Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp sản xuất bia là một phân ngành quan trọng của công nghệ thực phẩm và đồ uống lên men. Bia có nồng độ cồn thấp (thường dao động từ 3% đến 8% thể tích), chứa hàm lượng khí $\text{CO}_2$ bão hòa giúp tạo lớp bọt mịn đặc trưng, cùng nhiều hợp chất hòa tan có giá trị dinh dưỡng cao (axit amin, khoáng chất, vitamin nhóm B như $\text{B}_1$, $\text{B}_2$, $\text{B}_6$, $\text{B}9$, $\text{B}{12}$, $\text{PP}$). Về mặt năng lượng, 1 lít bia cung cấp khoảng 500 kcal, tương đương giá trị dinh dưỡng của 25 g thịt bò hoặc 150 g bánh mỳ loại một.

Tại Việt Nam, với đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhu cầu tiêu thụ đồ uống giải khát duy trì ở mức cao và tăng trưởng liên tục. Tuy nhiên, bối cảnh thực tiễn cho thấy các tổ hợp sản xuất bia quy mô siêu lớn thường tập trung tại các vùng đô thị trung tâm, trong khi việc xây dựng những cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ (như công suất 17 triệu lít/năm) tại các địa phương là bài toán kỹ thuật cần thiết. Mô hình này giúp giải quyết nhu cầu tiêu dùng tại chỗ, tiết giảm chi phí vận chuyển, hạn chế nhập khẩu các dòng bia chai cao giá, đồng thời tạo công ăn việc làm cho lực lượng lao động địa phương.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế nhà máy sản xuất bia với năng suất 17 triệu lít/năm từ 100% malt" do sinh viên Trịnh Thị Mai thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Thị Hạnh tại Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một nhà máy chế biến bia công nghiệp quy mô trung bình. Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành các nội dung cụ thể:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về công nghệ sản xuất bia và phân tích tình hình thị trường trong nước cũng như quốc tế.
  2. Lựa chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ sản xuất bia chai sử dụng 100% nguyên liệu malt đại mạch.
  3. Tính toán cân bằng vật chất và lập kế hoạch sản xuất theo mùa vụ với tổng sản lượng 17 triệu lít/năm.
  4. Tính toán, lựa chọn hệ thống thiết bị đồng bộ cho từng phân xưởng (sơ chế, nấu, lên men, hoàn thiện).
  5. Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy và giải pháp kiến trúc xây dựng các khối công trình.
  6. Tính toán cân bằng năng lượng và phụ tải tiện ích: cấp hơi, cấp lạnh, cấp thoát nước và phụ tải điện.
  7. Đánh giá hiệu quả kinh tế dự án: tổng mức đầu tư, chi phí sản xuất, doanh thu và dòng tiền 10 năm.
  8. Đề xuất quy trình vệ sinh an toàn thực phẩm, hệ thống tẩy rửa tại chỗ (CIP) và các giải pháp an toàn lao động.

Đối tượng nghiên cứu là toàn bộ dây chuyền công nghệ, hệ thống thiết bị cơ nhiệt và mặt bằng xây dựng nhà máy sản xuất bia chai. Phạm vi tính toán công suất ấn định ở mức 17 triệu lít sản phẩm/năm, vận hành 25 ngày/tháng, 3 ca/ngày. Chu kỳ sản xuất được tính toán bám sát biến động tiêu thụ 4 mùa tại miền Bắc Việt Nam, lấy số liệu sản xuất cực đại ở Quý II làm căn cứ định cỡ thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết sinh hóa học thực phẩm, vi sinh vật học ứng dụng và kỹ thuật quá trình trong công nghệ lên men:

  • Cơ sở hóa sinh quá trình đường hóa: Bản chất là sự thủy phân các hợp chất cao phân tử không tan trong malt thành các chất hòa tan nhờ hệ thống enzym nội sinh được kích hoạt ở các khoảng nhiệt độ tối ưu xác định:
    • Hệ enzym amylase: $\beta$-amylase phân cắt liên kết $\alpha$-1,4-glucosid tạo đường maltose (tối ưu ở 62–65°C, pH 5,0–5,5); $\alpha$-amylase phân cắt ngẫu nhiên mạch tinh bột tạo dextrin phân tử thấp (tối ưu ở 72–76°C, pH 5,4–5,8); amylophosphatase hỗ trợ cắt liên kết este (tối ưu ở 70°C).
    • Hệ enzym protease: Proteinase phân giải protein thành peptit và polypeptit (tối ưu ở 50–55°C, pH 5,0); peptidase giải phóng axit amin tự do (tối ưu ở 40–45°C, pH 7,0); amidase phân giải muối amit (tối ưu ở 45–50°C).
    • Hệ enzym phosphatase: Phytase thủy phân liên kết este của phytin giải phóng inositol và axit phosphoric (tối ưu ở 40–50°C, pH 5,0–5,5).
  • Cơ sở hóa lý quá trình nấu hoa houblon (Houblon hóa): Hòa tan và đồng phân hóa $\alpha$-axit đắng (humulone thành isohumulone), trích ly tinh dầu thơm (khoảng 98% bay hơi theo hơi nước, 2% lưu lại tạo hương), trích ly tanin (polyphenol) để tạo phức liên kết điện tích với protein cao phân tử mang điện tích dương, gây keo tụ và lắng cặn ở pH tối thích 5,2.
  • Cơ sở vi sinh học quá trình lên men: Động học sinh trưởng và trao đổi chất của chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae. Quá trình lên men chính chuyển hóa đường có thể lên men (glucose, fructose, saccarose, maltose, maltotriose) thành ethanol và khí $\text{CO}_2$, tích tụ glyxerin (tới 3 g/l) cùng các sản phẩm phụ như rượu bậc cao (20–95 mg/l), axit hữu cơ (lactic, citric, sucxinic, axetic), este (30–80 mg/l). Giai đoạn lên men phụ và tàng trữ tập trung vào việc lắng trong sinh học, bão hòa $\text{CO}_2$ và khử hợp chất diacetyl độc hại.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thiết kế kỹ thuật thực hiện qua các bước:

  • Phương pháp cân bằng vật chất: Thiết lập mô hình tính toán lùi xuất phát từ đơn vị cơ sở 100 lít bia thành phẩm, tính theo các hệ số tổn thất cơ học và chuyển hóa qua từng công đoạn. Giả thiết tính toán: malt có độ ẩm 5–7%, độ hòa tan chất khô 85%, tỷ lệ sử dụng 100% malt đại mạch.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật nhiệt - lạnh - nước: Ứng dụng các phương trình truyền nhiệt và cân bằng entanpi để tính lượng hơi bão hòa cấp cho nồi đường hóa, nồi đun hoa, hầm thanh trùng; xác định nhiệt tải máy nén lạnh cho quá trình làm lạnh nhanh dịch đường và duy trì nhiệt độ tank lên men; tính toán lưu lượng nước cấp công nghệ, nước CIP, nước nồi hơi và phụ tải điện động lực/chiếu sáng.
  • Phương pháp thiết kế công nghệ và phân tích kinh tế: Bố trí không gian sản xuất công nghiệp theo nguyên tắc một chiều, phân tích định mức chi phí xây dựng, thiết bị, nhân công và thiết lập bảng lưu chuyển tiền tệ dự án trong vòng đời 10 năm.

Tài liệu quy chuẩn và văn bản tiêu chuẩn áp dụng trong đồ án:

  • TCVN đối với sản phẩm bia chai (TCVN năm 2009).
  • TCVN 4884:2005 (tương đương ISO 4833:2003): Phương pháp xác định tổng số vi sinh vật hiếu khí.
  • TCVN 4991:2005: Tiêu chuẩn xác định vi khuẩn Clostridium perfringens.
  • Tiêu chuẩn quy định giới hạn kim loại nặng (Asen) và các chỉ tiêu hóa lý đối với nước nấu bia và bia thương phẩm.
Nhóm chỉ tiêu Thông số tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng
Nguyên liệu malt vàng Độ ẩm $\le 5%$; tinh bột 58–60%; độ hòa tan $\ge 80%$; protein 9,5–11%; hoạt lực diastase 260–320 WK; chỉ số Kolbach 38–43; cỡ hạt $> 2,5 \text{ mm}$ chiếm $\ge 85%$.
Nước nấu bia Muối cacbonat $\le 50 \text{ mg/l}$; $\text{Mg}^{2+} \le 100 \text{ mg/l}$; muối clorua 75–150 mg/l; $\text{CaSO}_4$ 150–200 mg/l; $\text{Fe}^{2+} \le 0,3 \text{ mg/l}$; vi sinh vật $\le 100 \text{ tế bào/ml}$.
Chất lượng bia chai Độ axit $\le 1,6 \text{ ml NaOH 1N/100ml}$; diaxetyl $\le 0,1 \text{ mg/l}$; $\text{CO}_2$ bão hòa 4,5–5,0 g/l; vi sinh vật hiếu khí $\le 10 \text{ CFU/ml}$; E. perfringens: không được có.

