CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP SẢN XUẤT BIA 1. Giới thiệu chung về bia Bia nói một cách tổng thể, là một loại đồ uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men. Dung dịch đường không bị lên men thu được từ quá trình ngâm nước gọi là hèm bia hay "nước ủ bia".
Hạt ngũ cốc, thông thường là lúa mạch được ủ thành mạch nha. Các đồ uống chứa cồn được làm từ sự lên men đường có trong các nguồn không phải ngũ cốc – chẳng hạn nước hoa quả hay mật ong – nói chung không được gọi là "bia", mặc dù chúng cũng được sản xuất từ cùng một loại men bia dựa trên các phản ứng hóa sinh học. Quy trình công nghệ sản xuất bia 1. Nguyên liệu Thành phần chính của bia là nước, lúa mạch đã mạch nha hóa, hoa bia và men bia.
Các thành phần khác, chẳng hạn như các chất tạo mùi vị hay các nguyên liệu đường khác được thêm vào như chất phụ gia. Các chất phụ gia phổ biến như ngô và lúa gạo. Các nguồn tinh bột này được ngâm ủ để chuyển hóa thành các loại đường dể lên men và tăng nồng độ cồn trong bia khi bổ sung rất ít hương vị. Các nhà sản xuất lớn ở Mỹ sử dụng tương đối nhiều các phụ gia để sản xuất bia rất ít hương vị với nồng độ cồn 4 – 5% theo thể tích.
Nước Do thành phần chính của bia là nước (chiếm 80 – 90 %) nên nguồn nước và các đặc trưng của nó có một ảnh hưởng rất quan trọng tới các đặc trưng của bia. Nhiều loại bia chịu ảnh hưởng hoặc thậm chí được xác định theo đặc trưng của nước trong khu vực sản xuất bia. Mặc dù ảnh hưởng của nó cũng như tương hỗ của các loại khoáng chất hòa tan trong nước được sử dụng trong sản xuất bia là khá phức tạp, nhưng theo quy tắc chung thì nước cứng là phù hợp hơn cho sản xuất các loại bia sẫm màu như bia đen, trong khi nước mềm là phù hợp cho sản xuất các loại bia sáng màu. Mạch nha Tất cả những hạt ngủ cốc nếu được ươm mầm với sự kiễm soát chặc chẽ của các điều kiện kỹ thuật (độ ẩm, nhiệt độ và mức độ thông gió), sử dụng trong công nghệ sản xuất bia đều có thể gọi chung là mạch nha hay malt (như malt thóc, malt bắp, malt lúa mì,…).
Malt là sản phẩm được chế biến từ các loại hạt hòa thảo như đại mạch, tiểu mạch, thóc, ngô,… sau khi cho nó nảy mầm ở điều kiện nhân tạo và sấy đến độ ẩm nhất định với điều SVTH: Đỗ Thành Tài MSSV: 1050020025 GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Trinh 1 Đồ án xử lý nước thải Đề tài: thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia với công suất 720 m3/ngày đêm kiện bắt buộc. Malt là một loại bán thành phẩm và giàu chất dinh dưỡng 16 – 18 % chất thấp phân tử dể hòa tan hệ enzym đặc biệt phong phú, chủ yếu là Amylaza và Proteaza. Mạch nha được tạo ra từ hạt ngũ cốc bằng cách ngâm chúng vào trong nước, cho phép chúng nảy mầm và sau đó làm khô hạt đã nảy mầm trong các lò sấy.
Hạt ngủ cốc đã mạch nha hóa tạo ra các enzym để chuyển chúng thành hóa tinh bột trong hạt thành đường có thể lên men. Thời gian và nhiệt độ sấy khác nhau được áp dụng để tạo ra các loại mạch nha khác nhau từ cùng một loại ngũ cốc. Các loại mạch nha sẫm màu hơn sẽ sản xuất ra bia sẫm màu hơn. Malt cung cấp toàn bộ lượng Gluid (chủ yếu dưới dạng tinh bột) để chuyển hóa thành đường, từ đường chuyển hóa thành cồn và các chất khác.
