Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Bia là loại đồ uống lên men có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng, mang hương thơm đặc trưng cùng vị đắng dịu và lớp bọt mịn. Hàm lượng khí carbon dioxide hòa tan trong bia đạt từ 4 đến 5 g/l, giúp giải khát nhanh nhờ khả năng kích thích tiêu hóa và tạo cảm giác sảng khoái. Về mặt năng lượng, một lít bia cung cấp khoảng 400 đến 450 kcal (trong một số trường hợp lên đến 500 kcal với 50% năng lượng có nguồn gốc từ protein), đồng thời chứa hệ enzyme phong phú, vitamin nhóm B (B1, B2, PP) cùng các hợp chất khoáng có lợi cho cơ thể khi sử dụng ở mức độ hợp lý.
Tại Việt Nam, ngành công nghiệp sản xuất bia đã hình thành khoảng một thế kỷ và hiện đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân nhờ khả năng sinh lời cao, thu hồi vốn nhanh và đóng góp nguồn thu ngân sách đáng kể. Theo số liệu của Bộ Công Thương (trước đây là Bộ Công Nghiệp), cả nước có trên 300 cơ sở sản xuất bia với tổng công suất thiết kế đạt 4,4 tỷ lít/năm. Sản lượng tiêu thụ nội địa năm 2023 đạt khoảng 4,3 tỷ lít (tăng 4,2% so với năm 2022). Trước bối cảnh nhu cầu tiêu dùng tăng trưởng ổn định cùng sự cạnh tranh từ các thương hiệu lớn như Sabeco, Habeco, Heineken và Carlsberg, việc thiết kế xây dựng các nhà máy bia có quy mô công nghiệp, ứng dụng dây chuyền công nghệ hiện đại nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm là yêu cầu cấp thiết.
Đồ án tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:
- Xác định và lựa chọn quy trình công nghệ sản xuất bia lon 11°P từ 80% malt đại mạch và 20% gạo thế liệu, áp dụng phương pháp nấu đun sôi và công nghệ lên men hiện đại (ngắn ngày).
- Xây dựng kế hoạch sản xuất công nghiệp và tính toán cân bằng vật chất toàn diện cho toàn bộ quy trình công nghệ (tính cho 100 kg nguyên liệu ban đầu, tính cho 1 mẻ, tính cho 1 ngày sản xuất và tính cho cả năm).
- Tính toán kích thước công nghệ, cân bằng nhiệt và lựa chọn hệ thống thiết bị chuyên dụng cho phân xưởng nấu với năng suất thiết kế 95 triệu lít bia thành phẩm/năm.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là dây chuyền công nghệ và phân xưởng nấu của nhà máy bia vàng đóng lon dung tích 0,33 lít. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thông số kỹ thuật, định mức tiêu hao, cân bằng nguyên liệu - bán thành phẩm - phụ phẩm trong chu trình sản xuất công nghiệp tại Đà Nẵng, thời điểm hoàn thành vào tháng 06 năm 2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết và bản chất biến đổi công nghệ
Đồ án dựa trên cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất malt, dịch đường và bia lên men chìm:
- Cơ sở sinh hóa và hóa lý của quá trình nấu dịch nha: Chuyển hóa các hợp chất cao phân tử không tan từ malt và gạo thành các chất hòa tan (chất chiết) nhờ hệ enzyme nội tại của malt đại mạch ($\alpha$-amylase, $\beta$-amylase, protease, peptidase, phytase, xylanase). Quá trình đường hóa diễn ra qua các điểm dừng nhiệt độ tối thích cho từng nhóm enzyme; đồng thời xảy ra các phản ứng phi enzyme như phản ứng tạo phức kết tủa giữa ion kim loại và muối phosphat ($3\text{Ca}^{2+} + 2\text{HPO}_4^{2-} \rightarrow \text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\downarrow + 2\text{H}^+$ làm giảm pH môi trường), phản ứng tạo màu melanoid và sự đông tụ protein biến tính bởi nhiệt.
- Quá trình hoa houblon hóa và lắng trong: Trích ly chất đắng ($\alpha$-acid, $\beta$-acid), tinh dầu thơm và polyphenol từ hoa houblon vào dịch đường; phản ứng đồng phân hóa $\alpha$-acid thành iso-$\alpha$-acid tạo vị đắng dịu; phản ứng tạo phức giữa polyphenol của hoa với protein của malt để tạo cặn lắng nóng tách ra tại thiết bị Whirlpool.
