Bối cảnh và mục tiêu thiết kế kỹ thuật

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế nhà máy bia năng suất 50 triệu lít/năm" được thực hiện bởi sinh viên Lê Thị Thanh Tâm, ngành Kỹ thuật thực phẩm (KTTP – K59), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đề tài tập trung vào việc tính toán, thiết kế toàn diện một cơ sở sản xuất công nghiệp hoàn chỉnh thuộc lĩnh vực công nghệ thực phẩm và đồ uống.

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Theo số liệu trích dẫn từ Báo cáo Barth (Barth Report giai đoạn 2016 – 2017), sản lượng bia toàn cầu năm 2016 đạt khoảng 1.957 triệu hectolit (hl), giảm 0,2% (tương đương 3,5 triệu hl) so với năm 2015. Các thị trường truyền thống như Trung Quốc (giảm 3,7%), Hoa Kỳ (giảm 0,7%) và Brazil (giảm 3,8%) bắt đầu bước vào giai đoạn bão hòa dù nhóm 5 nước lớn nhất (Trung Quốc, Mỹ, Brazil, Mexico, Đức) vẫn chiếm tới 52% sản lượng toàn cầu. Tuy nhiên, khu vực Châu Á vẫn giữ vị trí dẫn đầu thế giới về cả sản lượng sản xuất (chiếm hơn 33%) lẫn mức tiêu thụ liên tục trong 8 năm.

Trái ngược với xu hướng chững lại của thế giới, ngành công nghiệp sản xuất bia tại Việt Nam ghi nhận sự tăng trưởng nhanh chóng. Theo thống kê của Bộ Công Thương:

  • Năm 2016, sản lượng bia cả nước đạt 3,788 tỷ lít, đưa Việt Nam vào nhóm 10 quốc gia có sản lượng sản xuất bia lớn nhất thế giới.
  • Năm 2017, sản lượng toàn ngành đạt mốc 4 tỷ lít, với mức tiêu thụ bình quân đạt 42 lít/người/năm.
  • Cơ cấu thị trường ghi nhận sự chi phối của các doanh nghiệp lớn: Tổng công ty Cổ phần Bia – Rượu – Nước giải khát Sài Gòn (Sabeco) chiếm hơn 40% thị phần (sản lượng 1,64 tỷ lít năm 2016), Tổng công ty Cổ phần Bia – Rượu – Nước giải khát Hà Nội (Habeco) đạt 717,4 triệu lít, và khối doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài (Heineken, Carlsberg...) đạt 1,428 tỷ lít.
  • Về mặt kinh tế vĩ mô, số liệu từ Tổng cục Thống kê cho thấy ngành đồ uống đóng góp cho ngân sách Nhà nước khoảng 35.000 tỷ đồng mỗi năm (chiếm khoảng 3% tổng ngân sách), trong đó ngành bia giữ tỷ trọng chủ đạo.

Cả nước có khoảng 119 cơ sở sản xuất bia nhưng phần lớn tập trung ở quy mô vừa và nhỏ, công nghệ chưa đồng bộ. Định hướng phát triển công nghiệp của ngành là xây dựng các nhà máy công nghệ tiên tiến có công suất từ 50 triệu lít/năm trở lên nhằm tối ưu hóa chi phí, đảm bảo chất lượng và đa dạng hóa dòng sản phẩm. Xuất phát từ thực tế đó, tác giả lựa chọn nhiệm vụ thiết kế nhà máy bia công suất 50 triệu lít/năm đặt tại tỉnh Bắc Ninh.

Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế

Đồ án đặt ra hệ thống nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Lập luận kinh tế - kỹ thuật xác định địa điểm xây dựng và cơ cấu sản phẩm của nhà máy.
  2. Lựa chọn, thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất cho hai dòng sản phẩm: bia hơi và bia chai.
  3. Tính toán cân bằng sản phẩm toàn diện cho toàn bộ quy trình công nghệ theo chu kỳ sản xuất năm.
  4. Tính toán, lựa chọn hệ thống thiết bị cơ bản và thiết bị phụ trợ cho các phân xưởng sản xuất chính.
  5. Tính toán nhu cầu phụ tải năng lượng và kỹ thuật công trình: hơi đốt, phụ tải lạnh, cấp thoát nước và điện năng.
  6. Quy hoạch tổng mặt bằng, thiết kế xây dựng và bố trí không gian kiến trúc nhà máy.
  7. Đánh giá sơ bộ các chỉ tiêu kinh tế, tổng mức đầu tư, giá thành sản phẩm và thời gian hoàn vốn.
  8. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật về an toàn lao động, vệ sinh công nghiệp và xử lý môi trường.

