Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Giang (ngành Chế biến và bảo quản thực phẩm, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Hoàng Minh Quân) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật một phân xưởng sản xuất bia với năng suất 8 triệu lít/năm. Trong bối cảnh kinh tế - xã hội thời điểm nghiên cứu (năm 2009), bia là đồ uống lên men có độ cồn nhẹ, giá trị dinh dưỡng cao (1 lít bia cung cấp khoảng 250 kcal, tương đương 25 g thịt bò hoặc 125 g bánh mì, chứa các vitamin nhóm B như B1, B2, PP) và nhu cầu tiêu thụ tại Việt Nam cũng như khu vực châu Á đang trên đà gia tăng. Tại thị trường nội địa, các nhà máy bia hiện hữu tại địa phương chưa đáp ứng đầy đủ sức mua ngày càng lớn của phân khúc khách hàng bình dân và công nhân lao động.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được triển khai qua các nội dung cụ thể:

  1. Lập luận kinh tế - kỹ thuật để xác định địa điểm xây dựng và phân tích các điều kiện ngoại vi (giao thông, điện, than, nước, nguồn nhân lực, hợp tác công nghiệp).
  2. Lựa chọn và thuyết minh quy trình công nghệ sản xuất bia vàng sử dụng 40% nguyên liệu thay thế là gạo tẻ nội địa kết hợp 60% malt đại mạch.
  3. Tính toán kế hoạch sản xuất và cân bằng sản phẩm (cân bằng vật chất) cho toàn bộ quy trình công nghệ nhằm đạt sản lượng 8 triệu lít/năm.
  4. Tính toán và lựa chọn hệ thống thiết bị công nghệ chuyên dụng cho các phân xưởng chuẩn bị, nấu, lên men và hoàn thiện sản phẩm.
  5. Tính toán cân bằng năng lượng phụ trợ bao gồm nhu cầu hơi nước, nước cấp công nghệ - vệ sinh và phụ tải nhiệt lạnh.
  6. Thiết kế tổng mặt bằng xây dựng nhà máy, phân vùng chức năng và tính toán mạng lưới cung cấp điện (chiếu sáng và động lực).
  7. Đánh giá hiệu quả kinh tế thông qua xác định vốn đầu tư, chi phí vận hành, giá thành đơn vị và doanh thu - lợi nhuận dự kiến.
  8. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật về an toàn lao động, vệ sinh công nghiệp (CIP) và hệ thống xử lý nước thải sản xuất.

Đối tượng nghiên cứu là dây chuyền công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất hai dòng sản phẩm: bia chai dung tích nồng độ dịch đường 11°Bx (sản lượng 3 triệu lít/năm) và bia hơi nồng độ dịch đường 10°Bx (sản lượng 5 triệu lít/năm). Phạm vi không gian của đồ án được quy hoạch tại Khu công nghiệp Tiên Sơn, tỉnh Bắc Ninh; phạm vi thời gian vận hành nhà xưởng được xác định ở mức 250 ngày sản xuất/năm, chia thành 2 ca/ngày và 2 mẻ nấu/ca.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án vận dụng các cơ sở lý thuyết về hóa sinh thực phẩm, vi sinh vật học công nghiệp và kỹ thuật truyền nhiệt - truyền khối trong công nghệ sản xuất đồ uống lên men:

