Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam có lịch sử hình thành khoảng 100 năm và đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân nhờ khả năng đem lại lợi nhuận cao, tốc độ thu hồi vốn nhanh cùng sự đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước. Trong bối cảnh nền kinh tế thị trường mở cửa và hội nhập quốc tế sâu rộng (Việt Nam gia nhập WTO với tư cách thành viên thứ 150, đảm nhiệm Ủy viên không thường trực Hội đồng Bảo an Liên Hợp Quốc nhiệm kỳ 2008–2009 và Chủ tịch ASEAN năm 2010), đời sống nhân dân được cải thiện rõ rệt, dẫn đến nhu cầu tiêu thụ thực phẩm và đồ uống ngày càng gia tăng. Sản phẩm bia đã chuyển từ mặt hàng xa xỉ thành nét sinh hoạt văn hóa ẩm thực phổ biến ở cả thành thị và nông thôn.
Mặc dù toàn quốc đã có hơn 300 doanh nghiệp sản xuất bia lớn nhỏ và sản lượng tăng trưởng mạnh, thị trường vẫn chưa được đáp ứng đầy đủ cả về mặt số lượng lẫn chất lượng, hiệu quả kinh tế của nhiều cơ sở chưa đạt mức tối ưu. Bên cạnh đó, ngành sản xuất bia trong nước đối mặt với các rào cản thực tế: nguyên liệu chính (malt đại mạch và hoa houblon) hoàn toàn phải nhập khẩu với chi phí cao, mức tiêu thụ bình quân đầu người còn thấp so với thế giới, thu nhập GDP bình quân chưa cao, đội ngũ cán bộ kỹ thuật chuyên môn sâu còn thiếu và sản phẩm chịu mức thuế tiêu thụ đặc biệt.
Trước thực tiễn đó, tác giả Trần Thanh Tùng thực hiện đề tài thiết kế kỹ thuật nhằm giải quyết bài toán công nghệ sản xuất cụ thể. Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu được xác lập bao gồm:
- Luận chứng kinh tế và lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy bia đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn quy hoạch và kỹ thuật.
- Thiết kế dây chuyền công nghệ sản xuất bia với năng suất 10 triệu lít/năm tại Công ty TNHH MTV Việt Hà (Nhà máy bia Việt Hà).
- Xác định cơ cấu sản phẩm cụ thể: 60% bia chai (dung tích 450 ml) và 40% bia hơi.
- Lựa chọn và thuyết minh chi tiết các thông số kỹ thuật cho toàn bộ chu trình từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, nấu, lên men, lọc trong đến chiết rót, hoàn thiện sản phẩm và vệ sinh thiết bị (CIP).
Đối tượng nghiên cứu là quy trình công nghệ sản xuất bia vàng sử dụng nguyên liệu thay thế là gạo (tỷ lệ 30–40% so với malt). Phạm vi nghiên cứu đặt tại Nhà máy bia Việt Hà, tập trung vào giải pháp công nghệ chế biến và thiết bị kỹ thuật liên quan.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý hóa sinh và vi sinh vật học trong công nghệ sản xuất đồ uống lên men. Trọng tâm lý thuyết bao gồm:
- Cơ chế phân giải thủy phân tinh bột và protein của hệ enzyme nội tại trong malt đại mạch ($\alpha$-amylase, $\beta$-amylase, protease) và enzyme bổ sung ngoài (Termamyl 120L, endo-$\beta$-glucanase).
- Quá trình trích ly, chuyển hóa chất đắng ($\alpha$-axit đắng, hợp chất polyphenol, tinh dầu thơm) từ hoa houblon trong quá trình đun sôi dịch đường.
- Động học quá trình lên men ethanol và trao đổi chất của chủng nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis, cơ chế decacboxyl hóa axetolactat thành axetoin nhờ enzyme Maturex để khống chế hàm lượng diaxetyl.
- Tiêu chuẩn nước ăn uống và sản xuất theo Quyết định số 1329/2002/BYT/QĐ của Bộ Y tế.
Phương pháp thực hiện đồ án bao gồm:
- Phương pháp tính toán và thiết kế công nghệ: Lựa chọn thông số nhiệt độ, thời gian, áp suất, pH và tỷ lệ phối liệu cho từng công đoạn công nghệ.
- Phương pháp phân tích và tổng hợp kỹ thuật: So sánh ưu nhược điểm của các giải pháp công nghệ (nghiền khô/ẩm/ướt; đường hóa trích ly/đun sôi; lên men cổ điển/hiện đại; lọc khung bản/lọc nến/lọc màng) để lựa chọn phương án tối ưu phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.