Đối tượng và phạm vi thiết kế

  • Đối tượng thiết kế: Dây chuyền công nghệ và toàn bộ công trình kỹ thuật của nhà máy sản xuất bia với tổng công suất thiết kế 50 triệu lít/năm.
  • Phạm vi sản phẩm: Gồm 20 triệu lít bia hơi/năm (đóng keg 50 lít) và 30 triệu lít bia chai/năm (đóng chai thủy tinh 450 ml).
  • Địa điểm xây dựng: Khu công nghiệp Quế Võ II, xã Ngọc Xá, huyện Quế Võ, tỉnh Bắc Ninh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Tiêu chuẩn kỹ thuật và khung quy chuẩn áp dụng

Thiết kế căn cứ trực tiếp trên các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia hiện hành của Việt Nam đối với sản phẩm bia và đồ uống có cồn:

  • TCVN 7042:2013: Tiêu chuẩn quốc gia áp dụng đối với sản phẩm bia hơi.
  • TCVN 6057:2013: Tiêu chuẩn quốc gia áp dụng đối với sản phẩm bia chai.
  • QCVN 6-3:2010/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với các sản phẩm đồ uống có cồn (về giới hạn vi sinh vật và an toàn thực phẩm).

Phương pháp tính toán kỹ thuật

Tác giả sử dụng phối hợp các phương pháp kỹ thuật công nghệ truyền thống trong thiết kế nhà máy chế biến thực phẩm:

  • Phương pháp cân bằng vật chất (Mass Balance): Tính toán dòng nguyên liệu đầu vào và sản phẩm trung gian trên đơn vị cơ sở 100 lít bia thành phẩm, từ đó quy đổi ra nhu cầu nguyên liệu ngày, mẻ và năm dựa trên các hệ số tổn thất công nghệ qua từng công đoạn.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt và năng lượng: Xác định phụ tải nhiệt cấp cho các thiết bị đun sôi, hồ hóa, đường hóa; phụ tải lạnh cho các công đoạn làm lạnh nhanh dịch đường, lên men, tàng trữ và hạ nhiệt bia sau lọc.
  • Phương pháp tính chọn thiết bị: Dựa trên năng suất mẻ, chu kỳ hoạt động và hệ số điền đầy để tính dung tích làm việc, dung tích toàn phần và lựa chọn số lượng máy móc công nghiệp chuyên dụng.
  • Phương pháp kinh tế kỹ thuật: Dự toán tài sản cố định, khấu hao, chi phí sản xuất, doanh thu và thời gian hoàn vốn đầu tư dự án.

Thiết kế công nghệ và quy chuẩn sản phẩm

Cơ cấu sản phẩm và tiêu chuẩn chất lượng

Nhà máy được thiết kế để sản xuất hai chủng loại bia với các thông số kỹ thuật và chỉ tiêu chất lượng được kiểm soát nghiêm ngặt:

Chỉ tiêu phân tích Sản phẩm Bia hơi (20 triệu L/năm) Sản phẩm Bia chai (30 triệu L/năm) Quy chuẩn đối chiếu
Quy cách đóng gói Keg chuyên dụng dung tích 50 lít Chai thủy tinh màu nâu 450 ml Thiết kế công nghệ
Nguyên liệu thay thế 40% gạo 20% gạo + 5% malt lúa mì Công thức công nghệ
Hàm lượng chất tan ban đầu 10 °Bx 11 °Bx TCVN 7042:2013 / TCVN 6057:2013
Hàm lượng etanol (% thể tích) 4,0 ± 0,2% vol 4,7 ± 0,2% vol Tiêu chuẩn cơ sở
Độ chua (axit) 1,5 ± 0,1 1,5 ± 0,1 ≤ 1,8 (bia hơi) / ≤ 1,6 (bia chai)
Độ pH 4,2 ± 0,2 4,2 ± 0,2 Kiểm soát kỹ thuật
Hàm lượng Diaxetyl ≤ 0,2 mg/l ≤ 0,1 mg/l Ngưỡng cảm quan công nghệ
Hàm lượng CO₂ hòa tan 4,5 ± 0,2 g/l 5,5 ± 0,2 g/l Tiêu chuẩn chất lượng bia
Độ đắng cảm quan 16 BU 18 BU Đơn vị đắng quốc tế
Độ màu 6 – 8 EBC 7 EBC Thang màu chuẩn Châu Âu
Vi sinh: VSV hiếu khí 1.000 CFU/ml 1.000 CFU/ml (công bố riêng) QCVN 6-3:2010/BYT
Vi sinh: Coliforms, E. coli 0 CFU/ml 0 CFU/ml QCVN 6-3:2010/BYT
Vi sinh: Nấm men, nấm mốc 100 CFU/ml 10 CFU/ml QCVN 6-3:2010/BYT