  • Khung lý thuyết và cơ sở sinh hóa: Lý thuyết thủy phân tinh bột và protein dưới tác dụng của hệ enzym nội tại trong malt (alpha-amylase, beta-amylase, protease) kết hợp enzym ngoại sinh thương phẩm; động học lên men yếm khí của nấm men bia chìm Saccharomyces carlsbergensis chuyển hóa đường có khả năng lên men thành cồn ethanol và khí CO2; hóa học chất đắng và tinh dầu hoa Houblon (chuyển hóa alpha-acid và beta-acid nhằm tạo vị đắng dịu và độ bền bọt); cơ chế keo tụ và lắng trong của phức hệ protein - polyphenol.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật:
    • Phương pháp cân bằng vật chất: Tính toán lượng nguyên liệu đầu vào, sản phẩm trung gian, bán thành phẩm và thành phẩm dựa trên định mức tổn thất thực tế qua 15 công đoạn sản xuất (từ khâu nghiền nguyên liệu đến dán nhãn, xuất xưởng) và hệ số chiết xuất của malt (độ ẩm 6%, độ hòa tan 80%) và gạo (độ ẩm 13%, độ hòa tan 78%).
    • Phương pháp tính toán thiết bị và nhiệt động học: Xác định thể tích làm việc, kích thước hình học, bề mặt truyền nhiệt và hệ số truyền nhiệt cho các thiết bị trao đổi nhiệt vỏ áo (nồi hồ hóa, nồi đường hóa, nồi nấu hoa) và thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản 2 cấp.
    • Phương pháp tính toán phụ tải điện và phụ tải phụ trợ: Xác định công suất chiếu sáng theo diện tích mặt sàn, phụ tải động lực theo công suất lắp đặt của động cơ máy móc, tính toán hệ số công suất $\cos\varphi$ và dung lượng bù; tính toán lượng hơi bão hòa cấp nhiệt cho các quá trình đun nấu, thanh trùng và lượng lạnh cần cung cấp để hạ nhiệt dịch đường, duy trì quá trình lên men và bảo quản bia thành phẩm.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu quy hoạch hạ tầng và địa chất thủy văn của Khu công nghiệp Tiên Sơn - Bắc Ninh; tài liệu kỹ thuật về các chế phẩm enzym của hãng Novo Nordisk (Termamyl 120L, Fungamyl 800L, Neutraza, Ultraflo, Maxturex L); định mức kinh tế - kỹ thuật ngành sản xuất bia công nghiệp tại Việt Nam.

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

Phần 1: Lập luận kinh tế

Phần 1 phân tích các điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội nhằm chứng minh tính khả thi của việc đặt phân xưởng sản xuất bia năng suất 8 triệu lít/năm tại Khu công nghiệp Tiên Sơn, tỉnh Bắc Ninh. Địa điểm này nằm trong tam giác tăng trưởng kinh tế Hà Nội – Hải Phòng – Quảng Ninh, có tổng diện tích quy hoạch 600 ha (đất công nghiệp cho thuê 310 ha, hạ tầng kỹ thuật hoàn thiện với tổng vốn 760 tỷ đồng). Phân xưởng tiếp giáp với Quốc lộ 1A cũ, đường liên tỉnh 295 và tuyến đường sắt quốc gia; cự ly vận chuyển thuận lợi tới Hà Nội (20 km), Sân bay Nội Bài (30 km), Cảng biển Hải Phòng (100 km) và Cửa khẩu Lạng Sơn (120 km).

Về nguồn cấp năng lượng và tài nguyên: điện năng được cung cấp từ Nhà máy nhiệt điện Phả Lại (cách 25 km) qua 2 trạm biến áp 110/22 kV (40 MVA và 63 MVA) của khu công nghiệp; than đá phục vụ lò hơi được vận chuyển trực tiếp từ Quảng Ninh; nguồn nước lấy từ trạm cấp nước ngầm của khu công nghiệp có công suất 6.500 m³/ngày đêm (đường kính ống dẫn 100–300 mm). Thị trường tiêu thụ mục tiêu tập trung vào lực lượng lao động công nghiệp và dân cư tại Bắc Ninh, Hà Nội ngoại thành, Hải Dương và Bắc Giang. Nguồn nguyên liệu malt được nhập khẩu hoặc mua từ Nhà máy sản xuất malt Tiên Sơn, gạo được thu mua tại chỗ, hoa Houblon nhập khẩu từ Đức hoặc Tiệp Khắc.

