Động học phản ứng & thiết bị lên men chính trong quá trình sản xuất bia

Để tạo ra được bia đạt chất lượng thì quá trình lên men bia là một trong những nhân tố quan trọng.. Do đó, nhóm sinh viên chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

1 Tổng quan về bia 5

1.1 Giới thiệu về bia 5

1.2 Lịch sử phát triển ngành sản xuất bia Việt Nam 5

1.3 Sản xuất, tiêu thụ & xu hướng phát triển ở Việt Nam 5

1.4 Một số sản phẩm bia trên thị trường Việt Nam 6

2.Quy trình sản xuất bia 7

2.1 Nguyên liệu 7

2.1.1 Malt Đại mạch 7

2.1.2 Gạo nguyên liệu 8

2.1.3 Hoa Houblon 9

2.1.4 Nấm men 10

2.1.5 Nước 11

2.1.6 Các chất phụ gia 12

2.2 Quy trình sản xuất bia 13

2.3 Thuyết minh dây chuyền công nghệ 13

2.3.1 Làm sạch 13

2.3.2 Nghiền nguyên liệu 14

2.3.3 Nấu nguyên liệu 14

2.3.4 Lọc dịch đường 16

2.3.5 Houblon hóa 17

2.3.6 Lắng trong và làm lạnh 18

2.3.7 Lên men chính 19

2.3.8 Lên men phụ 23

2.3.9 Lọc trong bia 24

2.3.10 Ổn định bia 24

2.3.11 Chiết chai 24

2.3.12 Thanh trùng bia 25

2.3.13 Dán nhãn 26

3 Động học quá trình lên men chính sản xuất bia 26

3.1 Phương trình phản ứng quá trình lên men 26

3.2 Xúc tác phản ứng 26

Trang 2

4 Tính toán thiết bị lên men chính 28

5 Kết luận 31 Tài liệu tham khảo 32

Trang 3

LỜI MỞ ĐẦU

Bia là loại nước uống giải khát đã trở nên phổ biến và mang lại nhiều

lợi ích cho sức khỏe nếu biết sử dụng đúng cách trên toàn thế giới, trong đó

có cả Việt Nam Hiện nay, bia hầu như đã được sản xuất ở mọi nơi trên thế giới và sản lượng ngày càng tăng do nhu cầu tiêu thụ tăng

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nên nhu cầu về bia rất lớn

Ở nước ta, cùng với sự phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu về thực phẩm ngày càng tăng và không ngừng phát triển, đặc biệt là nước giải khát và quan trọng hơn là bia Mức sống của con người ngày càng cao nên đòi hỏi của thị trường là phải sản xuất ra những loại bia có chất lượng cao

Để tạo ra được bia đạt chất lượng thì quá trình lên men bia là một trong những nhân tố quan trọng Chất lượng của bia được xem như là kết quả từ các quá trình hoạt động của nấm men Vì thế, để có được bia chất lượng đáp ứng được nhu cầu người tiêu dùng thì đây là vấn đề của nhiều nhà sản xuất kinh doanh cũng như những người học công nghệ

Hiểu được điều đó, nhóm chúng em đã bắt tay tìm hiểu về công nghệ sản xuất bia nói chung cũng như quá trình lên men chính nói riêng đồng thời là bước đầu làm quen với tính toán thiết bị phản ứng phục vụ nhu cầu học tập & thực tiễn môn học Kỹ thuật phản ứng dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Tấn Việt

Trong quá trình tìm hiểu và thu nhận thông tin chắc chắn sẽ không tránh khỏi được những sai sót Do đó, nhóm sinh viên chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để có thể hoàn thiện

đề tài báo cáo: “Động học phản ứng & thiết bị lên men chính trong quá trình sản xuất bia”

Trang 4

1.1 Giới thiệu về bia:

- Bia – nói một cách tổng thể là một loại đồ uống chứa cồn được sản xuất bằng quá trình lên men của đường lơ lửng trong môi trường lỏng và nó không được chưng cất sau khi lên men

