Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành công nghiệp sản xuất và tiêu thụ bia tại Việt Nam ghi nhận sự tăng trưởng liên tục trong giai đoạn 2007–2019. Theo số liệu thống kê trong đồ án, tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) của thị trường bia trong nước giai đoạn 2007–2017 đạt 8,3%. Năm 2017, tổng sản lượng tiêu thụ đạt 4 tỷ lít (chiếm 2,51% sản lượng toàn cầu, xếp thứ 10 thế giới và thứ 3 châu Á). Đến năm 2019, sản lượng tiêu thụ đạt 4,6 tỷ lít với mức tiêu thụ bình quân 47,6 lít/người/năm, trong đó bia chiếm 94% tổng lượng tiêu thụ đồ uống có cồn và 31% thị trường đồ uống giải khát tại Việt Nam.
Tuy nhiên, bước sang năm 2020, ngành sản xuất bia đối mặt với nhiều biến động do tác động từ đại dịch COVID-19 và sự thay đổi trong khung pháp lý quản lý nhà nước:
- Luật Phòng, chống tác hại của rượu, bia 2019 (có hiệu lực từ ngày 01/01/2020) với các quy định siết chặt việc quảng cáo, truyền thông và cấm điều khiển phương tiện giao thông khi trong máu hoặc khí thở có nồng độ cồn.
- Nghị định số 100/2019/NĐ-CP quy định xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực giao thông đường bộ và đường sắt, áp dụng chế tài nghiêm ngặt đối với hành vi vi phạm nồng độ cồn.
Sự điều chỉnh pháp lý này cùng với xu hướng tiêu dùng hướng đến lối sống lành mạnh đã thúc đẩy nhu cầu đối với các sản phẩm thay thế có hương vị tương tự bia truyền thống nhưng nồng độ cồn không đáng kể. Tại thị trường Việt Nam năm 2020, các dòng bia không cồn chủ yếu là hàng nhập khẩu giá thành cao hoặc sản phẩm dạng lon như Heineken 0.0 và Sagota của Sabibeco, trong khi phân khúc bia chai không cồn có tính cạnh tranh thấp và còn nhiều tiềm năng. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài "Thiết kế nhà máy sản xuất bia không cồn công suất 20 triệu lít/năm" được thực hiện.
Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế của đồ án bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan thị trường, cơ sở lý thuyết và lập luận kinh tế kỹ thuật để xác định địa điểm và quy mô xây dựng nhà máy.
- Lựa chọn quy trình công nghệ sản xuất bia không cồn sử dụng phương pháp lên men tiếp xúc lạnh, xây dựng thuyết minh quy trình từ khâu tiếp nhận nguyên liệu đến thành phẩm.
- Tính toán cân bằng vật chất và sản phẩm cho toàn bộ dây chuyền sản xuất trên quy mô 20 triệu lít/năm.
- Tính toán, lựa chọn hệ thống thiết bị công nghệ cho phân xưởng nấu, phân xưởng lên men, lọc và phân xưởng chiết rót đóng gói.
- Tính toán nhu cầu năng lượng (nhiệt nóng, nhiệt lạnh), cấp thoát nước và phụ tải điện năng phục vụ hoạt động sản xuất và phụ trợ.
- Thiết kế mặt bằng xây dựng, bố trí các hạng mục công trình của nhà máy đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và vệ sinh công nghiệp.
- Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, tính toán chi phí đầu tư, giá thành sản xuất, doanh thu và khả năng hoàn vốn của dự án.
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật an toàn lao động, phòng chống cháy nổ và vệ sinh môi trường.
Đối tượng và phạm vi thiết kế:
- Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất bia không cồn nồng độ ethanol dưới 0,5% v/v từ 100% malt đại mạch.
- Cơ cấu sản phẩm: Tổng công suất 20 triệu lít/năm, bao gồm 12 triệu lít bia chai (chiếm 60% sản lượng) và 8 triệu lít bia lon (chiếm 40% sản lượng).