Phần 2: Lựa chọn và thuyết minh công nghệ sản xuất

Phần này xây dựng sơ đồ công nghệ chi tiết từ khâu chuẩn bị nguyên liệu đến đóng gói thành phẩm:

  • Chuẩn bị nguyên liệu: Malt đại mạch được làm sạch và nghiền khô bằng máy nghiền 4 trục nhằm giữ nguyên vỏ trấu tạo lớp màng lọc (tỷ lệ thành phẩm nghiền: bột mịn 35–40%, tấm 40–55%, vỏ 10–15%). Gạo tẻ được nghiền khô bằng máy nghiền búa đạt độ mịn cao (bột mịn $\ge$ 45%, tấm lớn 25%, tấm nhỏ 30%).
  • Công nghệ nấu dịch đường: Áp dụng phương pháp đường hóa toàn khối có bổ sung enzym để xử lý tỷ lệ nguyên liệu thay thế cao (40% gạo). Quá trình hồ hóa bột gạo thực hiện trong nồi đáy côn có cánh khuấy với tỷ lệ bột/nước là 1/5, bổ sung 10% malt lót và enzym chịu nhiệt Termamyl 120L ở các nấc nhiệt độ kiểm soát (bia chai: 45°C trong 5 phút, 63°C trong 30 phút, 95°C trong 30 phút, sôi 100°C trong 1 phút). Quá trình đường hóa hỗn hợp malt và cháo gạo thực hiện với tỷ lệ bột malt/nước là 1/4, sử dụng enzym Neutraza, Fungamyl và Ultraflo qua các nấc nhiệt độ 45°C, 52°C, 63°C, 73°C và kết thúc ở 78°C khi dịch đường mất màu hoàn toàn với dung dịch iod.
  • Lọc dịch đường và nấu hoa: Tách bã malt bằng thùng lọc đáy bằng có lớp đáy giả và rửa bã 3 lần bằng nước nóng 78°C. Quá trình nấu hoa Houblon hóa kéo dài ở nhiệt độ sôi 101–102°C, chia làm 2 lần nạp: 50% hoa viên (10% $\alpha$-acid đắng) nạp ngay đầu giai đoạn nấu; 50% hoa cánh (5% $\alpha$-acid đắng) cho vào giỏ hoa nạp trước khi kết thúc đun sôi 20 phút nhằm giữ lại tinh dầu thơm.
  • Lắng xoáy và làm lạnh: Tách cặn thô và kết tủa protein - polyphenol bằng thùng lắng xoáy Whirlpool (bơm dịch tiếp tuyến ở vị trí 1/4 thân thùng, để lắng 20 phút hạ nhiệt xuống 90°C). Làm lạnh nhanh dịch đường xuống nhiệt độ lên men qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản 2 cấp: cấp 1 dùng nước lạnh 16°C hạ xuống 55–60°C; cấp 2 dùng chất tải lạnh glycol hạ tiếp xuống 10°C, sau đó sục khí nén vô trùng để cung cấp oxy cho nấm men.
  • Công nghệ lên men: Sử dụng chủng nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis trong thiết bị lên men thân trụ đáy côn một pha (kết hợp lên men chính và phụ trong cùng một tank kín). Lên men chính diễn ra ở 11–12°C trong 7 ngày dưới áp suất 1–1,2 kg/cm², kết thúc khi nồng độ đường còn 3,0%. Lên men phụ và tàng trữ tiến hành ở 2°C trong 10 ngày dưới áp suất 1,3–1,5 kg/cm² nhằm bão hòa CO2 tự nhiên và khử diaxetyl xuống mức $\le$ 0,2 mg/l. Nấm men sữa sau thu hồi được rửa bằng nước vô trùng 0–4°C hoặc tinh chế bằng dung dịch H2SO4 1% - NaOH 1%, tái sử dụng ổn định đến đời thứ 6.
  • Hoàn thiện sản phẩm: Lọc trong bia qua máy lọc đĩa sử dụng bột trợ lọc diatomit (tỷ lệ 1,2 g/lít đối với bia chai; 1,0 g/lít đối với bia hơi) ở 0°C, áp suất $\le$ 4 kg/cm². Bão hòa bổ sung CO2 đạt tiêu chuẩn (bia chai 4,5 g/lít; bia hơi 3,5 g/lít). Chiết bock đẳng áp đối với bia hơi. Chiết chai thủy tinh bằng máy chiết tự động dập nắp vương miện (nắp thép 21 bánh răng), sau đó thanh trùng trong hầm Tunel 3 vùng nhiệt độ (Vùng 1: 45°C/20 phút; Vùng 2: 65°C/20 phút; Vùng 3: 35°C/20 phút), dán nhãn và đóng thùng xuất xưởng.
Nồi đun hoa Houblon (50% hoa viên + 50% hoa cánh; 101-102°C)
Thùng lắng xoáy Whirlpool (Tách cặn thô, hạ về 90°C)
Thiết bị làm lạnh tấm bản 2 cấp (Hạ nhiệt xuống 10°C + Sục khí sạch)
Tank lên men trụ đáy côn (Men chìm S. carlsbergensis, lên men 1 pha: Chính 11-12°C -> Phụ 2°C)
Máy lọc đĩa trợ lọc Diatomit (0°C, áp suất <= 4 kg/cm2)
Tank bão hòa CO2 (0°C; đạt 3,5 g/l cho bia hơi, 4,5 g/l cho bia chai)
Chiết bock đẳng áp (Bia hơi 10°Bx)        Chiết chai & Dập nắp 21 răng (Bia chai 11°Bx)
Xuất xưởng sản phẩm                          Hầm thanh trùng Tunel (45°C - 65°C - 35°C)
                                             Dán nhãn mâm quay & Đóng thùng