- Bia là loại đồ uống có độ cồn thấp, giàu dinh dưỡng Ngoài việc cung cấp một lượng calori khá lớn, trong bia còn chứa một hệ enzym khá phong phú, đặc biệt là nhóm enzym kích thích tiêu hóa amylaza

- Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính là đại mạch ươm mầm, hoa houblon và nước với một quy trình công nghệ khá đặc biệt, cho nên bia có tính chất cảm quan rất hấp dẫn đối với con người: hương thơm đặc trưng,

vị đắng dịu, lớp bọt trắng mịn, với hàm lượng CO2 khá cao (4 – 5g/l) giúp con người giải khát một cách triệt để khi ta uống

1.2 Lịch sử phát triển ngành sản xuất bia Việt Nam:

- Miền nam: Năm 1875, Pháp cho xây dựng nhà máy bia Sài Gòn thuộc hãng BGI

- Miền bắc : Năm 1890, bia bắt đầu có mặt ở Hà Nội

- Trong thời kì kháng chiến chống Pháp & chống Mỹ: Không có nhà máy bia lớn nào được xây dựng

- Đến giữa thập kỷ 80 : Chỉ có hai nhà máy bia Sài Gòn và nhà máy bia Hà Nội là sản xuất bia và đáp ứng được khoảng 60% nhu cầu bia cả nước

- Năm 2007: Việt Nam có 2 nhà máy quốc gia sản xuất bia, 7 nhà máy liên doanh và hơn 300 cơ sở sản xuất nhỏ lẻ

1.3 Sản xuất, tiêu thụ & xu hướng phát triển ở Việt Nam:

- Trong các loại đồ uống giải khát hiện nay, bia rất được ưa chuộng, đượcphổ biến rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam, sản lượng tiêu thụ rất lớn và ngày càng tăng

Trang 5

Sản xuất và tiêu thụ bia ở Việt Nam qua các năm

(nguồn: Đại học Bách Khoa Hà Nội)

(Triệu lít)

Bình quân(lít/người)

+ Cải thiện và ổn định chất lượng sản phẩm

+ Giảm tối đa tổn thất trong sản xuất

- Định hướng phát triển:

+ Hiện đại hóa công nghệ

+ Ưu tiên sử dụng thiết bị trong nước

+ Tập trung đầu tư các nhà máy có công suất lớn

+ Quy hoạch và xây dựng các trung tâm nghiên cứu

1.4 Một số sản phẩm bia trên thị trường Việt Nam:

- Một số sản phẩm bia của Việt Nam và liên doanh:

Thương hiệu bia Sài Gòn Thương hiệu bia Hà Nội (SABECO) (HABECO)

Trang 6

2.Quy trình sản xuất bia:

2.1 Nguyên liệu:

2.1.1 Malt Đại mạch

Trang 7

Hình: Malt sau khi nghiền

- Malt đại mạch là nguyên liệu chính của quá trình sản xuất bia vì trong malt có chứa toàn bộ hệ enzym thủy phân, chuyển hóa các hợp chất cao phân tử để tạo ra chất chiết của dịch đường

- Hiện nay, các cơ sở sản xuất bia trong nước ta thường sử dụng loại malt

có nguồn gốc từ đại mạch hai hang, chủ yếu được nhập từ Úc hay 1 số nước châu Âu như: Đan Mạch, Đức…

- Malt dùng trong sản xuất bia cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Màu sắc của các hạt Malt phải vàng sáng, hay đen sẫm

