TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY SẢN XUẤT BIA
Khái niệm về bia và quy trình công nghệ để sản xuất bia
Bia là một loại nước uống có cồn, được sản xuất thông qua quá trình lên men đường trong môi trường lỏng mà không qua chưng cất Đây là loại nước giải khát có độ cồn thấp, với bọt mịn và hương vị đặc trưng từ hoa houblon Ngoài ra, CO2 hòa tan trong bia giúp giải nhiệt nhanh chóng và hỗ trợ tiêu hóa, đồng thời bia còn cung cấp một lượng vitamin phong phú, chủ yếu là các vitamin nhóm B như B1, B2.
Bia, với nhiều ưu điểm nổi bật, đã trở thành một loại đồ uống phổ biến trên toàn thế giới và sản lượng sản xuất đang ngày càng gia tăng Tại Việt Nam, bia không chỉ là thức uống quen thuộc mà còn trở thành một ngành công nghiệp thực phẩm mũi nhọn, góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế của đất nước.
Quá trình sản xuất bia, hay còn gọi là nấu bia, diễn ra với các thành phần khác nhau tùy theo từng khu vực Sự đa dạng này dẫn đến những đặc trưng riêng biệt của bia, bao gồm hương vị và màu sắc, từ đó hình thành nên khái niệm về loại bia và các phân loại khác nhau.
Bia, một trong những đồ uống cổ xưa nhất của nhân loại, đã tồn tại ít nhất từ thiên niên kỷ 5 TCN Nó được ghi chép trong các tài liệu cổ của Ai Cập và Lưỡng Hà, chứng minh sự phát triển lâu dài và văn hóa phong phú xung quanh thức uống này.
2 Quy trình công nghệ sản xuất bia 2.1 Các nguyên liệu:
Nguyên liệu thượng hạng không đảm bảo tạo ra một loại bia ngon, nhưng một loại bia ngon chắc chắn phải được sản xuất từ những nguyên liệu chất lượng Do đó, việc lựa chọn nguyên liệu làm bia là ưu tiên hàng đầu, đặc biệt trong sản xuất bia thủ công, nơi mà nguyên liệu không chỉ quyết định hương vị mà còn thể hiện dấu ấn cá nhân và đặc điểm vùng miền.
Nguyên liệu chính để sản xuất bia bao gồm gạo, malt, nước, men và hoa hop Trong đó, malt và hoa hop là hai thành phần quan trọng nhất Quy trình sản xuất bia dựa trên công nghệ tiên tiến và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn của Việt Nam và quốc tế Mặc dù có thể thay thế malt bằng các nguyên liệu phụ như mì, gạo, ngô hoặc malt chưa nảy mầm, nhưng hầu hết bia trên thế giới vẫn được sản xuất theo công thức cổ điển.
BIA = MALT + HOA HUPBLON + NƯỚC
Nước chiếm từ 85 đến 90% trong thành phẩm bia, tùy thuộc vào loại bia Ngoài vai trò là thành phần chính, nước còn là môi trường cho các phản ứng sinh hóa trong quá trình nấu, lên men và các quá trình trao đổi nhiệt trong sản xuất bia.
Trong sản xuất bia công nghiệp, nước thường được sử dụng là nước RO, được pha trộn với một tỷ lệ nước đầu vào nhằm đảm bảo độ tinh khiết và cung cấp đủ ion khoáng cần thiết cho sự phát triển của men bia Đối với sản xuất bia thủ công, mặc dù không có nhiều điều kiện để đo lường các chỉ tiêu nước như trong sản xuất công nghiệp, nhưng nước sử dụng vẫn cần đáp ứng một số tiêu chí nhất định để đảm bảo chất lượng bia.
Nước để nấu bia là nước sạch và bắt buộc phải đạt tiêu chuẩn là nước uống được.
Không sử dụng nước cứng (hàm lượng Ca 2+ , Mg 2+ cao) để nấu bia, đặc biệt là với các dòng bia Lager và Pilsner thường sử dụng nước rất mềm.
