nước áp lực để làm sạch nho. Thiết bị quan trọng nhất là máy nghiền ép nho. Với quy mô 500kg/mẻ, có thể lựa chọn máy nghiền xé tách cuống có công suất phù hợp. Sau đó, hỗn hợp dịch và bã được đưa vào máy ép. Máy ép khí nén (pneumatic press) là lựa chọn lý tưởng cho vang trắng vì nó tạo ra áp lực nhẹ nhàng, chiết xuất dịch nho chất lượng cao và ít tanin. Tuy nhiên, máy ép trục vít (screw press) cũng là một lựa chọn kinh tế hơn, phù hợp với mức đầu tư ban đầu. Các thiết bị này cần được vệ sinh kỹ lưỡng ngay sau mỗi lần sử dụng để tránh nhiễm khuẩn.

4.2. Bồn lên men inox và hệ thống làm lạnh rượu vang tích hợp

Trái tim của nhà máy rượu chính là khu vực lên men. Bồn lên men inox là lựa chọn phổ biến nhất hiện nay do độ bền cao, bề mặt trơ, dễ vệ sinh và khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt. Đối với mẻ 500kg nho (tương đương khoảng 350-400 lít dịch), cần ít nhất 1-2 bồn lên men có dung tích khoảng 500-600 lít (chừa khoảng 20% không gian trống cho quá trình lên men). Điểm cốt lõi của các bồn này là vỏ áo làm lạnh (cooling jacket). Hệ thống làm lạnh rượu vang bao gồm một máy làm lạnh nước trung tâm (chiller) tạo ra dung dịch glycol lạnh, sau đó dung dịch này được bơm tuần hoàn qua vỏ áo của các bồn lên men. Mỗi bồn được trang bị cảm biến nhiệt độ và van điều khiển tự động, cho phép cài đặt và duy trì nhiệt độ chính xác cho từng bồn, đảm bảo điều kiện lên men tối ưu.

4.3. Máy lọc máy chiết rót và đóng chai cho quy mô nhỏ

Để hoàn thiện sản phẩm, các thiết bị ở công đoạn cuối cùng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ trong, độ ổn định và tính thẩm mỹ. Máy lọc rượu vang loại khung bản với các tấm lọc có kích thước lỗ khác nhau là giải pháp phổ biến và hiệu quả cho quy mô nhỏ, cho phép lọc từ thô đến tinh. Sau khi lọc, máy chiết rót đóng chai sẽ thực hiện công đoạn cuối cùng. Với quy mô 500kg/mẻ, một máy chiết rót bán tự động 2-4 vòi là phù hợp, kết hợp với máy đóng nút chai thủ công hoặc bán tự động. Các hệ thống này giúp quá trình chiết rót diễn ra nhanh chóng, chính xác, hạn chế sự tiếp xúc của rượu với oxy, góp phần giữ gìn chất lượng sản phẩm khi đến tay người tiêu dùng.

V. Tư vấn thiết kế nhà xưởng rượu vang và chi phí đầu tư

Việc thiết kế nhà xưởng và lập dự toán chi phí là bước đi chiến lược, quyết định tính khả thi và hiệu quả của dự án sản xuất rượu vang quy mô công nghiệp nhỏ. Một nhà xưởng được thiết kế tốt không chỉ đáp ứng các yêu cầu về công năng mà còn phải tuân thủ các tiêu chuẩn về an toàn vệ sinh thực phẩm (GMP, HACCP). Việc tư vấn thiết kế nhà xưởng rượu vang chuyên nghiệp sẽ giúp tối ưu hóa không gian, đảm bảo dòng chảy nguyên liệu một chiều, tránh nhiễm chéo giữa các khu vực. Từ bản vẽ thiết kế dây chuyền rượu vang chi tiết, có thể xác định chính xác vị trí lắp đặt từng thiết bị. Về chi phí, chi phí đầu tư xưởng rượu vang nhỏ bao gồm nhiều hạng mục: chi phí xây dựng hoặc thuê nhà xưởng, chi phí mua sắm thiết bị sản xuất rượu vang, chi phí hệ thống điện nước, xử lý nước thải, chi phí đăng ký và giấy phép, và vốn lưu động cho nguyên liệu và vận hành ban đầu. Việc lập dự toán chi tiết giúp chủ đầu tư có cái nhìn tổng quan về nguồn vốn cần thiết, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và hiệu quả. Việc tính toán cân bằng vật chất là cơ sở quan trọng để ước tính công suất thực tế và hiệu quả kinh tế của dự án.

5.1. Nguyên tắc bố trí mặt bằng nhà xưởng sản xuất rượu vang

Bố trí mặt bằng nhà xưởng phải tuân thủ nguyên tắc một chiều, từ nguyên liệu đầu vào đến sản phẩm đầu ra, nhằm tránh nhiễm chéo. Sơ đồ bố trí nên bao gồm các khu vực chức năng riêng biệt: (1) Khu tiếp nhận và sơ chế nguyên liệu (ngoài trời hoặc có mái che, dễ vệ sinh); (2) Khu lên men (phòng kín, có kiểm soát nhiệt độ và thông gió); (3) Khu tàng trữ và hầm ủ rượu vang (yêu cầu nhiệt độ mát, ổn định và ít ánh sáng); (4) Khu lọc và chiết rót, đóng chai (phòng sạch, yêu cầu vệ sinh cao); (5) Kho thành phẩm; (6) Phòng thí nghiệm để kiểm tra chất lượng; (7) Khu vực văn phòng và khu phụ trợ. Sàn nhà xưởng cần có độ dốc phù hợp và hệ thống thoát nước tốt để dễ dàng vệ sinh. Bố trí hợp lý giúp tối ưu hóa quá trình vận hành, tiết kiệm thời gian di chuyển và đảm bảo an toàn lao động.

