Tài liệu THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG LÊN MEN BIA NĂNG SUẤT 30 TRIỆU LÍTNĂM

Trƣờng Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh Khoa Kỹ thuật Hóa học BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  Đồ án môn học THIẾT KẾ PHÂN XƢỞNG LÊN MEN BIA NĂNG SUẤT 30 TRIỆU LÍT/NĂM GVHD : PGS., TS. Đống Thị Anh Đào Sinh vieân : Leâ Anh Dũng MSSV : 60700417 Naêm hoïc : 2010 – 2011 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ v LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................... 2 1.1 Giới thiệu về bia ............................................................................................... 2 1.2 Malt đại mạch ................................................................................................... 2 1.3 Thế liệu ............................................................................................................ 4 1.3.1 Mục đích ................................................................................................... 4 1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật của thế liệu ..................................................................... 4 1.3.3 Chọn thế liệu ............................................................................................. 4 1.3.4 Chỉ tiêu chất lƣợng gạo dùng sản xuất bia .................................................. 5 1.4 Houblon ............................................................................................................ 5 1.5 Nƣớc................................................................................................................. 7 1.6 Nấm men .......................................................................................................... 7 1.7 Các chất phụ gia ............................................................................................... 8 CHƢƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ .................................................................... 9 2.1 Quy trình công nghệ ......................................................................................... 9 2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ.................................................................... 10 2.2.1 Tách tạp chất của malt và gạo .................................................................. 10 2.2.2 Nghiền malt và gạo .................................................................................. 10 2.2.3 Xử lý thế liệu ........................................................................................... 11 2.2.4 Nấu dịch nha............................................................................................ 12 2.2.5 Lọc dịch nha ............................................................................................ 14 2.2.6 Đun sôi dịch hoa với hoa houblon ............................................................ 15 2.2.7 Tách bã houblon ...................................................................................... 17 2.2.8 Làm lạnh dịch nha ................................................................................... 17 2.2.9 Cung cấp oxy cho dịch nha và cấy giống nấm men .................................. 18 2.2.10 Lên men chính ......................................................................................... 18 2.2.11 Lên men phụ ............................................................................................ 20 2.2.12 Lọc bia .................................................................................................... 21 2.2.13 Làm lạnh bia ............................................................................................ 21 2.2.14 Bão hòa CO2 ............................................................................................ 22 ii 2.2.15 Rót bia và đóng nắp ................................................................................. 22 2.2.16 Thanh trùng ............................................................................................. 23 2.2.17 Dán nhãn ................................................................................................. 23 2.3 Chỉ tiêu chất lƣợng sản phẩm .......................................................................... 23 2.3.1 Yêu cầu về cảm quan ............................................................................... 23 2.3.2 Yêu cầu về hóa học .................................................................................. 23 2.3.3 Giới hạn hàm lƣợng kim loại nặng ........................................................... 24 2.3.4 Yêu cầu về vi sinh vật .............................................................................. 24 CHƢƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT ...................................................................... 25 3.1 Thông số của nguyên liệu ban đầu .................................................................. 