- Phạm vi không gian và thời gian: Thiết kế kỹ thuật áp dụng cho điều kiện sản xuất công nghiệp tại Việt Nam, hoàn thành vào tháng 01/2021.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng
Đồ án xây dựng dựa trên các nguyên lý kỹ thuật hóa sinh và công nghệ lên men thực phẩm:
- Khái niệm bia không cồn: Đồ uống lên men có độ cồn cực thấp, theo tiêu chuẩn của Mỹ và Liên minh Châu Âu (EU) là nồng độ ethanol dưới 0,5% ABV.
- Tiêu chuẩn nguyên liệu malt: Áp dụng chỉ tiêu kỹ thuật của malt Châu Âu/Pháp từ đại mạch 2 hàng mùa xuân với các thông số: độ ẩm < 5,5%, độ trích ly ≥ 78%, hoạt lực diastase 300 ± 50 °WK, dung trọng > 560 g/L, độ màu 3,5–5,0 EBC, pH dịch thủy phân 5,7–6,2.
- Tiêu chuẩn nước sản xuất: Nước cấp đáp ứng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01:2009/BYT về chất lượng nước ăn uống, độ trong ≤ 0,5 EBC, pH 6,6–7,2, độ kiềm tổng 30–60 mg/L CaCO3, độ cứng tổng 1–6 °GH, hàm lượng Ca2+ 30–80 mg/L, Mg2+ ≤ 20 mg/L, Fe2+ < 0,05 mg/L, Cl- < 38 mg/L.
- Quy chuẩn chất lượng bia thành phẩm:
| Nhóm chỉ tiêu | Tên chỉ tiêu | Yêu cầu kỹ thuật |
|---|---|---|
| Cảm quan | Màu sắc | Vàng óng đặc trưng |
| Mùi vị | Mùi đặc trưng từ hoa houblon và malt đại mạch | |
| Trạng thái bọt | Bọt mịn, lâu tan, độ bền bọt tối thiểu 5 phút | |
| Trạng thái dịch | Lỏng, trong suốt, không cặn, độ sánh cao | |
| Hóa lý | Hàm lượng chất hòa tan ban đầu | 6 °Bx |
| Hàm lượng ethanol | < 0,5% v/v | |
| Hàm lượng CO2 | 5 ± 2 g/L | |
| Độ axit | 1,3 ± 0,1 ml NaOH 0,1N / 10 ml bia | |
| pH | 4,4 ± 0,1 | |
| Hàm lượng chất đắng | 20 mg/L (20 BU) | |
| Độ màu | 5 – 6,5 EBC | |
| Độ trong | < 0,5 EBC | |
| Vi sinh vật | Tổng số vi sinh vật hiếu khí | ≤ 10 CFU/ml sản phẩm |
| Coliforms, E. coli, S. aureus, C. perfringens, Nấm men/mốc | 0 CFU/ml sản phẩm |
Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đối chiếu các nghiên cứu về công nghệ sản xuất bia không cồn trên thế giới, so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp sinh học (dùng nấm men biến đổi gen, lên men tiếp xúc lạnh, lên men cố định tế bào, lên men bắt giữ) và phương pháp vật lý (tách cồn bằng nhiệt, chưng cất, màng lọc).
- Phương pháp tính toán cân bằng vật chất: Xác định định mức tiêu hao nguyên liệu chính (malt), nguyên phụ liệu (hoa viên, cao hoa, bột trợ lọc diatomite, PVPP) và tỷ lệ tổn thất qua các công đoạn kỹ thuật (nghiền, đường hóa, lọc bã, nấu hoa, lắng xoáy, làm lạnh, lên men, lọc trong, chiết rót) trên đơn vị 1.000 lít sản phẩm, từ đó ngoại suy cho kế hoạch sản xuất cả năm (20 triệu lít).
- Phương pháp tính toán kỹ thuật và cân bằng năng lượng:
- Tính toán dung tích công tác, kích thước hình học và số lượng thiết bị công nghệ chính và phụ trợ.
- Cân bằng nhiệt lượng đun nóng dịch đường, đun sôi nồi hoa, lượng hơi nước bão hòa cần cấp và nhiên liệu đốt lò hơi.