Phần 3: Tính cân bằng sản phẩm

Tác giả lập kế hoạch phân bổ sản lượng theo 4 quý trong năm nhằm thích ứng với biến động nhu cầu thời tiết tại miền Bắc:

Hạng mục sản xuất Quý I Quý II Quý III Quý IV Tổng cộng cả năm
Bia chai 11°Bx (triệu lít) 1,0 0,5 0,5 1,0 3,0
Bia hơi 10°Bx (triệu lít) 1,0 3,0 3,0 1,0 5,0
Tổng sản lượng (triệu lít) 2,0 3,5 3,5 2,0 8,0

Mùa sản xuất cao điểm được xác định ở Quý II và Quý III (3,5 triệu lít/quý). Do Quý II có 75 ngày làm việc thực tế nên cường độ sản xuất đạt giá trị cực đại: 44.872 lít/ngày, tương ứng 11.218 lít bia thành phẩm cho mỗi mẻ nấu (4 mẻ/ngày). Dựa trên tỷ lệ hao hụt qua 15 công đoạn kỹ thuật (tổng tổn thất tích lũy từ khâu lắng trong đến xuất xưởng), các số liệu cân bằng vật chất tính toán cho 1 mẻ bia chai 11°Bx được xác lập:

Thông số và chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị tính toán cho 1 mẻ nấu Đơn vị đo
Thể tích bia chai thành phẩm yêu cầu 11.218 Lít
Lượng dịch đường Houblon hóa 11°Bx tại khâu lắng trong ($d = 1,042\text{ kg/m}^3$) 12.828 Lít
Khối lượng dịch đường Houblon hóa tại khâu lắng trong 13.366,78 kg
Tổng lượng chất chiết hòa tan có trong dịch đường Houblon hóa 1.470,34 kg
Tổng lượng chất chiết cần cung cấp từ nguyên liệu thô ban đầu 1.531,32 kg
Khối lượng malt đại mạch cần sử dụng (tỷ lệ 60%) 1.225 kg
Khối lượng gạo tẻ thay thế cần sử dụng (tỷ lệ 40%) 900 kg
Lượng bã malt khô tạo thành 229,15 kg
Lượng bã gạo khô tạo thành 171,40 kg
Tổng khối lượng bã ẩm thải ra sau lọc (độ ẩm bã 80%) 2.003,00 kg
Lượng chế phẩm hoa viên (10% $\alpha$-acid đắng) 6,00 kg
Lượng chế phẩm hoa cánh (5% $\alpha$-acid đắng) 4,00 kg
Thể tích nấm men giống thuần chủng cấy ban đầu (tỷ lệ 10%) 1.213,20 Lít
Thể tích men sữa tái sinh cấy bổ sung (tỷ lệ 1%) 121,32 Lít
Thể tích nước cấp cho nồi hồ hóa 4.930 Lít
Thể tích nước cấp cho nồi đường hóa 4.516 Lít