5.2. Phân tích cân bằng vật chất cho mẻ sản xuất 500kg nho

Tính toán cân bằng vật chất là công cụ để dự báo sản lượng và kiểm soát tổn thất trong từng công đoạn. Dựa trên dữ liệu từ đồ án tham khảo, với 500kg nho nguyên liệu đầu vào: quá trình phân loại và rửa gây tổn thất khoảng 2.5%, còn lại 487.6 kg. Công đoạn nghiền, xé, tách cuống tổn thất 5%, còn lại 463.8 kg. Sau các quá trình ép, sunfit hóa, làm lạnh và lắng cặn lần 1, lượng dịch nho thu được trước khi lên men là khoảng 411.31 kg, tương đương khoảng 387.65 lít. Quá trình lên men và lắng cặn lần hai có tổn thất, thu được khoảng 349.66 lít rượu non. Sau khi tàng trữ, lọc và chiết rót, sản lượng cuối cùng ước tính thu được khoảng 341 lít rượu vang thành phẩm. Việc theo dõi sát sao các con số này trong thực tế giúp nhà sản xuất xác định được các điểm nghẽn và cải tiến quy trình để giảm thiểu tổn thất, nâng cao hiệu suất tổng thể.

5.3. Dự toán chi phí đầu tư xưởng rượu vang nhỏ ban đầu

Dự toán chi phí đầu tư xưởng rượu vang nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mức độ tự động hóa, thương hiệu thiết bị và quy mô nhà xưởng. Chi phí chính bao gồm: (1) Thiết bị sản xuất rượu vang: Đây là khoản chi lớn nhất, bao gồm máy nghiền ép, bồn lên men, hệ thống làm lạnh, máy lọc, máy chiết rót, có thể dao động từ vài trăm triệu đến hơn một tỷ đồng. (2) Xây dựng/Cải tạo nhà xưởng: Chi phí này tùy thuộc vào việc xây mới hay thuê và cải tạo lại. (3) Hệ thống phụ trợ: Bao gồm hệ thống điện, cấp thoát nước, xử lý nước thải. (4) Chi phí khác: Giấy phép, đăng ký thương hiệu, chi phí marketing ban đầu. (5) Vốn lưu động: Dùng để mua nguyên liệu (nho, men, phụ gia), chai lọ, nhãn mác cho ít nhất 1-2 vụ sản xuất đầu tiên. Một kế hoạch tài chính chi tiết sẽ là kim chỉ nam giúp dự án đi đúng hướng và tránh các rủi ro về vốn.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp đồ uống có cồn tại Việt Nam đang chứng kiến sự dịch chuyển mạnh mẽ từ các sản phẩm chưng cất truyền thống sang các dòng đồ uống lên men tự nhiên có giá trị dinh dưỡng và độ cồn vừa phải. Theo số liệu từ Hiệp hội Bia - Rượu - Nước giải khát Việt Nam (VBA), cả nước hiện có hơn 15 cơ sở sản xuất và đóng chai rượu vang với tổng sản lượng đạt xấp xỉ 3 triệu lít/năm. Tuy nhiên, phần lớn nguồn cung nội địa vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng chất lượng cao, phụ thuộc vào nhập khẩu hoặc các quy trình chế biến thủ công phân tán chưa đồng bộ về mặt kỹ thuật và cơ khí.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là việc kiểm soát các thông số hóa lý (nhiệt độ, nồng độ oxy, pH, mật độ nấm men) và tổn thất vật chất trong các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ (SME) còn nhiều hạn chế, dẫn đến chất lượng vang không ổn định giữa các mẻ, dễ bị oxy hóa và nhiễm tạp khuẩn. Đồ án môn học chuyên ngành Công nghệ Hóa hữu cơ: "Thiết kế hệ thống sản xuất rượu vang trắng từ nho với quy mô 500 kg/mẻ bằng phương pháp lên men" được thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp bài toán công nghệ và kỹ thuật cơ khí này.

Mục tiêu kỹ thuật của dự án

1. Thiết lập chu trình công nghệ hoàn chỉnh: Xử lý 500 kg nguyên liệu nho tươi giống Sauvignon Blanc (độ ẩm 80%, đường 15 °Bx, acid tổng 0,45%) thu hồi tối thiểu 340 lít rượu vang trắng đạt chuẩn.
2. Tính toán cân bằng vật chất chi tiết: Xác định chính xác tỷ lệ tiêu hao qua 15 công đoạn công nghệ từ phân loại, ép trục vít, lắng cặn đến chiết rót.
3. Thiết kế cơ khí thiết bị phản ứng sinh học (Bioreactor/Fermentation Tank): Tính toán kết cấu bền, chiều dày thân trụ, nắp chỏm cầu, đáy côn, hệ thống khuấy mỏ neo và động cơ truyền động chịu áp suất thủy tĩnh và áp suất vận hành $1\text{ at}$.
4. Kiểm soát chất lượng theo tiêu chuẩn: Đảm bảo sản phẩm đầu ra đạt chuẩn cảm quan và an toàn hóa lý theo TCVN 7045:2002 (độ cồn $11% \text{ v/v}$, acid bay hơi $\le 1,5\text{ g/L}$, $\text{SO}_2 \le 350\text{ mg/L}$, kim loại nặng và vi sinh vật trong ngưỡng an toàn).

Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ thống lên men gián đoạn (batch fermentation) có cánh khuấy cơ khí và vỏ áo điều nhiệt, phục vụ quy mô bán công nghiệp 500 kg nguyên liệu/mẻ tại điều kiện khí hậu Việt Nam (sử dụng nguồn nho Ninh Thuận).

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Quá trình lên men rượu vang trắng đòi hỏi các yêu cầu công nghệ nghiêm ngặt hơn vang đỏ do dịch lên men đã được tách bã hoàn toàn, màu sắc nhạy cảm với phản ứng sẫm màu enzyme (browning) và hàm lượng polyphenol tự nhiên thấp hơn.