+ Hình dáng và kích thước của các hạt phải tròn đều

+ Vị ngọt dịu, hương thơm đặc trưng

+ Độ sạch của Malt: tỷ lệ cho phép là 0.5% hạt gãy vỡ, 1% các tạp chất khác

+ Trọng lượng: 28 – 39 g/1000 hạt, độ ẩm ≤5%

+ Hàm lượng chất chiết ≥ 78% so với chất khô, bao gồm: 58% tinh bột, đường khử 4%, saccarozo 5%, pentozan không hòa tan và hextozan 9%, xenluloza 6%, chất chứa Nito 10%, chất béo 2.5%, khoáng chất 2.5% Ngoài ra trong malt còn chứa các chất như inozit, tannin, chất màu, chất đắng, các loại enzyme thủy phân như amylaza, proteinaza, peptinaza, amynophotphataza

+ Thời gian đường hóa: 10-15 phút

+ Hàm lượng maltoza: 65-72% chất chiết

2.1.2 Gạo nguyên liệu

Trang 8

Hình: Gạo

- Gạo là nguyên liệu dạng hạt được dùng để thay thế 1 phần Malt nhằm mục đích giảm giá thành sản phẩm

- Các chỉ tiêu kỹ thuật của gạo:

+ Hạt gạo trắng, kích thước đồng đều không lẫn vỏ trấu, sạn…, không có mối mọt, không ẩm mốc

Trang 9

- Các chất có giá trị trong hoa như chất đắng, tinh dầu thơm, polyphenol…

có tác dụng: tạo cho bia có vị đắng dịu, hương vị đặc trưng, tăng khả năng giữ bọt, ổn định hệ keo, làm trong bia, diệt khuẩn…

- Hoa được sử dụng là hoa cái chưa thụ phấn vì hoa này chứ nhiều lupulin, nơi tập trung chất đắng Độ chín kỹ thuật của hoa là khi hoa chuyển từ màu vàng-xanh sang vàng hay vàng xanh có ánh Khi đạt đến độ chín kỹ thuật, các cánh hoa phải đóng hoàn toàn và hàm lượng lupulin đạt cực đại

- Hoa Houblon được sử dụng có 3 dạng: Hoa cánh, hoa viên và cao hoa.+ Hoa cánh: Ưu điểm là bảo toàn chất lượng, nhưng có nhược điểm là thể tích công kềnh, khó bảo quản và hiệu quả sử dụng thấp

+ Hoa viên: Hoa sau khi xử lý sơ bộ, được nghiền và ép thành các viên nhỏ, xếp vào các túi polyetilen giấy bạc hàn kín miệng để tiện cho việc bảo quản và vận chuyển

+ Cao hoa: Trích li các tinh chất chứa trong hoa bằng dung môi hữu cơ (toluene, benzene…), sau đó cô đặc để thu lấy chế phẩm ở dạng cao

- Các chỉ tiêu kĩ thuật của hoa:

+ Hoa cánh có màu vàng hơi xanh, hoa viên có màu xanh, cao hoa có màu đen hoặc vàng sẫm

+ Hoa có mùi thơm đặc trưng, không lẫn các tạp chất

- Thành phần hóa học của hoa (tính theo % chất khô):

Hình: Nấm men Saccharomyces cerevisiae

- Tế bào phát triển tốt ở 140C, hoạt lực lên yếu nếu nhiệt độ thấp 100C

- Khi lên men, tế bào nấm men lơ lửng trong dịch

- Loại nấm men này không có khả năng sinh tổng hợp enzym melibiaza nên chỉ hấp phụ được 1/3 đường Rafinoza (1 gốc glucoza và đường kép melibioza) và một số đường đơn như: Glucoza, Fructoza…

* Nấm men chìm Saccharomyces carlsbergensis:

Hình: Nấm men Saccharomyces carlsbergensis

- Tế bào phát triển tốt ở 6-80C, khi tàng trữ ở 00C vẫn có khả năng lên men

- Khi lên men, loại nếm men này phân bố chìm trong dịch lên men

- Loài này có khả năng tổng hợp enzym melibiaza nên có khả năng hấp thụ toàn bộ đường Rafinoza Ngoài ra, khả năng lên men ở nhiệt độ thấp của nấm men này cũng là một yếu tố quan trọng để tạo ra các loại bia có chất lượng cao, độ bền keo và sinh học tốt