- Cân bằng nhiệt lạnh phục vụ làm lạnh nhanh dịch nha (về 6–12 °C), duy trì nhiệt độ tank lên men tiếp xúc lạnh (0–8 °C), bảo quản men giống và hệ thống lọc.
- Tính toán nhu cầu điện năng chiếu sáng, điện động lực cho động cơ máy móc và xác định thông số trạm biến áp.
- Phương pháp phân tích kinh tế: Xác định tổng mức đầu tư vốn cố định (xây dựng, thiết bị), chi phí vận hành biến đổi (nguyên nhiên vật liệu, nhân công), tính giá thành đơn vị, dự toán doanh thu, lợi nhuận và thời gian hoàn vốn đầu tư.
Nguồn dữ liệu
Dữ liệu sử dụng trong đồ án được trích xuất từ các báo cáo ngành bia chuyên nghiệp: Barth-Haas Group Report, VIRAC, BMI, Hiệp hội Bia - Rượu - Nước giải khát Việt Nam (VBA), Nielsen, Công ty Chứng khoán Bản Việt (VCSC), SSI Research, tạp chí y khoa The Lancet, cùng các tài liệu giáo trình chuyên ngành như Khoa học – Công nghệ Malt và bia (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Trình bày lịch sử phát triển của bia qua các nền văn minh cổ đại (Sumer, Mesopotamia, Ai Cập) đến thời kỳ ban hành Đạo luật tinh khiết Reinheitsgebot năm 1516 tại Đức và phát hiện vai trò của nấm men bởi Louis Pasteur vào thế kỷ 19. Phân tích sự hình thành của dòng bia không cồn (<0,5% ABV) trên thị trường quốc tế, dẫn chứng dữ liệu tiêu thụ tăng trưởng 31,6% tại Đan Mạch. Đánh giá tiềm năng thị trường nội địa dựa trên cơ cấu dân số Việt Nam có 56% dưới 30 tuổi và tầng lớp trung lưu gia tăng đạt 33 triệu người vào năm 2020. Xác định lý do lựa chọn đề tài thiết kế nhà máy bia không cồn nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong bối cảnh thực thi Nghị định 100/2019/NĐ-CP.
Chương 2: Lập luận kinh tế kỹ thuật
Phân tích hiện trạng thị trường bia toàn cầu với 5 quốc gia dẫn đầu về sản lượng gồm Trung Quốc, Mỹ, Brazil, Đức và Nga. Đánh giá sự chuyển dịch tiêu thụ bia từ các nước phát triển sang các nước đang phát triển, trong đó tốc độ tăng trưởng tiêu thụ rượu bia của người Việt giai đoạn 2010–2017 thuộc nhóm dẫn đầu thế giới (đạt 42 lít/người/năm vào 2017). Khảo sát cơ cấu thị trường trong nước với hơn 90% thị phần tập trung vào 4 doanh nghiệp (Sabeco, Habeco, Heineken, Carlsberg). Phân tích cấu trúc phân khúc giá (bình dân <20.000 VNĐ/lít, trung cấp 21.000 VNĐ/lít, cao cấp >35.000 VNĐ/lít), từ đó xác lập cơ cấu sản phẩm cho nhà máy thiết kế là phân khúc bia cao cấp với 60% bia chai và 40% bia lon.
Chương 3: Lựa chọn phương pháp và thuyết minh dây chuyền công nghệ
Phân tích và lựa chọn nguyên liệu: sử dụng đại mạch 2 hàng nhập khẩu (Pháp, Úc) có hàm lượng chất tan cao, vỏ mỏng; phối hợp hoa viên (type 90, 45, isomer hóa) và cao hoa houblon (Humulus Lupulus); nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis.
Thuyết minh chi tiết quy trình công nghệ gồm các công đoạn:
- Tiền xử lý và nghiền: Sàng tạp chất, tách đá sạn, cân định lượng và lọc bụi. Nghiền ẩm bằng máy nghiền trục (phun nước nóng 80 °C trong 60 giây, làm ẩm vỏ trấu lên 20% trong khi nội nhũ vẫn khô, khoảng cách giữa 2 trục thu hẹp từ 0,4 mm xuống 0,2 mm).