Thiết kế và triển khai hệ thống công nghệ

Dây chuyền công nghệ sản xuất bia chai của nhà máy được thiết kế liên hoàn từ tiếp nhận nguyên liệu đến hoàn thiện đóng gói, với các thông số kỹ thuật và thiết bị chuyên dụng:

Malt đại mạch -> Nghiền khô -> Đường hóa -> Lọc bã thùng đáy bằng -> Đun sôi với hoa houblon -> Lắng xoáy Whirlpool -> Làm lạnh nhanh dạng tấm bản -> Lên men chính -> Lên men phụ và tàng trữ -> Lọc trong bia (Diatomite) -> Bão hòa CO2 -> Chiết chai đẳng áp -> Thanh trùng hầm -> Dán nhãn, xếp két -> Sản phẩm
  • Công đoạn nghiền nguyên liệu: Sử dụng máy nghiền khô 3 đôi trục nhằm đập vỡ hạt nội nhũ theo các cấp độ mịn thích hợp nhưng vẫn bảo toàn tối đa lớp vỏ trấu nguyên vẹn. Lớp vỏ trấu này đóng vai trò màng lọc tự nhiên trong giai đoạn lọc bã, đồng thời ngăn chặn việc hòa tan quá mức các hợp chất polyphenol đắng chát vào dịch hèm.
  • Công đoạn đường hóa: Thực hiện trong nồi đường hóa bằng thép không gỉ hình trụ, trang bị cánh khuấy vận hành ở tốc độ 35 vòng/phút, cấp nhiệt gián tiếp qua áo hơi bão hòa (áp suất hơi trên đường ống 4–5 $\text{kg/cm}^2$, áp suất trong áo hơi 2–3 $\text{kg/cm}^2$). Tỷ lệ phối trộn malt : nước là 1 : 4. Chế độ nhiệt độ được kiểm soát nghiêm ngặt theo các nấc công nghệ:
    • Nâng nhiệt dịch nước ban đầu lên 40°C, nạp bột malt, tiếp tục nâng nhiệt lên 50°C và ngâm trong 10–20 phút để enzym protease hoạt hóa phân giải protein.
    • Cấp nhiệt trong 10 phút đưa nhiệt độ khối dịch lên 63–65°C, duy trì 30 phút để enzym $\beta$-amylase tạo đường maltose.
    • Cấp nhiệt trong 10 phút nâng lên 72–75°C, duy trì 30 phút để enzym $\alpha$-amylase dextrin hóa hoàn toàn lượng tinh bột còn lại.
    • Nâng lên 78°C để hồ hóa triệt để và vô hoạt toàn bộ hệ enzym, kiểm tra độ đường hóa bằng dung dịch iot (chỉ kết thúc khi dung dịch không chuyển sang màu xanh), sau đó bơm sang thùng lọc ở 76°C.
  • Công đoạn lọc dịch đường và rửa bã: Dùng thùng lọc đáy bằng chuyên dụng có hai đáy (đáy thật và đáy giả đục lỗ mắt sàng ghép dạng rẻ quạt đặt cách đáy thật 10–15 mm, đường kính lỗ tháo bã 25–45 mm). Quá trình gồm lọc tách dịch đầu (nồng độ chất chiết cao hơn sản phẩm 4–6%) và rửa bã bằng nước nóng 78–80°C (điều chỉnh độ kiềm $< 50 \text{ mg/l}$, pH = 6,5) để tận thu triệt để chất hòa tan.
  • Công đoạn đun hoa (Houblon hóa): Dịch đường lọc được gia nhiệt lên 75°C qua bộ trao đổi nhiệt trước khi vào nồi nấu hoa. Nồi đun có trang bị bộ gia nhiệt trung tâm. Thời gian đun sôi tổng cộng là 90 phút. Hoa houblon được cấp thành 3 đợt: cao hoa nạp vào sau khi dịch sôi 5 phút; 1/2 lượng hoa viên nạp sau khi sôi 30 phút; lượng hoa viên còn lại nạp trước khi kết thúc đun 10 phút nhằm lưu giữ hương tinh dầu. Dịch kết thúc đạt độ hòa tan 12°P, pH = 5,4.
  • Công đoạn lắng cặn và làm lạnh nhanh: Dịch hèm sôi được đưa vào thùng lắng xoáy Whirlpool theo phương tiếp tuyến với vận tốc dòng 12–14 m/s. Lực ly tâm gom cặn nóng vào tâm đáy thùng trong thời gian 30 phút. Dịch trong ở 90°C được bơm qua máy làm lạnh nhanh dạng tấm bản gấp sóng (vật liệu hợp kim Cr-Ni). Tại đây, dịch đường được hạ nhiệt đối lưu với nước lạnh 2°C xuống còn 9°C; nước làm lạnh hấp thu nhiệt đạt 70–80°C được thu hồi về bồn nước nóng phục vụ lại khâu nấu.
  • Công đoạn lên men: Sử dụng hệ thống tank lên men hình trụ đáy côn chế tạo bằng inox, thành ngoài có 3 khoang áo lạnh độc lập để điều khiển nhiệt độ:
    • Lên men chính: Nấm men Saccharomyces cerevisiae được cấy cùng dịch đường ở 12–14°C, dịch ban đầu 12°Bx. Quá trình lên men chính kéo dài 6–7 ngày. Khi kết thúc, mở khoang lạnh đáy côn hạ nhiệt xuống 5°C, duy trì áp suất 0,7 bar để nấm men kết lắng xuống đáy; xả thu hồi men sữa để tái sinh.
    • Lên men phụ và tàng trữ: Dịch bia hạ nhiệt xuống 2°C, duy trì áp suất 1,0–1,2 at trong thời gian 15 ngày nhằm làm chín bia, khử diacetyl và bão hòa $\text{CO}_2$ hòa tan.
  • Công đoạn hoàn thiện sản phẩm:
    • Lọc trong bia: Sử dụng máy lọc nến/khung bản bổ sung chất trợ lọc Diatomite, tuần hoàn dịch bia đục ban đầu trong 15 phút đến khi đạt độ trong tiêu chuẩn.
    • Bão hòa $\text{CO}_2$: Đưa bia vào tank tàng trữ ở 0–2°C, áp suất 1,8 $\text{kg/cm}^2$, bão hòa $\text{CO}_2$ đạt hàm lượng 4,5–5,0 g/l trong thời gian 4–12 giờ.
    • Chiết chai và đóng nắp: Vỏ chai sẫm màu (nâu hoặc xanh đậm) được rửa qua dung dịch NaOH 2–5% nóng, khử trùng bằng khí Clo và soi quang học. Rót bia vào chai theo nguyên tắc đối áp (chiết đẳng áp) trong hệ thống kín tuyệt đối để chống thoát $\text{CO}_2$ và hạn chế oxy hóa.
    • Thanh trùng hầm: Chai bia chạy qua hầm thanh trùng phun nước nhiều khoang với các dải nhiệt độ chuyển tiếp: 28°C $\rightarrow$ 40°C $\rightarrow$ 52°C $\rightarrow$ đạt đỉnh 65°C (vô hoạt men và tạp khuẩn) $\rightarrow$ 52°C $\rightarrow$ 40°C $\rightarrow$ 28°C nhằm tránh hiện tượng sốc nhiệt vỡ chai. Cuối cùng, chai được xì khô, dán nhãn và xếp két (24 chai/két).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất bia