25 3.2 Tính cho phân xƣởng nấu ................................................................................ 25 3.2.1 Đối với malt............................................................................................. 25 3.2.2 Đối với gạo .............................................................................................. 25 3.2.3 Tổng cộng................................................................................................ 25 3.3 Tính cho phân xƣởng lên men ......................................................................... 26 3.3.1 Thông số ban đầu ..................................................................................... 26 3.3.2 Tính cân bằng vật chất cho 100 lít bia ...................................................... 26 3.4 Tính cho một năm ........................................................................................... 26 3.4.1 Lƣợng nguyên liệu sử dụng cho 1 mẻ....................................................... 27 3.4.2 Lƣợng nguyên liệu sử dụng cho 1 ngày .................................................... 27 3.4.3 Lƣợng nguyên liệu sử dụng cho 1 năm..................................................... 27 3.4.4 Thể tích nguyên liệu chiếm chỗ trong 1 mẻ .............................................. 27 3.4.5 Lƣợng dịch đƣờng đun sôi trong 1 mẻ...................................................... 28 3.4.6 Lƣợng bia thu đƣợc sau quá trình lọc ....................................................... 28 3.4.7 Lƣợng bia thành phẩm ............................................................................. 28 3.4.8 Lƣợng nƣớc sử dụng ................................................................................ 28 3.4.9 Các phụ phẩm .......................................................................................... 29 3.4.10 Số chai..................................................................................................... 29 3.4.11 Số két, pallet ............................................................................................ 30 3.4.12 Số nắp...................................................................................................... 30 3.4.13 Lƣợng diatomit trong quá trình lọc bia ..................................................... 30 3.4.14 Phụ liệu trong quá trình vệ sinh thiết bị .................................................... 30 3.4.15 Phụ liệu trong quá trình rửa chai .............................................................. 30 iii CHƢƠNG 4: TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ .................................................................. 31 4.1 Phân xƣởng lên men ....................................................................................... 31 4.1.1 Thiết bị làm lạnh ...................................................................................... 31 4.1.2 Tank lên men ........................................................................................... 31 4.1.3 Thiết bị ở phòng xử lý men ...................................................................... 32 4.1.4 Thiết bị lọc .............................................................................................. 33 4.1.5 Thiết bị làm lạnh bia nhanh ...................................................................... 34 4.1.6 Thiết bị bão hòa CO2 ............................................................................... 35 4.1.7 Tank tàng trữ bia...................................................................................... 35 4.2 Phân xƣởng chiết ............................................................................................ 36 4.2.1 Bơm bia từ thùng tàng trữ đến hệ thống chiết ........................................... 36 4.2.2 Thiết bị gắp chai ...................................................................................... 36 4.2.3 Thiết bị rửa chai....................................................................................... 36 4.2.4 Thiết bị đóng nắp ..................................................................................... 37 4.2.5 Thiết bị thanh trùng ................................................................................. 37 4.2.6 Thiết bị dán nhãn ..................................................................................... 37 CHƢƠNG 5: XÂY DỰNG PHÂN XƢỞNG LÊN MEN.............................................. 38 5.1 Phòng nuôi cấy và xử lý men .......................................................................... 38 5.2 Khu vực lên men............................................................................................. 38 5.3 Khu vực hoàn thiện bia ................................................................................... 39 5.4 Khu vực tàng trữ bia ....................................................................................... 