- Đường hóa: Phương pháp đường hóa toàn khối sử dụng 100% malt với các điểm dừng nhiệt độ: 45–55 °C (thủy phân protein và beta-glucan), 62–65 °C (thủy phân tạo maltose nhờ beta-amylase), 70–75 °C (đường hóa chính nhờ alpha-amylase), 78 °C (vô hoạt enzyme).
- Lọc dịch đường và đun sôi: Sử dụng thùng lọc đáy bằng (tận dụng lớp vỏ trấu làm màng trợ lọc tự nhiên) kết hợp rửa bã; đun sôi dịch đường với hoa houblon trong nồi có bộ gia nhiệt trong (bổ sung cao hoa sau 15 phút đun sôi, bổ sung 1/2 hoa viên ở phút 40 và 1/2 hoa viên còn lại trước khi kết thúc 10 phút).
- Lắng trong và làm lạnh: Tách cặn nóng bằng nồi lắng xoáy; làm lạnh nhanh dịch đường xuống 6–12 °C bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (chất tải lạnh là nước); sục khí oxy vô trùng bằng thiết bị venturi.
- Lên men bia không cồn: Áp dụng phương pháp lên men tiếp xúc lạnh (Cold Contact Fermentation) ở dải nhiệt độ 0–8 °C trong thời gian 12–100 giờ trên hệ thống tank lên men thân trụ đáy côn, khống chế nồng độ cồn < 0,5% v/v.
- Lọc trong và hoàn thiện: Phối hợp máy lọc nến sử dụng bột trợ lọc diatomite và máy lọc đĩa sử dụng PVPP hấp phụ polyphenol; bão hòa CO2 (thu hồi 1,3–1,5 kg CO2/hl dịch lên men) trước khi chuyển sang phân xưởng chiết rót chai và lon.
Chương 4: Lập kế hoạch và tính toán cân bằng sản phẩm
Lập kế hoạch sản xuất chi tiết theo 4 quý trong năm. Tính toán cân bằng vật chất và xác định tổn thất kỹ thuật qua từng công đoạn sản xuất cho 1.000 lít bia chai và 1.000 lít bia lon. Tổng hợp khối lượng nguyên liệu chính (malt khô), nguyên liệu phụ (hoa houblon, phụ gia trợ lọc diatomite, PVPP), bán thành phẩm (nước nha sau lọc, dịch sau đun hoa, dịch lên men) và khối lượng phụ phẩm phát sinh (bã malt, bã hoa, bã men).
Chương 5: Tính toán và lựa chọn thiết bị
Tính toán công suất, dung tích làm việc và thông số kỹ thuật để lựa chọn danh mục thiết bị:
- Phân xưởng nấu: Silo chứa malt, hệ thống gầu tải, xích tải, máy sàng, máy tách đá sạn, phễu cân định lượng, máy nghiền malt 2 trục, vít tải bột, nồi đường hóa toàn khối, thùng lọc đáy bằng đáy giả, nồi đun hoa gia nhiệt trong, nồi lắng xoáy, thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm làm lạnh nhanh, bồn chứa nước nóng và hệ thống CIP nóng.
- Phân xưởng lên men và lọc: Hệ thống tank lên men thân trụ đáy côn có áo lạnh glycol/nước, thiết bị nhân giống men cấp 1 và cấp 2, bồn hoạt hóa và bảo quản men sữa, thiết bị CIP lạnh, máy lọc nến diatomite, máy lọc nến PVPP, thiết bị lọc bẫy, thùng tàng trữ bia trong và thiết bị bão hòa CO2.
- Phân xưởng hoàn thiện (chiết rót): Hệ thống dây chuyền chiết chai (máy rửa chai, máy chiết và đóng nắp chai, thiết bị thanh trùng dạng hầm, máy dán nhãn, máy xếp két) và dây chuyền chiết lon (máy rửa lon, máy chiết và ghép mí lon, máy thanh trùng lon, máy xếp thùng carton).