2.1.5 Nước

- Trong quá trình sản xuất bia, nước được sử dụng nhiều trong tất các khâu

Từ nấu lọc cho đến vệ sinh sản phẩm Trong thành phần bia nước chiếm 1 lượng lớn 80-90% , góp phần tạo hương vị của bia Bởi vậy, nước được sử dụng phải có chỉ tiêu chất lượng và kĩ thuật quan trọng:

+ Nước phải trong, không chứa tạp chất, không có mùi, vị lạ

+ Độ cứng 10oH

+ Hàm lượng các ion:

Trang 11

+ Chỉ số coli (tế bào E.Coli/1L): 3 tb.

- Các thành phần hóa học trong nước sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của từng công đoạn nếu vượt qúa chỉ tiêu cho phép Bia dễ uống hơn khi Cl- nằm trong giới hạn cho phép, độ chua của ion SO42- của muối Ca2+

và Mg2+ tác dụng với K2HPO4 tăng thì pH giảm, kích thích hệ enzyme hoạt động mạnh tạo hiệu suất tốt khi đường hóa Nếu MgSO4 cao quá mức cho phép thì bia sẽ có vị đắng khó chịu hoặc hàm lượng ion Fe cao thì bia cũng

có mùi khó chịu, màu nhanh đục và giảm độ sánh…

2.3 Thuyết minh dây chuyền công nghệ:

2.3.1 Làm sạch:

* Mục đích:

Malt và gạo trước khi đem vào sản xuất bia cần phải có quá trình làm sạch để loại bỏ tạp chất Quá trình này đảm bảo nguyên liệu phải được sạch, kích thước hạt đồng đều, không ảnh hưởng đến chất lượng bia, thuận lợi cho quá trình nghiền

Trang 13

* Tiến hành làm sạch:

- Ngyên liệu sau khi được định lượng thì qua máy làm sạch để loại bỏ bụi bẩn, các hạt bị gãy dập, chất lượng kém hoặc mầm rễ còn sót, các tạp chất lớn như lông chim, lá khô,… để đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng của bia Sau đó, nguyên liệu được đưa qua bộ phận tách từ để loại bỏ các tạp chất có từ tính nhằm tránh gây ảnh hưởng đến quá trình nghiền phía sau

2.3.2 Nghiền nguyên liệu

* Mục đích:

Nhằm để làm giảm kích thước hạt, phá vỡ cấu trúc tinh bột, làm cho nước xâm nhập vào nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy quá trình đường hoá, thuỷ phân tinh bột diễn ra nhanh và triệt để hơn

* Yêu cầu khi nghiền:

a) Malt:

- Vỏ malt giữ được càng nguyên càng tốt Nếu giữ nguyên được vỏ malt thì

sẽ ngăn chặn được việc chuyển các chất không có lợi từ vỏ vào dịch đường

và vào bia Mặt khác, vỏ malt càng nguyên càng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lọc, nâng cao vận tốc và hiệu suất lọc

- Nội nhũ phải được nghiền nhỏ Tuy nhiên, nếu tỷ lệ bột và tấm mịn, nhất

là bột quá cao thì lọc dịch đường sẽ khó khăn và giảm hiệu suất thu hồi Vì vậy, khi nghiền cần tạo tỷ lệ thích hợp giữa tấm thô, tấm mịn và bột phù hợp với từng loại thiết bị lọc

b) Gạo: Nghiền càng nhỏ càng tốt, khi đó khả năng tiếp xúc giữa cơ chất

và enzim càng cao, hiệu quả thuỷ phân tinh bột càng triệt để

* Phương pháp thực hiện:

- Có nhiều phương pháp nghiền: nghiền khô, nghiền ẩm và nghiền ướt

2.3.3 Nấu nguyên liệu:

* Mục đích:

- Chuyển các chất có trong nguyên liệu từ trạng thái không hoà tan sang trạng thái hoà tan nhờ tác động của các hệ enzym thuỷ phân

Trang 14

1 Ống tháo hơi.