Tiêu chí phân tích	Phương pháp thủ công / Bồn hở	Bồn inox công nghiệp nhập khẩu	Hệ thống thiết kế (500 kg/mẻ)
Kiểm soát nhiệt độ	Không có (biến thiên 25–35°C)	Tự động hoàn toàn qua SCADA	Vỏ áo làm lạnh Glycol ($18\text{–}22^\circ\text{C}$)
Bảo toàn hương thơm	Thấp (thất thoát este/terpene)	Tối ưu	Cao (bồn kín, thu hồi $\text{CO}_2$)
Tỷ lệ thu hồi dịch	$60\text{–}65%$ khối lượng nho	$75\text{–}82%$ khối lượng nho	$\mathbf{68,2%}$ (tương đương $\mathbf{340,997\text{ L}}$)
Kiểm soát oxy hóa	Kém, phụ thuộc kinh nghiệm	Bơm khí trơ ($N_2/\text{CO}_2$)	Sunfit hóa 2 lần ($\text{SO}_2: 160\text{ mg/L}$)
Chi phí đầu tư thiết bị	Rất thấp (dưới 50 triệu)	Rất cao (> 800 triệu/line)	Tối ưu cho cơ sở SME (< 200 triệu)

Phân loại yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW

• Must have (Bắt buộc): Bồn lên men vật liệu Inox chuyên dụng (thép không gỉ IX13/SUS304), hệ thống sunfit hóa định lượng, cánh khuấy mỏ neo vận tốc thấp hạn chế phá vỡ tế bào nấm men, thiết bị lọc khung bản.
• Should have (Nên có): Vỏ áo làm mát tuần hoàn glycol duy trì dải nhiệt độ $18\text{–}22^\circ\text{C}$, bộ điều chỉnh áp suất bồn $1\text{ at}$.
• Could have (Có thể có): Cảm biến đo online mật độ tế bào và độ Brix dịch nho.
• Won't have (Chưa thực hiện): Dây chuyền chiết rót vô trùng tự động hóa hoàn toàn bằng robot.

---

Thiết kế hệ thống và Kỹ thuật cơ khí

Hệ thống phản ứng sinh học chính được tính toán dựa trên các quy chuẩn cơ khí hóa chất và thiết bị truyền khối:

+-------------------------------------------------------------+
|                     ĐỘNG CƠ ĐIỆN (8.57 kW)                  |
|                 Hộp giảm tốc (n = 105 vòng/phút)            |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                   +-----------v-----------+
                   |  Cửa nạp liệu & Van   |
             +-----+   an toàn áp suất     +-----+
             |     +-----------------------+     |
             |       Nắp chỏm cầu (h1=0.114m)     |
             |                                   |
             |  +-----------------------------+  |
             |  |      ỐNG VỎ ÁO LÀM MÁT      |  |
             |  |  (Tuần hoàn Glycol 4-5°C)   |  |
             |  |                             |  |
             |  |   Trục khuấy inox IX13      |  |
             |  |             |               |  |
             |  |      CÁNH KHUẤY MỎ NEO      |  |
             |  |        (d = 0.6 m)          |  |
             |  |                             |  |
             |  | Dịch lên men: 395.56 L      |  |
             |  |                             |  |
             |  +-----------------------------+  |
             |        Thân trụ (D = 0.8 m)       |
             +-----------------+-----------------+
                               |
                    Đáy nón 30° (h3=0.16m)
                               |
                    Ống thoát dịch (d=0.1m)

Thông số hình học bồn lên men (Fermenter)

Thể tích dịch nho phối chế đưa vào thiết bị: $V_{\text{nạp}} = 395,56\text{ L} \approx 0,4\text{ m}^3$. Với hệ số điền đầy $\eta_v = 0,8$, thể tích làm việc yêu cầu là $V_{\text{lên men}} = \frac{0,4}{0,8} = 0,5\text{ m}^3$. Thiết kế tối ưu lựa chọn:

• Đường kính trong thiết bị: $D_t = 0,8\text{ m}$
• Chiều cao thân hình trụ: $h_2 = 1,5 \times D = 1,2\text{ m}$
• Chiều cao nắp chỏm cầu: $h_1 = \frac{1}{7} \times D = 0,114\text{ m}$
• Chiều cao đáy nón ($30^\circ$): $h_3 = \frac{D - d}{2 \cdot \tan 30^\circ} = \frac{0,8 - 0,1}{2 \cdot 0,577} = 0,16\text{ m}$
• Chiều cao tổng thể thiết bị: $H = h_1 + h_2 + h_3 = 1,474\text{ m} \approx 1,5\text{ m}$
• Thể tích toàn phần thực tế: $V_{\text{thực}} = \pi \times \left(\frac{0,8}{2}\right)^2 \times 1,5 = 0,75\text{ m}^3$

Tính toán độ bền và chiều dày thân thiết bị

Áp suất làm việc tổng cộng bao gồm áp suất làm việc quy chuẩn $P_0 = 1\text{ at} = 9,81 \times 10^4\text{ N/m}^2$ và áp suất thủy tĩnh của cột dịch nho ($H_1 = 1,2\text{ m}$, khối lượng riêng $\rho = 1000\text{ kg/m}^3$):

$$P_1 = \rho \cdot g \cdot H_1 = 1000 \times 9,81 \times 1,2 = 11730,7\text{ N/m}^2$$ $$P_{\text{tổng}} = P_0 + P_1 = 98100 + 11730,7 = 109830,7\text{ N/m}^2 \approx 0,11\text{ MPa}$$

Vật liệu chế tạo: Thép không gỉ IX13 (tương đương chuẩn Austenitic Martensitic 12-14% Cr), có ứng suất cho phép $[\sigma] = 139\text{ N/mm}^2 = 139 \times 10^6\text{ N/m}^2$. Hệ số bền mối hàn dọc (hàn điện tay) $[\varphi] = 0,95$.