Chương 6: Tính toán nhu cầu năng lượng và nước của nhà máy
Tính toán phụ tải nhiệt nóng: xác định lượng hơi nước bão hòa cần thiết cấp cho nồi đường hóa, nồi đun hoa, hệ thống đun nước nóng và thiết bị thanh trùng chiết rót; tính lượng dầu/nhiên liệu tiêu thụ cho lò hơi. Tính toán phụ tải nhiệt lạnh: xác định công suất lạnh cần cấp cho thiết bị làm lạnh nhanh dịch nha, tank lên men tiếp xúc lạnh, bồn men giống và hệ thống lọc bia. Tính toán tổng nhu cầu nước cấp cho phân xưởng nấu, phân xưởng lên men, phân xưởng chiết và nước vệ sinh sinh hoạt. Tính toán nhu cầu điện năng chiếu sáng, điện động lực vận hành thiết bị công nghệ và tính toán tổng điện năng tiêu thụ hàng năm.
Chương 7: Tính toán và thiết kế xây dựng
Phân tích 6 tiêu chí lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy: tính quy hoạch vùng, tổ chức chuỗi sản xuất, hạ tầng kỹ thuật (giao thông, điện, nước), điều kiện địa chất khu đất, tổ chức thi công - vận hành và đánh giá tác động môi trường. Bố trí tổng mặt bằng nhà máy và tính toán diện tích xây dựng các khối công trình chính: phân xưởng nấu, phân xưởng lên men - lọc, phân xưởng hoàn thiện chiết rót, trạm phụ trợ kỹ thuật (lò hơi, trạm lạnh, xử lý nước cấp và nước thải), kho nguyên liệu - bao bì - thành phẩm, khu nhà điều hành văn phòng và nhà ăn sinh hoạt.
Chương 8: Tính toán kinh tế
Tính toán tổng vốn đầu tư cố định cho các hạng mục xây dựng cơ bản và chi phí mua sắm lắp đặt thiết bị phân xưởng nấu, phân xưởng lên men - lọc, phân xưởng hoàn thiện, hệ thống phụ trợ và phương tiện vận tải. Xác định chi phí sản xuất hàng năm: chi phí nguyên vật liệu chính (malt), phụ liệu (hoa bia, chất trợ lọc, hóa chất CIP), nhiên liệu lò hơi, điện năng, nước sạch, chi phí khấu hao tài sản cố định và quỹ tiền lương cho công nhân sản xuất trực tiếp cùng cán bộ quản lý. Tính giá thành sản xuất đơn vị cho 1 lít bia chai và 1 lít bia lon, xác định giá bán dự kiến, tính toán tổng doanh thu, lợi nhuận ròng và đánh giá thời gian hoàn vốn của dự án.
Chương 9: Vệ sinh an toàn lao động
Quy định chế độ vệ sinh cá nhân cho công nhân thực phẩm và quy trình vệ sinh vô trùng đường ống, thiết bị nhà xưởng bằng hệ thống CIP tự động. Thiết lập các giải pháp kỹ thuật an toàn lao động: hệ thống thông gió chống tích tụ khí ngạt CO2 tại khu vực lên men và lọc; biện pháp chống ồn, chống rung động cho máy nghiền và máy nén; an toàn vận hành thiết bị chịu áp lực (nồi hơi, bình tích áp, đường ống hơi) và an toàn điện; trang bị hệ thống phòng cháy chữa cháy toàn nhà máy.
Thiết kế và triển khai
Quy trình công nghệ và hệ thống thiết bị của nhà máy sản xuất bia không cồn được thiết kế đồng bộ từ khâu xử lý nguyên liệu thô đến đóng gói thành phẩm, tập trung vào giải pháp khống chế hàm lượng cồn thông qua chế độ công nghệ lên men.