Phần 4: Tính và chọn thiết bị

Phần 4 xác định thông số kích thước, kết cấu cơ khí và số lượng thiết bị lắp đặt cho từng công đoạn:

  • Phân xưởng chuẩn bị và nấu: Xilo chứa hạt, gầu tải, cân định lượng, máy nghiền malt 4 trục, máy nghiền búa cho gạo; nồi hồ hóa thân trụ đáy côn bọc vỏ áo truyền nhiệt; nồi đường hóa có cánh khuấy; thùng lọc đáy bằng; nồi đun hoa Houblon kèm diện tích bề mặt truyền nhiệt hơi bão hòa; thùng lắng xoáy Whirlpool; thiết bị làm lạnh nhanh dịch đường dạng tấm bản 2 cấp trao đổi nhiệt; thùng đun nước nóng; trạm vệ sinh tẩy rửa tại chỗ CIP phân xưởng nấu.
  • Phân xưởng lên men: Hệ thống tank lên men thân trụ đáy côn bọc bảo ôn cách nhiệt; thùng nhân giống nấm men cấp 1 và cấp 2; thiết bị rửa men sữa bằng nước lạnh; máy lọc bia dạng đĩa trợ lọc diatomit; thiết bị bão hòa CO2 qua hệ thống nạp xốp rỗng; trạm CIP phân xưởng lên men.
  • Phân xưởng hoàn thiện: Máy rửa chai thủy tinh băng chuyền nhiều khoang ngâm kiềm; máy kiểm tra chai bằng tia tử ngoại; tổ hợp máy chiết chai và dập nắp vương miện tự động; hầm thanh trùng Tunel; máy dán nhãn mâm quay; hệ thống máy chiết bock bia hơi đẳng áp.

Phần 5: Tính hơi, nước và phụ tải nhiệt lạnh

Tác giả thực hiện tính toán các dòng năng lượng phụ trợ cung cấp cho phân xưởng:

  • Nhu cầu hơi: Lượng nhiệt hơi bão hòa cấp cho nồi hồ hóa (nâng nhiệt lên 100°C), nồi đường hóa (nâng nhiệt qua các nấc enzyme), nồi nấu hoa (đun sôi bay hơi 10% nước), thùng đun nước nóng 78°C; nhu cầu hơi cho hầm thanh trùng bia chai Tunel, máy rửa chai và hệ thống tiệt trùng đường ống, thiết bị sản xuất.
  • Nhu cầu nước: Lượng nước đi trực tiếp vào sản phẩm bia; nước rửa bã và ngâm malt - gạo; nước làm mát tuần hoàn cho máy nén lạnh; nước vệ sinh thiết bị, sàn nhà xưởng và đường ống; nước cấp vệ sinh tank lên men, bồn bão hòa CO2; nước rửa bock và rửa chai; nước cấp bổ sung cho lò hơi.
  • Phụ tải nhiệt lạnh: Lượng nhiệt lạnh cần để hạ nhiệt độ dịch đường Houblon hóa từ 90°C xuống 10°C; nhiệt lạnh bù trừ nhiệt sinh ra do quá trình chuyển hóa yếm khí của nấm men trong lên men chính và giữ ổn định ở 11–12°C; nhiệt lạnh bù tổn thất qua lớp vỏ cách nhiệt của tank; nhiệt lạnh để hạ dịch bia non từ lên men chính xuống nhiệt độ lên men phụ (2°C) và tàng trữ; phụ tải lạnh cho phòng nuôi cấy men giống, bảo quản men sữa (0–4°C) và làm lạnh bia thành phẩm tại bồn chứa trước khi chiết rót.