40 5.5 Khu vực chiết rót bia....................................................................................... 41 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 43 PHỤ LỤC....................................................................................................................... 44 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Thành phần hoá học của malt đại mạch ............................................................ 3 Bảng 1-2: Thành phần hóa học của gạo............................................................................. 5 Bảng 1-3: Thành phần hoá học của hoa houblon ............................................................... 5 Bảng 2-1: Yêu cầu cảm quan của bia .............................................................................. 23 Bảng 2-2: Yêu cầu đối với các chỉ tiêu hoá học của bia................................................... 23 Bảng 2-3: Giới hạn tối đa hàm lƣợng kim loại nặng của bia ............................................ 24 Bảng 2-4: Các chỉ tiêu vi sinh vật của bia ....................................................................... 24 Bảng 4-1: Thông số kỹ thuật của thiết bị làm lạnh .......................................................... 31 Bảng 4-2: Thông số kỹ thuật của tank lên men................................................................ 32 Bảng 4-3: Thông số kỹ thuật của thùng chứa nấm men bẩn............................................. 32 Bảng 4-4: Thông số kỹ thuật của thùng bảo quản nấm men sạch ..................................... 33 Bảng 4-5: Thông số kỹ thuật của thiết bị lên men giống .................................................. 33 Bảng 4-6: Thông số kỹ thuật của thiết bị lọc ................................................................... 34 Bảng 4-7: Thông số kỹ thuật của bơm............................................................................. 34 Bảng 4-8: Thông số kỹ thuật của thiết bị làm lạnh .......................................................... 34 Bảng 4-9: Thông số kỹ thuật của máy bão hòa CO2 ........................................................ 35 Bảng 4-10: Thông số kỹ thuật của tank tàng trữ bia ........................................................ 35 Bảng 4-11: Thông số kỹ thuật của bơm (từ tank tàng trữ đến bộ phận chiết) ................... 36 Bảng 4-12: Thông số kỹ thuật của thiết bị gắp chai ......................................................... 36 Bảng 4-13:: Thông số kỹ thuật của thiết bị rửa chai ........................................................ 36 Bảng 4-14: Thông số kỹ thuật của thiết bị đóng nắp........................................................ 37 Bảng 4-15: Thông số kỹ thuật của thiết bị thanh trùng .................................................... 37 Bảng 4-16: Thông số kỹ thuật của thiết bị dán nhãn ........................................................ 37 v Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia LỜI MỞ ĐẦU Bia là một loại đồ uống có độ cồn thấp giàu chất dinh dƣỡng có hƣơng thơm đặc trƣng,vị đắng dịu lớp bọt trắng mịn với hàm lƣợng CO2 5 – 6 g/l ngoài việc cung cấp một lƣợng calorie khá lớn trong bia còn chứa hệ enzyme khá phong phú, đặc biệt là nhóm enzyme kích thích tiêu hóa amylase giúp con ngƣời giải khát một cách triệt để khi uống. Vì vậy bia là loại đồ uống hiện rất đƣợc ƣa chuộng ở nƣớc ta cũng nhƣ trên thế giới. Theo báo Tuổi Trẻ số ra ngày 25/5/2011 cho biết: Lƣợng bia tiêu thụ trong năm 2010 là 2,5 tỉ lít. Trong đó, có những thƣơng hiệu đạt con số tiêu thụ 1 tỉ lít/năm. Dự kiến năm 2015 lƣợng bia tiêu thụ sẽ đạt 4 tỉ lít/năm. Do tốc độ tiêu thụ bia tăng nhanh nên nhiều nhà máy bia có công suất hàng trăm triệu lít/năm “đua” nhau đi vào hoạt động. Trong đó, Sabeco đã đƣa vào hoạt động ba nhà máy sản xuất bia tại Quảng Ngãi và Hà Nam với tổng công suất xấp xỉ 300 triệu lít/năm cho loại bia lon và bia hơi. Sabeco còn có dự án nâng công suất nhà máy bia Sài Gòn - Củ Chi lên 264 triệu lít, dự án nhà máy bia Sài Gòn - Vĩnh Long công suất 200 triệu lít/năm, nhà máy bia Sài Gòn - Hà Tĩnh công suất 50 triệu lít bia/năm, nhà máy bia Sài Gòn Ninh Thuận công suất 50 triệu lít bia/năm. Theo công bố của Sabeco, doanh nghiệp này đã hoạch định mục tiêu tăng trƣởng sản xuất giai đoạn 2011-2015 có tốc độ tăng trƣởng bình quân giá trị sản xuất công nghiệp đạt 14-16%/năm, sản lƣợng bia tăng 13-15%/năm và sẽ đạt 1,8 tỉ lít vào năm 2015. Tham gia với cuộc chạy đua đầu tƣ bia với các doanh nghiệp trong nƣớc còn có các doanh nghiệp nƣớc ngoài. Những năm gần đây hàng loạt nhãn hiệu bia ngoại nhập khẩu đã đổ bộ vào thị trƣờng VN. Tại các siêu thị, cửa hàng bán lẻ... bia ngoại nhập đƣợc bày bán phổ biến nhƣ các thƣơng hiệu bia sản xuất trong nƣớc. Các loại bia nhƣ Corona, Budweiser, Bit Burger, Leffe Brown, Hoegaarden White, MOA, Cooper, Bavaria... xuất xứ Mexico, Đức, Bỉ, Hà Lan... đã trở nên quen thuộc với nhiều ngƣời, cho dù giá các loại bia này cao gấp 2-3 lần so với bia sản xuất trong nƣớc. Công ty trách nhiệm hữu hạn nhà máy bia Việt Nam (VBL) với thƣơng hiệu bia