2 Cửa nạp liệu

3 Cửa nạp hơi

4 Áo hơi

5 Cửa thoát nước ngưng

6 Cửa tháo liệu

7 Cánh khuấy

8 Cửa quan sát

* Tiến hành nấu:

- Sau khi nghiền xong, nguyên liệu nên đem đi nấu ngay vì nếu để lâu bột

sẽ bị chua, làm ảnh hưởng đến chất lượng của bán thành phẩm và thành phẩm sau này Tỷ lệ phối trộn nguyên liệu và nước nấu phụ thuộc vào tỷ lệ gạo và malt

- Tiến hành nấu trong nồi nấu thường là nồi 2 vỏ, có dạng hình cầu, được chế tạo bằng thép không gỉ, bên trong có cánh khuấy dạng mỏ neo nằm ở sát đáy thiết bị

+ Nồi gạo: Gạo đã nghiền mịn với 10% bột malt lót (so với tổng lượng gạo) được đem vào phối trộn với nước ấm 32oC theo đúng tỷ lệ trên Bổ sung chế phẩm enzym termamyl cần dùng Bật cánh khuấy để khuấy trộn trong 10 phút Sau khi khuấy trộn xong nhiệt độ của nồi nấu hạ xuống khoảng 30oC, bổ sung axit lactic để pH hạ xuống còn 5.6 Sau đó nâng nhiệt độ của khối nấu lên 66oC với thời gian khoảng 30 phút và giữ ở nhiệt

độ này khoảng 30 phút để hồ hoá tinh bột Sau đó nâng nhiệt độ khối nấu đến nhiệt độ sôi trong 30 phút và giữ sôi 30 phút Trong suốt quá trình nấu gạo phải khuấy trộn liên tục để tránh cháy ở đáy nồi, vận tốc cánh khuấy khoảng 30÷40 vòng/ phút

+ Nồi malt: Khi nồi gạo đang nâng nhiệt để đun sôi thì nồi malt cũng bắt đầu cho nước ấm 32oC vào Sau đó xuống bột hoà malt trong 10 phút Dùng axit lactic hạ pH môi trường xuống 5.6 rồi tiến hành nâng nhiệt lên

Trang 15

Hình: Nồi nấu nguyên liệu

52oC, mất khoảng 30 phút, giữ ở nhiệt độ này 30 phút để thực hiện quá trình đạm hoá.

+ Hội cháo: Phải tính toán sao cho khi nồi gạo đun sôi xong thì quá trình đạm hoá ở nồi malt cũng vừa kết thúc Bơm cháo gạo sang nồi malt để hội cháo, mất khoảng 10 phút Khi hội cháo xong thì điều chỉnh nhiệt độ toàn khối nấu sao cho đạt 63oC, giữ ở 63oC trong 30 phút để tạo điều kiện cho enzym β-amylaza thuỷ phân tinh bột Sau đó, tiếp tục nâng nhiệt độ khối nấu lên 73oC trong vòng 10 phút và giữ ở 73oC trong 30 phút để enzim α-amylaza tiếp tục thuỷ phân tinh bột Cuối cùng nâng nhiệt độ toàn khối dịch lên 78oC trong vòng 5 phút rồi sau đó bơm dịch đi lọc

* Sơ đồ nâng và giữ nhiệt của quá trình nấu:

cháo ngô

cháo malt dịch cháo hỗn hợp

+ Giai đoạn rửa bã.