- Nguồn dữ liệu: Số liệu thực tế thu thập từ dây chuyền sản xuất của Nhà máy bia Việt Hà, các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về đồ uống và dữ liệu hóa nghiệm chất lượng nguyên liệu.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Lập luận kinh tế
Chương này tập trung phân tích tổng quan bối cảnh ngành bia Việt Nam và đưa ra các tiêu chí lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy năng suất 10 triệu lít/năm. Tác giả chỉ ra các yếu tố thuận lợi về tốc độ tăng trưởng kinh tế, sự hội nhập quốc tế và nhu cầu tiêu thụ đồ uống thực phẩm ngày càng khắt khe. Đồng thời, chương 1 cũng thẳng thắn nêu rõ các thách thức về việc phụ thuộc nguồn nguyên liệu ngoại nhập, chính sách thuế tiêu thụ đặc biệt và sự thiếu hụt nhân lực kỹ thuật cao.
Về việc lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy, đồ án xác lập 6 yêu cầu kỹ thuật và pháp lý cơ bản:
- Khu vực xây dựng được cấp phép chính thức bởi cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền sở tại.
- Diện tích mặt bằng đủ rộng để bố trí các phân xưởng sản xuất, khu phụ trợ và dự phòng khả năng mở rộng trong tương lai.
- Địa hình tương đối bằng phẳng, thông thoáng, nằm gần thị trường tiêu thụ truyền thống và tập trung dân cư.
- Điều kiện hạ tầng giao thông thuận tiện, đảm bảo kết nối thông suốt với mạng lưới điện, cấp thoát nước và dịch vụ phụ trợ.
- Thuận lợi cho việc vận chuyển và cung ứng nguồn nguyên nhiên vật liệu nhằm hạ giá thành và ổn định sản xuất.
- Địa chất công trình ổn định, khí hậu không gây bất lợi cho quy trình sản xuất và lưu thông phân phối.
Chương 2. Chọn & thuyết minh dây chuyền công nghệ
Chương 2 trình bày toàn bộ các tính toán kỹ thuật, tiêu chuẩn chất lượng, nguyên liệu và thuyết minh chi tiết từng công đoạn trong dây chuyền sản xuất bia 10 triệu lít/năm.
1. Tiêu chuẩn chỉ tiêu bia thành phẩm
Tác giả thiết lập hệ thống chỉ tiêu cảm quan, hóa lý và vi sinh vật cho hai dòng sản phẩm chính của nhà máy:
| Chỉ tiêu |
Bia hơi |
Bia chai (450 ml) |
| Cảm quan |
Màu vàng sáng, trong; bọt trắng mịn, thời gian giữ bọt 5–10 phút với chiều cao lớp bọt 3 cm, bám cốc tốt; mùi vị đặc trưng không có mùi lạ |
Tương tự bia hơi |
| Độ đường ban đầu |
$10^\circ\text{Bx}$ |
$12^\circ\text{Bx}$ |
| Hàm lượng cồn |
$3,8 \pm 0,2%$ (v/v) |
$4,5%$ (v/v) |
| Độ đắng |
$30\text{ BU}$ |
$30\text{ BU}$ |
| **Hàm lượng }\text{CO}_2$ |
$3,5\text{ g/l}$ |
$5,0\text{ g/l}$ |
| Hàm lượng Diaxetyl |
$< 0,1\text{ mg/l}$ |
$< 0,1\text{ mg/l}$ |
| Độ màu |
$4 - 6\text{ EBC}$ |
$0,2\text{ ml }\text{I}_2\text{ }0,1\text{N} / 100\text{ml bia}$ |
| Độ chua |
$1,2 - 1,7\text{ ml NaOH } 0,1\text{N} / 100\text{ml bia}$ |
$1,2 - 1,7\text{ ml NaOH } 0,1\text{N} / 100\text{ml bia}$ |
| Tổng số VSV hiếu khí |
$< 10\text{ tế bào/ml}$ |
$< 10\text{ tế bào/ml}$ |
| Coliforms & E. aureus |
$0\text{ tế bào/ml}$ |
$0\text{ tế bào/ml}$ |
| Bào tử nấm men + nấm mốc |
$\le 10\text{ khuẩn lạc/ml}$ |
$\le 10\text{ khuẩn lạc/ml}$ |
2. Yêu cầu nguyên liệu và phụ gia
- Malt đại mạch: Yêu cầu độ hòa tan tuyệt đối $\ge 75%$, độ ẩm $\le 5%$, thời gian đường hóa $\le 15\text{ phút}$, năng lực đường hóa $\ge 260\text{ WK}$, hàm lượng đạm toàn phần tuyệt đối $9 - 11%$, khối lượng 1000 hạt $\ge 36\text{ g}$, tỷ lệ hạt gẫy $< 0,5%$.