- Quá trình lên men bia: Chuyển hóa đường có thể lên men (chủ yếu là disaccharide maltose) bởi nấm men chìm theo phương trình tổng quát:
$$\text{C}{12}\text{H}{22}\text{O}_{11} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6$$
$$2\text{C}6\text{H}{12}\text{O}_6 \rightarrow 4\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 4\text{CO}_2 + Q$$
Cùng với đó là các biến đổi sinh học, hóa sinh của quá trình lên men phụ như khử diacetyl thành acetoin và 2,3-pentanedione, ester hóa tạo hương và bão hòa $\text{CO}_2$ tự nhiên.
Phương pháp tính toán và nguồn dữ liệu
- Phương pháp cân bằng vật chất kỹ thuật: Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng cho từng công đoạn công nghệ từ nhập liệu, tách tạp chất, nghiền, hồ hóa/dịch hóa, đường hóa, lọc bã malt, đun sôi houblon, lắng xoáy tâm, làm lạnh, lên men chính/phụ, lọc trong bằng bột diatomit đến chiết rót và thanh trùng.
- Phương pháp tính toán thiết bị hóa - thực phẩm: Xác định thể tích làm việc, thể tích hình học, công suất truyền nhiệt, diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và công suất động cơ bơm/khuấy dựa trên định mức công nghệ chuẩn.
- Nguồn dữ liệu: Số liệu định mức hao hụt, thành phần hóa học của malt (tinh bột 58–65%, protein 10%, độ ẩm 5%, độ chiết 75%), gạo (tinh bột 75–81%, độ ẩm 10%, độ chiết 80%), hoa houblon (chất đắng 15–21%, độ ẩm 11–13%) và tiêu chuẩn nước nấu bia theo các tài liệu kỹ thuật công nghệ thực phẩm chuyên ngành.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày tổng quan về nguyên liệu, phân tích đặc tính sản phẩm và lựa chọn giải pháp công nghệ:
- Nguyên liệu sản xuất: Sử dụng malt đại mạch hai hàng (Hordeum distichum) nhập khẩu từ Úc hoặc Đức, Đan Mạch có độ hòa tan 70–80%, tỷ lệ đường maltose chiếm 65–70% tổng chất hòa tan. Thế liệu sử dụng là gạo tẻ (Oryza sativa) chiếm tỷ lệ 20% nhằm hạ giá thành nhưng vẫn đảm bảo cân đối tỷ lệ C:N cho dịch lên men. Hoa houblon (Humulus lupulus L.) sử dụng ở dạng hoa viên với định mức 1,5–2,0 g/lít dịch đường. Nguồn nước nấu bia phải có độ cứng trung bình dưới $7\text{ mg đương lượng/l}$, chỉ số Coli $< 3$, hàm lượng $\text{Ca}^{2+} < 250\text{ mg/l}$, $\text{Mg}^{2+} < 100\text{ mg/l}$, $\text{Fe}^{2+} < 0,5\text{ mg/l}$, $\text{SO}_4^{2-} < 250\text{ mg/l}$.
- Quy trình công nghệ lựa chọn:
- Nấu dịch nha: Do sử dụng 20% gạo nên chọn phương pháp nấu đun sôi phối trộn hai nồi (nồi cháo gạo và nồi malt). Quá trình hồ hóa và dịch hóa tinh bột gạo có bổ sung 10% bột malt lót so với khối lượng gạo, tỷ lệ gạo:nước là 1:4,5, giữ ở 67°C trong 20 phút rồi đun sôi 30 phút. Tại nồi malt (tỷ lệ malt:nước 1:4), hỗn hợp được đạm hóa ở 52°C trong 20 phút, sau đó hội cháo nâng nhiệt toàn khối lên 63°C giữ 30 phút ($\beta$-amylase), nâng lên 73°C giữ 25 phút ($\alpha$-amylase) và nâng lên 78°C trong 5 phút trước khi đem lọc. Thời gian thực hiện một mẻ nấu là 185 phút.
- Lọc và houblon hóa: Lọc bằng thùng lọc chuyên dụng trong thời gian khoảng 6 giờ, rửa bã đến khi nồng độ chất khô nước rửa đạt 0,5%. Đun sôi dịch nha với hoa houblon trong 2 giờ (chia 2 lần nạp: 3/4 lượng hoa lúc bắt đầu sôi và 1/4 lượng hoa trước khi kết thúc 30 phút).