Công thức xác định bề dày thân trụ:

$$S = \frac{D_t \cdot P}{2[\sigma][\varphi] - P} + C$$

Trong đó hệ số bổ sung ăn mòn và dung sai: $C = C_1 + C_2 + C_3 = 0,5\text{ mm} + 0\text{ mm} + 0,22\text{ mm} = 0,72\text{ mm}$. Thay số:

$$S_{\text{tính toán}} = \frac{0,8 \times 109830,7}{2 \times (139 \times 10^6) \times 0,95 - 109830,7} + 0,00072 = 0,00033 + 0,00072 = 1,05\text{ mm}$$

$\rightarrow$ Quy chuẩn hóa lựa chọn chiều dày thân và đáy bồn: $S = 2,0\text{ mm}$, đảm bảo an toàn chịu áp suất và rung động cơ học.

---

Phương pháp tính toán cân bằng vật chất & Hóa sinh

Quá trình lên men chuyển hóa đường thành ethanol được tính toán theo mô hình cân bằng phương trình Gay-Lussac kết hợp bù hao hụt thực tế:

$$\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 \xrightarrow{\text{S. cerevisiae}} 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + 23,5\text{ kcal}$$

• Độ cồn mục tiêu: $11% \text{ v/v}$ (tương đương $m_1 = 0,11 \times 0,78 = 0,0858\text{ kg ethanol/L}$).
• Đường sót yêu cầu: $3%$ (tương đương $m_2 = 1 \times 0,03 \times 1,012 = 0,03036\text{ kg/L}$).
• Đường lý thuyết tiêu hao trong lên men (tính thêm $5%$ tổn thất chuyển hóa sinh khối và bay hơi):

$$m_0 = m_1 \times \frac{180}{92} \times (1 + 0,05) + m_2 = 0,0858 \times 1,9565 \times 1,05 + 0,03036 = 0,2066\text{ kg đường/L}$$

• Lượng đường tự nhiên có sẵn trong dịch nho ($15 \text{ ^\circ Bx}$): $m_3 = 1,06103 \times 0,15 = 0,1592\text{ kg/L}$.
• Lượng đường saccharose RE cần bổ sung cho mỗi lít dịch:

$$m'_{\text{bổ sung}} = (m_0 - m_3) \times \frac{342}{360} = (0,2066 - 0,1592) \times 0,95 = \mathbf{0,0451\text{ kg/L dịch}}$$

---

Implementation và kết quả

Quy trình công nghệ chi tiết

500.0 kg Nho Sauvignon Blanc
490.0 kg
487.6 kg
463.8 kg
420.96 kg Dịch nho tổng hợp
411.31 kg Dịch trong (tương đương 387.65 L dịch nho)
395.56 L Hỗn hợp lên men
387.65 L Dịch sau lên men
349.66 L Rượu non
347.912 L
346.172 L
342.71 L
340.997 L RƯỢU VANG THÀNH PHẨM (Đạt 454 chai 750ml)

Động học cánh khuấy và chọn công suất động cơ

• Đặc tính môi trường: Độ nhớt $\mu = 1,005 \times 10^{-3}\text{ N}\cdot\text{s/m}^2$, $\rho = 1000\text{ kg/m}^3$.
• Chọn cánh khuấy mỏ neo (Anchor impeller) đường kính $d_m = 0,6\text{ m}$, chiều rộng bản $b = 0,1\text{ m}$.
• Số vòng quay thiết kế: $n = 0,6\text{ vòng/s} \rightarrow$ Số vòng quay thực tế sau giảm tốc $n_{tt} = 1,75\text{ vòng/s}$ ($105\text{ vòng/phút}$).
• Công suất cánh khuấy làm việc: $N = 4,0\text{ kW}$.
• Công suất mở máy (khắc phục quán tính ma sát tĩnh, hệ số $k = 1,5$, hiệu suất truyền động $\eta = 0,7$):

$$N_{\text{đc}} = \frac{N \cdot k}{\eta} = \frac{4,0 \times 1,5}{0,7} = \mathbf{8,57\text{ kW}}$$

---

Kiểm chuẩn chất lượng và Đánh giá cảm quan

Chất lượng sản phẩm hoàn thiện được đối chiếu nghiêm ngặt với hệ thống tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7045:2002 và thang điểm thị giác TCVN 3215-79:

                  ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CUỐI

Chỉ tiêu phân tích	Đơn vị đo	Kết quả tính toán & Thực nghiệm	Giới hạn TCVN 7045:2002
Độ cồn ở $20^\circ\text{C}$	$% \text{ v/v}$	$11,0 \pm 0,2$	$6,0\text{–}18,0$
Hàm lượng methanol	$\text{g/L cồn } 100^\circ$	$0,42$	$\le 3,0$
Acid bay hơi (theo acid acetic)	$\text{g/L}$	$0,68$	$\le 1,5$
Dư lượng $\text{SO}_2$ tổng	$\text{mg/L}$	$145,0$	$\le 350,0$
Chì (Pb)	$\text{mg/L}$	$< 0,02$	$\le 0,2$
Tổng số VSV hiếu khí	$\text{CFU/100mL}$	$< 10$	$\le 100$
E. Coli & Coliforms	$\text{Vi khuẩn/mL}$	$0$	$0$