Chương 1 hệ thống hóa khái niệm, giá trị dinh dưỡng, phân loại bia và bức tranh thị trường. Tác giả phân loại bia dựa trên 4 tiêu chí: nồng độ cồn (không cồn $< 1,2%$, khai vị 2–2,9%, bia chai/lon 4,5%, hảo hạng $> 5%$), màu sắc (bia vàng, bia đen, bia đỏ, bia trắng), phương thức lên men (lên men nổi - Ale ở 15–24°C; lên men chìm - Lager ở 7–12°C và 0–4°C), và phân loại theo hương vị phối trộn (bia hoa quả, bia thảo mộc, bia hun khói).

Về tình hình thị trường, tác giả nêu số liệu sản lượng bia thế giới đạt trên 100 tỷ lít/năm, trong đó Mỹ và Đức mỗi nước đạt khoảng 10 tỷ lít, Trung Quốc đạt 28.640 triệu lít (dẫn đầu thế giới vào năm 2004). Tốc độ tăng trưởng tại châu Á dẫn đầu toàn cầu, tiêu biểu là Thái Lan tăng bình quân 26,5%/năm, Philippines tăng 22%/năm.

Tại Việt Nam, lịch sử ngành sản xuất bia gắn liền với xưởng bia Chợ Lớn (thành lập năm 1875 - tiền thân Sabeco) và nhà máy bia do Hommel thành lập tại Hà Nội năm 1889/1890 (tiền thân Habeco). Cơ cấu ngành có sự thanh lọc mạnh mẽ: số lượng cơ sở sản xuất giảm từ 469 nhà máy (năm 1998) xuống 326 cơ sở (năm 2003) do áp lực cạnh tranh công nghệ và vệ sinh an toàn thực phẩm. Sản lượng bia cả nước năm 2003 đạt 1.290 triệu lít (tăng 20,7% so với 2002), mức tiêu thụ đạt 16 lít/người/năm, nộp ngân sách khoảng 3.650 tỷ đồng. Trong đó, nhóm thương hiệu dẫn đầu (Sài Gòn, 333, Hà Nội, Halida, Heineken, Tiger) chiếm 55,24% thị phần với 713,8 triệu lít.