Các nhà sản xuất bia thủ công sử dụng nước máy thường phải để nước trong thùng trữ vài ngày nhằm giảm lượng Clo tự do, thường có do quá trình khử trùng Clo tự do có thể phản ứng với một số hợp chất hữu cơ trong bia, dẫn đến hương vị không mong muốn.
Nước đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ quy trình sản xuất bia, do đó, thành phần và tính chất của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng Vì lý do này, nước sử dụng trong sản xuất bia cần được xử lý và đảm bảo đạt tiêu chuẩn trước khi đưa vào hệ thống sản xuất.
Malt, hay còn gọi là lúa mạch, là loại hạt ngũ cốc quan trọng, chiếm 70% thành phần nguyên liệu trong sản xuất bia Thường được nhập khẩu từ nước ngoài, malt không chỉ đóng vai trò chính trong quy trình sản xuất mà còn được sử dụng để tạo màu cho bia.
Đại mạch là loại malt phổ biến nhất trong sản xuất bia, nhờ vào khả năng nảy mầm dễ dàng và sản sinh ra nhiều enzyme Hydrolase tự nhiên Với thành phần hóa học hợp lý, đại mạch cung cấp hàm lượng tinh bột và protein vừa phải, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của nấm men và hương vị bia.
Malt đại mạch là hạt đại mạch được nảy mầm trong điều kiện nhân tạo, đóng vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất bia Đây là nguyên liệu truyền thống và thiết yếu, không thể thiếu trong quá trình chế biến bia.
Trong quá trình nảy mầm, hạt đại mạch sản sinh và tích trữ một lượng lớn enzyme như amylase và protease, đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa khử Ở giai đoạn đầu của việc tạo malt, hoạt tính của các enzyme này tăng cường nhanh chóng, nhưng trong quá trình sấy malt, chúng hầu như bị phá hủy Những enzyme này là yếu tố then chốt giúp chuyển đổi các chất trong hạt đại mạch thành nguồn dinh dưỡng cho nấm men, từ đó tạo ra sản phẩm bia.
Hoa houblon là nguyên liệu thiết yếu trong sản xuất bia, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra hương thơm và vị đặc trưng Ngoài ra, hoa houblon còn giúp tạo bọt, kết tủa protein và tăng độ bền sinh học của bia nhờ vào các chất kháng khuẩn, đồng thời cải thiện khả năng giữ bọt cho sản phẩm bia hoàn thiện.
Qui trình công nghệ
Hình 5: Quy trình công nghệ nấu bia
Các công đoạn nấu bia:
1 Công đoạn nghiền Đây là công đoạn đầu tiên trong quy trình nấu bia, nó thực hiện việc nghiền gạo và malt để tạo điều kiện cho các enzim hoạt động tốt nhất Giúp giảm kích thước hạt nguyên liệu, tăng bề mặt tiếp xúc với nước, làm cho sự xâm nhập của nước
Quá trình sản xuất bia bắt đầu từ ngũ cốc, chủ yếu là lúa mạch, nhưng cũng có thể sử dụng lúa mì, lúa mạch đen hoặc các nguyên liệu khác Các hạt ngũ cốc được thu hoạch và trải qua các bước xử lý như gia nhiệt, sấy khô và làm vỡ cấu trúc hạt Mục tiêu chính của những bước này là để cô lập các enzym cần thiết cho quá trình sản xuất bia tiếp theo.
Mục đích: làm tăng diện tích tiếp xúc của malt với nước, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp theo.
Ngoài ra tạo điều kiện cho quá trình đường hóa, hoạt động của enzyme thủy phân ở quá trình nấu nhanh và triệt để hơn.
Quá trình đường hóa là chuyển đổi tinh bột thành đường và thủy phân các thành phần khác thành các yếu tố thiết yếu của bia Quá trình này diễn ra nhờ hệ enzyme có sẵn trong malt, hoặc nếu sử dụng nguyên liệu thay thế, cần bổ sung enzyme để đảm bảo quá trình nấu đạt hiệu quả tối ưu.