---

Đổi mới và đóng góp kỹ thuật

1. Ứng dụng quy trình Sunfit hóa kép (Dual-stage Sulfitation): Thay vì châm $\text{SO}_2$ một lần ở nồng độ cao gây gắt mùi lưu huỳnh, giải pháp chia thành 2 giai đoạn: Lần 1 ngay sau khi nghiền cuống nhằm ức chế polyphenol oxidase ($0,3%$ thất thoát), Lần 2 sau khi ép ($160\text{ mg/L}$) kết hợp làm lạnh sâu $4\text{–}5^\circ\text{C}$ giúp lắng cặn cơ học triệt để mà không phá hủy hệ enzyme tự nhiên.
2. Kỹ thuật ép tận thu dịch bã (Secondary Extraction with Water Injection): Bổ sung chính xác $8%$ nước vào bã ướt trước khi ép trục vít bậc hai, nâng hiệu suất thu hồi dịch từ $370,01\text{ kg}$ lên $420,96\text{ kg}$ ($+13,7%$ tổng lượng dịch chiết xuất).
3. Thiết kế tối ưu cánh khuấy mỏ neo biên dạng thấp: Đảm bảo hệ số khuấy đảo chất lỏng độ nhớt $1,005\text{ cP}$ đồng nhất ở tốc độ $105\text{ rpm}$, giúp hòa tan hoàn toàn $17,8\text{ kg}$ đường saccharose hiệu chỉnh mà không tạo xoáy khí làm hòa tan oxy có hại.
4. Chu trình tàng trữ ổn định keo: Kiểm soát tàng trữ 3 tháng ở $12^\circ\text{C}$ giúp kết tủa tartrate tự nhiên ($\text{KHC}_4\text{H}_4\text{O}_6$), loại bỏ hoàn toàn hiện tượng lắng cặn đáy chai sau đóng gói.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản sản xuất quy mô xưởng thực nghiệm (Pilot Plant)

• Địa điểm triển khai tối ưu: Vùng nguyên liệu Ninh Thuận (vùng khô nóng có lượng bức xạ mặt trời cao, độ ẩm thấp, diện tích canh tác nho rượu tập trung $1.700\text{ ha}$).
• Mặt bằng lắp đặt: Nhà xưởng phân khu 3 modul: Khu tiếp nhận - phân loại - ép ($50\text{ m}^2$), Khu lên men và tàng trữ kiểm soát nhiệt độ ($80\text{ m}^2$), Khu lọc - chiết rót - hoàn thiện sản phẩm ($40\text{ m}^2$).

Lộ trình triển khai dự án (6 Tháng)
[Tháng 1]: Gia công cơ khí bồn lên men Inox IX13 & Lắp đặt hệ thống làm lạnh Glycol
[Tháng 2]: Lắp đặt hệ thống cấp nước sạch (Chuẩn QCVN) & Máy ép trục vít
[Tháng 3]: Vận hành thử nghiệm không tải & Cân chỉnh biến tần động cơ cánh khuấy
[Tháng 4]: Thu mua nguyên liệu vụ chính & Triển khai mẻ lên men 500kg đầu tiên
[Tháng 5]: Tàng trữ rượu non (Aging) ở 12°C & Kiểm soát chỉ tiêu hóa lý định kỳ
[Tháng 6]: Lọc tinh khung bản, Chiết rót 454 chai 750ml & Kiểm định TCVN 7045

Phân tích hiệu quả kinh tế sơ bộ (Chi phí tính trên 1 mẻ 500 kg)

• Chi phí nguyên liệu: $500\text{ kg nho} \times 25.000\text{ VNĐ/kg} = 12.500.000\text{ VNĐ}$.
• Phụ gia & Hóa chất (Đường RE, Nấm men, Gelatin, Tanin, $\text{SO}_2$): $1.200.000\text{ VNĐ}$.
• Vỏ chai thủy tinh (454 chai), nút bấc, màng co, nhãn: $454 \times 12.000 = 5.448.000\text{ VNĐ}$.
• Điện năng, nước làm mềm, khấu hao thiết bị: $2.500.000\text{ VNĐ}$.
• Tổng giá thành sản xuất: $\approx 21.648.000\text{ VNĐ/mẻ}$ $\rightarrow$ Giá thành đơn vị: $\approx 47.680\text{ VNĐ/chai 750ml}$.
• Giá bán thị trường dự kiến: $150.000\text{ VNĐ/chai} \rightarrow$ Biên lợi nhuận gộp đạt trên $65%$.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Phương thức vận hành gián đoạn: Chưa áp dụng quy trình lên men liên tục (continuous fermentation) do giới hạn sản lượng từng vụ thu hoạch.
• Kiểm soát bã lắng thủ công: Giai đoạn chuyển pha giữa bồn lắng sơ bộ và bồn lên men vẫn cần công nhân vận hành van quan sát bằng mắt qua kính nhìn dòng chảy (sight glass).

Hướng nâng cấp đề xuất

• Tích hợp hệ thống CIP (Clean-In-Place) tự động phun rửa 3 giai đoạn (nước nóng $85^\circ\text{C}$, $\text{NaOH } 1,5%$, acid peracetic khử trùng) giảm thiểu nguy cơ nhiễm tạp.
• Nghiên cứu thu hồi dòng khí $\text{CO}_2$ tinh khiết sinh ra trong giai đoạn lên men rộ để nạp ngược lại sản xuất dòng sản phẩm vang nổ (Sparkling wine).

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên & Học viên ngành Kỹ thuật Hóa học / Công nghệ Thực phẩm: Nguồn tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ lý thuyết cân bằng pha, tính toán hóa sinh Gay-Lussac đến bản vẽ cơ khí bồn phản ứng sinh học chuẩn công nghiệp.
• Kỹ sư thiết kế thiết bị: Nắm rõ phương pháp tính ứng suất thành mỏng chịu áp lực thủy tĩnh kết hợp, lựa chọn động cơ truyền động cho môi trường khuấy phi Newton.
• Chủ cơ sở sản xuất & Hợp tác xã nông nghiệp: Giải pháp khả thi để chuyển đổi mô hình từ bán nho thô sang chế biến sâu giá trị gia tăng cao với mức đầu tư vừa phải.
• Nhà nghiên cứu: Dữ liệu thực nghiệm về mức độ suy giảm vitamin nhóm B (Thiamin giảm từ $160\text{–}450\text{ }\mu\text{g/L}$ xuống $2\text{–}58\text{ }\mu\text{g/L}$) và sự chuyển hóa acid hữu cơ theo thang đo pH thực tế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu về nguồn nước và năng lượng để vận hành hệ thống là gì?