Để giảm giá thành, người ta có thể sử dụng ngũ cốc làm thế liệu và lượng tối đa là 50% chứ không thể thay thể hoàn toàn malt. Malt chứa đầy đủ enzym Amilaza để thủy phân tinh bột. Nếu sử dụng thế liệu nhiều thì lượng enzym này cung cấp không đầy đủ và ta buộc phải bổ sung enzym từ bên ngoài vào, chủ yếu là vi sinh vật. Malt cung cấp khá đầy đủ lượng protein và có chứa hệ enzym Proteaza để thủy phân chúng.
Trong giai đoạn ươm mầm, hệ enzym này được hoạt hóa mạnh mẽ. khi chuyển sang giai đoạn nấu, chúng thủy phân protein tạo thành các phức có khả năng giữ CO2 tốt, tạo vị đặc trưng. Hoa bia ( Hoa Houblon) Hoa bia là thực vật dạng dây leo (Humulus lupulus), sống lâu năm (30 – 40 năm), có chiều cao trung bình từ 10 – 15 năm. Hoa houblon có hoa đực và hoa cái riêng cho từng cây.
Trong sản xuất bia chỉ sử dụng hoa cái chưa thụ phấn. Hoa bia chứa một số tính chất rất phù hợp cho bia: − Cung cấp vị đắng để cân bằng vị ngọt của đường mạch nha. − Tạo ra hương vị từ mùi hoa cho tới mùi cam quýt hay mùi thảo mộc. Hoa bia có các hiệu ứng kháng sinh giúp cho hoạt động của men bia tốt hơn trước các loại vi sinh không mong muốn.
Việc sử dụng hoa bia giúp cho việc duy trì thời gian giữ bọt lâu hơn (tạo ra bởi các chất cacbon hóa bia).[14] SVTH: Đỗ Thành Tài MSSV: 1050020025 GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Trinh 2 Đồ án xử lý nước thải Đề tài: thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia với công suất 720 m3/ngày đêm 1. Men bia Men bia là các vi sinh vật có tác dụng lên men đường. Các giống men bia cụ thể được lựa chọn để sản xuất các loại bia khác nhau, nhưng có hai giống chính là men Ale và men Lager, với nhiều giống khác nhau tùy theo loại bia nào được sản xuất.
Men bia sẽ chuyển hóa đường thu được từ hạt ngũ cốc và tạo ra cồn và cacbonđioxit (CO2). Các quá trình cơ bản trong sản xuất bia ❖ Các công đoạn sản xuất chính Các công đoạn chính trong sản xuất bia được thể hiện trong hình 2.1 với các nguyên liệu đầu vào và các sản phẩm phát thải đi kèm. Chuẩn bị Malt và gạo được đưa đến bộ phận nghiền nguyên liệu thành các mảnh nhỏ, sau đó được chuyển sang nồi nấu để tạo điều kiện cho quá trình chuyển hóa nguyên liệu và trích ly tối đa các chất hòa tan trong nguyên liệu. Các nhà sản xuất bia thường sử dụng các thiết bị nghiền khô hoặc nghiền ướt.
Nấu Quá trình nấu gồm 4 giai đoạn: Hồ hóa và đường hóa: nguyên liệu sau khi xay nghiền được chuyển tới thiết bị hồ hóa và đường hóa bằng cách điều chỉnh hổn hợp ở các nhiệt độ khác nhau. Hệ enzym thích hợp chuyển hóa các chất dự trữ có trong nguyên liệu thành dạng hòa tan trong dịch: các enzym thủy phân tinh bột tạo thành đường, thủy phân các chất protein thành axit amin và các chất hòa tan khác sau cho đưa được qua lọc hèm để tách đường và các chất hòa tan khỏi bã bia. Lọc dịch đường: dịch hèm được đưa qua máy lọc nhằm tách bã hèm ra khỏi nước nha. Thiết bị lọc dịch đường phổ biến có hai loại là nồi lọc lắng hoặc máy ép lọc khung bản.