Trong quá trình sản xuất, Malt và Gạo được nghiền và hòa tan với nước theo tỷ lệ phù hợp, sau đó được đường hóa nhờ enzyme trong nồi nấu malt Gạo cũng được hồ hóa và phối trộn với Malt để tối ưu hóa quá trình đường hóa Mục tiêu của giai đoạn này là tách chất đường, khoáng chất và protein từ các thành phần không hòa tan như vỏ trấu và chất xơ Tại nồi lọc, chất lỏng được tách ra khỏi trấu và chất xơ để thu được lượng đường tối đa Dịch đường sau đó được đun sôi và houblon hóa để chiết xuất chất đắng, tinh dầu thơm và các hợp chất hữu ích Quá trình này cũng giúp ổn định thành phần sinh học và tăng cường hoạt tính bọt của dịch đường Cuối cùng, dịch đường cần được lắng cặn qua bồn lắng xoáy trước khi làm lạnh nhanh để đạt nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men.
3 Quá trình lọc dung dịch sau nấu
Quá trình đường hóa sản xuất dịch đường giàu nitơ dễ hấp thu Mục tiêu của việc lọc là tách dịch đường khỏi vỏ và phần nội nhũ không tan của hạt, đồng thời loại bỏ các chất không mong muốn như kim loại nặng, tanin và lipit.
Quá trình lọc chia thành 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Lọc dịch đầu là giai đoạn tách dịch ra khỏi bã Trong suốt quá trình lọc, bã đóng vai trò như một lớp trợ lọc.
Giai đoạn 2 của quá trình sản xuất bia là rửa bã, nhằm thu hồi lượng chất hòa tan, đặc biệt là dịch đường còn lại trong bã Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng nước nóng ở nhiệt độ 78 độ C và tiếp tục rửa cho đến khi nồng độ chất không tan trong bã giảm xuống dưới 1% Nếu rửa quá lâu, hiệu suất thu hồi sẽ giảm và có thể hòa tan những hợp chất không mong muốn, như polyphenol, gây ra vị chát cho bia.
Quá trình đun sôi dịch đường với hoa houblon không chỉ giúp ổn định thành phần mà còn mang lại hương thơm và vị đắng đặc trưng cho bia Đồng thời, quá trình này còn thanh trùng dịch nha, biến tính và keo tụ protein, tạo độ bền bọt cho bia Nó cũng kích thích phản ứng melanoidin, hình thành các chất màu và hương đặc trưng, cô đặc dịch đường, và loại bỏ các chất bay hơi có mùi hôi như dimetyl sulfua (DMS).
5 Quá trình lành lạnh dịch đường
Hạ nhiệt độ dịch nha là bước quan trọng để tối ưu hóa quá trình lên men và tăng cường khả năng hòa tan khí, đồng thời giảm thiểu nguy cơ nhiễm vi sinh vật Dịch đường được bơm vào nồi theo phương tiếp tuyến, tạo ra vòng lắng xoáy giúp loại bỏ cặn trong quá trình đun sôi, với thời gian lắng cặn khoảng 15 phút Nồi cũng giữ vai trò quan trọng trong việc lưu trữ dịch nha trong suốt quá trình làm lạnh.
Dưới tác động của enzyme trong nấm men, đường được chuyển hóa thành rượu và CO2, cùng với các hợp chất khác, tạo nên hương vị đặc trưng cho sản phẩm.
Quá trình lên men là quá trình chuyển hóa đường và destrin thấp trong dịch lên men thành ethanol (C2H5OH), carbon dioxide (CO2) và một số hợp chất hữu cơ khác nhờ vào tác động của nấm men.
Các sản phẩm phụ được hình thành trong quá trình lên men, diễn ra qua 5 pha: pha lag, pha tăng tốc, pha lũy thừa, pha giảm tốc và pha cân bằng động Kết thúc quá trình này là sản phẩm bia non.