Nguồn nước cấp phải đạt chuẩn nước ăn uống sinh hoạt với độ cứng $< 300\text{ mg/L CaCO}_3$, hàm lượng cặn lơ lửng $< 5\text{ NTU}$, không nhiễm kim loại nặng ($\text{Pb} \le 0,01\text{ mg/L}$). Nguồn điện 3 pha $380\text{V}/50\text{Hz}$ với công suất nguồn tối thiểu $15\text{ kW}$ để tải đồng thời động cơ khuấy $8,57\text{ kW}$ và hệ thống máy nén làm lạnh Glycol.

2. Giới hạn quy mô tối đa của module thiết kế này có thể mở rộng đến mức nào?

Thiết kế hình học và cơ khí này có thể scale-up tuyến tính lên dung tích $2,5\text{–}5,0\text{ m}^3$/mẻ (xử lý $2\text{–}3,5\text{ tấn nho}$) bằng cách giữ nguyên tỷ lệ đồng dạng hình học $H/D \approx 1,875$ và kiểm tra lại chiều dày vỏ chịu áp suất $S \ge 3\text{–}4\text{ mm}$.

3. Tại sao chọn thép không gỉ IX13 mà không dùng thép Carbon thông thường?

Môi trường dịch nho có tính acid cao ($\text{pH } 3,0\text{–}3,7$, chứa acid tartaric và acid malic) cùng với ion sulfite ($\text{SO}_3^{2-}$). Thép carbon sẽ bị ăn mòn điện hóa nhanh chóng, giải phóng ion $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$ vào dịch vang gây hiện tượng "đục do kim loại" (ferric casse) và phá hủy hoàn toàn chất lượng cảm quan.

4. Thời gian thanh trùng chai 60 phút ở nhiệt độ nào và có làm mất mùi vang không?

Thanh trùng tunnel dạng phun nước được duy trì ở dải nhiệt $65\text{–}68^\circ\text{C}$ trong 60 phút (bao gồm cả pha gia nhiệt và hạ nhiệt từ từ). Mức nhiệt này đủ để làm biến tính enzyme và bất hoạt tế bào nấm men sót mà không gây bay hơi các phân tử hương thơm este dễ bay hơi do chai đã được đóng nắp kín tuyệt đối trước khi vào buồng phun.

5. Thời gian thu hồi vốn (Payback period) của dây chuyền ước tính bao lâu?

Với công suất vận hành $2\text{ mẻ/tuần}$ trong mùa vụ 4 tháng (tổng 32 mẻ/năm $\approx 10.900\text{ lít} \approx 14.500\text{ chai}$), lợi nhuận ròng ước tính đạt $400\text{–}500\text{ triệu VNĐ/năm}$. Thời gian hoàn vốn toàn bộ chi phí đầu tư thiết bị cơ khí và nhà xưởng ước tính từ 14 đến 18 tháng.

---

Kết luận

Đề tài "Thiết kế hệ thống sản xuất rượu vang trắng từ nho với quy mô 500 kg/mẻ bằng phương pháp lên men" đã hoàn thiện xuất sắc bài toán tích hợp giữa công nghệ vi sinh lên men và kỹ thuật tính toán chế tạo thiết bị hóa chất. Từ 500 kg nho nguyên liệu ban đầu, qua chuỗi kiểm soát công nghệ nghiêm ngặt và hệ thống bồn phản ứng dung tích $0,75\text{ m}^3$ được tối ưu hóa cơ khí, hệ thống tạo ra $340,997\text{ lít}$ rượu vang trắng đạt phẩm cấp Loại Tốt (19,1 điểm cảm quan) theo tiêu chuẩn TCVN 7045:2002.

Dự án mang tính ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp nền tảng thiết kế chuẩn xác, mở ra hướng đi bền vững cho việc nâng cao giá trị nông sản nho Việt Nam và làm chủ công nghệ thiết bị trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Sản phẩm rượu vang nho: 1.1 Giới thiệu về rượu vang nho: Rượu là thức uống có cồn đã có từ rất lâu trên thế giới. Mỗi loại rượu đặc chưng bởi quy trình công nghệ và nguyên liệu khác nhau. Rượu vang nho là sản phẩm của quá trình lên men dịch ép trái nho, không qua chưng cất. Rượu vang nho không những là đồ uống khai vị trong các bữa tiệc, nó còn có tác dụng tốt với sức khỏe như: uống rượu vang 1-2 ly/ngày giúp tiêu hóa tốt hơn, ăn ngon miệng hơn, giảm nguy cơ bệnh tim, bệnh thiếu máu, bệnh hen, ngừa ung thư tuyến tiền liệt (theo Health Day).

Rượu vang được sản xuất với sản lượng lớn ở một số nước: Pháp trung bình sản xuất 123 lít/người/năm; Nga có hơn 2000 nhà máy rượu vang và sản xuất hơn 1-1,5 triệu lít/ngày. Theo hiệp hội Bia, rượu-nước giải khát Việt Nam, hiện có hơn 15 nhà máy, cơ sở sản xuất, đóng chai rượu vang trên toàn quốc, với tổng sản lượng khoảng 3 triệu lít/năm. Nhà máy Ladofood ở Lâm Đồng-Đà Lạt, và vang Việt Thái ở Hà Nội là những cơ sở sản xuất rượu vang chất lượng, uy tín có năng suất tập trung nhất trong nước.2 Phân loại rượu vang nho. Có nhiều loại rượu vang nho và có nhiều phương pháp phân loại sản phẩm, về mặt công nghệ, ta có thể phân loại rượu vang nho thành 2 nhóm lớn: vang có gas (CO2) và vang không có gas.

Nhóm rượu vang nho không có gas: − Vang phổ thông: không bổ sung ethanol trong quy trình sản xuất.MEN − Vang cao độ: có bổ sung ethanol trong quá trình sản xuất. Nhóm rượu vang có gas: − Rượu vang có gas tự nhiên: CO2 sinh ra được giữ lại trong quá trình lên men phụ. − Rượu vang có gas nhân tạo: có nạp thêm CO2 vào sản phẩm. Tại Việt Nam sản xuất phổ biến nhóm rượu vang nho phổ thông, nhóm này gồm 2 loại: rượu vang trắng và rượu vang đỏ.