- Lắng trong, làm lạnh và lên men: Lắng xoáy tâm ở thiết bị Whirlpool; làm lạnh nhanh qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng từ 95°C xuống 40°C bằng nước và xuống tiếp nhiệt độ lên men (6–15°C) bằng tác nhân lạnh glycol; nạp oxy vô trùng đạt nồng độ 6–12 mg/l. Lên men theo phương pháp hiện đại trong tank ngoài trời (thể tích nạp liệu tối đa 85% dung tích bồn), kết thúc lên men chính khi đường còn khoảng 1%, lên men phụ ở 0–2°C dưới áp suất 0,07 MPa.
- Hoàn thiện sản phẩm: Lọc bia qua thiết bị lọc ép dùng chất trợ lọc diatomit (lớp lót đầu $500\text{ g/m}^2$, bổ sung $50\text{ g/m}^2$ trong khi lọc); hạ nhiệt độ bia sau lọc từ 5°C về 0–1°C; bão hòa $\text{CO}_2$ ở áp lực 0,15–0,20 MPa để đạt nồng độ $0,5%\text{ w/w}$. Chiết lon nhôm trắng 0,33 lít và thanh trùng bằng máy thanh trùng tunnel 5 vùng (vùng nhiệt cực đại 65°C trong 20 phút, tổng thời gian qua hầm 45 phút).
Chương 2: Tính toán cân bằng vật chất
Chương 2 thiết lập các phương trình cân bằng chất khô và thể tích cho từng phân đoạn công nghệ với năng suất 95 triệu lít bia/năm, nồng độ dịch đường 11°P:
- Kế hoạch sản xuất: Nhà máy vận hành 309 ngày/năm (12 tháng, 3 ca/ngày). Chu kỳ nấu một mẻ là 2,75 giờ, tương ứng 8 mẻ/ngày, tổng số mẻ nấu trong năm đạt 2.472 mẻ và 927 ca sản xuất. Năng suất mỗi ngày đạt 307.443,37 lít bia thành phẩm.
- Định mức tiêu hao công đoạn: Tách tạp chất (0,5%), nghiền (0,5%), nấu và lọc dịch nha (2,0%), đun sôi với hoa houblon (1,5%), lắng trong và làm lạnh (1,0%), lên men chính và phụ (1,5%), lọc bia trong (2,5%), chiết rót và thanh trùng (2,0%).
- Cân bằng vật chất chi tiết: Từ 100 kg nguyên liệu ban đầu (80 kg malt + 20 kg gạo) thu được 553,34 lít bia thành phẩm. Lượng nguyên liệu cần cung cấp cho một ngày sản xuất là 55.561,39 kg (44.449,11 kg malt và 11.112,28 kg gạo). Nhu cầu vỏ lon nhôm (bao gồm 2% hao hụt) là 950.280 lon/ngày, tương ứng 950.280 nắp lon và 39.595 thùng carton loại 24 lon/thùng (tính thêm 1,5% hao hụt bao bì).
Chương 3: Tính toán và lựa chọn thiết bị
Chương 3 tính toán kích thước công nghệ, thông số cơ khí và lựa chọn đồng bộ hệ thống thiết bị cho phân xưởng nấu:
- Thiết bị vận chuyển và chuẩn bị nguyên liệu: Hệ thống gầu tải malt và vít tải gạo, cân định lượng trước nghiền, máy nghiền malt ướt và máy nghiền búa cho gạo, bunke chứa malt và bunke chứa gạo trung gian.
- Thiết bị nhiệt và phân riêng phân xưởng nấu: Nồi nấu gạo đáy cầu có cánh khuấy và vỏ áo gia nhiệt; nồi đường hóa malt; nồi nấu nước nóng cung cấp nước công nghệ và rửa bã; thùng lọc dịch đường đáy lưới có cánh cào bã chuyên dụng; thùng chứa bã nguyên liệu; nồi đun sôi dịch nha với hoa houblon; thiết bị lắng xoáy tâm Whirlpool đáy côn thu gom cặn tủa nóng; thiết bị trao đổi nhiệt dạng bảng mỏng 2 cấp làm lạnh dịch nha.
- Hệ thống bơm chuyên dụng: Tính chọn công suất và cột áp cho bơm dịch cháo sang nồi malt, bơm dịch đường hóa sang thùng lọc, bơm dịch đường trong đi nồi hoa và bơm dịch nha sau lắng sang thiết bị làm lạnh.