- Gạo (thế liệu 30–40%): Nhằm hạ giá thành sản phẩm; yêu cầu độ ẩm $\le 14%$, độ hòa tan $80 - 85%$, hạt cỏ $\le 0,01%$, hạt gẫy $\le 40%$, cám lật $\le 6,5%$, thời gian bảo quản kho không quá 90 ngày.
- Hoa houblon: Sử dụng phối hợp 3 dạng (hoa cánh, hoa viên, cao hoa). Tỷ lệ quy đổi: $1\text{ kg hoa viên} = 1,3 - 1,5\text{ kg hoa cánh}$; $1\text{ kg cao hoa} = 7 - 10\text{ kg hoa cánh}$. Hàm lượng $\alpha$-axit đắng ở hoa viên loại 90 là $5%$, loại 45 là $8%$, cao hoa là $30%$. Thành phần chất khô gồm: chất đắng ($15 - 21%$), protein ($15 - 21%$), cellulose ($12 - 14%$), độ ẩm ($11 - 13%$), chất khoáng ($5 - 8%$), polyphenol ($2,5 - 6%$), tinh dầu thơm ($0,3 - 1%$). Bảo quản ở kho lạnh $5 - 10^\circ\text{C}$.
- Nguồn nước sản xuất: Tuân thủ Quyết định 1329/2002/BYT/QĐ; độ cứng $4 - 5^\circ\text{D}$, muối cacbonat $\le 50\text{ mg/l}$, $\text{Mg}^{2+} \le 100\text{ mg/l}$, $\text{Cl}^- 75 - 150\text{ mg/l}$, $\text{CaSO}_4 150 - 200\text{ mg/l}$, $\text{Fe}^{2+} < 0,3\text{ mg/l}$, không có $\text{NH}_3$, $\text{NO}_2^-$ và kim loại nặng.
- Enzyme và hóa chất phụ trợ:
- Enzyme Termamyl 120L ($\alpha$-amylase chịu nhiệt từ Bacillus licheniformis, tối ưu $90 - 95^\circ\text{C}$): dùng $611\text{ g}$ cho mẻ nấu bia chai và $680\text{ g}$ cho mẻ nấu bia hơi.
- Enzyme endo-$\beta$-glucanase (từ B. subtilis / amyloquefaciens): hoạt động ở $45 - 50^\circ\text{C}$, $\text{pH } 6 - 6,5$ giúp phân cắt $\beta$-glucan làm giảm độ nhớt dịch đường, tăng tốc độ lọc và chống đục.
- Chế phẩm Maturex: liều lượng $0,02\text{ g/l}$, bổ sung trực tiếp vào dịch đường sau lạnh nhanh để chuyển hóa axetolactat thành axetoin, rút ngắn thời gian lên men phụ.
- Hóa chất điều chỉnh và trợ lọc: $\text{H}_3\text{PO}_4$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ 10%, $\text{CaCl}_2$, $\text{CaSO}_4$, bột trợ lọc Diatomit (Celite, Celaton) và PVPP (Polyclar 10).
Thiết kế và triển khai quy trình công nghệ
Dây chuyền sản xuất được thiết kế thành chuỗi các công đoạn nối tiếp với các thông số kỹ thuật được xác lập chi tiết:
1. Phân xưởng nghiền nguyên liệu
- Nghiền malt: Áp dụng phương pháp nghiền ẩm bằng máy nghiền trục tự động có phun ẩm bằng nước $60 - 80^\circ\text{C}$ trong $40 - 60\text{ giây}$ (tỷ lệ malt:nước phối trộn ban đầu là 1:3). Sau khi qua trục nghiền có xẻ rãnh, hỗn hợp được hòa tiếp với nước $45^\circ\text{C}$ theo tỷ lệ malt:nước là 1:4 tạo sữa malt bơm lên nồi nấu. Cơ cấu bột nghiền yêu cầu: vỏ trấu $15%$, tấm to $20%$, tấm nhỏ $30%$, bột mịn $35%$ (đảm bảo tỷ lệ [tấm nhỏ + bột mịn] / tấm to = 3/1).