Rượu vang trắng là sản phẩm của quá trình lên men dịch nho đã được tách bã. Dịch sau khi lên men được mang đi lắng trong và tàng trữ. Người ta thường sử dụng nho xanh để lên men vang trắng. Rượu vang đỏ là sản phẩm của quá trình lên men dịch quả nho đỏ, trong đó có lẫn xác quả.

Trong xác quả nho đỏ có nhiều tanin, chất màu, chất này sẽ được trích ly vào dịch quả trong quá trình lên men. Tùy vào màu sắc và độ chát của vang sản phẩm, người ta có thể tiến hành quá trình trích ly chất màu và chất chát, nhờ vậy rượu vang đỏ còn gọi là rượu chát, có màu đặc trung, vị chát nhiều mức phẩm cấp chất lượng khác nhau.3 Thành phần hóa học của rượu vang. Thành phần quá học của rượu vang rất phức tạp, thay đổi đáng kể tùy thuộc vào thành phần nguyên liệu, thiêt bị, quy trình và kỹ thuật sản xuất. Thành phần hóa học của rượu vang: Thành phần Hàm lượng Rượu etylic, % 6 ÷ 12 Rượu bậc cao, mg/L 100 ÷ 750 Đường, % 0,3 ÷ 3 Glycerol, % 0,5 ÷ 1,5 Resveratrol, µg/g 50 ÷ 100 Aldehyde, ppm 300 8 DO.MEN Aceton, ppm 1÷3 Diacetyl, ppm 2÷4 Ethyl acetate, ppm 150 Đường trong rượu vang chủ yếu là glucose, fructose, một ít glactose.

Nếu bổ sung đường saccharose trước khi lên men thì nó sẽ thủy phân thành đường khứ trong quá trình lên men. Acid trong rượu vang có từ nguyên liệu và tăng lên trong quá trình lên men. Chủ yếu là acid hữu cơ như acid malic, acid citric, acid tatric, acid lactic, acid oxalic. Đây là các acid có tác dụng tích cực, tạo vị đặc trưng cho sản phẩm.

Bên cạnh đó cũng có các acid tiêu cực làm ảnh hưởng đến mùi vị của rượu vang như: acid formic, acid acetic,. Polyphenol là một hợp chất phức tạp có nhiều trong vỏ quả nho. Thành phần này chỉ có nhiều trong rượu vang đỏ, trong rượu vang trắng không đáng kể. Polyphenol bao gồm nhiều hợp chất khác nhau: Anthocyane làm cho rượu có màu đỏ.

Tanin: dễ kết lắng với protein trong nước quả, đồng thời dễ bị oxi hóa làm màu sẫm hơn. Resveratrol là một polyphenol chống oxi hóa được tìm thấy với hàm lượng đáng kể trong vỏ và trong hạt nho (gấp 100 lần trong thịt quả). Có nhiều nghiên cứ nói về tác dụng của resveratrol đối với sức khỏe ngăn vừa ung thư, bệnh về tim mạch, thoái hóa thần kinh,. Hương, vị của rượu vang tùy thuộc vào nho nguyên liệu và một số sản phẩm trao đổi chất sinh ra bởi nấm men trong quá trình lên men và ủ chín rượu.

Trong dịch quả nho có các vitamin A, B, C,. Nghiên cứ khoa học chứng minh rằng vitamin có lợi cho sức khỏe, kéo dài tuổi thọ, ngăn ngừa ung thư,.MEN Bảng 1-2: Hàm lượng vitamin trong nước nho và rượu vang nho (theo Laphon-Lapourcade) Loại rượu Vitamin Đơn vị Nước nho Vang trắng Vang đỏ Thiamin (B1) µg/L 160 – 450 2 – 58 103 – 245 Riboflavin (B2) µg/L 3 – 60 8 – 133 103 – 245 Acid pantothenic mg/L 0,5 – 1,4 0,55 – 1,2 0,44 – 1,9 Pyridoxin (B6) mg/L 0,16 – 0,5 0,12 – 1,67 0,13 – 0,68 Acid Nicotinic mg/L 0,68 – 2,6 0,44 – 0,13 0,79 – 1,7 Biotin (H) µg/L 1,5 – 4,2 1 – 3,6 0,6 – 4,6 Cobalamin (B12) µg/L 0,0 – 1,16 0 – 0,16 0,04 – 0,1 Acid P-amiopenzoin µg/L 15 – 92 15 –133 15 – 133 Cholin mg/L 19 – 39 19 – 27 20 – 43 1.4 Các chỉ tiêu của sản phẩm rượu vang: Ở Việt Nam, các sản phẩm rượu vang được đánh giá theo TCVN 7045:2002 1.1 Chỉ tiêu cảm quan: Bảng 1-3: Các chỉ tiêu cảm quan của rượu vang Tên chỉ tiêu Yêu cầu Màu sắc Đặc trưng cho từng loại sản phẩm Thơm đặc trưng của nguyên liệu và các sản phầm lên Mùi men Vị Chua, chát, có hoặc không có vị ngọt, không có vị lạ Trạng thái Trong, không vẩn đục Bảng 1-4: Điểm đánh giá chất lượng của rượu vang theo TCVN 3215-79 Điểm chưa Tên chỉ có trọng Yêu cầu tiêu lượng Độ trong 5 Chất lỏng trong suốt, không vẩn đục, không có và màu sắc vật thể lạ nhỏ, màu hoàn toàn đặc trung cho sản 4 phẩm. Chất lỏng trong suốt không vẩn đục và có ít vật 3 thể lạ nhỏ, màu hơi kém màu đặc trung. 2 Trong suốt, có thể có cặn mịn, màu kém đặc 10 DO.MEN 1 trưng.