Heiniken dự kiến sẽ nâng công suất sản xuất bia của nhà máy tại quận 12 từ 280 triệu lít/năm lên 420 triệu lít/năm trong vòng 12 tháng tới. Từ các thông tin trên, ta thấy nhu cầu tiêu thụ bia trong cả nƣớc là rất lớn. Đây là một thị trƣờng rất giàu tiềm năng và cần tiếp tục khai thác. Trên cơ sở đó, em thực hiện đề tài: “Thiết kế phân xƣởng lên men bia năng suất 30 triệu lít/năm” với tỉ lệ malt : thế liệu gạo là 3 : 1. SVTH: Lê Anh Dũng Trang 1 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm CHƢƠNG 1: Thiết kế phân xƣởng lên men bia TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về bia Bia là một loại nƣớc giải khát có gas, có độ cồn rất thấp, giàu chất dinh dƣỡng, vị đắng và hƣơng thơm rất đặc trƣng. Bia là sản phẩm của quá trình lên men ethanol từ dịch nha, không qua chƣng cất, dịch nha đƣợc nấu từ malt đại mạch, các hạt giàu tinh bột, protein (nhƣ gạo, ngô, đại mạch…), hoa houblon và nƣớc. So với các loại thức uống khác bia có nhiều ƣu điểm nhƣ:  So với các loại rƣợu uống thì bia có nồng độ cồn rất thấp (2 – 6%). Do đó nếu sử dụng bia đúng mức sẽ giúp cơ thể cảm thấy thoải mái, dễ chịu và tăng sức lực cho cơ thể.  So với trà, cà phê thì bia không có chứa các kim loại có hại.  Bia là nguồn cung cấp năng lƣợng cho cơ thể, 1 lít bia có thể cung cấp 400 – 800 kcal.  Với hàm lƣợng CO2 khá cao (5 – 6 g/l), bia giúp cơ thể giảm nhanh cơn khát, kích thích quá trình tiêu hóa tốt hơn.  Khoảng 80% chất hòa tan trong bia là glucid, 8 – 10% là các hợp chất chứa nitơ, 3 – 4% là các chất khoáng. Ngoài ra trong bia còn có chất chát, chất đắng, glycerin, acid hữu cơ, một số vitamin nhƣ B1, B2, PP.  Ngoài ra, những nghiên cứu gần đây nhận thấy rằng nếu uống một lƣợng bia vừa phải mỗi ngày thì sẽ có tác dụng tốt cho tim mạch và não, giúp cơ thể hƣng phấn hơn và hiệu quả làm việc cao hơn. Nhờ có những ƣu điểm này mà bia đƣợc sản xuất ở khắp nơi trên thế giới với sản lƣợng và chất lƣợng ngày càng đƣợc nâng cao. 1.2 Malt đại mạch Malt đại mạch đƣợc xem là nguyên liệu chính sản xuất bia. Đại mạch là một loại ngũ cốc vùng ôn đới thuộc nhóm thực vật có hạt, lớp một lá mầm, họ hoà thảo.Đại mạch là loại thực vật một năm. Dựa vào mùa vụ chúng đƣợc chia thành 2 nhóm chính: đại mạch mùa đông (gieo hạt mùa đông, thu hoạch mùa hè), đại mạch mùa xuân (gieo hạt mùa xuân, thu hoạch mùa thu). Căn cứ vào sự sắp xếp hạt trên các bông đại mạch mà chia đại mạch thành 2 loại: SVTH: Lê Anh Dũng Trang 2 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia  Đại mạch 2 hàng: Chỉ có một hạt phát triển ở mỗi đốt vì các hoa nhỏ mọc bên cạnh không sinh sản, từ trên nhìn xuống chỉ có một hạt có thể nhìn thấy ở bên trái và bên phải. Hạt đại mạch to, đều đặn, vỏ trấu có nếp nhăn đều, mỏng. Các hạt rất đồng đều và hàm lƣợng chất hoà tan tƣơng đối cao. Hạt đại mạch 2 hàng trồng tốt nhất vào mùa xuân và chúng có tất cả các đặc điểm mong muốn trong sản xuất bia.  Đại mạch 6 hàng: có kích cỡ không đồng nhất, bởi vì các hạt thiếu không gian để phát triển đầy đủ, hàm lƣợng protease nhiều. Nên không thích hợp sử dụng sản xuất bia. Hạt đại mạch trải qua quá trình ngâm, ƣơm mầm sẽ trở thành hạt malt xanh, hạt malt xanh lại tiếp tục qua quá trình sấy khô và tách mầm sẽ thu đƣợc các hạt malt dùng cho sản xuất bia. Sau khi qua quá trình ƣơm mầm, các enzyme có trong hạt sẽ đƣợc hoạt hoá, đồng thời sản sinh ra một số enzyme mới. Bên cạnh đó, những cơ chất có phân tử lƣợng lớn nhƣ tinh bột, protein… trong hạt malt sẽ bị thuỷ phân một phần, giúp cho quá trình nấu sau này dễ dàng hơn. Bảng 1-1: Thành phần hoá học của malt đại mạch Thành phần Tinh bột % chất khô 58 – 60 Đƣờng sacharose 3–5 Đƣờng khử 3–4 Các đƣờng khác 2 6–8 Hemicellulose Cellulose 5 Lipid 2–3 Protein 8 – 11 Acid amin và peptit 3–4 Các hợp chất khác 6–7 Tro 2,2 Một số chỉ tiêu chất lƣợng đối với malt đại mạch:  Màu sắc : màu vàng nhạt  Mùi : mùi đặc trƣng  Độ sạch : hạt gãy < 0.5% tạp chất < 1%  Cỡ hạt SVTH: Lê Anh Dũng : > 85% hạt có kích thƣớc > 2.5 mm Trang 3 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm  Độ xốp : 82%  Độ ẩm : 5%  Thời gian đƣờng hóa : 10 – 15 phút  Hàm lƣợng chất chiết : 78%  Hoạt lực amylase : > 2500oWK  Chỉ số Kolbach : > 41%  Độ nhớt của dịch đƣờng : 1,3 – 1,5 cP  pH của dịch đƣờng : 5,5 – 6 Thiết kế phân xƣởng lên men bia 1.3 Thế liệu 1.3.1 Mục đích Giảm giá thành sản phẩm. Cải thiện một vài tính chất của sản phẩm. Tạo ra các sản phẩm bia có các mức chất lƣợng khác nhau. Theo đơn đặt hàng của ngƣời tiêu dùng 1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật của thế liệu Thế liệu phải dồi dào nguồn glucid. Vì vậy các loại ngũ cốc thƣờng đƣợc chọn làm thế liệu trong sản xuất bia. Khi sử dụng thế liệu, chất lƣợng của thế liệu sẽ ảnh hƣởng trực tiếp đến màu sắc, mùi vị của bia. Vì vậy phải quan tâm đến thành phần hóa học của thế liệu. 1.3.3 Chọn thế liệu Thế liệu là gạo do có những ƣu điểm sau:  Có sẵn ở thị trƣờng trong nƣớc với giá rẻ, chất lƣợng cao.  