Quá trình lên men phụ diễn ra trong bình kín ở nhiệt độ từ 0-5°C, với tốc độ chậm và tiêu hao ít đường Dịch lên men lắng đọng và bão hòa CO2, tạo ra giai đoạn ủ chín bia Kết thúc giai đoạn này, sản phẩm thu được là bia ở dạng dung dịch bão hòa CO2, mang đến hương vị thơm ngon và dễ chịu nhờ quá trình chuyển hóa.
Hình 6:Quá trình lên men bia nhà máy heniken
Trong quá trình lên men và trữ bia lạnh, bia vẫn còn đục do sự hiện diện của nấm men dư thừa, hạt phân tán cơ học, và phức chất protein-polyphenol Những yếu tố này không chỉ làm giảm độ bền của bia mà còn ảnh hưởng đến giá trị cảm quan Do đó, việc lọc bia là cần thiết để tạo độ trong, loại bỏ vi sinh vật, nấm men còn sót lại, cũng như các phức chất protein và hạt keo, giúp bia trở nên ổn định hơn.
8 Quá trình đóng chai Đóng gói để dễ sử dụng, vận chuyển , và dễ thanh trùng và bảo quản sản phẩm
Sơ đồ công nghệ các nồi nấu
Chúng ta sẽ giới thiệu sơ đồ công nghệ của bốn loại nồi chính trong nhà máy bia, cùng với các thiết bị quan trọng được sử dụng trong quy trình sản xuất.
Nồi cơm điện sử dụng các thiết bị như động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày trong chương 2.
Hình 8: Sơ đồ công nghệ nồi malt
Trong nồi malt, các thiết bị như động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức được sử dụng tương tự như trong nồi gạo Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày ở phần tiếp theo trong chương 2.
Hình 9: Sơ đồ công nghệ nồi hoa
Trong nồi hoa, các thiết bị như động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính và van khí nén đóng vai trò quan trọng Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày trong chương 2 tiếp theo.
Hình 10: Sơ đồ công nghệ nồi lọc
Trong nồi lọc, các thiết bị như động cơ khuấy, bơm ly tâm, van tuyến tính, van khí nén, cảm biến nhiệt độ và cảm biến mức đóng vai trò quan trọng Mục đích và chi tiết về các thiết bị này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2.
Các thiết bị sử dụng
1.Chọn bơm đẩy, bơm thu hồi
Tên thiết bị : Máy bơm CIP
- Thông số kỹ thuật : +) U = 380V, I = 7,5A, P = 7,5 KW +) Lưu lượng 25 m3/h
+) Khối lượng 30 Kg +) Áp suất: 0.5 bar đến 2.5 bar +) Đường ống vào 65mm, đường ống ra 50mm, chịu được nước, xút và axit nóng.
Hình 11: Bơm mã hiệu SUDMO KRP 50/127-1.510
- Sử dụng Bơm cấp CIP cho các Tanks nguồn ,Bơm hút và đẩy CIP đến các nồi nhà nấu
- Tên thiết bị : Động cơ khuấy
- Chịu được nước, axit, xút nóng
+ 3,7 KW – 5HP + Điện áp : 380V + Tần số 50Hz
Hình 12: Động cơ khuấy mã hiệu 3Pgear Motor
Van điều khiển ON-OFF là lựa chọn lý tưởng cho van bướm điều khiển bằng khí nén, với khả năng chịu đựng hóa chất, nước nóng và áp suất trên 2.5 bar Để đảm bảo hiệu suất và độ bền, nên chọn van inox 316L cho hệ thống khí nén.
Hình 13: Van inox 316L khí nén
Cảm biến thuộc họ LMT thường được sử dụng để báo mức cho các tank và bồn chứa các chất lỏng, chất sệt trung bình, cũng như chất dạng bột Chúng có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiệt độ lên đến 100 độ C.
Cảm biến báo mức là thiết bị quan trọng trong việc giám sát mức chất lỏng trong các tank, bao gồm tank chứa Malt, tank chứa hóa chất CIP, tank lên men, hệ thống lọc và nhà nấu bia Việc sử dụng cảm biến này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sản xuất.