So sánh các phương án lên men sản xuất bia không cồn
| Phương pháp lên men | Cách thức tiến hành | Ưu điểm | Nhược điểm | Phương án lựa chọn |
|---|---|---|---|---|
| Sử dụng chủng nấm men đặc biệt | Dùng nấm men không chuyển hóa maltose hoặc nấm men biến đổi gen | Tận dụng được thiết bị lên men thông thường; nồng độ ethanol đạt ≤ 0,05% v/v | Bia thành phẩm có hàm lượng đường dư cao, vị ngọt đậm | Không chọn |
| Lên men tiếp xúc lạnh | Lên men ở dải nhiệt độ 0–8 °C trong thời gian 12–100 giờ | Dùng thiết bị lên men thông thường; giảm hợp chất carbonyl; hương vị cân bằng; ethanol ≤ 0,05% v/v | Axit amin chuyển hóa thành aldehyde không hoàn toàn (strecker aldehydes) | Được chọn |
| Lên men cố định tế bào | Cố định nấm men trên chất mang, tiến hành lên men liên tục | Rút ngắn chu kỳ lên men; tái sử dụng nấm men; giảm aldehyde | Khó kiểm soát quá trình; giá thành chất mang cao; nguy cơ nhiễm tạp | Không chọn |
| Lên men bắt giữ (ngắt quãng) | Dừng lên men sớm bằng làm lạnh nhanh về 0 °C, ly tâm hoặc thanh trùng | Dùng thiết bị thông thường; thời gian lên men ngắn | Khó xác định chính xác thời điểm ngắt; tạo ra ít hợp chất thơm; vị ngọt nhiều | Không chọn |
Lựa chọn thiết bị và thông số vận hành công nghệ cốt lõi
- Công đoạn nghiền: Sử dụng máy nghiền trục ẩm. Phun nước nóng 80 °C trong 60 giây, làm ẩm vỏ trấu đạt độ ẩm 20% nhằm giữ nguyên vẹn cấu trúc vỏ làm màng lọc, khoảng cách 2 trục nghiền được điều chỉnh từ 0,4 mm xuống 0,2 mm.
- Công đoạn đường hóa: Nồi đường hóa toàn khối thực hiện nâng nhiệt tuần tự qua các nấc nhiệt độ tối ưu của enzyme: 45–55 °C (nghỉ protease), 62–65 °C (đường hóa maltose), 70–75 °C (đường hóa dextrin) và 78 °C (vô hoạt).
- Công đoạn lọc dịch và nấu hoa: Thùng lọc đáy bằng có đáy giả đục rãnh kết hợp hệ thống cào bã. Nồi nấu hoa sử dụng bộ gia nhiệt trong ống chùm; chế độ bổ sung hoa houblon chia làm 3 đợt (cao hoa ở phút 15, hoa viên ở phút 40 và trước khi kết thúc 10 phút) để tối ưu hóa việc tạo vị đắng và lưu giữ tinh dầu thơm.
- Công đoạn làm trong và lên men: Nồi lắng xoáy tách cặn nóng theo nguyên lý lực ly tâm tiếp tuyến. Dịch nha được làm lạnh nhanh về 6–12 °C qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và sục khí venturi trước khi nạp vào tank trụ đáy côn. Quá trình lên men tiếp xúc lạnh diễn ra ở 0–8 °C, kìm hãm phản ứng chuyển hóa đường thành ethanol nhưng vẫn đảm bảo trích ly các cấu tử hương thơm đặc trưng.
- Công đoạn hoàn thiện: Hệ thống lọc kết hợp máy lọc nến sử dụng diatomite và máy lọc đĩa sử dụng PVPP giúp khử cặn nấm men và polyphenol. Bia trong được bão hòa CO2 ở mức 5 ± 2 g/L và chuyển sang hai dây chuyền chiết rót chai (chiếm 60% thể tích) và chiết rót lon (chiếm 40% thể tích).