Với hàm lƣợng tinh bột khá cao, protein ở mức vừa phải còn chất béo và cellulose ở mức thấp, khả năng hòa tan tốt có thể đến 90% chất khô.  Trong nguyên liệu thay thế không có các enzyme thủy phân hoặc có rất ít và không hoàn chỉnh. Do đó khi sử dụng tỉ lệ nguyên liệu thay thế lớn thì phải bổ sung thêm chế phẩm enzyme nhằm nâng cao hiệu suất thủy phân trong khi nấu. SVTH: Lê Anh Dũng Trang 4 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia 1.3.4 Chỉ tiêu chất lượng gạo dùng sản xuất bia Đồng nhất về kích thƣớc Không có hạt mốc, mùi hôi. Màu sắc đồng nhất. Tạp chất  2%. Độ ẩm: 12 – 14 %. Độ trích ly: 75 – 85% Bảng 1-2: Thành phần hóa học của gạo Thành phần Tinh bột Protein Chất béo Cellulose Chất khoáng % chất khô 75 6–8 1 – 1,5 0,5 – 0,8 1 – 1,2 1.4 Houblon Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản có tầm quan trọng thứ hai sau malt trong sản xuất bia, hiện chƣa có nguyên liệu nào có thể thay thế đƣợc. Hoa houblon làm cho bia có vị đắng dịu, hƣơng thơm rất đặc trƣng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt, tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của bia. Các hợp chất có giá trị trong hoa phải kể đến chất đắng, polyphenol và tinh dầu thơm ngoài ra còn một số hợp phần khác. Houblon là dạng cây leo (tên khoa học là Humulus iupulus), cao 5 – 7 m, thƣờng chỉ sử dụng hoa cái chƣa thụ phấn trong sản xuất bia. Bảng 1-3: Thành phần hoá học của hoa houblon Thành phần Độ ẩm  - acid  - acid Tinh dầu Polyphenol Protein Lipide Cellulose Pectin Tro SVTH: Lê Anh Dũng % chất khô 10 – 11 2 – 12 2 – 10 0,5 – 2 2–5 12 – 18 2–4 40 – 50 1–2 1–2 Trang 5 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia Trong các cấu tử trên thì có giá trị nhất đối với công nghệ sản xuất bia là chất đắng (acid, -acid tinh dầu thơm và thứ ba là polyphenol.  Chất đắng: Là thành phần có giá trị nhất của hoa houblon. Làm cho bia có vị đắng dịu, tạo ra một đặc tính cảm quan rất đặc biệt của bia. Khi hòa tan vào dịch đƣờng và tồn tại trong bia, chất đắng là những hợp chất có hoạt tính sinh học cao tạo ra sức căng bề mặt giúp cho bia có khả năng giữ bọt lâu. Với nồng độ thấp các chất đắng cũng có khả năng ức chế rất mạnh các vi sinh vật, vì chúng có tính kháng khuẩn rất cao và do đó làm tăng độ bền của bia thành phẩm. - -acid: gồm humulone (35-70%), cohumulone (20-55%), adhumulone (10-15%), prehomulone (1-10%) và posthumulone (1-5%). - -acid: gồm lupulone (30-55%), colupulone (20-55%), adlupulone (5-10%), prelupulone (1-3%), postlupulone (7% ). - -acid có độ đắng thấp hơn -acid nhƣng độ hoà tan lại tốt hơn. Do vậy, khi trích ly quan tâm đến -acid nhiều hơn.  Tinh dầu: hơn 200 chất (terpen, ether, hợp chất chứa lƣu huỳnh…) tạo cho bia có một mùi thơm đặc trƣng, rất nhẹ nhàng và dễ chịu.  Polyphenol: dùng để kết lắng và loại bỏ các hợp chất protid cao phân tử ra khỏi dịch đƣờng, làm ổn định thành phần và tăng độ bền keo của bia thành phẩm. Các dạng sản phẩm hoa houblon:  Hoa tƣơi: có độ ẩm cao(75 – 80%), khó bảo quản nên ít sử dụng.  Hoa khô: Hoa tƣơi đƣợc sấy khô ở nhiệt độ nhỏ hơn 55oC, đến độ ẩm 8-10%. Thƣờng đƣợc bào quản ở nhiệt độ 0oC, trong kho kín để hạn chế mất mùi.  Bột hoa khô: Hoa khô đƣợc sấy về độ ẩm 4 – 6%, sau đó nghiền, rây (2 – 8 mm), cuối cùng bao gói trong bao bì chân không hoặc sử dụng CO2 hay N2.  Hoa viên: dùng bột hoa khô tiến hành định hình tạo viên.  Cao hoa: dùng một số dung môi hữu cơ thích hợp (ethanol, chlorua methylene, hexane, CO2 lỏng…) để trích ly chất đắng trong hoa ra. Sau đó dùng biện pháp thích hợp tách dung môi ra thu đƣợc dung dịch đậm đặc chất đắng đem cô đặc ta đƣợc hoa cao. Hàm lƣợng chất đắng trong cao hoa nhiều hơn, sử dụng thuận tiện hơn và hiệu quả hơn. Giá trị chất đắng trong 1 kg cao hoa bằng 5 – 6 kg hoa cánh hay hoa viên. Nhƣng hàm SVTH: Lê Anh Dũng Trang 6 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia lƣợng tinh dầu thơm trong hoa cao kém do đó thƣờng sử dụng phối hợp cao hoa với hoa viên 1.5 Nước Trong quá trình sản xuất bia, nƣớc đƣợc sử dụng rộng rãi trong mọi khâu, từ các công đoạn chính nhƣ nấu, lọc, pha loãng dịch đƣờng… Trong thành phần bia thành phẩm, nƣớc cũng chiếm một lƣợng lớn (80 – 90%). Bởi vậy, nƣớc dùng trong sản xuất bia phải có chất lƣợng tốt, đáp ứng đƣợc các chỉ tiêu quan trọng.  Chỉ tiêu cảm quan: trong suốt, không màu, không mùi, không vị.  Chỉ tiêu hóa lý: - pH trung tính (6,5 – 7) - Độ cứng: càng thấp càng tốt, thƣờng từ 2 – 4mg đƣơng lƣợng/l. - Độ kiềm < 50mg CaCO3/l - Chất khô < 1500mg/l, tối ƣu là 500mg/l. - Sulfate < 500mg/l. - Clorue < 250- 300mg/l. - Nitrate < 30mg/l. - Fe2+ :  0,3 mg/l.  Chỉ tiêu vi sinh:  100 cfu/ml. Nếu nhƣ nƣớc không đạt tiêu chuẩn, phải tiến hành xử lý trƣớc khi đƣa vào sản xuất. 1.6 Nấm men Nấm men sử dụng trong lên men bia là loại vi sinh vật đơn bào thuộc giống Saccharomyces có nhiệt độ sinh trƣởng là 25 – 30oC nhƣng có thể phát triển đƣợc ở 2 – 3oC. Kích thƣớc trung bình 6 – 9 m. Nấm men sinh sản dƣới hình thức nẩy chồi và thuộc loại hiếu khí không bắt buộc. Trong điều kiện có oxy chúng tiến hành quá trình tăng sinh khối là chính. Trong điều kiện không có oxy chúng tham gia quá trình lên men để tạo C2H5OH, các sản phẩm lên men khác nhƣ: rƣợu bậc cao, ester, aldehyde, acid hữu cơ… và CO2. Sử dụng nấm men chìm Saccharomyces cerevisiae có đặc điểm:  Lên men nhanh.  