Chương 2: Quy trình công nghệ sản xuất bia

Chương này tập trung thuyết minh quy chuẩn nguyên liệu, quy trình công nghệ và các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng. Nguyên liệu chính gồm: malt đại mạch vàng, hoa houblon (cao hoa chứa 30% $\alpha$-axit; hoa viên loại 90 chứa 5% $\alpha$-axit; hoa viên loại 45 chứa 8% $\alpha$-axit), nước sản xuất, giống nấm men Saccharomyces cerevisiae, các phụ gia điều chỉnh độ cứng và độ chua ($\text{CaCl}_2$, $\text{CaSO}_4$, axit lactic 95–98%, HCl $> 30%$, $\text{HNO}_3$, $\text{H}_3\text{PO}_4$) và chất trợ lọc Diatomite/Peclite. Tác giả lập luận chi tiết về vai trò của từng cấu tử hóa học trong hoa houblon (chất đắng, tinh dầu, tanin) và các biến đổi hóa lý diễn ra trong giai đoạn đun sôi (phản ứng Maillard và caramen hóa ở 105–107°C). Chương này cũng đưa ra hệ thống bảng chỉ tiêu cảm quan, hóa lý và vi sinh vật cho sản phẩm bia chai theo TCVN.

Chương 3: Tính cân bằng vật chất

Tác giả xác lập kế hoạch sản xuất cho nhà máy dựa trên chu kỳ khí hậu và biến động nhu cầu thực tế:

Phân kỳ Sản lượng kế hoạch (triệu lít)
Quý I 3,5
Quý II (Cao điểm) Thiết kế thiết bị theo tải lớn nhất: 2,0 triệu lít/tháng
Quý IV 3,0
Tổng cộng năm 17,0

Thời gian làm việc quy chuẩn là 25 ngày/tháng, 3 ca/ngày. Căn cứ theo tháng cao điểm (Quý II):

  • Năng suất lớn nhất một tháng: 2.000.000 lít.
  • Năng suất lớn nhất một ngày: 80.000 lít/ngày.
  • Năng suất mỗi mẻ nấu: 26.667 lít/mẻ.

Từ các thông số nồng độ dịch đường (12°Bx trước lên men, 3°Bx sau lên men chính) và tỷ lệ tổn thất trong từng công đoạn chế biến, tác giả tính toán chi tiết nhu cầu malt, hoa houblon, lượng nước đường hóa, nước rửa bã, cũng như khối lượng các sản phẩm phụ phát sinh (bã hèm, cặn lắng Whirlpool, sữa men thu hồi).

Chương 4: Tính toán và chọn thiết bị

Chương 4 thực hiện tính toán cơ khí, định cỡ công suất và lựa chọn số lượng thiết bị cho các phân xưởng sản xuất:

  • Phân xưởng sơ chế và nấu: Thùng chứa bột malt, máy nghiền 3 đôi trục, nồi đường hóa có áo hơi và cánh khuấy, thùng lọc đáy bằng hai đáy, nồi nấu hoa houblon có bộ gia nhiệt trung tâm, thùng lắng xoáy Whirlpool, máy làm lạnh nhanh tấm bản và thùng chứa nước nóng thu hồi.
  • Phân xưởng lên men: Hệ thống tank lên men trụ đáy côn vỏ áo lạnh, thiết bị nhân men giống cấp I, thiết bị nhân men giống cấp II, thiết bị rửa và bảo quản men sữa.
  • Phân xưởng hoàn thiện: Máy lọc trong bia Diatomite, tank tàng trữ và bão hòa $\text{CO}_2$, dây chuyền rửa vỏ chai, hệ thống chiết chai đẳng áp và dập nắp, hầm thanh trùng nhiều vùng nhiệt, máy dán nhãn và máy đóng két. Cả hai phân xưởng nấu và lên men đều được bố trí hệ thống vệ sinh tại chỗ CIP độc lập.