Kết quả và đóng góp
Đồ án hoàn thành trọn vẹn các nội dung thiết kế kỹ thuật cho nhà máy sản xuất bia không cồn quy mô công nghiệp:
- Xác lập dây chuyền công nghệ hoàn chỉnh: Lựa chọn và thuyết minh chi tiết quy trình công nghệ sản xuất bia không cồn công suất 20 triệu lít/năm từ 100% malt đại mạch, áp dụng phương pháp lên men tiếp xúc lạnh ở 0–8 °C trong 12–100 giờ với chủng nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis, kiểm soát nồng độ ethanol dưới 0,5% v/v đạt tiêu chuẩn quốc tế.
- Dữ liệu tính toán kỹ thuật:
- Xây dựng bảng cân bằng sản phẩm, tính toán định mức tiêu hao nguyên liệu chính, phụ liệu và phụ phẩm phát sinh cho 12 triệu lít bia chai và 8 triệu lít bia lon.
- Hoàn thành tính toán kích thước, dung tích và lựa chọn danh mục hơn 40 hạng mục thiết bị công nghệ chính và phụ trợ (từ silo nhập liệu, máy nghiền ẩm, nồi nấu, thùng lọc đáy bằng, nồi lắng xoáy, tank lên men trụ đáy côn đến dây chuyền chiết chai, chiết lon).
- Xác định chi tiết nhu cầu phụ tải năng lượng: công suất trạm lạnh, phụ tải hơi nóng lò hơi, lưu lượng cấp thoát nước và công suất điện tiêu thụ hàng năm của nhà máy.
- Giải pháp thiết kế xây dựng và hiệu quả kinh tế: Bố trí tổng mặt bằng hợp lý trên cơ sở phân tích 6 tiêu chí quy hoạch công nghiệp; dự toán chi phí đầu tư cố định, chi phí sản xuất, xác định giá thành cạnh tranh cho sản phẩm bia chai và bia lon không cồn, khẳng định tính khả thi về mặt kỹ thuật và tài chính.
- Đóng góp thực tiễn: Cung cấp hồ sơ thiết kế công nghệ hoàn chỉnh cho một dòng sản phẩm đồ uống mới tại Việt Nam, giải quyết bài toán thị trường sau khi Nghị định 100/2019/NĐ-CP được ban hành, góp phần đa dạng hóa cơ cấu sản phẩm cho ngành công nghiệp đồ uống giải khát trong nước.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Toàn bộ nội dung đồ án được thực hiện dựa trên phương pháp tính toán lý thuyết công nghệ và định mức thiết kế tiêu chuẩn kỹ thuật; chưa có điều kiện triển khai thử nghiệm trên hệ thống pilot thực tế để khảo sát động học lên men tiếp xúc lạnh chi tiết đối với từng lô nguyên liệu malt cụ thể; chưa tiến hành đánh giá cảm quan thực nghiệm diện rộng trên người tiêu dùng Việt Nam đối với mức độ hài hòa giữa vị ngọt của đường dư và vị đắng của hoa houblon.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Thực nghiệm trên mô hình pilot để tối ưu hóa dải thời gian tiếp xúc lạnh (từ 12 đến 100 giờ) và tỷ lệ nạp giống nấm men nhằm kiểm soát tối ưu hàm lượng aldehyde và este sinh hương trong bia không cồn.
- Nghiên cứu thử nghiệm phối trộn các chủng hoa houblon thơm khác nhau hoặc ứng dụng bổ sung hương tự nhiên nhằm khử triệt để mùi dịch nha nấu (wort flavor) còn đọng lại trong các dòng bia nồng độ cồn thấp.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên: Thuộc các ngành Kỹ thuật sinh học, Công nghệ sinh học, Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật hóa học tham khảo phương pháp thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, Đồ án Thiết kế nhà máy thực phẩm hoặc Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành công nghệ đồ uống.
- Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Làm việc tại các nhà máy sản xuất bia, đồ uống giải khát tham khảo quy trình tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt - lạnh, định cỡ thiết bị lên men tiếp xúc lạnh và bố trí dây chuyền chiết rót công nghiệp.
- Nội dung giá trị nhất: Phương pháp tính toán cân bằng sản phẩm chi tiết theo từng công đoạn kỹ thuật (Chương 4), bảng lựa chọn và tính toán thông số kỹ thuật của hệ thống thiết bị nhà nấu - nhà men - nhà chiết (Chương 5) và các phân tích so sánh công nghệ lên men nồng độ cồn thấp (Chương 3).