- Nghiền gạo: Áp dụng máy nghiền búa kết hợp hệ thống tách bụi xyclon để nghiền mịn tối đa. Tiêu chuẩn thành phần sau nghiền: bột mịn $\ge 45%$, tấm nhỏ $\le 35%$, tấm lớn $\le 20%$.
2. Quá trình nấu và đường hóa
Quy trình sử dụng phương pháp nấu hồ hóa gạo riêng biệt rồi phối trộn đường hóa chung với dịch malt:
- Nồi hồ hóa (Nồi cháo): Tỷ lệ (gạo + malt lót) : nước là 1:4; lót $10\text{ hl}$ nước ở $40^\circ\text{C}$ để chống cháy nồi, nạp $50%$ malt lót lần 1 rồi cấp toàn bộ bột gạo, enzyme Termamyl ($611\text{ g}$ cho bia chai, $680\text{ g}$ cho bia hơi) và $\text{H}_2\text{SO}_4$ 10%. Nâng nhiệt lên $75^\circ\text{C}$ (nâng 15 phút, giữ 20 phút); nâng lên $83^\circ\text{C}$ (nâng 5 phút, giữ 5 phút); hạ nhiệt xuống $72^\circ\text{C}$ (nâng/hạ 5 phút, giữ 25 phút) đồng thời bổ sung $50%$ malt lót lần 2; đun sôi lên $100^\circ\text{C}$ (nâng 20 phút, giữ 30 phút). Áp suất hơi cấp vào nồi duy trì ở 4 at.
- Nồi đường hóa (Nồi malt): Cho $10\text{ hl}$ nước lót ở $45^\circ\text{C}$, cấp bột malt và nước theo tỷ lệ 1:4, bổ sung $\text{CaCl}_2$, $\text{CaSO}_4$, Hecxa, Cereflo, dùng $\text{H}_3\text{PO}_4$ chỉnh $\text{pH} = 5,5 - 5,6$, ngâm 10 phút. Bơm dịch cháo lần 1 để nâng nhiệt nồi malt lên $52^\circ\text{C}$, giữ 5 phút (nhiệt độ tối ưu của enzyme protease). Bơm toàn bộ lượng cháo còn lại sang nồi malt, nâng nhiệt lên $66^\circ\text{C}$, giữ 30 phút (enzyme $\beta$-amylase tạo đường maltoza). Tiếp tục nâng lên $75^\circ\text{C}$, giữ 20 phút ($\text{pH } 5,5 - 5,7$, enzyme $\alpha$-amylase thủy phân triệt để). Cuối cùng nâng lên $76^\circ\text{C}$ và chuyển sang thùng lọc.
3. Lọc dịch đường và nấu hoa houblon
- Lọc dịch đường: Sử dụng thùng lọc đáy bằng tự động. Trước khi lọc, lót đáy bằng $4\text{ hl}$ nước nóng $78^\circ\text{C}$ để đuổi oxy và chống tạo chân không. Bơm dịch hèm vào với cánh khuấy $8\text{ vòng/phút}$, để yên 30 phút tạo màng lọc bã tự nhiên, tuần hoàn dịch lọc $5 - 10\text{ phút}$ rồi thu dịch cốt đầu. Rửa bã 3 lần bằng nước $78 - 80^\circ\text{C}$ với cánh khuấy quay chậm $4 - 5\text{ vòng/phút}$. Nồng độ đường sót trong nước rửa bã đạt $0,3 - 0,5^\circ\text{Bx}$. Tổng thời gian lọc khoảng 2 giờ. Bã malt được vít tải thu gom làm thức ăn gia súc.
- Nấu hoa houblon: Thực hiện trong nồi nấu có ống chùm gia nhiệt trung tâm và vỏ áo hơi, duy trì nhiệt độ sôi $102^\circ\text{C}$ liên tục trong 70 phút (dịch đường từ thùng lọc chuyển sang luôn giữ trên $70^\circ\text{C}$). Kỹ thuật bổ sung hoa chia làm 3 lần:
- Lần 1: Bổ sung cao hoa ($1/4$ tổng lượng hoa) và hóa chất ngay khi dịch bắt đầu sôi.
- Lần 2: Bổ sung hoa viên giàu chất đắng ($1/2$ tổng lượng hoa) sau khi sôi 35 phút.
- Lần 3: Bổ sung phần hoa thơm còn lại và caramel chỉnh màu trước khi kết thúc sôi 10 phút.