Phần 6: Tính xây dựng và tính điện

Nội dung phần này xác định quy hoạch không gian và mạng lưới điện:

  • Quy hoạch tổng mặt bằng: Phân chia thành 4 phân khu chức năng gồm: (1) Vùng sản xuất chính (phân xưởng nấu, phân xưởng lên men, phân xưởng chiết - hoàn thiện, kho nguyên liệu, kho thành phẩm); (2) Vùng phụ trợ sản xuất (trạm lò hơi, trạm máy nén lạnh, trạm biến áp, xưởng cơ điện); (3) Vùng công trình phụ và nhiễm bẩn (khu tập kết bã thải, trạm xử lý nước thải, nhà vệ sinh chung); (4) Khu vực giao thông nội bộ (đường chính 2 làn xe rộng 37 m, đường nhánh 28 m, vỉa hè 6 m bố trí hành lang kỹ thuật ngầm).
  • Tính toán mạng lưới điện: Xác định phụ tải điện chiếu sáng công nghiệp cho từng phân xưởng; tính toán phụ tải động lực cấp điện cho các động cơ máy nghiền, cánh khuấy, bơm dịch, máy nén khí, băng tải; xác định hệ số công suất $\cos\varphi$ của toàn nhà máy, tính toán dung lượng tụ bù để nâng cao hệ số công suất và tính tổng điện năng tiêu thụ hàng năm cho toàn phân xưởng.

Phần 7: Tính kinh tế

Tác giả tổng hợp các chỉ tiêu tài chính và giá thành sản phẩm:

  • Vốn đầu tư xây dựng các hạng mục công trình cơ bản và chi phí mua sắm, lắp đặt máy móc thiết bị chuyên dùng.
  • Tính toán giá thành sản xuất đơn vị cho 1 lít bia chai và 1 lít bia hơi dựa trên chi phí nguyên liệu chính (malt, gạo), nguyên liệu phụ (hoa Houblon, hóa chất, enzym, nắp, nhãn, chai), chi phí tiền lương cán bộ - công nhân, chi phí năng lượng động lực (điện, than, nước) và khấu hao tài sản cố định nhà xưởng - thiết bị.
  • Xác định doanh thu dự kiến, doanh thu thuần sau thuế và lợi nhuận thuần hàng năm của phân xưởng để đánh giá tính khả thi về mặt tài chính.

Phần 8: Vệ sinh và an toàn lao động

Phần cuối cùng đưa ra các quy phạm vận hành an toàn:

  • Vệ sinh cá nhân, vệ sinh công nghiệp và quy trình CIP thiết bị, bồn bể bằng nước nóng, dung dịch kiềm NaOH 96% và hóa chất khử trùng chuyên dụng.
  • An toàn lao động đối với hệ thống thiết bị áp lực (nồi hơi, bình tích áp, tank lên men, hệ thống bão hòa CO2), an toàn điện công nghiệp, hệ thống chống độc và thông gió phòng ngừa tích tụ khí CO2 tại khu vực lên men, an toàn phòng cháy chữa cháy.
  • Hệ thống xử lý nước thải: nhận diện các nguồn thải ô nhiễm cao (nước thải vệ sinh bồn lên men chứa xác nấm men, nước rửa bã nấu, nước kiềm rửa chai) và thiết lập sơ đồ xử lý nước thải cơ học - sinh học nhằm đưa các chỉ tiêu BOD, COD, chất rắn lơ lửng về giới hạn quy chuẩn trước khi xả vào hệ thống thoát nước chung của khu công nghiệp.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đưa ra các kết quả tính toán kỹ thuật cụ thể cho quy mô 8 triệu lít/năm:

  • Xác lập định mức vật tư chuẩn cho 1 mẻ nấu bia chai 11°Bx (thể tích 11.218 lít thành phẩm): sử dụng 1.225 kg malt đại mạch kết hợp 900 kg gạo tẻ (thay thế 40%), tiêu hao 6 kg hoa viên và 4 kg hoa cánh để đạt độ đắng mục tiêu 22 mg/lít với hiệu suất trích ly chất đắng 30%; lượng bã ẩm thải ra là 2.003 kg/mẻ (tận dụng bán cho nhà máy thức ăn gia súc).
  • Các chỉ tiêu kỹ thuật của bia thành phẩm đáp ứng tiêu chuẩn bia vàng: độ cồn bia chai đạt 4,5% thể tích; hàm lượng diaxetyl $\le$ 0,2 mg/l; hàm lượng CO2 đạt 4,5 g/lít đối với bia chai và 3,5 g/lít đối với bia hơi; độ bền bọt và độ trong quang học ổn định.
  • Về mặt giải pháp công nghệ, tác giả giải quyết việc thay thế 40% malt bằng gạo thông qua quy trình đường hóa toàn khối có bổ sung enzym (Termamyl 120L, Fungamyl 800L, Neutraza, Ultraflo), khắc phục sự thiếu hụt enzym tự nhiên và hiện tượng dịch cháo bị nhớt.
  • Tối ưu hóa chu trình sản xuất bằng việc áp dụng tank trụ đáy côn lên men một pha (kết hợp cả lên men chính và lên men phụ trong cùng một thiết bị), giúp giảm diện tích mặt bằng xây dựng, giảm lao động thủ công và hạn chế nguy cơ nhiễm tạp.
  • Xây dựng quy trình xử lý, thu hồi và tái sử dụng men sữa S. carlsbergensis đến đời thứ 6 với tỷ lệ gieo cấy 1% (tiết kiệm 50% nhu cầu men giống sản xuất so với việc nhân giống thuần chủng liên tục).

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế: Các bảng tính toán cân bằng vật chất và năng lượng trong đồ án tập trung chi tiết chủ yếu vào dòng sản phẩm bia chai 11°Bx trong chu kỳ sản xuất cao điểm (Quý II và Quý III); các tính toán cho sản phẩm bia hơi 10°Bx chủ yếu mang tính chất khái toán kế hoạch. Phương án cấp nhiệt dựa hoàn toàn vào lò hơi đốt than truyền thống, chưa tích hợp các giải pháp tận dụng nhiệt thừa từ khâu đun sôi hoa Houblon để gia nhiệt sơ bộ cho nước cấp nấu. Các số liệu đánh giá về giá thành và xử lý nước thải dựa trên các hệ số định mức lý thuyết, chưa có dữ liệu kiểm chứng qua đo đạc vận hành thực nghiệm.
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu nâng cao tỷ lệ nguyên liệu thay thế vượt mức 40% hoặc khảo sát sử dụng các nguồn tinh bột phụ trợ khác; thiết kế bổ sung hệ thống thu hồi và tinh chế khí CO2 sinh ra từ quá trình lên men chính để tự cung cấp cho công đoạn bão hòa và chiết rót đẳng áp; nghiên cứu ứng dụng hệ thống trao đổi nhiệt thu hồi năng lượng khép kín cho phân xưởng nấu.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ thực phẩm, Kỹ thuật sinh học, Chế biến và bảo quản thực phẩm khi thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về thiết kế nhà máy/phân xưởng sản xuất bia và đồ uống lên men.
  • Kỹ sư công nghệ và cán bộ kỹ thuật tại các cơ sở chế biến thực phẩm quy mô vừa và nhỏ: có thể tham khảo phương pháp tính toán cân bằng vật chất chi tiết cho mẻ nấu có tỷ lệ gạo thay thế cao, các chế độ nhiệt đường hóa có enzym, công thức tính phụ tải nhiệt lạnh cho hệ thống tank trụ đáy côn và quy trình vận hành làm sạch CIP.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu chính trong đồ án được thiết kế như thế nào và giải pháp công nghệ nào được dùng để xử lý tỷ lệ này? Đồ án sử dụng tỷ lệ 60% malt đại mạch vàng (vụ xuân 2 hàng) và 40% gạo tẻ nội địa làm nguyên liệu thay thế giàu tinh bột. Do tỷ lệ gạo cao làm giảm nồng độ enzym tự nhiên của malt và tăng độ nhớt dịch cháo, tác giả lựa chọn phương pháp đường hóa toàn khối và bổ sung các chế phẩm enzym ngoại sinh: Termamyl 120L ở giai đoạn hồ hóa; Neutraza, Fungamyl 800L và Ultraflo ở giai đoạn đường hóa.