Kết quả và đóng góp
Kết quả tính toán cân bằng vật chất
Toàn bộ cân bằng vật liệu của nhà máy sản xuất bia năng suất 95 triệu lít/năm được tổng hợp qua bảng số liệu sau:
| STT |
Tên nguyên liệu, bán thành phẩm, phế liệu |
Tính cho 100 kg nguyên liệu |
Tính cho 1 mẻ nấu |
Tính cho 1 ngày |
Tính cho 1 năm |
Đơn vị |
| 1 |
Nguyên liệu ban đầu
- Malt đại mạch (80%)
- Gạo thế liệu (20%) |
80,00
20,00 |
5.556,14
1.389,04 |
44.449,11
11.112,28 |
13.734.775,00
3.433.694,52 |
kg |
| 2 |
Nguyên liệu sau tách tạp chất
- Malt đại mạch
- Gạo thế liệu |
79,60
19,90 |
5.528,36
1.382,09 |
44.226,87
11.056,72 |
13.666.102,83
3.416.526,48 |
kg |
| 3 |
Nguyên liệu sau khi nghiền
- Malt đại mạch
- Gạo thế liệu |
79,20
19,80 |
5.500,58
1.375,15 |
44.004,62
11.001,16 |
13.597.427,58
3.399.358,44 |
kg |
| 4 |
Lượng dịch đường khi đun sôi |
724,61 |
50.325,42 |
402.603,39 |
124.404.447,50 |
lít |
| 5 |
Lượng dịch đường sau khi đun với hoa houblon (100°C) |
643,87 |
44.717,89 |
357.743,12 |
110.542.624,10 |
lít |
| 6 |
Lượng dịch lên men (đưa vào lên men chính) |
587,93 |
40.832,76 |
326.662,08 |
100.938.582,70 |
lít |
| 7 |
Lượng bia non sau lên men chính và phụ |
579,11 |
40.220,20 |
321.761,57 |
99.424.325,13 |
lít |
| 8 |
Lượng bia sau khi lọc trong (qua diatomit) |
564,63 |
39.214,54 |
313.716,28 |
96.938.330,52 |
lít |
| 9 |
Lượng bia thành phẩm (đóng lon, thanh trùng) |
553,34 |
38.430,43 |
307.443,40 |
95.000.010,60 |
lít |
| 10 |
Bã nguyên liệu sau khi lọc (độ ẩm 75%) |
118,80 |
8.250,87 |
66.006,93 |
20.396.141,37 |
kg |
| 11 |
Lượng hoa houblon dạng viên sử dụng |
0,42 |
29,17 |
233,36 |
72.108,24 |
kg |
| 12 |
Lượng hoa houblon dạng cánh tương đương |
1,39 |
96,54 |
772,30 |
238.640,70 |
kg |
| 13 |
Lượng men giống đặc cần dùng |
5,29 |
367,40 |
2.939,20 |
908.212,80 |
lít |
| 14 |
Lượng sữa men thu hồi |
5,88 |
408,38 |
3.267,01 |
1.009.506,09 |
lít |
| 15 |
Lượng khí $\text{CO}_2$ tự do thu hồi |
16,80 |
1.166,79 |
9.334,31 |
2.884.302,90 |
kg |
Đóng góp kỹ thuật của đồ án
- Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi số liệu cân bằng vật chất logic, liên tục từ khâu định lượng nguyên liệu thô đến khâu hoàn thiện sản phẩm lon $0,33\text{ lít}$, kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ hao hụt từng công đoạn từ 0,5% đến 2,5%.
- Tối ưu hóa chế độ nhiệt cho phân xưởng nấu sử dụng 20% thế liệu gạo: phân định chính xác các điểm dừng enzym hóa (hồ hóa ở 67°C, đạm hóa ở 52°C, đường hóa $\beta$-amylase ở 63°C và $\alpha$-amylase ở 73°C, bất hoạt enzyme ở 78°C).
- Cung cấp các bản vẽ kỹ thuật chi tiết gồm bản vẽ sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bia và bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị phân xưởng nấu năng suất 95 triệu lít/năm.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Bản thiết kế đồ án tập trung chủ yếu vào tính toán công nghệ và lựa chọn thiết bị cho phân xưởng nấu; các hệ thống phụ trợ như hệ thống thu hồi và tinh chế $\text{CO}_2$, trạm xử lý nước cấp, hệ thống xử lý nước thải công nghiệp và mạng lưới đường ống cấp hơi - lạnh chi tiết cho toàn bộ nhà máy chưa được tính toán chuyên sâu trong khuôn khổ đồ án này.
- Hướng phát triển: Mở rộng tính toán tự động hóa hoàn toàn các van điều khiển và hệ thống giám sát SCADA cho phân xưởng nấu; tích hợp các giải pháp thu hồi nhiệt thừa từ hơi thoát của nồi đun hoa houblon nhằm giảm tiêu hao năng lượng nhiệt trong quá trình sản xuất.