Quá trình lên men xảy ra trong lòng môi trƣờng. SVTH: Lê Anh Dũng Trang 7 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia  Nhiệt độ lên men 0 – 10oC.  Lên men đƣợc glucose, mannose, galactose, fructose, sacarose, maltose, melibiose.  Lên men ôn hòa nhƣng triệt để. Có khả năng lên men 100% đƣờng rafinose. Từ giống thuần chủng, nấm men sẽ đƣợc cho qua hệ thống nhân giống rồi đƣa vào sản xuất. Nấm men đƣợc thu hồi có thể tái sử dụng đến đời thứ 7, thứ 8.  Các tế bào nấm men có khả năng kết chùm hoặc chuỗi và lắng nhanh xuống đáy, giúp quá trình tự làm trong của bia nhanh hơn, tốt hơn. 1.7 Các chất phụ gia Trong qui trình sản xuất bia, ngoài những nguyên liệu không thể thiếu đƣợc nhƣ đã nói trên, ngƣời ta còn phải dùng đến một số nguyên liệu hoặc các hoá chất phụ, gọi chung là phụ gia để dễ quản lý. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, công nghệ, mà hàm lƣợng các chất phụ gia sử dụng khác nhau. Các phụ gia này chia làm hai nhóm chính:  Nhóm phụ gia gián tiếp: Nhóm này gồm tất cả nguyên liệu và hoá chất đƣợc sử dụng trong quy trình công nghệ, song không đƣợc phép có trong thành phần của sản phẩm.Ví dụ: các loại bột trợ lọc (kieselguhr, PVPP - Polyvinyl Pyrrolydone…), các hóa chất dùng để vệ sinh thiết bị, vệ sinh phân xƣởng sản xuất nhƣ H2SO4, NaOH…  Nhóm phụ gia trực tiếp: gồm tất cả những nguyên liệu và hóa chất đƣợc phép có mặt trong thành phần của sản phẩm với sự kiểm soát chặt chẽ trong một giới hạn hàm lƣợng cho phép. Ví dụ: nhóm hoá chất xử lý độ cứng, điều chỉnh độ kiềm của nƣớc công nghệ (nƣớc nấu bia) nhƣ HCl, Na2SO4, KOH, CaCl2…; nhóm các hóa chất đƣa vào ngăn chặn quá trình oxy hoá những thành phần trong bia nhƣ acid ascorbic; nhóm tạo màu cho bia: caramel. SVTH: Lê Anh Dũng Trang 8 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm CHƢƠNG 2: Thiết kế phân xƣởng lên men bia QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 Quy trình công nghệ Malt đại mạch Tạp chất Tách tạp chất Nghiền Nƣớc Nấu dịch nha Nƣớc Lọc dịch nha và rửa bã Nấu dịch nha với hoa houblon Houblon Tách bã houblon Gạo T Tách tạp chất ạp Tạp chất Nghiền chất Nƣớc Xử lý thế liệu Malt lót Amylase Bã malt Bã houblon Làm lạnh Không khí vô trùng Nấm men bia Nhân giống Cung cấp oxy cho dịch nha Cấy giống CO2 Lên men chính Bã men Lên men phụ Cặn men Lọc bia Cặn Làm lạnh CO2 Bao bì Rửa Bão hòa CO2 Rót chai, đóng nắp Thanh trùng Dán nhãn Bia chai Sơ đồ khối quy trình sản xuất bia chai từ 75% malt đại mạch và 25% gạo SVTH: Lê Anh Dũng Trang 9 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia 2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ 2.2.1 Tách tạp chất của malt và gạo  Mục đích: chuẩn bị: Malt và gạo có thể bị lẫn một số tạp chất nhƣ rơm rạ, bụi, kim loại… Tách tạp chất là một quá trình làm sạch nguyên liệu trƣớc khi đƣa sản xuất.  Các biến đổi của nguyên liệu: Quá trình tách tạp chất không gây ra những biến đổi hóa học bên trong hạt nguyên liệu.  Thiết bị: Ngƣời ta sử dụng thiết bị làm sạch nguyên liệu với hệ thống rây và quạt. Rây sẽ tách các tạp chất có kích thƣớc quá lớn hoặc quá nhỏ ra khỏi hạt. Còn quạt sẽ tách đi các tạp chất nhẹ nhƣ bụi, rơm rạ… Ngoài ra, ngƣời ta còn dùng thiết bị tách từ để loại bỏ sắt bị lẫn trong nguyên liệu. 2.2.2 Nghiền malt và gạo  Mục đích: chuẩn bị: Malt và gạo đƣợc nghiền nhỏ, giảm kích thƣớc, tăng diện tích tiếp xúc với nƣớc giúp quá trình thu nhận chất chiết trong quá trình nấu dịch nha đạt hiệu quả cao.  Các biến đổi của nguyên liệu: Trong quá trình nghiền xảy ra các biến đổi vật lý nhƣ kích thƣớc hạt nguyên liệu giảm, nhiệt độ của khối hạt tăng do ma sát. Các nhà sản xuất thƣờng tiến hành quá trình nấu dịch nha ngay sau khi nghiền xong nguyên liệu để hạn chế sự giảm hoạt tính enyme trong khối malt.  Thiết bị và thông số công nghệ - Do hạt malt có cấu tạo không đồng nhất  Vỏ gồm: cellulose, lignin, các hợp chất polyphenol, các chất đắng, SiO2. Cellulose và lignin không tan trong nƣớc, không bị biến đổi dƣới tác dụng của enzyme trong malt. Các hợp chất còn lại thì có thể hòa tan vào nƣớc đi vào thành phần dịch đƣờng sẽ làm cho bia có vị đắng chát, khó chịu (đặc biệt là polyphenol). Đây là những thành phần không mong muốn có trong bia nên không cần phải nghiền mịn malt. Ngoài ra, vỏ trấu sau này đƣợc tận dụng tạo thành một lớp lọc rất hiệu quả, hỗ trợ tốt cho quá trình lọc. Vì vậy phần vỏ không nên nghiền mịn, nghiền càng thô càng tốt.  