4. Lắng xoáy, làm lạnh nhanh và chuẩn bị men giống
- Lắng xoáy: Dùng thiết bị lắng xoáy (whirlpool). Dịch đường bơm tiếp tuyến cách đáy $1/3$ chiều cao thùng trong 10 phút, ống thoát hơi có đường kính bằng $1/10$ đường kính thùng, đáy thùng nghiêng $1%$ về phía xả bã. Thời gian lắng 20 phút, tổng thời gian lắng xoáy 40 phút, nhiệt độ dịch ra khoảng $90^\circ\text{C}$.
- Làm lạnh nhanh: Dùng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản 1 cấp sử dụng nước lạnh $2^\circ\text{C}$. Dịch được hạ từ $90^\circ\text{C}$ xuống nhiệt độ lên men trong thời gian 60 phút, đồng thời thu hồi nước nóng $80^\circ\text{C}$ tái phục vụ cho khâu nấu và rửa bã. Sau làm lạnh, dịch được nạp $6\text{ mg/l bia}$ không khí vô trùng khử qua tia UV trước khi vào tank lên men.
- Chuẩn bị giống nấm men: Sử dụng Saccharomyces carlsbergensis.
- Nhân giống phòng thí nghiệm: Cấy chuyển từ thạch nghiêng sang ống $10\text{ ml}$ dịch chiết malt ($\text{pH } 4,5 - 5,0$; $30 \pm 1^\circ\text{C}$; 24 giờ) $\rightarrow 100\text{ ml}$ (18–24 giờ) $\rightarrow 1000\text{ ml}$ (18–24 giờ) $\rightarrow 10\text{ lít}$ dịch đường hóa ($\text{pH } 4,8 - 5,2$; $20 - 25^\circ\text{C}$; 15–18 giờ) $\rightarrow 100\text{ lít}$ ($16 - 20^\circ\text{C}$; 10–15 giờ) $\rightarrow$ chuyển sang thùng nhân giống sản xuất cấp 1 và cấp 2.
- Thu hồi và xử lý men sữa: $1000\text{ lít}$ dịch lên men thu được $15 - 20\text{ lít}$ sinh khối sệt (độ ẩm $85 - 88%$). Khối lắng chia 3 lớp: cặn lạnh đáy (thải loại), men sữa trẻ ở giữa (thu hồi làm giống), men già chết ở trên (loại bỏ). Men sữa được rửa $3 - 4\text{ lần}$ bằng nước vô trùng $2^\circ\text{C}$ (lắng 90 phút/lần). Tiêu chuẩn sử dụng lại: tỷ lệ chết $< 5%$, nảy chồi $20 - 25%$, tạp khuẩn $< 3%$, bảo quản ở $5^\circ\text{C}$ (hoặc $0^\circ\text{C}$), tái sử dụng $6 - 7\text{ lần}$.
5. Quá trình lên men và lọc trong bia
- Lên men gia tốc (lên men hiện đại): Thực hiện trong bồn trụ đáy côn bảo ôn làm lạnh bằng glycol, kết hợp bổ sung chế phẩm Maturex ($0,02\text{ g/l}$).
- Giai đoạn lên men $9,5^\circ\text{C}$: Duy trì áp suất 0,3 bar sau 8 giờ nạp dịch, thời gian 3–4 ngày cho đến khi đường đạt $5,0 - 5,5^\circ\text{Bx}$.
- Giai đoạn lên men $12,5^\circ\text{C}$: Áp suất $0,7 - 0,9\text{ bar}$, thời gian 3–4 ngày cho đến khi đường đạt $2,8 - 3,2^\circ\text{Bx}$.
- Giai đoạn hạ lạnh rút men: Hạ nhiệt về $5^\circ\text{C}$, giữ áp suất 0,9 bar trong 24 giờ để lắng men rồi tiến hành rút sữa men.
- Lên men phụ: Tiến hành ở $0 - 1^\circ\text{C}$, áp lực $0,8 - 1,2\text{ bar}$ trong thời gian 9–14 ngày nhằm làm chín bia, bão hòa $\text{CO}_2$ và lắng trong cặn keo.