Chương 5: Thiết kế xây dựng nhà máy

Tác giả đề xuất giải pháp quy hoạch tổng mặt bằng nhà máy trên một khu đất công nghiệp hoàn chỉnh, phân chia không gian thành 3 phân khu chức năng:

  • Vùng trước nhà máy: Cổng chính, nhà điều hành hành chính, phòng bảo vệ, nhà ăn, nhà để xe, bồn hoa cây xanh.
  • Vùng sản xuất: Khối nhà sản xuất chính (bố trí phân xưởng sơ chế, phân xưởng nấu, gian lên men), nhà hoàn thiện sản phẩm (chiết rót, đóng gói, kho thành phẩm), các công trình phụ trợ kỹ thuật (trạm biến áp, trạm phát điện dự phòng, nhà nồi hơi, trạm máy nén lạnh, hệ thống bồn chứa $\text{CO}_2$).
  • Vùng sau nhà máy: Kho nguyên liệu phụ, trạm xử lý nước cấp, khu vực xử lý nước thải và bãi phế liệu, bã hèm. Dây chuyền công nghệ được quy hoạch theo nguyên tắc một chiều, phân tách rõ luồng nguyên liệu thô đi vào và luồng thành phẩm đi ra, đảm bảo khoảng cách an toàn phòng cháy và vệ sinh công nghiệp.

Chương 6: Tính toán năng lượng và nước cho nhà máy

Nội dung chương giải quyết các bài toán kỹ thuật phụ trợ phục vụ toàn bộ quy trình:

  • Phụ tải nhiệt và hơi: Tính lượng hơi bão hòa cấp nhiệt cho nồi đường hóa, quá trình đun hoa, nồi đun nước nóng và các khoang phun của hầm thanh trùng; từ đó xác định lượng tiêu hao nhiên liệu (than/dầu) và lựa chọn công suất lò hơi.
  • Phụ tải lạnh: Tính toán năng lượng lạnh yêu cầu cho máy làm lạnh nhanh dịch đường từ 90°C xuống 9°C, phụ tải lạnh duy trì nhiệt độ cho các tank lên men chính (12–14°C), tank lên men phụ (2°C), thiết bị nhân giống men và các tank tàng trữ bia trước chiết.
  • Cân bằng cấp thoát nước: Xác định tổng lưu lượng nước phục vụ trực tiếp quá trình nấu, nước rửa bã, nước cấp sinh hơi cho lò hơi, nước cấp bổ sung giàn ngưng máy lạnh, nước tráng rửa vệ sinh thiết bị CIP và nước sinh hoạt của cán bộ công nhân viên.
  • Phụ tải điện tiêu thụ: Tính toán công suất biểu kiến và điện năng tiêu thụ hàng năm cho hệ thống chiếu sáng toàn nhà máy và phụ tải động lực chạy hệ thống động cơ máy móc, bơm, quạt, máy nén.

Chương 7: Tính kinh tế nhà máy

Tác giả hạch toán bài toán kinh tế tổng thể của dự án đầu tư:

  • Tổng vốn đầu tư cố định: Bao gồm chi phí xây dựng các hạng mục công trình kiến trúc nhà xưởng và chi phí mua sắm, lắp đặt toàn bộ dây chuyền máy móc thiết bị công nghệ.
  • Chi phí sản xuất hàng năm: Tập hợp chi phí mua nguyên liệu chính (malt đại mạch), nguyên liệu phụ (hoa houblon, hóa chất, chất trợ lọc), chi phí bao bì (vỏ chai, két nhựa, nhãn mác), chi phí nhiên liệu đốt lò hơi, tiền điện, nước công nghiệp và quỹ lương chi trả theo biểu phân công nhân lực nhà máy.
  • Đánh giá tài chính: Dự phóng doanh thu tiêu thụ sản phẩm bia chai, xác định điểm hòa vốn và thiết lập bảng lưu chuyển dòng tiền dự án từ năm 1 đến năm 10 nhằm chứng minh tính khả thi về mặt tài chính của việc đầu tư xây dựng nhà máy.

Chương 8: Vệ sinh an toàn lao động

Chương cuối cùng thiết lập các quy định kỹ thuật về kiểm soát rủi ro trong sản xuất công nghiệp:

  • Vệ sinh công nghiệp: Quy định tiêu chuẩn vệ sinh cá nhân công nhân thực phẩm; quy trình tẩy rửa thiết bị tại chỗ (hệ thống CIP tuần hoàn bằng hóa chất kiềm NaOH, axit $\text{HNO}_3$, $\text{H}_3\text{PO}_4$ và tráng nước khử trùng); giải pháp vệ sinh sàn xưởng và thu gom chất thải rắn.
  • An toàn lao động: Các giải pháp giảm thiểu tiếng ồn và chống rung động từ máy nghiền bột malt, máy nén khí, máy nén lạnh; quy chuẩn an toàn nghiêm ngặt đối với các thiết bị chịu áp lực cao (nồi hơi công nghiệp, bình chịu áp bão hòa $\text{CO}_2$, các tank lên men vỏ áo); an toàn mạng lưới điện công nghiệp chống rò rỉ sét đánh; và hệ thống phòng chống cháy nổ (PCCC) cho toàn bộ các phân khu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã xây dựng thành công bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật công nghệ hoàn chỉnh cho một nhà máy sản xuất bia chai năng suất 17 triệu lít/năm từ 100% malt đại mạch. Các kết quả kỹ thuật cốt lõi được thể hiện qua các số liệu tính toán cụ thể:

  • Xác lập chế độ vận hành sản xuất linh hoạt theo mùa vụ, lấy phụ tải tháng cao điểm (Quý II) đạt 2.000.000 lít/tháng (80.000 lít/ngày, tương ứng 3 ca/ngày với 26.667 lít/mẻ) làm căn cứ kỹ thuật chính xác để định cỡ toàn bộ hệ thống nồi nấu, thùng lắng, tank lên men và dây chuyền chiết rót.
  • Chuẩn hóa các thông số công nghệ nhiệt - sinh hóa: tỷ lệ phối liệu malt : nước = 1 : 4; các điểm dừng enzym đường hóa (50°C, 63–65°C, 72–75°C, 78°C); thời gian đun hoa 90 phút nạp hoa 3 đợt đạt độ hòa tan 12°P; thời gian lắng xoáy 30 phút ở vận tốc vào tiếp tuyến 12–14 m/s; thời gian lên men chính 6–7 ngày ở 12–14°C và lên men phụ 15 ngày ở 2°C; bão hòa $\text{CO}_2$ đạt mức 4,5–5,0 g/l dưới áp suất 1,8 $\text{kg/cm}^2$; hầm thanh trùng 5 dải nhiệt đạt đỉnh 65°C.
  • Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án giải quyết bài toán khả thi về việc triển khai cơ sở sản xuất bia chất lượng cao quy mô vừa tại các địa phương, khẳng định năng lực ứng dụng 100% malt đại mạch (không sử dụng gạo/ngô thay thế) để giữ vững hương vị bia truyền thống mà vẫn đảm bảo tính toán cân bằng năng lượng, nước và hiệu quả dòng tiền hoàn vốn trong chu kỳ 10 năm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo tự nhận định của tác giả trong lời mở đầu và lời cảm ơn, hạn chế của đồ án xuất phát từ việc tiếp cận tài liệu chuyên sâu và khảo sát thực tế các hệ thống thiết bị công nghệ hiện đại còn gặp nhiều khó khăn, khiến một số phần tính toán thiết bị chưa bao quát hết được các dòng công nghệ tự động hóa thế hệ mới.

Xét trên phạm vi học thuật của đồ án tốt nghiệp kỹ thuật, nghiên cứu tồn tại một số điểm giới hạn:

  • Các dữ liệu đầu vào về chi phí xây lắp, thiết bị, đơn giá điện nước và dòng tiền dự án 10 năm ở Chương 7 mang tính định mức lý thuyết trong đồ án thiết kế, chưa gắn liền với một khu đất công nghiệp cụ thể tại một địa phương xác định.
  • Hướng mở rộng tiếp theo: Cần phát triển chi tiết sơ đồ điều khiển tự động hóa tích hợp công nghệ SCADA cho hệ thống van điều khiển và trạm CIP trung tâm; đồng thời bổ sung thiết kế kỹ thuật chi tiết cho trạm xử lý nước thải công nghiệp đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia trước khi xả thải ra môi trường.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên và giảng viên các chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Chế biến Đồ uống: Cung cấp tài liệu mẫu về trình tự và phương pháp tính toán đồ án thiết kế nhà máy thực phẩm, đặc biệt là các chương tính cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt - lạnh - hơi - nước và định cỡ thiết bị cơ khí chuyên ngành.
  • Sinh viên chuyên ngành Máy và Thiết bị Công nghiệp Thực phẩm, Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh: Tham khảo các thông số vận hành của hệ thống trao đổi nhiệt tấm bản, chu trình lạnh trong tank trụ đáy côn và hệ thống lò hơi công nghiệp.
  • Cán bộ kỹ thuật và kỹ sư vận hành tại các nhà máy bia: Tham khảo chi tiết thông số công nghệ các nấc nhiệt độ đường hóa malt, chế độ cấp hoa houblon đa giai đoạn, biểu đồ nhiệt thanh trùng bia chai và các giải pháp vận hành hệ thống CIP đảm bảo an toàn vệ sinh lao động.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu sản phẩm và công suất vận hành mẻ cực đại của nhà máy được thiết kế ở mức nào?
Nhà máy được thiết kế sản xuất 100% bia chai từ 100% nguyên liệu malt đại mạch với tổng năng suất 17 triệu lít/năm. Chế độ làm việc quy chuẩn là 25 ngày/tháng, 3 ca/ngày. Dây chuyền được định cỡ theo công suất cực đại của tháng cao điểm (Quý II) với sản lượng 2.000.000 lít/tháng, tương ứng 80.000 lít/ngày và 26.667 lít/mẻ nấu.