Nội nhũ: gồm các tế bào tinh bột, liên kết nhau qua lớp kết dính protein và hemicellulose. Ngoài ra, còn có đƣờng, dextrin và một số hợp chất khác. Do SVTH: Lê Anh Dũng Trang 10 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia trong nội nhũ chứa các thành phần chất hòa tan cần thiết cho dịch đƣờng nên cần nghiền mịn. - Nhƣ vậy trên cùng 1 hạt malt, 2 vùng khác nhau yêu cầu 2 mức độ nghiền khác nhau. Không thể cùng lúc thỏa mãn cả 2 yêu cầu. Đồng thời, khi tiến hành nghiền mịn phần nội nhũ thì quá trình trích ly các chất tan tốt, nhƣng quá trình lọc bã lại lâu do trở lực tăng. Do đó, phải tối ƣu hóa quá trình nghiền. - Riêng thế liệu gạo chỉ còn lại nội nhũ. Do vậy có thể nghiền càng mịn càng tốt. - Qua những yêu cầu nêu trên ta chọn các thiết bị phù hợp.  Đối với malt: chọn phƣơng pháp nghiền ƣớt. Trƣớc khi nghiền, malt đƣợc cho qua hệ thống phun hơi nƣớc ấm có nhiệt độ 58C để làm ẩm malt, nƣớc hòa trộn với malt khô tạo thành một hỗn hợp có nhiệt độ 50C. Nghiền ƣớt có tác dụng làm mềm vỏ malt, tránh cho vỏ bị nghiền nát nhiều. Vỏ malt không bị nghiền quá nhỏ sẽ giúp cho quá trình lọc dễ dàng hơn, cũng nhƣ giúp giảm bớt ảnh hƣởng của các chất đắng và chất chát có trong vỏ malt. Ngoài ra, nhiệt độ nghiền không cao nên không ảnh hƣởng nhiều đến hoạt tính enzyme, giúp tạo môi trƣờng pH thích hợp cho dịch đƣờng. Ngƣời ta sử dụng thiết bị nghiền 6 trục, khoảng cách giữa hai trục của cặp trục thứ nhất, thứ hai, thứ ba lần lƣợt là 1,2 – 1,4mm; 0,6 – 0,8mm và 0,3 – 0,5mm. Tỷ lệ các thành phần sau quá trình nghiền malt nhƣ sau: trấu 15 – 18%, tấm lớn 12 – 15%, tấm nhỏ 30 – 35%, bột 25 – 35%.  Đối với gạo: sử dụng thiết bị nghiền búa. Tỷ lệ các thành phần sau quá trình nghiền gạo là: tấm lớn 30 – 35%, tấm nhỏ 40 – 45% và bột 20 – 25%. 2.2.3 Xử lý thế liệu  Mục đích: chuẩn bị - Quá trình xử lý thế liệu sẽ hỗ trợ cho quá trình đƣờng hóa tinh bột xảy ra nhanh hơn và dễ dàng trong quá trình nấu dịch nha kế tiếp. Xử lý thế liệu là thực hiện giai đoạn hồ hóa và dịch hóa phần tinh bột có trong thế liệu. Các nhà sản xuất có thể sử dụng chế phẩm enzyme  - amylase từ vi sinh vật hoặc từ trong malt lót để giúp cho giai đoạn hồ hóa và dịch hóa diễn ra nhanh hơn. Tỷ lệ malt lót sử dụng thƣờng là 10 – 15% so với khối lƣợng thế liệu. SVTH: Lê Anh Dũng Trang 11 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia  Các biến đổi của nguyên liệu - Vật lý và hóa lý: dƣới tác dụng của nhiệt, hạt tinh bột sẽ hút nƣớc, trƣơng nở và làm tăng độ nhớt của khối nguyên liệu. Khi nhiệt độ tăng đến 100oC thì cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ, giải phóng các sợi amylose và amylopectin ở dạng tự do, đồng thời độ nhớt khối nguyên liệu sẽ giảm xuống. - Hóa sinh: các phân tử tinh bột bị thủy phân sơ bộ nhờ hoạt động của  - amylase làm giảm khối lƣợng phân tử. - Hóa học: đƣờng và acid amin tự do có trong nguyên liệu có thể bị phân hủy.  Thiết bị và thông số công nghệ: - Tỷ lệ thế liệu gạo và malt sử dụng là 1:3. Do lƣợng gạo sử dụng 25% là khá cao nên enzyme có trong malt lót (chủ yếu là  - amylase có topt= 70 – 75oC và pHopt=5,3 – 5,8) không đủ phá vỡ triệt để tinh bột nên cần thiết bổ sung chế phẩm enzyme  - amylase (Termamyl 120L có t opt = 90oC và pHopt = 5,8 – 6,0), kết hợp dùng nƣớc mềm và chỉnh pH thích hợp cho enzyme hoạt động ổn định. - Thiết bị có hình trụ đứng, đáy cầu, xung quanh đáy có lớp vỏ áo để gia nhiệt, bên trong thiết bị có cánh khuấy.  Phƣơng pháp thực hiện: Cho thế liệu gạo và nƣớc vào thiết bị với tỉ lệ 1:4 (w/w) có bổ sung malt lót và chế phẩm Termamyl 120L 0,1%, bổ sung thêm CaCl2. Hỗn hợp sẽ đƣợc gia nhiệt nhanh lên đến 72oC và giữ ở nhiệt độ này trong vòng 20 – 30 phút. Đây là điều kiện thuận lợi cho  - amylase trong malt hoạt động. Lúc này đã xảy ra quá trình dịch hóa một phần khối nguyên liệu, giúp giảm độ nhớt. Sau đó tiến hành gia nhiệt lên đến 90oC và giữ ở nhiệt độ này trong vòng 20 phút, nhằm tiếp tục hồ hóa và dịch hóa khối nguyên liệu với sự tham gia của chế phẩm enzyme Termamyl 120L (do  - amylase trong malt đã bị vô hoạt). Cuối cùng, gia nhiệt lên đến 100oC và đun sôi trong 20 phút để quá trình hồ hóa và dịch hóa xảy ra hoàn toàn, giúp cho quá trình đƣờng hóa sau này thuận lợi. Lƣu ý: trong suốt quá trình xử lý thế liệu, cánh khuấy luôn hoạt động. 2.2.4 Nấu dịch nha  Mục đích: khai thác: Quá trình nấu dịch nha nhằm mục đích trích ly các chất chiết từ nguyên liệu vào nƣớc và thủy phân những cơ chất có phân tử lƣợng cao (tinh bột, SVTH: Lê Anh Dũng Trang 12 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm Thiết kế phân xƣởng lên men bia protein, -glucan…) thành những chất có phân tử lƣợng thấp (đƣờng, acid amin…) để nấm men bia sử dụng trong quá trình lên men tiếp theo.  Các biến đổi của nguyên liệu: - Hóa lý: khi bắt đầu quá trình nấu, sự hòa tan và trích ly các chất có phân tử lƣợng thấp trong malt vào nƣớc (đƣờng, acid amin, một số vitamin, khoáng…). Khi kết thúc quá trình nấu, các enzyme sẽ bị đông tụ do tác dụng của nhiệt. - Hóa sinh: xảy ra nhiều loại phản ứng, quan trọng nhất là phản ứng thuỷ phân.  Hệ protease xúc tác thủy phân protein tạo sản phẩm là các polypeptid và peptid (endoenzyme), acid amin (exo-enzyme), topt = 45 – 50oC và pHopt = 5,5  -amylase xúc tác thủy phân tinh bột tạo sản phẩm là maltose; topt = 60 – 65oC và pHopt = 5,2 – 5,6.  -amylase xúc tác thủy phân tinh bột tạo sản phẩm chủ yếu là dextrin và các oligosaccharide; t opt = 70 – 75oC và pHopt = 5,3 – 5,8.  Thủy phân hemicellulose: sản phẩm -glucan mạch ngắn.  Thủy phân một số hợp chất hữu cơ có chứa acid phosphoric: giải phóng acid phosphoric. - Hóa học: xảy ra phản ứng Maillard giữa đƣờng khử và acid amin, phản ứng oxy hóa polyphenol.  Thiết bị và thông số công nghệ - Thiết bị nấu dịch nha có cấu tạo tƣơng tự nhƣ thiết bị xử lý thế liệu đã trình bày ở trên. Có nhiều phƣơng pháp nấu dịch nha, ở đây chọn phƣơng pháp đun sôi một lần (phần thế liệu gạo sẽ đƣợc xử lý bằng cách đun sôi trong một thiết bị riêng). - Sau khi nồi nấu thế liệu hoạt động khoảng 70 phút, thì bắt đầu cho malt và nƣớc vào thiết bị nấu với tỷ lệ 1:4 (w/w). Bổ sung thêm CaCl2 vào nồi nấu nhằm giúp ổn định hoạt tính của enzyme -amylase. Gia nhiệt hỗn hơp lên đến 50oC và dừng ở nhiệt độ này trong thời gian 30 phút, thực hiện quá trình đạm hóa. Enzyme protease sẽ phân cắt protein thành những chất có phân tử lƣợng thấp hơn nhƣ pepton, polypeptid và acid amin. Pepton, polypeptid góp phần làm cho bia có vị đậm đà, tham gia vào quá trình tạo và giữ bọt cho bia. Acid amin, dipeptid là nguồn dinh dƣỡng nitơ rất quan trọng cho nấm men sinh trƣởng và phát triển. SVTH: Lê Anh Dũng Trang 13 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm - Thiết kế phân xƣởng lên men bia Sau đó, tiến hành phối trộn phần thế liệu gạo đã đƣợc hồ hóa và đun sôi ở 100oC vào thiết bị nấu. Thời gian bơm dịch gạo vào thiết bị nấu khoảng 10 phút. Trong lúc phối trộn sẽ bổ sung thêm nƣớc để hiệu chỉnh nhiệt độ hỗn hợp trong nồi ở 65oC. Tại đây giữ ở nhiệt độ này trong 20 – 30 phút. Ở nhiệt độ này, hai enzyme  - amylase và  - amylase sẽ cùng tiến hành phân cắt tinh bột thành maltose và dextrin. Tiếp theo, gia nhiệt hỗn hơp lên 72oC và giữ ở 72oC cho đến khi kết thúc quá trình đƣờng hóa (kiểm tra bằng phƣơng pháp thử với dung dịch I2 0,02N). Sau cùng gia nhiệt hỗn hợp lên 78oC rồi bơm qua nồi lọc. Lƣu ý: trong suốt quá trình nấu, cánh khuấy luôn hoạt động và giữ pH = 5,2 – 5,6. Giản đồ nấu dịch nha 2.2.5 Lọc dịch nha  Mục đích: khai thác: tách dịch đƣờng ra khỏi bã với hiệu suất thu hồi lớn nhất, đồng thời hạn chế tối đa sự oxy hoá dịch đƣờng. Sau đó, tiến hành rửa bã để tận thu phần chất hoà tan còn sót lại trong bã.  Biến đổi của nguyên liệu: Đây là quá trình phân riêng pha lỏng (dịch nha) và pha rắn (bã malt chứa các hợp chất không tan).  Thiết bị và thông số công nghệ: SVTH: Lê Anh Dũng Trang 14 Đồ án môn học công nghệ thực phẩm - Thiết kế phân xƣởng lên men bia Quá trình lọc đƣợc thực hiện bằng nồi lọc đáy bằng với lớp vật liệu lọc là lớp bã. Nồi lọc đƣợc chế tạo từ thép không gỉ có 2 đáy: đáy dƣới bằng, đáy trên là lƣới gồm nhiều mảnh nhỏ ghép lại tạo thành các rảnh có kích thƣớc nhỏ, bã malt nằm trên lƣới tạo thành lớp vật liệu lọc. Bên trong thiết bị có bộ phần đánh tơi bã lọc, có cánh khuấy. - Trƣớc khi tiến hành lọc, nồi lọc cần đƣợc vệ sinh kỹ bằng nƣớc. Dịch đƣờng từ nồi đƣờng hoá sau khi đƣợc trộn đều, đƣợc bơm một lần sang nồi lọc, đồng thời bật cánh khuấy và hệ thống đánh tơi bã hoạt động để dàn đều lớp bã trên mặt đáy giả. Sau khi hết dịch đƣờng hệ thống cánh đảo bã đƣợc nâng lên cao. Dịch đƣờng đƣợc để yên 20 phút để bã kết lắng tạo thành lớp lọc. Sau đó mở van thu dịch đƣờng, ban đầu dịch đƣờng còn đục nên ta cho hồi lƣu trở lại nồi lọc. Khi dịch đƣờng bắt đầu trong thì khoá van hồi lƣu, thu dịch đƣờng. Lúc đầu tốc độ lọc nhanh, về sau tốc độ lọc chậm dần do màng lọc bị bít làm tăng trở lực khi đó cần ngừng quá trình lọc dùng hệ thống cào bã tạo lại lớp màng lọc. Dùng áp kế để kiểm tra tốc độ lọc. Thời gian ép dịch lọc khoảng 90 phút. Sau đó tiến hành rửa bã. - Tiến hành rửa bã gián đoạn, nƣớc rửa bã có nhiệt độ 78˚C, pH = 6,5. Sau khi thu hết dịch đƣờng, khoá van xả dịch, cho lƣợng nƣớc rửa bã vào, cho cánh khuấy quay với vận tốc 4 – 5 vòng/phút để làm tơi lớp bã giải phóng chất tan còn lƣu trong bã vào dịch. Sau đó tắt cánh khuấy để yên 10 phút thì tháo dịch, dịch này cũng đƣợc bơm sang nồi nấu hoa houblon với dịch lọc trƣớc đó. Tiếp tục cho đến khi hàm lƣợng đƣờng trong bã còn 0,5 – 1˚Bx, thƣờng là rửa 2 – 3 lần. Thời gian rửa bã khoảng 60 – 120 phút. Lƣợng nƣớc rửa bã đƣợc sử dụng sao cho thu đƣợc lƣợng thể tích dịch cần. - Chú ý: chiều cao màng lọc thƣờng là 30 – 60 cm. Tốc độ lọc 0,5 – 4,5 m/s, nƣớc nha đầu có 16 – 20oPt, 40 – 50% thể tích. Thời gian cho quá trình lọc và rửa bã: thời gian chuẩn bị 50 – 60 phút, thời gian lọc 60 – 110 phút, thời gian rửa bã 60 – 120 phút, thời gian tháo bã và vệ sinh 30 – 40 phút. 2.2.6 Đun sôi dịch hoa với hoa houblon  Mục đích: khai thác và chuẩn bị cho quá trình lên men. - Trích ly các chất đắng, tinh dầu, polyphenol từ houblon vào dịch nha, đồng phân hóa một số chất đắng để tăng độ hòa tan của chất đắng. - Góp phần điều chỉnh độ chất khô dịch nha. SVTH: Lê Anh Dũng Trang 15