Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu tiêu dùng thực phẩm và đồ uống của xã hội ngày càng gia tăng cùng với sự nâng cao về mức sống và sự hội nhập quốc tế. Bên cạnh các loại đồ uống truyền thống như rượu đế, rượu cần, người tiêu dùng Việt Nam ngày càng quan tâm đến rượu vang, đặc biệt là rượu vang trắng với hương vị thanh nhẹ. Rượu vang là sản phẩm lên men từ dịch ép trái nho không qua chưng cất, được ghi nhận mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe như hỗ trợ tiêu hóa, giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch, thiếu máu, hen suyễn và phòng ngừa ung thư tuyến tiền liệt khi sử dụng ở mức độ hợp lý (1–2 ly/ngày theo Health Day).

Tại Việt Nam, nguồn nguyên liệu nho dồi dào tập trung chủ yếu ở các tỉnh phía Nam, nổi bật là Ninh Thuận với diện tích canh tác khoảng 1.700 ha (trong đó 400 ha là giống mới), cung cấp sản lượng 60.000–65.000 tấn nho mỗi năm, phục vụ khoảng 2.500 tấn nho cho công nghiệp sản xuất rượu. Việc trồng nho làm rượu mang lại hiệu quả kinh tế cao gấp 2 đến 3 lần so với nho ăn quả truyền thống. Toàn quốc hiện có hơn 15 cơ sở và nhà máy sản xuất rượu vang với tổng sản lượng khoảng 3 triệu lít/năm (tiêu biểu như Ladofood tại Lâm Đồng – Đà Lạt và Vang Việt Thái tại Hà Nội).

Đồ án môn học chuyên ngành Công nghệ Hóa hữu cơ thực hiện tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tập trung vào đề tài: "Tính toán và thiết kế dây chuyền sản xuất rượu vang trắng từ nho với quy mô 500 kg/mẻ bằng phương pháp lên men".

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về rượu vang, tính chất nguyên liệu nho Sauvignon Blanc, các hóa chất và phụ gia trợ lắng, hiệu chỉnh dịch lên men.
  2. Xây dựng sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất rượu vang trắng và tính toán chi tiết cân bằng vật chất cho toàn bộ dây chuyền với quy mô 500 kg nho nguyên liệu/mẻ.
  3. Tính toán thiết kế cơ khí cho thiết bị phản ứng lên men chính (tank lên men), bao gồm kích thước hình học, chiều dày thân - đáy - nắp, hệ thống cánh khuấy mỏ neo, động cơ dẫn động và cơ cấu tai treo chịu lực.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ lên men dịch nho trắng bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae, hệ thống thiết bị cơ khí chuyên ngành hóa chất và thực phẩm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Quy mô sản xuất 500 kg nguyên liệu/mẻ; nguyên liệu chính là giống nho xanh Sauvignon Blanc; nguồn nước cấp dự kiến từ Nhà máy nước Tháp Chàm; địa điểm thực hiện tại Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (tháng 12/2021).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  • Cơ sở chuyển hóa hóa sinh: Quá trình lên men kỵ khí chuyển hóa đường đơn (glucose, fructose từ nho và saccharose bổ sung) thành ethanol và carbon dioxide ($CO_2$) dưới tác dụng xúc tác của hệ enzyme từ chủng nấm men thuần khiết Saccharomyces cerevisiae, cùng với sự hình thành các sản phẩm phụ tạo hương (ester, aldehyde, acid hữu cơ, glycerol).
  • Hệ thống tiêu chuẩn chất lượng:
    • TCVN 7045:2002: Tiêu chuẩn quốc gia về sản phẩm rượu vang (quy định các chỉ tiêu hóa học, vi sinh vật và giới hạn kim loại nặng).
    • TCVN 3215-79: Phương pháp đánh giá chất lượng cảm quan thực phẩm theo hệ điểm 20.
    • Tiêu chuẩn nguyên liệu: Tiêu chuẩn đường tinh luyện RE, tiêu chuẩn nước uống dùng trong chế biến thực phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp dữ liệu thành phần hóa học quả nho từ cơ sở dữ liệu USDA Nutrient Database, dữ liệu hàm lượng vitamin và vi chất của Laphon-Lapourcade, và các sổ tay tra cứu chuyên ngành thiết bị hóa chất.
  • Phương pháp tính toán cân bằng vật chất: Xác định lượng tiêu hao, lượng dịch thu hồi và bã thải qua từng công đoạn dựa trên tỷ lệ tổn thất thực tế của các quá trình sơ chế, trích ly, lắng, lên men và đóng chai.
  • Phương pháp tính toán cơ khí thiết bị: Áp dụng lý thuyết tính toán sức bền vật liệu và thiết kế thiết bị hóa chất (theo Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất Tập 2) để tính chiều dày thân hình trụ chịu áp suất trong, đáy nón, nắp chỏm cầu, công suất khuấy trộn thủy lực và công suất mở máy của động cơ điện.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng trong đồ án được trích xuất từ các tài liệu tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam, giáo trình Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa học, sổ tay cơ khí hóa chất và số liệu phân tích thành phần lý hóa của giống nho Sauvignon Blanc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về sản phẩm và nguyên liệu sản xuất rượu vang