2. Các thông số nhiệt độ, thời gian và áp suất trong công nghệ lên men một pha được quy định ra sao? Quá trình lên men được tiến hành trong tank trụ đáy côn: Lên men chính duy trì ở nhiệt độ 11–12°C trong 7 ngày, áp suất kiểm soát 1–1,2 kg/cm², kết thúc khi nồng độ đường sót hạ xuống 3,0%. Lên men phụ và tàng trữ tiến hành ở 2°C trong 10 ngày, áp suất 1,3–1,5 kg/cm²; sau 24 giờ lên men phụ tiến hành xả thu hồi men sữa (xả 3 lần); kết thúc quá trình khi đường sót còn 2,5–2,7% và nhiệt độ được hạ xuống 0°C.

3. Chủng nấm men nào được lựa chọn và quy trình quản lý men sữa tái sinh được thiết kế như thế nào? Tác giả sử dụng chủng nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis. Men sữa sau lên men chính được thu hồi từ lớp lắng ở giữa, rửa sạch bằng nước vô trùng ở nhiệt độ 0–4°C (hoặc xử lý bằng dung dịch H2SO4 1% và trung hòa bằng NaOH 1% nếu có dấu hiệu nhiễm tạp), sau đó hoạt hóa trong dịch đường lạnh theo tỷ lệ men/dịch là 1/5 ở 12–14°C trong 2–3 giờ. Men sữa được tái sử dụng đến đời thứ 6 với tỷ lệ bổ sung 1% thể tích dịch lên men.

4. Khối lượng nguyên liệu và chế phẩm hoa Houblon cần thiết để sản xuất một mẻ bia chai (11.218 lít) là bao nhiêu? Để hoàn thành 1 mẻ bia chai thành phẩm dung tích 11.218 lít (tương ứng 12.828 lít dịch Houblon hóa 11°Bx tại khâu lắng trong), phân xưởng cần tiêu tốn 1.225 kg malt đại mạch, 900 kg gạo, 6 kg hoa viên (10% $\alpha$-acid đắng) và 4 kg hoa cánh (5% $\alpha$-acid đắng), đảm bảo độ đắng thành phẩm đạt 22 mg/lít với hiệu suất trích ly chất đắng là 30%.

5. Thiết bị và chế độ vận hành công đoạn thanh trùng bia chai được lựa chọn như thế nào? Tác giả chọn phương pháp thanh trùng trong bao bì sử dụng thiết bị hầm thanh trùng Tunel dạng băng tải. Quá trình thanh trùng chai thủy tinh diễn ra liên tục qua 3 vùng nhiệt độ: Vùng 1 nâng nhiệt sơ bộ ở 45°C trong 20 phút; Vùng 2 thanh trùng chính ở 65°C trong 20 phút; Vùng 3 làm nguội hạ nhiệt xuống 35°C trong 20 phút nhằm tiêu diệt triệt để nấm men còn sót và tạp khuẩn mà không làm biến tính cảm quan của bia.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Giang đã thiết kế hoàn chỉnh một phân xưởng sản xuất bia năng suất 8 triệu lít/năm tại Khu công nghiệp Tiên Sơn, tỉnh Bắc Ninh, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ chế biến thực phẩm. Nghiên cứu giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật thông qua giải pháp thay thế 40% malt bằng gạo nội địa có sử dụng chế phẩm enzym, tính toán cân bằng sản phẩm chi tiết cho từng mẻ nấu và lựa chọn hệ thống thiết bị hiện đại như nồi lắng xoáy Whirlpool, thiết bị làm lạnh tấm bản và tank lên men trụ đáy côn một pha. Toàn bộ hồ sơ tính toán từ công nghệ, cân bằng nhiệt - lạnh, thiết kế mặt bằng xây dựng, mạng lưới điện đến phương án xử lý môi trường tạo nên một tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao cho lĩnh vực sản xuất bia công nghiệp.