Đặc tính nguyên vật liệu chính

  • Malt đại mạch: Lựa chọn đại mạch 2 hàng nhập khẩu từ Đức, Úc, Đan Mạch hoặc từ Công ty Cổ phần Đường Man (KCN Tiên Sơn, Bắc Ninh). Yêu cầu kỹ thuật: độ ẩm 4,5 – 5%; tỷ lệ tạp chất ≤ 0,5%; tỷ lệ vỡ ≤ 0,4%; dung trọng 550 ± 20 g/l; độ hòa tan 76%; hoạt lực diastaza 250 °WK; chỉ số Kolbach 40 – 43; thời gian đường hóa đạt 10 – 15 phút.
  • Hoa houblon: Kết hợp hai dạng chế phẩm gồm cao hoa (trích ly chất đắng cao, bảo quản dài ngày) và hoa viên (bảo toàn tinh dầu thơm đặc trưng) nhập khẩu từ Mỹ và Trung Quốc.
  • Nguyên liệu thay thế: Gạo tẻ thu mua từ các tỉnh lân cận thuộc đồng bằng sông Hồng (Bắc Giang, Hưng Yên, Nam Định, Thái Bình) nhằm hạ giá thành sản xuất.
  • Nấm men: Sử dụng nấm men thuần khiết từ ống thạch nghiêng được nhân giống qua các cấp và men sữa thu hồi tái sử dụng từ đời thứ 3 đến đời thứ 7.

Nội dung chi tiết theo từng chương của đồ án

Chương 1: Lập luận kinh tế kĩ thuật

Chương này tập trung phân tích luận cứ thành lập nhà máy tại Khu công nghiệp Quế Võ II, xã Ngọc Xá, huyện Quế Võ, tỉnh Bắc Ninh.

Vị trí địa lý tiếp giáp Quốc lộ 18, kết nối thuận lợi tới các trung tâm kinh tế và hạ tầng giao thông trọng điểm:

  • Cách trung tâm Thủ đô Hà Nội: 55 km.
  • Cách Sân bay quốc tế Nội Bài: 70 km.
  • Cách Cảng Cái Lân (Quảng Ninh): 90 km.
  • Cách Cửa khẩu quốc tế Hữu Nghị (Lạng Sơn): 145 km.
  • Cách Cảng Hải Phòng: 140 km.

Hạ tầng kỹ thuật khu công nghiệp bảo đảm đầy đủ các điều kiện phụ trợ cho sản xuất:

  • Cấp điện: Nguồn điện trung áp lấy từ trạm biến áp 220/110 kV công suất 50 MVA nội khu.
  • Cấp nước: Tiếp nhận từ nhà máy nước sạch tập trung của KCN với công suất 20.000 m³/ngày đêm.
  • Xử lý nước thải: Quy hoạch tách riêng hệ thống thoát nước mưa và thoát nước thải sản xuất; nước thải nhà máy được xử lý sơ bộ cục bộ trước khi đấu nối vào trạm xử lý nước thải chung của KCN (công suất 8.000 m³/ngày đêm).
  • Nhiên liệu: Nhiên liệu than phục vụ lò hơi được vận chuyển bằng container đường bộ từ các mỏ than thuộc tỉnh Quảng Ninh.
  • Nguồn nhân lực: Được cung cấp bởi 14 trường đại học và cơ sở giáo dục nghề nghiệp đóng trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh cùng lực lượng lao động vùng phụ cận Hà Nội.

Chương 2: Chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ

Tác giả thiết lập và thuyết minh chi tiết toàn bộ chuỗi công nghệ sản xuất bia:

  1. Nghiền và đường hóa: Nguyên liệu malt và gạo được làm sạch, nghiền riêng biệt; tiến hành hồ hóa gạo và đường hóa khối cháo chung, sử dụng phương pháp enzyme để chuyển hóa triệt để tinh bột thành đường có khả năng lên men.
  2. Lọc dịch đường và đun sôi: Sử dụng thiết bị lọc đáy lưới tách bã hèm; dịch đường trong được đun sôi với chế phẩm hoa houblon trong nồi nấu hoa để trích ly chất đắng, kết tủa protein kém bền và vô trùng dịch đường.
  3. Lắng xoáy và làm lạnh nhanh: Dịch đường sau nấu hoa được đưa sang thùng lắng xoáy (Whirlpool) để lắng cặn nóng, sau đó đi qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản một cấp:
    • Sử dụng môi chất nước lạnh 2 °C. Thời gian làm lạnh dịch đường kéo dài khoảng 30 phút, hạ nhiệt độ dịch đường từ vùng sôi xuống còn 9 °C.
    • Nước nóng sau làm lạnh đạt khoảng 80 °C được thu hồi hồi lưu về nồi nước nóng để tái sử dụng cho công đoạn rửa bã.
    • Dịch đường lạnh 9 °C được hòa trộn trực tiếp với khí nén vô trùng (đã xử lý qua than hoạt tính, chiếu đèn tử ngoại UV và lọc màng) để nạp hàm lượng oxy hòa tan đạt 6 mg/l.
  4. Quy trình nhân giống và bảo quản nấm men:
    • Nhân giống phòng thí nghiệm: Từ ống thạch cấy chuyền tuần tự qua các dung tích bình tam giác: 10 ml → 100 ml → 1 lít (dùng dịch chiết malt, 28 – 30 °C, 24 giờ) → 10 lít → bình Carlsberg 25 lít (dùng dịch đường houblon hóa, 20 – 25 °C, 24 giờ).
    • Nhân giống sản xuất: Nuôi cấy trong thùng nhân men cấp I (15 – 20 °C, sục khí vô trùng định kỳ 15 phút mỗi 3 giờ) và chuyển sang thùng cấp II (10 – 15 °C) trong thời gian 36 – 72 giờ, kiểm soát mật độ tế bào đạt 100 – 120 triệu tế bào/ml, tỷ lệ nảy chồi 10 – 15%, tỷ lệ tế bào chết dưới 5%.
    • Tái sử dụng men sữa: Sau lên men chính, xả bỏ lớp men đáy (men già, cặn lắng) và lớp men trên cùng; chỉ thu hồi lớp men giữa màu trắng ngà (độ ẩm 85 – 88%, định mức thu hồi 2 lít men sữa/100 lít dịch lên men). Men sữa được bảo quản ở 1 – 2 °C trong thời gian tối đa 48 giờ và bổ sung vào dịch lên men với tỷ lệ 1% thể tích; tỷ lệ tế bào sống yêu cầu đạt > 95%, tỷ lệ nhiễm tạp < 3%.
  5. Quy trình lên men bia:
    • Nạp dịch đường và nấm men vào tank lên men trụ đứng đáy nón (CCT) với mật độ khởi điểm 25 – 30 triệu tế bào/ml; bổ sung chế phẩm enzyme Maturex ở đầu quá trình để ức chế hình thành diaxetyl.
    • Lên men chính: Duy trì ở 9 – 10 °C trong 5 – 7 ngày. Khi nồng độ chất khô hòa tan giảm còn 2,5 °Bx, hạ nhiệt độ xuống 5 °C trong 24 giờ để nấm men kết lắng và tiến hành thu hồi men sữa. Thu hồi khí CO₂ sinh ra trong quá trình lên men chính.
    • Lên men phụ và tàng trữ: Giữ ở nhiệt độ 1 – 2 °C, duy trì áp suất dư 1 bar trong khoảng 12 ngày; định kỳ 2 ngày xả cặn đáy một lần; nồng độ chất khô giảm nhẹ từ 0,5 – 1 °Bx.
  6. Lọc bia và ổn định chất lượng:
    • Dùng thiết bị lọc nến sử dụng bột trợ lọc Diatomite hai cấp (bột thô Hyflo Super Cel chiếm 70% và bột tinh Standard Super Cel) kết hợp bột Silicagel hấp phụ protein kết tủa.
    • Riêng bia chai được lọc tăng cường qua máy lọc đĩa sử dụng nhựa PVPP (polyvinylpolypyrrolidone) ở nhiệt độ thấp để hấp phụ polyphenol hòa tan chống đục keo, sau đó qua bộ lọc tinh Securox dạng ống cuốn chỉ polyester.
    • Bia sau lọc được nạp bổ sung khí CO₂ tinh khiết qua ống venturi ở áp suất 3 – 3,5 bar trước khi đưa về bồn chứa bia trong (BBT).
  7. Chiết rót và hoàn thiện bao bì:
    • Bia hơi: Rửa bock tự động ở tư thế úp → thổi hơi nước vô trùng → tạo áp suất đối kháng bằng CO₂ → chiết đẳng áp vào keg 50 lít → kiểm tra khối lượng trên băng chuyền.
    • Bia chai: Ngâm rửa qua bể kiềm nóng (dung dịch NaOH) và tráng nước sạch nhiều cấp → chiết đẳng áp vào chai 450 ml → dập nút vương miện tức thời → thanh trùng dạng đường hầm (tunnel pasteurizer) 8 khoang nhiệt độ tuần tự (32 °C – 38 °C – 52 °C – 64 °C – 64 °C – 52 °C – 38 °C – 32 °C) → xì khô vỏ chai → dán nhãn, in date → đóng két và xếp pallet.
  8. Quy trình vệ sinh CIP (Cleaning In Place):
    • Bố trí hệ thống CIP tự động riêng biệt cho phân xưởng nấu và phân xưởng lên men - lọc, gồm 4 bồn chứa: bồn nước sạch, bồn dung dịch axit, bồn dung dịch kiềm nóng NaOH và bồn thu hồi dung dịch.