Đun sôi với hoa houblon: dịch đường sau khi lọc được nấu với nước hoa hoblon và đun sôi trong 60 – 90 phút. Mục đích của quá trình nhằm ổn định thành phần của đường, tạo cho sản phẩm có mùi thơm đặc trưng của hoa houblon. Lắng nóng dịch đường: dịch sau khi nấu được đưa qua bồn lắng xoáy nhằm tách cặn trước khi chuyển vào lên men. Quá trình nấu sử dụng nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt năng và điện năng cho vận hành các thiết bị; hơi nước phục vụ mục đích gia nhiệt và đun sôi.
SVTH: Đỗ Thành Tài MSSV: 1050020025 GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Trinh 3 Đồ án xử lý nước thải Đề tài: thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia với công suất 720 m3/ngày đêm 1. Lên men Làm lạnh và bổ sung oxy: dịch đường sau lắng có nhiệt độ khoảng 90 – 95ºC được hạ nhiệt độ nhanh đến 8 – 10ºC và bổ sung oxy với nồng độ 6 – 8 mgO2/lít. Quá trình lạnh nhanh được thực hiện trong các thiết bị trao đổi nhiệt với môi chất lạnh là nước lạnh 1 – 2ºC.
Chuẩn bị men giống: nấm men được nuôi trong phòng thí nghiệm, sau đó được nhân trong các điều kiện thích hợp để được mật độ nấm men cần thiết cho lên men. Lên men chính: dịch đường được cấp bổ sung oxy, làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp để tiến hành quá trình lên men chính với thời gian và điều kiện phù hợp. Việc lên men có thể được thực hiện trong các tank không có bảo ôn và đặt trong nhà lạnh được kiểm soát nhiệt độ theo chế độ nhiệt độ chung của phòng lên men. Công nghệ lên men trong phòng lạnh hiện nay không còn phổ biến do tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc chạy lạnh cho phòng lên men và khó khăn trong thao tác vận hành.
Ngày nay việc lên men phổ biến được tiến hành trong các tank liên hoàn được thiết kế phù hợp cho công nghệ lên men của các nhà sản xuất khác nhau với hệ thống kiểm soát nhiệt độ và dễ dàng tự động hóa. Khi CO2 sinh ra trong quá trình lên men chính được thu hồi. Thời gian lên men chính thường 5 – 7 ngày. Trong trường hợp lên men chìm, sau khi kết thúc lên men chính nấm men kết lắng xuống đáy các tank lên men và được lấy ra ngoài gọi là men sữa.
Nấm men sẽ được lấy một phần để tái sử dụng cho lên men các tank tiếp theo hoặc được thải bỏ. Trong trường hợp lên men nồi, nấm men tập trung trên bề mặt và cũng được tách một phần khỏi dịch lên men. Lên men phụ: dịch sau khi kết thúc giai đoạn lên men chính được chuyển sang giai đoạn lên men phụ để hoàn thiện chất lượng bia (tạo hương và vị đặc trưng). Quá trình lên men này diễn ra chậm, tiêu hao một lượng đường không đáng kể bia được lắng trong và bão hòa CO2.
Thời gian lên men từ 14 – 21 ngày hoặc hơn tùy thuộc vào yêu cầu của từng loại bia. SVTH: Đỗ Thành Tài MSSV: 1050020025 GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Trinh 4 Đồ án xử lý nước thải Đề tài: thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy bia với công suất 720 m3/ngày đêm Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất bia. Lọc bia và hoàn thiện sản phẩm Lọc bia: Sau lên men, bia được đem lọc để đạt được độ trong theo yêu cầu.
Lọc bia được tiến hành bằng nhiều loại thiết bị khác nhau.