2. Tại sao quy trình công nghệ lựa chọn nguyên liệu 100% malt đại mạch mà không sử dụng thế liệu?
Malt đại mạch là nguyên liệu truyền thống tối ưu trong công nghệ bia vì hạt đại mạch khi ươm mầm sinh ra hệ enzym thủy phân cân đối ($\alpha$-amylase, $\beta$-amylase, protease, phosphatase) giúp tự đường hóa hoàn toàn mà không cần bổ sung enzym công nghiệp ngoài. Đồng thời, lớp vỏ trấu dai của hạt đại mạch sau khi nghiền khô không bị nát vụn, đóng vai trò như lớp vật liệu lọc tự nhiên rất xốp trên đáy giả của thùng lọc, vừa tối ưu hóa hiệu suất lọc trong dịch đường vừa mang lại hương vị và giá trị dinh dưỡng cao hơn hẳn so với việc phối trộn ngũ cốc phụ.

3. Chế độ nhiệt độ trong nồi đường hóa được cài đặt qua các mốc công nghệ nào?
Sau khi hòa dịch ở 40°C với tỷ lệ malt : nước = 1 : 4, dịch cháo malt trải qua 4 giai đoạn nhiệt:

  • Đạt 50°C trong 10–20 phút: Kích hoạt hệ enzym protease thủy phân protein thành peptit và axit amin.
  • Đạt 63–65°C trong 30 phút: Nhiệt độ tối ưu cho enzym $\beta$-amylase cắt tinh bột thành đường maltose lên men được.
  • Đạt 72–75°C trong 30 phút: Nhiệt độ tối ưu cho enzym $\alpha$-amylase thủy phân tinh bột thành các dextrin mạch ngắn.
  • Nâng lên 78°C: Hồ hóa hoàn toàn tinh bột sót, vô hoạt toàn bộ hệ enzym, kiểm tra không đổi màu với iot thì kết thúc và bơm sang thùng lọc ở 76°C.

4. Thiết bị thanh trùng bia chai hoạt động theo nguyên lý nào để bảo vệ chất lượng sản phẩm?
Bia chai được đưa qua hầm thanh trùng phun nước nhiều khoang với các dải nhiệt độ nâng và hạ tuần tự: 28°C $\rightarrow$ 40°C $\rightarrow$ 52°C $\rightarrow$ đạt đỉnh thanh trùng ở 65°C $\rightarrow$ hạ nhiệt dần về 52°C $\rightarrow$ 40°C $\rightarrow$ 28°C. Việc gia nhiệt và làm nguội theo từng bậc nhiệt độ giúp diệt trừ triệt để tế bào nấm men còn sót mà không làm biến tính các hợp chất keo tạo bọt, đồng thời triệt tiêu hiện tượng sốc nhiệt gây nứt vỡ vỏ chai thủy tinh.

5. Lượng hoa houblon được bổ sung vào nồi nấu hoa theo quy trình như thế nào?
Quá trình đun sôi dịch đường với hoa houblon diễn ra trong 90 phút. Hoa được cấp thành 3 đợt: nạp toàn bộ cao hoa sau khi dịch bắt đầu sôi mạnh 5 phút; nạp 1/2 lượng hoa viên sau khi sôi 30 phút; và bổ sung nốt 1/2 lượng hoa viên còn lại trước khi kết thúc đun 10 phút. Việc chia đợt này nhằm mục đích vừa trích ly triệt để các chất đắng đồng phân hóa ở giai đoạn đầu, vừa hạn chế tổn thất bay hơi của các cấu tử tinh dầu thơm ở giai đoạn cuối.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trịnh Thị Mai đã hoàn thành đầy đủ và chi tiết các nội dung thiết kế kỹ thuật cho nhà máy sản xuất bia chai công suất 17 triệu lít/năm từ 100% malt đại mạch. Bản thiết kế cung cấp hệ thống số liệu logic từ tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng - tiện ích, lựa chọn thiết bị cơ nhiệt đến quy hoạch không gian mặt bằng và phân tích tài chính dòng tiền 10 năm. Đây là công trình đồ án công nghệ thực phẩm có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng vai trò tài liệu tham khảo bài bản cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật thiết kế nhà máy chế biến đồ uống lên men.