Giá trị tham khảo
Bản đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:
- Sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Hóa học: Nắm vững phương pháp tính toán cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và các bước tính chọn thiết bị cơ khí - truyền nhiệt - phân riêng trong nhà máy thực phẩm.
- Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật ngành sản xuất đồ uống: Tham khảo các thông số công nghệ tiêu chuẩn cho quá trình đường hóa có thế liệu gạo 20%, chế độ lọc bã malt, định mức hoa houblon và quy trình vận hành máy thanh trùng tunnel 5 vùng nhiệt độ.
Câu hỏi thường gặp
1. Năng suất thiết kế và kế hoạch làm việc trong năm của nhà máy được xác định như thế nào?
Nhà máy có công suất thiết kế 95 triệu lít bia/năm, hoạt động 309 ngày/năm chia làm 12 tháng, làm việc 3 ca/ngày. Mỗi mẻ nấu kéo dài 2,75 giờ, thực hiện 8 mẻ/ngày, tương ứng 2.472 mẻ/năm và 927 ca làm việc/năm. Lượng bia thành phẩm sản xuất trung bình mỗi ngày là 307.443,37 lít.
2. Tỷ lệ phối liệu và chế độ công nghệ tại phân xưởng nấu được thiết lập ra sao?
Tỷ lệ phối liệu gồm 80% malt đại mạch và 20% gạo tẻ. Gạo được hồ hóa cùng 10% malt lót ở tỷ lệ nước 1:4,5 (giữ ở 67°C trong 20 phút, đun sôi 30 phút). Khối malt được đạm hóa ở tỷ lệ nước 1:4 tại 52°C trong 20 phút. Sau khi hội cháo, khối dịch được giữ ở 63°C trong 30 phút, 73°C trong 25 phút và nâng lên 78°C trong 5 phút trước khi sang thùng lọc.
3. Hiệu suất thu hồi bia thành phẩm từ 100 kg nguyên liệu thô là bao nhiêu?
Cứ 100 kg nguyên liệu hỗn hợp ban đầu (80 kg malt và 20 kg gạo) sau khi trải qua các công đoạn từ tách tạp chất đến thanh trùng sẽ thu được 553,34 lít bia thành phẩm 11°P.
4. Lượng hoa houblon và men giống cần sử dụng cho một ngày sản xuất là bao nhiêu?
Mỗi ngày nhà máy sử dụng 233,36 kg hoa houblon dạng viên (tương đương 772,30 kg dạng cánh hoa nếu sử dụng hoa cánh) và 2.939,20 lít men giống đặc (tỷ lệ 0,9 lít men đặc/100 lít dịch đường). Lượng sữa men thu hồi mỗi ngày là 3.267,01 lít và lượng khí $\text{CO}_2$ tự do thu được là 9.334,31 kg.
5. Quy trình thanh trùng bia lon trong máy tunnel diễn ra theo các chế độ nhiệt nào?
Thiết bị thanh trùng tunnel hoạt động theo 5 vùng phun nước tuần hoàn: Vùng 1 nâng nhiệt sơ bộ (35°C), Vùng 2 thanh trùng chính (65°C trong 20 phút để tiêu diệt vi sinh vật), Vùng 3 làm nguội (45°C), Vùng 4 làm mát (35°C), và Vùng 5 làm lạnh kết thúc (25°C). Tổng thời gian lưu của lon trong hầm thanh trùng là 45 phút.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế phân xưởng nấu nhà máy bia lên men bằng phương pháp hiện đại năng suất 95 triệu lít/năm" của tác giả Nguyễn Hòa Tân đã xây dựng hoàn chỉnh dây chuyền sản xuất bia lon 11°P với tỷ lệ phối liệu 80% malt đại mạch và 20% gạo thế liệu. Tác giả đã hoàn thành các bảng tính cân bằng vật chất chặt chẽ cho toàn bộ chu trình sản xuất từ 100 kg nguyên liệu ban đầu đến quy mô 1 ngày (307.443,37 lít bia) và cả năm (95 triệu lít bia). Đồng thời, đồ án đã lựa chọn và tính toán đồng bộ hệ thống thiết bị chuyên dụng cho phân xưởng nấu, đáp ứng các tiêu chuẩn công nghệ chế biến thực phẩm hiện đại. Bản đồ án đóng vai trò như một tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên và kỹ sư ngành công nghệ đồ uống.