Chương 3: Tính toán cân bằng sản phẩm

Nội dung chương triển khai tính toán chi tiết định mức tiêu hao nguyên vật liệu:

  • Lập biểu đồ kế hoạch sản xuất tuần hoàn theo các tháng trong năm phù hợp với tính mùa vụ tiêu thụ bia.
  • Thiết lập phương trình cân bằng vật chất tính toán cụ thể cho 100 lít bia hơi thương phẩm và 100 lít bia chai thương phẩm.
  • Tính toán tổn thất cơ học và tổn thất công nghệ qua từng công đoạn: tổn thất khi nghiền, tổn thất trong bã hèm, bay hơi khi nấu hoa, cặn lắng xoáy, tổn thất trong ống dẫn, bọt men bia, lọc trong và chiết rót bao bì.
  • Tổng hợp tổng nhu cầu malt đại mạch, gạo tẻ, malt lúa mì, cao hoa, hoa viên, enzyme, nấm men giống, nước công nghệ và lượng khí CO₂ tiêu hao cho cả năm sản xuất.

Chương 4: Tính toán và chọn thiết bị

Chương này hiện thực hóa dây chuyền công nghệ thành bảng danh mục thiết bị công nghiệp cụ thể:

  • Hệ thống xử lý nguyên liệu: Tính chọn các silo chứa nguyên liệu rời (malt, gạo), gầu tải, vít tải, cân định lượng tự động và hệ thống máy nghiền trục chuyên dụng cho malt và gạo.
  • Phân xưởng nấu: Tính toán kích thước hình học, diện tích bề mặt truyền nhiệt và thể tích làm việc của nồi hồ hóa, nồi đường hóa, thiết bị lọc dịch đường (thùng lọc đáy bằng), thùng trung gian, nồi nấu hoa có áo gia nhiệt, thùng lắng xoáy đáy bằng (Whirlpool), bộ trao đổi nhiệt tấm bản làm lạnh nhanh, thùng chứa bã hèm và trạm CIP phân xưởng nấu.
  • Phân xưởng lên men: Xác định số lượng và dung tích các tank lên men ngoài trời dạng CCT vỏ kép cách nhiệt polyurethane, hệ thống thùng nhân giống men cấp I, cấp II, tank bảo quản men sữa có áo lạnh, thiết bị lọc nến diatomite, thiết bị lọc đĩa PVPP, thiết bị lọc tinh Securox, bồn bão hòa CO₂ và hệ thống tank trữ bia trong thành phẩm (BBT).
  • Phân xưởng hoàn thiện: Lựa chọn đồng bộ dây chuyền chiết bock bán tự động cho bia hơi và tổ hợp dây chuyền tự động công suất cao cho bia chai (máy rửa chai liên tục, máy chiết chai đẳng áp kết hợp dập nút, hầm thanh trùng đường hầm 8 khoang, máy soi kiểm tra mức bia, máy dán nhãn và máy đóng thùng).

Chương 5: Tính toán điện, hơi, nước, lạnh

Xác định đầy đủ các phụ tải động lực và phụ trợ phục vụ toàn bộ nhà máy:

  • Nhu cầu cấp hơi đốt: Tính lượng hơi bão hòa tiêu tốn cho quá trình đun sôi dịch cháo, đun sôi dịch đường trong nồi nấu hoa, gia nhiệt nước nóng rửa chai, nước nóng CIP và khử trùng. Từ đó tính chọn công suất lò hơi công nghiệp và khối lượng than nhiên liệu cần cấp hàng năm.
  • Nhu cầu phụ tải lạnh: Xác định công suất lạnh biểu kiến cấp cho thiết bị làm lạnh nhanh dịch đường (giảm từ 95 °C xuống 9 °C trong 30 phút), phụ tải làm lạnh duy trì nhiệt độ lên men chính (9 – 10 °C), phụ tải hạ nhiệt độ tàng trữ lên men phụ (1 – 2 °C), phụ tải giữ lạnh tank men sữa và hạ nhiệt độ bia sau lọc.
  • Nhu cầu cấp và thoát nước: Tính toán phân bổ lưu lượng nước phục vụ trực tiếp cho nấu bia, nước rửa bã, nước rửa chai và bock, nước bù lò hơi, nước vệ sinh CIP và nước sinh hoạt của cán bộ công nhân viên.
  • Phụ tải điện năng: Tính toán phân nhóm phụ tải chiếu sáng phân xưởng và phụ tải động lực của toàn bộ động cơ máy móc, bơm, máy nén khí; xác định hệ số đồng thời, tính toán dung lượng bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số cosφ và dự toán tổng lượng điện năng tiêu thụ hàng năm (kWh).