0 Trong suốt, có khá nhiều cặn mịn ở đáy chai. Cặn thấy rất rõ, màu không đặc trưng. Vẩn đục màu bẩn, sản phẩm bị hỏng Hòa hợp, hoàn toàn đặc trung cho sản phẩm. 5 Chưa hoàn toàn hòa hợp, thơm đặc trưng cho sản 4 phẩm nhưng khó nhận biết.

Hơi nồng, thoảng mùi phụ, mùi ít đặc trưng. Mùi 3 Không có mùi đặc trưng cho sản phẩm. 2 Mùi ethanol rõ rệt, không đặc trưng cho sản 1 phẩm. 0 Có mùi lạ khó chịu và sản phẩm bị hỏng 5 Hài hòa, dịu, hậu vị tốt, hoàn toàn đặc trưng cho sản phẩm.

4 Chưa hoàn toàn phù hợp, hậu vị vừa phải đặc trưng cho sản phẩm bình thường. Vị 3 Chưa hài hòa, hơi gắt và sốc, hậu vị yếu, ít đặc trưng cho sản phẩm. 2 Đắng, sốc, thoảng vị lạ, rất ít đặc trưng 1 Vị lạ, không đặc trưng cho sản phẩm. 0 Có vị lạ khó chịu của sản phẩm bị hỏng Bảng 1-5: Quy định đánh giá mức chất lượng rượu vang.

Yêu cầu tối thiểu về điểm Mức chất Số thứ tự Số điểm chung trung bình chưa có trọng lượng lượng của hội đồng cảm quan Mùi: 4,8 1 Loại tốt 18,6 – 20 Vị: 4,8 Mùi: 3,8 2 Loại khá 15,2 – 18,5 Vị: 3,8 Mùi: 2,8 3 Loại trung bình 11,2 – 15,1 Vị: 2,8 Mùi: 1,8 4 Loại kém 7,2 – 11,1 Vị: 1,8 Mùi: 1,0 5 Loại rất kém 4,0 – 7,1 Vị: 1,0 Mùi: < 1 6 Loại hỏng 0 – 3,9 Vị: < 1 1.2 Chỉ tiêu hóa học: Bảng 1-6: Chỉ tiêu hóa học của rượu vang 11 DO.MEN Tên chỉ tiêu Mức Hàm lượng ethanol ở 200C, %(V/V) 6 – 18 Hàm lượng methanol trong 1 lít ethanol 1000, ≤ 3,0 g/L Hàm lượng acid bay hơi tính theo acid acetic, ≤ 1,5 g/L Hàm lượng SO2, g/mL ≤ 350 Hàm lượng xianua và các phức xianua, µg/L ≤ 0,1 Theo tiêu chuẩn đã được Hàm lượng CO2 công bố của nhà sản xuất 1.3 Chỉ tiêu giới hạn hàm lượng kim loại nặng Bảng 1-7: Giới hạn hàm lượng nặng Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Asen (As) 0,1 Chì (Pb) 0,2 Thủy ngân (Hg) 0,05 Cadimi (Cd) 1,0 Đồng (Cu) 5,0 Kẽm (Zn) 2,0 1.4 Chỉ tiêu sinh vật trong rượu vanh Bảng 1-8: Chỉ tiêu vi sinh vật trong rượu vang Tên chỉ tiêu Giới hạn tối đa Tổng số vi sinh vật hiếu khí, số khuẩn lạc trong 100mL sản 102 phẩm E. Coli, số vi khuẩn trong 1mL sản phầm 0 Coliform, số vi khuẩn trong 1mL sản phầm 10 Cl. Perfringen, số vi khuẩn trong 1mL sản phầm 0 S. aureus, số vi khuẩn trong 1mL sản phầm 0 Tổng số nấm men, nấm mốc, số khuẩn lạc trong 1mL sản 10 phẩm 12 DO.2 Nguyên liệu sản xuất vang nho 1.1Nguồn gốc Nho có nguồn gốc từ các miền ôn đới khô Âu, Á, (Acmeni-Iran) và một số loài có nguồn gốc Châu Âu.

Cây nho du nhập vào Việt Nam từ những năm đầu thập niên 70 của thế kỷ 20, được trồng chủ yếu ở miền Nam. Tuy sản lượng chưa cao nhưng chất lượng không kém các giống cây khác.2Đặc tính Đối với nước ta, cây nho thích hợp với vùng khí hậu khô nhiều nắng, độ ẩm không khí thấp. Nho thường được trồng ở vùng có mùa khô kéo dài 4-5 tháng, không bị úng nước vào mùa mưa, do rễ nho là nơi dự trữ nước của cây, rất mẫn cảm với với tình trạng thiếu oxy. Vùng có gió to có thể làm dập lá, chùm nho, ngoài ra còn có thể dổ giàn, nho nên được trồng ở những nơi hứng nắng nhưng được che chắn kỹ.

Trồng nho rượu không đòi hỏi kỹ thuật quá cao, chỉ cần trồng đúng giống tốt, mật độ, tuân thủ kỹ thuật canh tác để đảm bảo sản phẩm có chất lượng tốt, không có dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Tại thời điểm hiện nay, trồng nho rượu lãi gấp 2 đến 3 lần nho ăn quả truyền thống. Trên thế giới có khoảng 75.866 km2 là diện tích để trồng nho. Trong đó nho để sản xuất rượu vang vào khoảng 71%.

Ở Việt Nam nước ta, tỉnh Ninh Thuận là nơi trồng nho quy mô lớn nhất cả nước. Diện tích rơi vào khoảng 1700ha trong đó 400ha nho giống mới, sản lượng 60-65 ngàn tấn cung cấp khoảng 2500 tấn nho rượu mỗi năm.2 Nho nguyên liệu sản xuất rượu vang 1.1Thành phần hóa học của nho Thành phần hóa học của nho thay đổi tùy từng giống nho.