- Lọc trong và bão hòa $\text{CO}_2$:
- Hệ thống lọc nến liên tiếp gồm 2 máy ML1 và ML2 (năng suất lọc $7\text{ m}^3\text{/h}$ mỗi máy). Máy ML1 phủ 2 lớp bột trợ lọc Diatomit (phủ thô 15 phút, phủ mịn 15 phút) để tách cặn và nấm men; máy ML2 phủ bột PVPP để hấp phụ polyphenol và protein, ổn định độ bền keo (PVPP tái sinh bằng $\text{NaOH}$, $\text{HNO}_3$). Sau đó dịch qua máy lọc màng để loại triệt để hạt trợ lọc.
- Bia sau lọc được làm lạnh về $0 - 1^\circ\text{C}$, bão hòa $\text{CO}_2$ đạt $3,5\text{ g/l}$ (đối với bia hơi) và $5,0\text{ g/l}$ (đối với bia chai).
6. Dây chuyền chiết rót và hoàn thiện
- Chiết Bock (Bia hơi): Vỏ keg được gắp tự động vào goong qua máy rửa ngoài bằng vòi phun áp lực cao (hóa chất gồm $\text{NaOH } 2%$ ở $80^\circ\text{C}$, dung dịch axit $1,5%$ ở $65^\circ\text{C}$, nước hỗn hợp $70^\circ\text{C}$, nước nóng $85^\circ\text{C}$ và tráng nước sạch). Sau đó keg chuyển vào 3 hệ thống rửa trong và chiết bock (mỗi hệ thống có 6 trạm làm việc).
- Dây chuyền chiết chai (Bia chai 450 ml): Dây chuyền tự động hóa với biên chế 12 công nhân/ca, hoạt động 2–3 ca/ngày.
- Khâu rửa chai và két: Máy gắp chai ra két, két được lộn ngược và rửa bằng xút loãng thu hồi từ bể ấm 2 kết hợp tráng nước sạch. Máy rửa chai 2 tầng vận hành qua 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 ngâm $30^\circ\text{C}$ và phun nước $40 - 45 - 58^\circ\text{C}$; Giai đoạn 2 ngâm xút chính ở $80^\circ\text{C}$ (nồng độ $> 1%$) kết hợp bóc nhãn bằng bơm dòng chảy hướng trục; Giai đoạn 3 qua bể xút $62^\circ\text{C}$, bể nước nóng $55^\circ\text{C}$, bể nước nóng $50^\circ\text{C}$, bể nước nóng $30^\circ\text{C}$ và tráng nước sạch $20 - 25^\circ\text{C}$.
- Khâu chiết chai đẳng áp và dập nút: Bầu chiết duy trì áp suất 3 bar, bơm hút chân không $-0,9\text{ bar}$. Quy trình chiết 4 pha: Pha A (hút chân không $90%$ thể tích); Pha B (tráng $\text{CO}_2$ và hút chân không lần 2); Pha C (nạp áp suất đối, mở van chiết cho bia chảy bám thành chai); Pha D (đóng van chiết, hạ tấm đỡ). Chai được dập nút bằng máy 8 nút, qua bàn soi kiểm tra mức vơi đầy (2 công nhân).
- Thanh trùng và dán nhãn: Máy thanh trùng 2 tầng gồm 9 bể nhiệt độ (bể 1 & 9: $25^\circ\text{C}$; bể 2 & 8: $34^\circ\text{C}$; bể 3 & 7: $43^\circ\text{C}$; bể 4 & 6: $62^\circ\text{C}$; bể 5: $68^\circ\text{C}$). Tổng chu kỳ di chuyển 47 phút, thời gian giữ nhiệt thanh trùng tại $68^\circ\text{C}$ là 9 phút. Chai sau thanh trùng được thổi khô, dán nhãn bằng keo hồ, in phun hạn sử dụng (hạn dùng 6 tháng) và gắp tự động vào 2 két xuất kho.
7. Quy trình vệ sinh và khử trùng tại chỗ (CIP)
- Nhà nấu: CIP định kỳ 1 tuần/lần (tráng nước nóng $85^\circ\text{C}$ trong 5–10 phút $\rightarrow$ tẩy chính bằng $\text{NaOH } 2% + 0,5%\text{ Reen Conc. P}$ ở $80 - 90^\circ\text{C}$ trong 60 phút $\rightarrow$ tráng nước nóng $85^\circ\text{C}$ trong 5–10 phút). Sau mỗi mẻ nấu, vệ sinh bằng nước lạnh và nước nóng.