Chương 6: Tính toán xây dựng

Triển khai giải pháp mặt bằng và kết cấu công trình:

  • Lựa chọn khu đất và quy hoạch mặt bằng: Đảm bảo khoảng cách an toàn vệ sinh công nghiệp giữa khu vực sản xuất chính, kho than, trạm lò hơi, trạm biến áp và khu vực xử lý nước thải.
  • Diện tích hạng mục công trình: Tính toán diện tích xây dựng cho phân xưởng nấu, nhà lên men, phân xưởng lọc - hoàn thiện, kho nguyên liệu, kho thành phẩm, nhà hành chính, phòng thí nghiệm KCS, xưởng cơ điện và đường giao thông nội bộ.
  • Chỉ tiêu quy hoạch: Xác định diện tích khu đất xây dựng, diện tích chiếm đất của các công trình và tính toán hệ số sử dụng đất, mật độ xây dựng theo quy chuẩn xây dựng hiện hành.
  • Kết cấu kiến trúc: Lựa chọn giải pháp kết cấu khung thép tiền chế khẩu độ lớn cho phân xưởng sản xuất, sàn bê tông cốt thép chịu tải trọng thiết bị lớn, tường bao che gạch kết hợp tấm panel cách nhiệt, mái tôn có lớp chống nóng và hệ thống thoát nước mái.

Chương 7: Tính kinh tế

Đánh giá tính khả thi tài chính của đồ án:

  • Tổng hợp tổng mức vốn đầu tư ban đầu bao gồm chi phí xây dựng công trình, chi phí mua sắm và lắp đặt dây chuyền thiết bị công nghệ, chi phí dự phòng.
  • Dự tính chi phí vận hành hàng năm: nguyên nhiên vật liệu chính, điện lực, than đốt, nước công nghiệp, khấu hao tài sản cố định, tiền lương người lao động và chi phí quản lý doanh nghiệp.
  • Tính toán giá thành đơn vị cho 1 lít bia hơi và 1 lít bia chai xuất xưởng; xác định giá bán buôn dự kiến có tính thuế tiêu thụ đặc biệt và thuế giá trị gia tăng.
  • Dự phóng doanh thu tiêu thụ sản phẩm, lợi nhuận trước và sau thuế, từ đó xác định điểm hòa vốn và thời gian hoàn vốn đầu tư của dự án.

Chương 8: Vệ sinh an toàn lao động

Đề xuất hệ thống quy định và giải pháp kỹ thuật phòng ngừa rủi ro công nghiệp:

  • Vệ sinh công nghiệp: Quy định chế độ vệ sinh cá nhân, vệ sinh khử trùng nhà xưởng, quản lý thu gom bã hèm, cặn hoa houblon và kiểm soát chất lượng môi trường làm việc.
  • Phòng chống nhiễm độc khí: Biện pháp thông gió cưỡng bức và lắp đặt cảm biến cảnh báo tại các khu vực kín có nguy cơ tích tụ khí CO₂ (hầm lên men, khu vực chiết) và rò rỉ môi chất lạnh NH₃.
  • Chống ồn và rung động: Bọc tiêu âm tại khu vực máy nén lạnh, máy nén khí, dây chuyền dập nút và rửa chai; lắp đặt đệm cao su giảm chấn cho các bệ máy nghiền và bơm cao áp.
  • An toàn thiết bị và điện lực: Kiểm định định kỳ các thiết bị áp lực (nồi hơi, bình tích áp, đường ống hơi, tank lên men); nối đất bảo vệ an toàn cho vỏ máy kim loại và hệ thống tủ điện điều khiển.
  • Phòng cháy chữa cháy (PCCC): Thiết lập mạng lưới cấp nước chữa cháy nội bộ, trang bị bình bọt, bình khí CO₂ tại kho than, kho bao bì và trạm điện; quy hoạch đường xe chữa cháy bao quanh phân xưởng.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Các kết quả tính toán chính của đồ án

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn tập hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho nhà máy bia 50 triệu lít/năm với các kết quả cụ thể:

  1. Dây chuyền công nghệ chuẩn hóa: Xây dựng được dây chuyền sản xuất đồng bộ ứng dụng các giải pháp kỹ thuật hiện đại như lên men trong tank CCT ngoài trời, kiểm soát diaxetyl bằng chế phẩm enzyme Maturex, kết hợp lọc nến diatomite với lọc đĩa PVPP để tối ưu độ bền keo của bia chai.
  2. Quy trình chế biến dịch đường và nhân giống men chi tiết: Xác lập quy trình công nghệ làm lạnh nhanh dịch đường trong 30 phút đạt 9 °C kết hợp bão hòa oxy vô trùng 6 mg/l; hoàn thiện quy trình nhân giống vi sinh vật từ ống nghiệm phòng thí nghiệm đến thiết bị lên men sản xuất lớn với các ngưỡng kiểm soát sống sót trên 95%.
  3. Cân đối phụ tải năng lượng: Tính toán chi tiết hệ thống cấp hơi, phụ tải nhiệt lạnh nhiều cấp độ, nhu cầu cấp nước sạch và phụ tải điện lực động lực - chiếu sáng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu làm việc liên tục của nhà máy.
  4. Bố trí mặt bằng khoa học: Bản vẽ tổng mặt bằng phân khu rõ ràng, tách biệt giữa luồng nguyên liệu thô (than, malt, gạo) với luồng thành phẩm bao bì xuất kho, thuận tiện giao thông vận tải đường bộ theo Quốc lộ 18.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Tận dụng nhiệt tuần hoàn: Tận dụng triệt để nguồn nước nóng 80 °C thoát ra từ thiết bị làm lạnh nhanh dịch đường để hồi lưu phục vụ công đoạn rửa bã malt trong thùng lọc, giúp cắt giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ tại lò hơi.
  • Thu hồi khí CO₂ công nghệ: Thiết kế hệ thống thu gom khí CO₂ tinh khiết thoát ra từ quá trình lên men chính, qua các công đoạn rửa khí, nén và hóa lỏng để phục vụ trực tiếp công đoạn bão hòa bia trước khi chiết và tạo áp suất đối kháng trong dây chuyền đóng gói.
  • Xử lý chất thải khép kín: Phân lập riêng biệt dòng nước thải sản xuất chứa tải lượng hữu cơ cao để xử lý sơ bộ trung hòa pH và lắng cặn trước khi xả ra trạm xử lý nước thải chung của KCN Quế Võ II, kết hợp thu gom bã malt, bã hoa khô để làm thức ăn gia súc.

Hạn chế và hướng mở rộng nghiên cứu

Hạn chế của đồ án

  • Tính khả thi của số liệu phụ tải: Các số liệu cân bằng vật chất và năng lượng được xây dựng dựa trên các hệ số lý thuyết và quy chuẩn định mức công nghệ tham khảo, chưa có điều kiện kiểm chứng trực tiếp qua vận hành thử nghiệm trên dây chuyền thực tế.
  • Mức độ tự động hóa chi tiết: Đồ án chủ yếu dừng lại ở việc tính chọn thiết bị công nghệ chính và phụ trợ; các sơ đồ mạng điều khiển tự động hóa (SCADA, PLC), thiết bị đo lường cảm biến công nghiệp chi tiết chưa được thể hiện sâu.
  • Phụ thuộc nguyên liệu ngoại nhập: Thiết kế phụ thuộc lớn vào nguồn nguyên liệu malt đại mạch và chế phẩm hoa houblon nhập khẩu từ nước ngoài, tiềm ẩn rủi ro biến động giá thành và chuỗi cung ứng.

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Thiết kế tích hợp hệ thống điều khiển tự động SCADA giám sát nhiệt độ và áp suất từng vùng trong tank lên men CCT từ xa.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa công thức phối trộn nguyên liệu, gia tăng tỷ lệ sử dụng các nguồn tinh bột nội địa hoặc phát triển các dòng sản phẩm bia thủ công, bia không cồn để bắt kịp thị hiếu tiêu dùng mới được nêu trong phần lập luận kinh tế.

Giá trị tham khảo và đối tượng thụ hưởng

Tập đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Thị Thanh Tâm là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật thực phẩm, Công nghệ sinh học: Có thể sử dụng làm tài liệu mẫu hoàn chỉnh về phương pháp luận và trình tự các bước thực hiện một đồ án thiết kế nhà máy thực phẩm, từ khâu lập luận kinh tế, tính cân bằng sản phẩm, tính truyền nhiệt cho đến lựa chọn thiết bị công nghiệp.
  • Kỹ sư vận hành và cán bộ kỹ thuật nhà máy bia: Tham khảo các bảng thông số kỹ thuật tiêu chuẩn về chế độ nuôi cấy nấm men, chế độ nhiệt độ thanh trùng đường hầm 8 khoang, kỹ thuật lọc PVPP làm bền keo bia và định mức tiêu hao nguyên liệu.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình công nghiệp nhẹ: Khai thác các dữ liệu về chỉ tiêu mặt bằng, tiêu chuẩn xử lý an toàn môi trường và tính toán phụ tải phụ trợ (hơi, lạnh, điện, nước) cho các nhà máy sản xuất đồ uống quy mô 50 triệu lít/năm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhà máy lại lựa chọn tỷ lệ nguyên liệu thay thế khác nhau giữa bia hơi và bia chai?