Chương này tổng hợp cơ sở lý luận về phân loại sản phẩm, thành phần hóa học của rượu vang và các yêu cầu kỹ thuật đối với nguyên liệu, phụ gia. Rượu vang được phân chia thành vang có gas (tự nhiên, nhân tạo) và vang không gas (phổ thông, cao độ). Rượu vang trắng được sản xuất chủ yếu từ dịch quả của giống nho xanh đã tách bã trước khi lên men.

Thành phần hóa học cơ bản của rượu vang bao gồm: ethanol (6–12%), rượu bậc cao (100–750 mg/L), đường (0,3–3%), glycerol (0,5–1,5%), resveratrol (50–100 µg/g), aldehyde (300 ppm), ethyl acetate (150 ppm), aceton (1–3 ppm) và diacetyl (2–4 ppm).

Tên chỉ tiêu Mức giới hạn theo TCVN 7045:2002
Hàm lượng ethanol ở 20°C 6 – 18 % (V/V)
Hàm lượng methanol trong 1 lít ethanol 100° $\le$ 3,0 g/L
Hàm lượng acid bay hơi (tính theo acid acetic) $\le$ 1,5 g/L
Hàm lượng $SO_2$ $\le$ 350 mg/L
Hàm lượng xianua và phức xianua $\le$ 0,1 µg/L
Asen (As) $\le$ 0,1 mg/L
Chì (Pb) $\le$ 0,2 mg/L
Thủy ngân (Hg) $\le$ 0,05 mg/L
Cadimi (Cd) $\le$ 1,0 mg/L
Đồng (Cu) $\le$ 5,0 mg/L
Kẽm (Zn) $\le$ 2,0 mg/L
Tổng vi sinh vật hiếu khí $\le 10^2$ khuẩn lạc/100 mL
E. Coli, Cl. Perfringens, S. aureus 0 vi khuẩn/1 mL
Coliform $\le$ 10 vi khuẩn/1 mL
Tổng số nấm men, nấm mốc $\le$ 10 khuẩn lạc/1 mL

Về nguyên liệu, quả nho gồm các phần: cuống (2–5%), hạt (2–6%), vỏ (7–11%) và thịt quả (80–85%). Thịt quả chứa 70–78% nước, 14–19% đường, 0,2–0,5% acid hữu cơ tự do, 0,3–1% acid liên kết và 0,1–0,3% pectin. Giống nho được lựa chọn là Sauvignon Blanc với độ ẩm 80%, đường 15% và acid tổng 0,45%. Các chất phụ trợ gồm: đường RE (Saccharose $\ge 99,8%$), $SO_2$ nạp vào ở mức 100–200 mg/L để chống oxy hóa và ức chế vi sinh vật tạp, nấm men Saccharomyces cerevisiae (cấy với mật độ 2–3 triệu tế bào/mL), chất trợ lắng gelatin (0,03–0,3 g/L) và tanin (0,05–0,1%).

Chương 2: Công nghệ sản xuất rượu vang nho

Quy trình công nghệ sản xuất rượu vang trắng được thiết kế qua 20 công đoạn liên hoàn:

  1. Tiếp nhận nguyên liệu & Phân loại: Loại bỏ quả dập, thối hỏng.
  2. Rửa: Thực hiện bằng thiết bị rửa thổi khí.
  3. Nghiền, xé và tách cuống: Giải phóng dịch nho, yêu cầu không làm dập nát hạt và cuống để hạn chế vị chát đắng.
  4. Sunfit hóa lần 1: Bổ sung $SO_2$ để bảo vệ dịch nghiền.
  5. Ép tách bã: Sử dụng máy ép trục vít, thu hồi 80% khối lượng dịch và 17% bã ướt.
  6. Ép tận thu: Bổ sung 8% nước vào bã ướt, thu thêm dịch nho (thu hồi 60% từ bã ướt).
  7. Sunfit hóa lần 2: Nạp 160 mg $SO_2$/L dịch nho.
  8. Làm lạnh: Hạ nhiệt độ xuống 4–5°C bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (tác nhân glycol).
  9. Lắng cặn lần 1: Lắng gián đoạn với sự hỗ trợ của gelatin và tanin.
  10. Phối chế đường: Bổ sung đường saccharose tinh luyện (0,0451 kg/lít dịch) để điều chỉnh độ đường, chuẩn bị tạo độ cồn 11%V và đường sót 3%.
  11. Bổ sung nấm men: Bơm dịch men giống Saccharomyces cerevisiae (chiếm 2,04% thể tích).
  12. Lên men chính: Duy trì ở 18–22°C trong 10 ngày trong tank lên men (hệ số điền đầy $\le 80%$).
  13. Lắng lần 2 & Tách bã: Tách phần bã men lắng xuống đáy.
  14. Ép tận thu rượu non: Tận thu phần rượu còn sót lại trong bã lắng.
  15. Tàng trữ (ủ chín): Giữ ở nhiệt độ 12°C trong thời gian 3 tháng tại bồn chứa bằng thép không gỉ để ổn định chất lượng và kết lắng cặn mịn.
  16. Lọc tinh: Đi qua máy lọc khung bản.
  17. Chiết chai & Đóng nắp: Chai thủy tinh được xử lý rửa qua nước nóng, dung dịch NaOH 1,5% ở 60°C, nước ấm 35°C và nước lạnh 8°C.
  18. Thanh trùng: Thiết bị thanh trùng dạng tunnel phun nước tự động trong 60 phút.
  19. Dán nhãn, in hạn sử dụng.
  20. Đóng hộp và xếp thùng.

Bảng cân bằng vật chất tổng hợp cho 1 mẻ 500 kg nguyên liệu được tính toán như sau:

Phân xưởng / Công đoạn Lượng đầu vào Tổn thất (%) Lượng đầu ra
Phân xưởng sơ chế (kg)
Phân loại 500,00 2,00 490,00
Rửa 490,00 0,49 487,60
Nghiền xé, tách cuống 487,60 4,88 463,80
Sunfit hóa lần 1 463,80 0,28 462,51
Tách ép bã (kèm ép tận thu) 462,51 — 420,96
Sunfit hóa lần 2 420,96 0,17 420,12
Làm lạnh 420,12 0,08 419,70
Lắng cặn lần 1 419,70 1,68 411,31
Phân xưởng lên men (lít) (387,65 L dịch + 7,91 L men)
Lên men chính 395,56 1,58 387,65
Lắng 2 và ép tận thu 387,65 3,72 349,66
Phân xưởng chiết rót (lít)
Tàng trữ lắng cặn 349,66 0,37 347,912
Lọc tinh 347,912 0,37 346,172
Chiết rót chai 346,172 0,73 342,710
Thanh trùng 342,710 0,36 340,997

Chương 3: Tính toán cơ khí

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết thiết bị phản ứng lên men (tank lên men) gián đoạn:

  • Vật liệu chế tạo: Thép không gỉ 1X13 (khối lượng riêng $\rho = 7.700 \text{ kg/m}^3$), ứng suất cho phép $[\sigma] = 139 \text{ N/mm}^2$, phương pháp hàn tay hồ quang điện với hệ số bền mối hàn dọc $\varphi = 0,95$.
  • Kích thước hình học:
    • Dung tích làm việc: Thể tích dịch lên men nạp vào $V = 395,56 \text{ lít} \approx 0,4 \text{ m}^3$. Chọn hệ số điền đầy $\eta = 0,8 \rightarrow$ Thể tích yêu cầu $V_{\text{lm}} = 0,5 \text{ m}^3$.
    • Đường kính trong thân trụ: $D = 0,73 \text{ m}$, quy chuẩn chọn $D = 0,8 \text{ m}$.
    • Chiều cao thân hình trụ: $h_2 = 1,5 \times D = 1,2 \text{ m}$.
    • Nắp chỏm cầu: $h_1 = \frac{1}{7} \times D = 0,114 \text{ m}$.
    • Đáy nón nghiêng $30^\circ$ (đường kính ống thoát $d = 0,1 \text{ m}$): $h_3 = \frac{D-d}{2 \times \tan(30^\circ)} = 0,16 \text{ m}$.
    • Tổng chiều cao thiết bị: $H = h_1 + h_2 + h_3 = 1,5 \text{ m}$; thể tích hình học thực tế đạt $0,75 \text{ m}^3$.
  • Độ bền và chiều dày thành:
    • Áp suất trong tính toán: Áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng ($H_1 = 1,2 \text{ m}$, $\rho = 1.000 \text{ kg/m}^3$) $P_1 = 11.730,736 \text{ N/m}^2$, kết hợp áp suất làm việc 1 at $\rightarrow$ Áp suất tổng $P = 111.772 \text{ N/m}^2$.
    • Hệ số bổ sung chiều dày $C = C_1 + C_2 + C_3 = 0,5 + 0 + 0,22 = 0,72 \text{ mm}$ (với $C_1$ ăn mòn 15–20 năm, $C_3$ dung sai thép cán).
    • Chiều dày tính toán thân trụ: $S = \frac{D \times P}{2[\sigma]\varphi} + C \rightarrow$ Quy chuẩn chọn chiều dày thân và đáy $S = 2 \text{ mm}$.
  • Hệ thống khuấy và động cơ:
    • Chọn cánh khuấy mỏ neo (chữ U) bằng thép 1X13, làm việc trong môi trường dịch có độ nhớt $\mu = 1,005 \times 10^{-3} \text{ N}\cdot\text{s/m}^2$.
    • Tốc độ quay lý thuyết $n = 0,6 \text{ vòng/s}$, công suất cánh khuấy $N = 4 \text{ kW}$.
    • Hệ số mở máy $k = 1,5$, hiệu suất truyền động $\eta = 0,7 \rightarrow$ Công suất động cơ điện chọn lựa $N_{\text{đc}} = \frac{4 \times 1,5}{0,7} = 8,57 \text{ kW}$.
    • Tốc độ quay thực tế của cánh khuấy $n_{\text{tt}} = 1,75 \text{ vòng/s}$.
  • Tải trọng và tai treo: Tổng khối lượng tổ hợp tháp gồm thân thiết bị (26 kg), đáy và nắp (30,2 kg), cơ cấu cánh khuấy (25,8 kg) và khối lượng nguyên liệu dịch lên men (395,56 kg), tính toán cơ cấu tai treo chịu lực phân bố đều trên thân tháp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập quy trình công nghệ gồm 20 bước sản xuất rượu vang trắng từ nho xanh Sauvignon Blanc đạt các chỉ tiêu chất lượng theo TCVN 7045:2002.
  • Hoàn thành bảng tính cân bằng vật chất: Từ 500 kg nho nguyên liệu ban đầu thu được 340,997 lít rượu vang trắng thành phẩm có độ cồn 11% (V/V) và hàm lượng đường sót 3%.
  • Xác định đầy đủ các thông số cơ khí của 01 thiết bị lên men chính bằng thép không gỉ 1X13 dung tích $0,75 \text{ m}^3$ ($D = 0,8 \text{ m}$, $H = 1,5 \text{ m}$, thành dày 2 mm), trang bị cánh khuấy mỏ neo và động cơ điện công suất 8,57 kW.

Giải pháp và đề xuất của tác giả

  • Ứng dụng kỹ thuật ép phân đoạn (ép lần đầu thu 80% dịch và ép tận thu bã ướt bổ sung 8% nước thu thêm 60% dịch) nhằm tối đa hóa hiệu suất thu hồi đường và dịch quả.
  • Áp dụng phương pháp làm lạnh nhanh dịch nho xuống 4–5°C kết hợp gelatin và tanin để tăng tốc độ lắng cặn, giảm thiểu thời gian xử lý dịch trước khi lên men.
  • Quy định chế độ vệ sinh chai chiết rót qua 4 bước (nước nóng, dung dịch kiềm NaOH 1,5% ở 60°C, nước ấm và nước lạnh) kết hợp thanh trùng tunnel 60 phút nhằm đảm bảo độ bền sinh học cho sản phẩm.