Hình 14: Cảm biến IFM LMT 102
- Là PLC loại DC/DC/DC
- Đầu vào: 14 DI 24 VDC; đầu ra: 10 DO 24 VDC
- Loại cổng giao tiếp: Ethernet, Profinet, UDP
6 Ghép nối các thiết bị
PLC là bộ điều khiển trung tâm, có chức năng điều khiển trực tiếp hệ thống thông qua các mạch động lực Nó thu nhận và chuyển đổi tín hiệu từ các cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến quang, giúp tối ưu hóa quy trình hoạt động của hệ thống.
- Các thiết bị chấp hành ( đối tượng điều khiển): Các động cơ ,các van khí nén thủy lực, máy khuấy.
Hệ Module ET200 bao gồm hai loại là ET200S và ET200M, được sử dụng để mở rộng I/O cho CPU thông qua giao tiếp Profibus Với cổng giao tiếp Profibus, hệ thống này cho phép kết nối tối đa 8 module I/O phía sau, mang lại khả năng mở rộng linh hoạt cho các ứng dụng tự động hóa.
Hình 16: Sơ đồ ghép nối các thiết bị.
Thiết kế chương trình, giao diện, cơ sở dữ liệu
Hình 17: Lưu đồ quá trình cip nồi nấu
Hình 18: Lưu đồ quá trình CIP vào tanks nguồn
Hình 19: Lưu đồ kiểm tra lấy nước CIP từ Tank hồi
Hình 20: Lưu đồ quá trình CIP nồi gạo
Hình 21: Lưu đồ chương trình thực hiện CIP nước nồi Gạo
Hình 22: Thực hiện tráng nước lần 1 nồi Gạo
Hình 23: Lưu đồ thuật toán thực hiện CIP xút nồi Gạo
Hình 24: Lưu quá trình tráng nước lần 2
Hình 25: Lưu đồ quá trình CIP Acid nồi Gạo
Hình 26: Lưu đồ quá trình tráng nước lần 3 nồi Gạo
Giao diện đăng nhập bao gồm các nút chức năng như Đăng nhập, Thay đổi, Thoát và Remember để lưu trữ tài khoản đã đăng nhập Để thay đổi tên và mật khẩu, người dùng cần nhập đúng tên và mật khẩu cũ, sau đó nhấn nút Thay đổi Tiếp theo, hãy nhập tên mới và mật khẩu mới, rồi nhấn lưu để hoàn tất quá trình thay đổi.
Hình 27: Giao diện đăng nhập
Giao diện chính của CIP Main cung cấp màn hình điều hướng tới các chức năng quan trọng như Hệ thống, Cài đặt, Lịch sử vận hành của hệ thống CIP, Báo cáo, Kiểm tra I/O, Cảnh báo và Hủy bỏ.
Hình 29: Hệ thống CIP và các Tank nguồn
Màn hình giám sát Tank Nguồn bao gồm :
Bảng điều khiển : gồm các nút cơ bản như Start, Stop, Reset, Auto, Manual, Run(báo hệ thống đang vận hành)
Giao diện : thời gian thực hệ thống , Người vận hành hiện tại hệ thống
Trạng thái : gồm 2 ô nhập liệu số lần CIP và Số lần tráng nước nóng, nút Setup để điều hướng tới bảng cài đặt mẻ chi tiết.
Trạng thái báo hiệu :hiển thị thông tin trạng thái qua StatusStrip thông báo trạng thái kết nối với PLC , người vận hành, version của giao diện.
Hình 30: Hệ thống CIP và các Tank gạo
Màn hình giám sát Tank gạo bao gồm:
Bảng điều khiển: gồm các chức năng cơ bản như Start, Stop ,Auto, Manual, Reset, Run , CIP_Malt, CIP_Loc,CIP_Hoa, CIP_Lang, Trang
Trạng thái báo hiệu :hiển thị thông tin trạng thái qua StatusStrip thông báo trạng thái kết nối với PLC, người vận hành, version của giao diện.