Trong thiết kế, bia hơi sử dụng 40% gạo thay thế, trong khi bia chai chỉ dùng 20% gạo và bổ sung 5% malt lúa mì. Lý do công nghệ là bia hơi tiêu thụ nhanh trong thời gian ngắn, hướng tới mức giá bình dân và vị thanh nhẹ nên dùng tỷ lệ gạo cao để hạ giá thành. Ngược lại, bia chai đòi hỏi thời gian bảo quản dài ngày, hương vị đậm đà, độ bền keo cao và độ bọt mịn bền nên phải giữ tỷ lệ malt đại mạch cao hơn và bổ sung malt lúa mì để tăng cường độ bền vững của bọt.

2. Thiết bị làm lạnh nhanh dịch đường hoạt động với thông số kỹ thuật nào?

Dịch đường sau khi lắng xoáy được bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản một cấp trong thời gian 30 phút. Nước lạnh ở nhiệt độ 2 °C đi ngược chiều để hạ nhiệt dịch đường xuống 9 °C trước khi đưa vào tank lên men. Nước nóng sinh ra sau quá trình này đạt khoảng 80 °C được thu hồi triệt để đưa về nồi nước nóng để tận dụng làm nước rửa bã malt.

3. Quy trình nhân giống nấm men từ phòng thí nghiệm ra phân xưởng sản xuất trải qua những giai đoạn nào?

Quy trình nhân giống trải qua 2 giai đoạn:

  • Trong phòng thí nghiệm: Từ ống thạch nghiêng thuần khiết cấy chuyển tuần tự sang bình tam giác 10 ml → 100 ml → 1 lít (nuôi trong dịch chiết malt, 28 – 30 °C, pH 4,5 – 5,0 trong 24 giờ) → bình 10 lít → bình Carlsberg 25 lít (nuôi trong dịch đường houblon hóa, 20 – 25 °C, pH 4,8 – 5,2 trong 24 giờ).
  • Trong sản xuất: Dịch men 25 lít được cấy vào thùng nhân giống cấp I (nhiệt độ 15 – 20 °C, sục khí vô trùng định kỳ 15 phút mỗi 3 giờ) và chuyển tiếp sang thùng nhân giống cấp II (10 – 15 °C) trong thời gian 36 – 72 giờ để đạt mật độ 100 – 120 triệu tế bào/ml trước khi bơm vào tank lên men chính.

4. Quy trình thanh trùng bia chai được kiểm soát qua những ngưỡng nhiệt độ nào?

Bia chai sau khi chiết và dập nút được dẫn qua hầm thanh trùng dạng đường hầm (tunnel) gồm 8 khoang phun nước nóng - lạnh tuần hoàn để tránh sốc nhiệt làm vỡ chai. Dải nhiệt độ kiểm soát tuần tự qua 8 khoang gồm: 32 °C – 38 °C – 52 °C – 64 °C – 64 °C – 52 °C – 38 °C – 32 °C.

5. Nhà máy áp dụng những giải pháp nào để đảm bảo độ bền keo và độ trong cho bia chai?

Đối với bia chai, ngoài công đoạn lọc sơ bộ bằng thiết bị lọc nến sử dụng bột trợ lọc diatomite và bột silicagel để loại bỏ tế bào nấm men và phức chất protein ít tan, nhà máy còn bố trí thêm thiết bị lọc đĩa sử dụng hạt nhựa PVPP ở nhiệt độ thấp để hấp phụ triệt để các hợp chất polyphenol hòa tan (tác nhân chính gây đục bia khi bảo quản). Sau đó, dòng bia tiếp tục qua thiết bị lọc tinh Securox dạng ống quấn chỉ polyester để giữ lại toàn bộ các hạt nhựa và vi cặn còn sót lại trước khi đưa sang bồn bão hòa CO₂.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế nhà máy bia năng suất 50 triệu lít/năm" của sinh viên Lê Thị Thanh Tâm là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, thể hiện phương pháp tiếp cận khoa học và đáp ứng đầy đủ các quy chuẩn kỹ thuật công nghiệp hiện hành. Tác giả đã giải quyết đồng bộ từ việc lập luận kinh tế lựa chọn địa điểm tại KCN Quế Võ II, xây dựng quy trình công nghệ sản xuất song song hai dòng bia hơi và bia chai, cho đến việc tính toán chi tiết cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế xây dựng. Các giải pháp công nghệ đề xuất như thu hồi nước nóng giải nhiệt, tận dụng khí CO₂ tự nhiên và quy trình làm bền keo bia chai mang tính thực tiễn cao, đóng góp một tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho công tác đào tạo và thiết kế nhà máy chế biến thực phẩm.