Câu hỏi thường gặp
1. Công suất thiết kế và cơ cấu sản phẩm của nhà máy được xác định như thế nào?
Nhà máy được thiết kế với tổng công suất 20 triệu lít bia không cồn/năm sử dụng 100% malt đại mạch. Cơ cấu sản phẩm gồm 12 triệu lít bia chai không cồn (chiếm 60% tổng sản lượng) và 8 triệu lít bia lon không cồn (chiếm 40% tổng sản lượng).
2. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp lên men tiếp xúc lạnh để sản xuất bia không cồn?
Phương pháp lên men tiếp xúc lạnh (tiến hành ở 0–8 °C trong 12–100 giờ với chủng Saccharomyces carlsbergensis) cho phép kiểm soát hàm lượng ethanol dưới mức 0,5% v/v mà vẫn tạo ra hương vị cân bằng đặc trưng của bia. Phương pháp này có ưu điểm lớn là sử dụng được hệ thống tank lên men thân trụ đáy côn thông thường mà không cần đầu tư các thiết bị màng tách cồn hoặc hệ thống lên men cố định tế bào phức tạp.
3. Các chỉ tiêu hóa lý cốt lõi của sản phẩm bia không cồn trong thiết kế được quy định ra sao?
Sản phẩm được thiết kế với các chỉ tiêu hóa lý: hàm lượng ethanol < 0,5% v/v; hàm lượng chất hòa tan ban đầu 6 °Bx; hàm lượng CO2 đạt 5 ± 2 g/L; pH ở mức 4,4 ± 0,1; độ axit 1,3 ± 0,1 ml NaOH 0,1N/10ml bia; hàm lượng chất đắng 20 BU (20 mg/L alpha-axit); độ màu 5–6,5 EBC và độ trong < 0,5 EBC.
4. Thiết bị và chế độ công nghệ nghiền malt trong phân xưởng nấu được lựa chọn như thế nào?
Đồ án lựa chọn phương pháp nghiền ẩm sử dụng máy nghiền trục. Hạt malt được phun nước nóng 80 °C trong 60 giây để làm ẩm lớp vỏ trấu lên mức 20% nhằm giữ nguyên vẹn vỏ làm màng trợ lọc tự nhiên trong thùng lọc đáy bằng, trong khi phần nội nhũ bên trong vẫn khô và được nghiền mịn khi qua khe hở trục được thu hẹp từ 0,4 mm xuống 0,2 mm.
5. Hệ thống lọc trong và xử lý ổn định keo bia sau lên men bao gồm những thiết bị nào?
Nhà máy áp dụng giải pháp kết hợp giữa máy lọc nến sử dụng chất trợ lọc diatomite để loại bỏ triệt để cặn xác nấm men, chất kết tủa cơ học và máy lọc đĩa sử dụng chất hấp phụ polyvinylpolypyrrolidone (PVPP) để loại bỏ polyphenol, giúp ổn định độ bền keo hóa lý và kéo dài thời gian bảo quản của bia thành phẩm.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế nhà máy sản xuất bia không cồn công suất 20 triệu lít/năm" của tác giả Trần Thị Lan Anh là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh thuộc chuyên ngành Kỹ thuật sinh học và Công nghệ thực phẩm. Bản thiết kế đã giải quyết thấu đáo các yêu cầu công nghệ thông qua việc áp dụng phương pháp lên men tiếp xúc lạnh ở nhiệt độ 0–8 °C để khống chế độ cồn dưới 0,5% ABV từ nguyên liệu 100% malt đại mạch. Toàn bộ các phần tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng nhiệt - lạnh, định cỡ hệ thống thiết bị và dự toán kinh tế đều được trình bày logic, khoa học và bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp hiện hành. Công trình mang lại giá trị thực tiễn cao, đáp ứng kịp thời xu hướng chuyển dịch của thị trường đồ uống Việt Nam dưới tác động của các quy định pháp lý mới.