Trong màn hình giao diện cài đặt mẻ chi tiết gồm có chức năng sau:
Phần thông tin cài đặt chi tiết bao gồm một TextBox để nhập các thông tin cần thiết như Mã mẻ, Số lượng mẻ, CIP nước, CIP axit, CIP xút và Tráng nước.
Bảng dữ liệu: dữ liệu được lấy từ Data base xuống ListView và được cập nhật liên tục sau mỗi lần tạo mới , lưu, xóa.
Trạng thái:hiển thị thông tin trạng thái qua StatusStrip thông báo trạng thái kết nối với SQL server , thời gian thực hệ thống, version của giao diện.
Các nút ấn :Bao gồm Tạo mới, Save,Delete,In.
Tạo mới: tạo mới mẻ để hệ thống hoạt động theo.
Save: lưu lại việc tạo mới , đẩy lên server.
Delete: Xóa 1 mã mẻ nào đó ,khi nó gặp vấn đề hoặc muốn thay thế.
In: Xuất ra 1 bản in theo mẫu có thể in ấn 1 cách dễ dàng.
TextBox: có nhãn là Admin, IP PLC, SQL, Excel, Update Các textbox này phân quyền sử dụng đối với 2 đối tượng người vận hành là admin và công nhân
Để thực hiện việc thay đổi địa chỉ IP của PLC và tên server của Database, Admin cần nhập mật khẩu và nhấn nút "Check mật khẩu" Nếu mật khẩu chính xác, hệ thống sẽ cho phép Admin cập nhật địa chỉ lưu trữ báo cáo tuyệt đối và thời gian cập nhật hệ thống lên cơ sở dữ liệu.
Nếu chỉ là công nhân hiện trường thì không cho phép sửa phần IP PLC vàSQL , phần lưu trữ file Excel , thời gian update dữ liệu
Hình 31:Lịch sử vận hành Giao diện lịch sử vận hành:
Để tìm kiếm lịch sử vận hành, người dùng cần chọn thời gian cụ thể, bao gồm các báo cáo theo ngày, tháng, năm và cả ngày giờ mà họ muốn xuất báo cáo.
Sau khi chọn thời gian báo cáo cụ thể, dữ liệu sẽ được hiển thị và xem trước tại bảng dữ liệu tìm kiếm.
Các nút nhấn cơ bản: bao gồm Tim, excel,Print,Cancel.
Tim :để tìm kiếm sau khi đã chọn được thời gian phù hợp.
Excel : xuất báo cáo dạng file Excel.
Print: xuất và in theo mẫu cụ thể.
Cancel: thoát khoi giao diện History.
Phần này kết nối với cơ sở dữ liệu để cập nhật trạng thái hoạt động của hệ thống CIP, đồng thời giám sát thông qua các dữ liệu lịch sử từ các lần vận hành trước.
Ví dụ về form mẫu bản in ấn
Ví dụ kết quả tìm kiếm của báo cáo theo năm từ năm 2022 -2023
File excel báo cáo của hệ thống báo cáo theo năm 2022-2023
Hình 33: Hệ thống cảnh báo Nút ấn Alarm sử dụng contextMenuStrip để tạo hiệu ứng menuStrip Ta cần ấn chuột phải thì sẽ xuất hiện AlarmPLC và AlarmSQL
Hình 34: Cảnh báo kết nối với SQL
Báo hiệu cảnh cáo đã kết nối hoặc mất kết nối với SQL Server với đường dẫn đã được cài đặt tại phần communication setting
Cảnh báo kết nối với SQL
Báo hiệu cảnh cáo đã kết nối hoặc mất kết nối với PLC với địa chỉ IP của PLC đã được cài đặt tại phần communication setting
Hệ thống CIP cung cấp báo cáo toàn diện với màn hình hiển thị bảng dữ liệu tìm kiếm mà người dùng có thể xuất Giao diện bao gồm các nút chức năng cơ bản như Tìm kiếm, Xuất Excel và Thoát, giúp người dùng dễ dàng thao tác và quản lý thông tin.