- Tank lên men: Hệ thống gồm 4 bồn hóa chất ($\text{NaOH } 2% + 0,5%\text{ Reen Conc. P}$, Trimeta HC $2%$, P3 Oxonia $0,5%$, nước vô trùng). Chu trình thực hiện: Xả hết áp $\rightarrow$ thổi sạch $\text{CO}_2 \rightarrow$ tráng nước sinh hoạt 5–10 phút $\rightarrow$ tuần hoàn $\text{NaOH } 2%$ trong 45 phút (tái sử dụng tối đa 3 tank/mẻ pha) $\rightarrow$ tráng nước 5–10 phút $\rightarrow$ tuần hoàn Trimeta HC $2%$ trong 40 phút (thu hồi) $\rightarrow$ tráng nước lạnh RO 5–10 phút $\rightarrow$ khử trùng P3 Oxonia $0,3%$ trong 30 phút $\rightarrow$ xả kiệt và nén $\text{CO}_2$ đối áp lên $1\text{ at}$.
- Đường ống và thiết bị lọc, chiết: CIP theo chu kỳ 3 mẻ/lần bằng nước nóng $80^\circ\text{C}$ (5–10 phút) $\rightarrow \text{NaOH } 2% + 0,5%\text{ Reen Conc.} \rightarrow$ rửa nước lạnh vô trùng 15–20 phút (kiểm tra thuốc thử phenolphtalein không đổi màu hồng) $\rightarrow$ ngâm P3 Oxonia $0,5%$ trong 30 phút. CIP từng mẻ dịch bằng nước nóng $85^\circ\text{C}$ (10 phút) $\rightarrow$ chạy lạnh đường ống $\rightarrow$ chạy qua P3 Oxonia.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã xây dựng hoàn chỉnh hồ sơ thiết kế kỹ thuật công nghệ cho nhà máy bia công suất 10 triệu lít/năm với các kết quả cụ thể:
- Thiết lập quy trình công nghệ hợp lý với tỷ lệ thế liệu gạo $30 - 40%$, vừa đảm bảo các chỉ tiêu cảm quan, hóa lý, vi sinh vật của bia thành phẩm theo tiêu chuẩn đăng ký, vừa giảm chi phí nguyên liệu malt nhập khẩu.
- Ứng dụng giải pháp kỹ thuật tiên tiến: phương pháp nghiền ẩm trục nhằm giữ nguyên vẹn vỏ trấu làm lớp màng lọc tự nhiên; phương pháp nấu hồ hóa gạo riêng biệt rút ngắn thời gian và tối ưu hóa hiệu suất enzyme; công nghệ lên men gia tốc trong bồn trụ đáy côn kết hợp chế phẩm Maturex khống chế diaxetyl dưới $0,1\text{ mg/l}$.
- Hoàn thiện hệ thống thu hồi và tái sử dụng men sữa ($6 - 7\text{ lần}$), hệ thống thu hồi nhiệt nước nóng $80^\circ\text{C}$ từ khâu làm lạnh nhanh để cấp cho nhà nấu, cùng dây chuyền chiết rót tự động khép kín đồng bộ giúp giảm nhân công vận hành (12 công nhân/ca).
- Xây dựng chế độ làm sạch và tiệt trùng CIP nhiều cấp độ, khép kín và tái sử dụng hóa chất tẩy rửa ($\text{NaOH}$, Trimeta HC), kiểm soát nhiễm tạp vi sinh vật trong suốt chu trình.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế chính của đồ án xuất phát từ phạm vi nghiên cứu thiết kế lý thuyết và điều kiện thực tập:
- Đồ án chưa đi sâu vào tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt chi tiết cho toàn bộ các thiết bị đơn lẻ trong nhà máy.
- Một số giải pháp công nghệ hiện đại (như máy nghiền ẩm, thiết bị lọc nến trợ lọc, hệ thống chiết đẳng áp tự động) đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao, tiêu tốn năng lượng điện nước và yêu cầu công nhân có trình độ kỹ thuật cao để xử lý sự cố dây chuyền.
- Hướng phát triển tiếp theo là hoàn thiện các bản vẽ thiết kế mặt bằng phân xưởng, tính toán thiết kế chi tiết cơ khí cho từng thiết bị chính (nồi cháo, nồi malt, nồi hoa, tank lên men, tháp bão hòa $\text{CO}_2$) và xây dựng phương án xử lý nước thải sản xuất đạt chuẩn môi trường.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ sinh học và Kỹ thuật đồ uống lên men. Nội dung đồ án cung cấp các thông số công nghệ thực tế có giá trị cao cho những ai thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế nhà máy bia, nhà máy đồ uống có cồn.