- Trước khi lọc cần thiết phải bơm nước nóng vào khoảng không gian giữa khung, bản để làm nóng thiết bị Sau đó, tháo nước nóng và bơm dịch vào Trong khoảng thời gian đầu dịch đường chảy ra còn đục nên cần bơm hồi lưu về nồi đường hoá để lọc lại Khi dịch đường đã đạt được độ trong cần thiết thì cho chảy vào thiết bị houblon hoá

- Sau khi đã lọc hết dịch thì tiến hành rửa bã để thu hồi các chất hoà tan còn sót trong bã Để tăng cường quá trình khuyếch tán các chất hoà tan vào dung dịch rửa bã thì cần dùng nước nóng 75÷ 78oC để rửa Nước rửa bã cũng được chảy vào nồi houblon hoá Không nên dùng nước có nhiệt độ quá cao để rửa bã và cũng không nên rửa bã quá kĩ Bởi vì, nếu rửa kĩ quá thì một số các chất đắng và tanin sẽ trích ly vào làm cho dịch có mùi và vị không bình thường, đôi lúc còn làm loãng dịch đường nên phải mất thời gian và tốn kém năng lượng cho việc cô đặc đến nồng độ cần thiết

- Dịch đường sau khi lọc xong phải đảm bảo về độ trong Khi đã rửa bã xong thì tiến hành tháo bã và vệ sinh sát trùng thiết bị

+ Làm keo tụ các protit.

+ Truyền cho bia mùi và vị của hoa houblon

+ Vô hoạt enzim và thanh trùng dịch đường

* Tiến hành Houblon hóa:

- Kỹ thuật đun sôi: Dịch đường ban đầu và nước rửa bã được trộn lẫn vào nhau trong thiết bị houblon hoá Yêu cầu phải giữ nhiệt độ của hỗn hợp này không nhỏ hơn 70oC Để giữ được dịch đường ở nhiệt độ cần phải cung cấp nhiệt cho nó Trong quá trình cung cấp nhiệt phải tính toán như thế nào để khi quá trình rửa bã vừa kết thúc thì dịch đường cũng vừa sôi Không nên để dịch đường chưa sôi trong thời gian quá dài Vì như vậy sẽ tạo điều kiện cho oxi không khí tiếp xúc với dịch đường và dẫn tới các phản ứng oxi hoá làm giảm chất lượng của dịch đường

- Thời gian houblon hoá trung bình là 2h và không nên ít hơn1.5h và không quá 2.5h

- Thiết bị houblon hóa cũng giống như thiết bị nấu

- Tiến hành: Dịch đường và nước rửa bã từ thiết bị lọc chuyển thẳng vào nồi houblon hóa Khi dịch đường lấp đầy đáy nồi thì bắt đầu cung cấp nhiệt để nhiệt độ dịch đường luôn giữ ở 75oC Khi nước rửa bã chảy vào nồi gần kết thúc thì bắt đầu nâng nhiệt đến sôi và cho 1/3 lượng hoa vào nhằm lấy chất đắng Giữ sôi 30 phút rồi tiếp tục cho 1/3 lượng hoa vào Trước khi kết thúc quá trình houblon hóa khoảng 30 phút thì cho tiếp 1/3 lượng hoa còn lại nhằm tạo hương và kết lắng protein Trong quá trình đun sôi thì chỉ số đầu tiên để kết thúc quá trình đun sôi là nồng độ dịch đường, những chỉ số khác là sự có mặt kết tủa của protein và độ trong của dịch đường, tổng thời gian đun sôi là 120 phút

2.3.6 Lắng trong và làm lạnh:

* Mục đích:

- Lắng và tách cặn để làm trong dịch đường

- Hạ nhiệt độ của dịch đường đến nhiệt độ lên men

- Bão hòa oxy cho dịch lên men

* Tiến hành:

- Tiến hành lắng trong trong thiết bị whirlpool và làm lạnh bằng thiết bị làm lạnh bản mỏng Thiết bị làm lạnh whirlpool là một thùng được làm

Trang 18