Đóng góp về mặt học thuật/kỹ thuật

Đồ án liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết hóa sinh lên men và tính toán cơ khí thiết bị hóa chất, cung cấp bộ dữ liệu tính toán hoàn chỉnh từ cân bằng vật chất đến kết cấu cơ khí cho một đơn vị thiết bị sản xuất rượu vang quy mô nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các tính toán trong đồ án được xây dựng trên cơ sở lý thuyết và số liệu tra cứu sổ tay, chưa có điều kiện kiểm chứng thực nghiệm trực tiếp trên mô hình pilot.
  • Đồ án chưa tính toán cân bằng năng lượng (tiêu hao nhiệt lượng thanh trùng, tiêu hao điện năng hệ thống lạnh glycol và động cơ) cũng như chưa xây dựng sơ đồ mặt bằng tổng thể phân xưởng.
  • Chưa có phần phân tích kinh tế (tính toán chi phí đầu tư thiết bị, chi phí nguyên liệu và giá thành sản phẩm).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiến hành thực nghiệm lên men mẫu nho Sauvignon Blanc thu hoạch tại Ninh Thuận để tối ưu hóa nồng độ enzyme trợ lắng và mật độ nấm men phù hợp với điều kiện thực tế.
  • Bổ sung tính toán cân bằng nhiệt năng, thiết kế chi tiết hệ thống vỏ áo trao đổi nhiệt và bộ điều khiển tự động nhiệt độ lên men (18–22°C).
  • Lập dự toán kinh tế, đánh giá chi phí vận hành và hiệu quả thương mại của dây chuyền ở quy mô công nghiệp lớn hơn.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa hữu cơ, Công nghệ Thực phẩm và Đồ uống: Tham khảo phương pháp tính toán cân bằng vật liệu nhiều công đoạn và quy trình thiết kế bồn phản ứng sinh học có cánh khuấy.
  • Kỹ sư công nghệ thực phẩm và cơ khí hóa chất: Sử dụng các thông số tính toán độ bền, chọn động cơ khuấy trộn và thiết lập quy trình sunfit hóa, làm lạnh làm trong dịch nho.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất: Bảng tính cân bằng vật chất chi tiết từng công đoạn từ 500 kg nho đến thành phẩm chai và các bước tính toán sức bền thân - đáy - nắp thiết bị chịu áp suất trong.

Câu hỏi thường gặp

1. Giống nho và các yêu cầu hóa lý ban đầu của nguyên liệu được chọn trong đồ án là gì?
Tác giả lựa chọn giống nho xanh Sauvignon Blanc với các yêu cầu chỉ tiêu hóa lý gồm: độ ẩm 80%, hàm lượng đường 15% (tương đương $15^\circ\text{Bx}$) và acid tổng 0,45%.

2. Từ 500 kg nho ban đầu, dây chuyền thu được bao nhiêu lít rượu vang thành phẩm và các thông số chất lượng chính là gì?
Sau toàn bộ 20 công đoạn (từ sơ chế, lên men đến thanh trùng và đóng gói), lượng rượu vang trắng thành phẩm thu được là 340,997 lít với độ cồn 11% (V/V) và hàm lượng đường sót là 3%.

3. Tại sao trong công đoạn nghiền xé và ép tách bã lại yêu cầu không làm dập nát hạt nho?
Hạt nho chứa hàm lượng dầu, acid bay hơi và chất nhựa cao. Nếu bị nghiền nát, các hợp chất này sẽ hòa tan vào dịch nho gây vị đắng chát khó chịu, làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng cảm quan của rượu vang trắng.

4. Kích thước và thông số cơ khí của thiết bị lên men chính được thiết kế như thế nào?
Thiết bị lên men thân trụ đứng, nắp chỏm cầu, đáy nón $30^\circ$ làm bằng thép không gỉ 1X13 dày 2 mm; đường kính trong $D = 0,8 \text{ m}$, chiều cao tổng thể $H = 1,5 \text{ m}$, thể tích thiết bị đạt $0,75 \text{ m}^3$ (phục vụ chứa $0,395 \text{ m}^3$ dịch lên men với hệ số điền đầy 0,8).

5. Động cơ cánh khuấy của thiết bị lên men được tính toán với công suất và tốc độ quay bao nhiêu?
Động cơ điện được chọn có công suất $N_{\text{đc}} = 8,57 \text{ kW}$ để dẫn động cánh khuấy mỏ neo quay với tốc độ thực tế $n_{\text{tt}} = 1,75 \text{ vòng/s}$ trong môi trường dịch lên men.

Kết luận

Đồ án môn học của tác giả Lê Đức Anh đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế dây chuyền sản xuất rượu vang trắng quy mô 500 kg nho/mẻ bằng phương pháp lên men kỵ khí sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae. Toàn bộ quy trình 20 công đoạn công nghệ được thuyết minh rõ ràng cùng hệ thống số liệu cân bằng vật chất chính xác, đưa ra sản lượng 340,997 lít rượu thành phẩm đạt chuẩn TCVN 7045:2002. Kết quả tính toán cơ khí đã xác lập đầy đủ thông số kỹ thuật cho thiết bị lên men $0,75 \text{ m}^3$ bằng thép không gỉ 1X13, tạo cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy cho việc chế tạo và mở rộng ứng dụng trong thực tiễn chế biến nông sản.