Các phần đáng chú ý để tra cứu bao gồm:
- Bảng thông số chỉ tiêu kỹ thuật của bia hơi và bia chai thương phẩm.
- Sơ đồ nhiệt độ, thời gian và các mốc bổ sung enzyme trong công đoạn hồ hóa – đường hóa.
- Quy trình phân đoạn bổ sung hoa houblon 3 lần trong công đoạn đun sôi hoa.
- Chế độ nhân giống men thuần khiết và tiêu chuẩn thu hồi men sữa tái sử dụng.
- Quy trình CIP nhiều bước cho tank lên men và hệ thống đường ống.
Câu hỏi thường gặp
1. Cơ cấu sản phẩm và quy mô công suất của nhà máy được thiết kế như thế nào?
Nhà máy được thiết kế với tổng công suất 10 triệu lít bia/năm tại Nhà máy bia Việt Hà, trong đó sản lượng phân bổ gồm 60% bia chai (dung tích 450 ml) và 40% bia hơi.
2. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp nghiền ẩm cho malt và nghiền búa cho gạo?
Nghiền ẩm malt bằng máy nghiền trục (phun nước $60 - 80^\circ\text{C}$ trong 40–60 giây) giúp nội nhũ bị nghiền nhuyễn trong khi vỏ trấu vẫn dai và nguyên vẹn, tạo lớp màng lọc xốp giúp tăng tốc độ lọc dịch đường. Ngược lại, gạo là nguyên liệu thế liệu không cần giữ vỏ nên dùng máy nghiền búa để nghiền càng mịn càng tốt (bột mịn $\ge 45%$), giúp tinh bột dễ trương nở và hòa tan hoàn toàn khi hồ hóa.
3. Enzyme Termamyl 120L và chế phẩm Maturex có vai trò gì trong quy trình?
Termamyl 120L ($\alpha$-amylase chịu nhiệt) được bổ sung vào nồi hồ hóa ($611\text{ g}$ cho bia chai, $680\text{ g}$ cho bia hơi) để cắt mạch tinh bột gạo thành dextrin mạch ngắn, giảm độ nhớt và tăng hiệu suất trích ly. Chế phẩm Maturex ($0,02\text{ g/l}$) được bổ sung vào dịch nha trước khi lên men để xúc tác decacboxyl hóa axetolactat thành axetoin, ngăn ngừa hình thành diaxetyl và rút ngắn thời gian lên men phụ.
4. Kỹ thuật đun sôi với hoa houblon được tiến hành qua mấy giai đoạn?
Quá trình đun sôi hoa houblon kéo dài 70 phút ở $102^\circ\text{C}$, hoa được chia làm 3 lần nạp: lần 1 bổ sung cao hoa ($1/4$ lượng hoa) khi dịch bắt đầu sôi để tạo vị đắng và kết tủa protein; lần 2 bổ sung hoa viên ($1/2$ lượng hoa) sau khi sôi 35 phút để tăng hàm lượng chất đắng; lần 3 bổ sung hoa thơm và caramel trước khi dừng sôi 10 phút để lưu hương và chỉnh màu.
5. Tiêu chuẩn chất lượng nào được áp dụng để tái sử dụng men sữa?
Men sữa thu từ lớp giữa của đáy bồn lên men sau khi rửa sạch bằng nước vô trùng $2^\circ\text{C}$ phải đạt các chỉ tiêu: tỷ lệ tế bào chết $< 5%$, tỷ lệ nảy chồi $20 - 25%$, tỷ lệ nhiễm tạp khuẩn $< 3%$. Khối men này được bảo quản ở $5^\circ\text{C}$ (hoặc $0^\circ\text{C}$) và được phép tái sử dụng từ 6 đến 7 lần.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế nhà máy bia 10 triệu lít/năm" của tác giả Trần Thanh Tùng đã hoàn thành đầy đủ các nội dung kỹ thuật từ lập luận kinh tế, lựa chọn địa điểm đến thuyết minh chi tiết dây chuyền công nghệ sản xuất bia chai và bia hơi tại Công ty TNHH MTV Việt Hà. Quy trình thiết kế thể hiện tính đồng bộ cao thông qua việc tối ưu hóa tỷ lệ thế liệu gạo $30 - 40%$, ứng dụng thiết bị lên men gia tốc bồn trụ đáy côn và hệ thống vệ sinh CIP khép kín. Đây là công trình đồ án có cấu trúc chặt chẽ, thông số kỹ thuật rõ ràng và có giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo, nghiên cứu ngành công nghệ lên men thực phẩm.
