6. Tình hình sản xuất bia của các nhà máy bia tại Việt Nam
3.2.2. Quy trình công nghệ lên men
Hình 3.13. Sơ đồ quy trình công nghệ lên men 3.2.2.1. Thuyết minh quy trình công nghệ
Dịch đường đã đun sôi với hoa houblon được vào thùng lắng cặn dựa vào lực hút của lực hướng tâm. Sau đó làm lạnh bằng máy lạnh nhanh α – laval tới nhiệt độ 9oC rồi bơm sang tank lên men chính. Nước mout được bổ sung nấm men và oxy. Thực hiện lên men chính trong tank lên men hoàn toàn kín bằng thép không rỉ có thể tích 10.000 lít và dùng chất tải lạnh là cồn với thời gian lên men chính 5 – 6 ngày, CO2 sinh ra được thu hồi. Bia non sinh ra từ quá trình lên men chính được lên men phụ, thời gian lên men cho cả 2 quá trình là 11 – 16 ngày. Sau khi lên men phụ
xong bia được lọc bằng máy lọc ống. Bia trong sẽ được nạp CO2 đạt yêu cầu, bổ sung Vical chống oxy hóa, Colupulin chống đục cho bia.
3.2.2.1.1. Yêu cầu của dịch đường trước khi lên men
Yêu cầu của dịch đường trước khi lên men.
Bảng 3.8. Chỉ tiêu của dịch đường trước khi lên men Chỉ tiêu Hàm lượng Tinh bột sót Balling pH H+ (ml) NaCl (mg/l) TBS Độ màu Độ trong Không có 11 – 11,5 5,5 – 5,6 0,8 – 0,9 < 585 Tốt < 12,5 oEBC Trong
3.2.2.1.2. Yêu cầu chất lượng của nấm men sử dụng tại nhà máy
* Nhà máy sử dụng chủng nấm men Saccharomyces carlsbergensis từ hai nguồn khác nhau :
+ Đầu tiên từ một tế bào nấm men gốc đã được phân lập, người ta cấy vào ống thạch nghiêng gọi là ống giống. Sau đó từ ống giống này người ta nuôi cấy trong môi trường lỏng chứa dịch nước mout và nhân dần thể tích lên, cho nấm men sinh sản và tăng số lượng sau đó đem sử dụng.
+ Nấm men tái sử dụng được thu từ tank lên men và lưu trữ ở tank men. Một đời men giống được tái sử dụng từ 6 – 8 chu kỳ lên men tùy theo chất lượng của nấm men.
* Yêu cầu chất lượng của nấm men sử dụng trong lên men bia: + Tỷ lệ chết dưới 2 %.
+ Tỷ lệ nảy chồi lớn hơn 10 % (thời kỳ nảy chồi mạnh nhất đạt 80% - đường hạ xuống nhanh nhất).
+ Nấm men có khả năng chuyển hóa các đường đơn, đường đôi, các peptid, acid amin giải phóng CO2, rượu etylic và các sản phẩm khác kèm theo sự tỏa nhiêt.
+ Nấm men phải thuần chủng.
3.2.2.2. Mục đích cấu tạo, cách vận hành các thiết bị trong phân xưởnglên men lên men
3.2.2.2.1. Thiết bị sạc oxy
Hàm lượng oxy trong dịch đường ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ sinh sản của nấm men và sinh khối tạo thành. Nếu không đủ oxy cho nấm men thì đặc tính công nghệ mau chóng suy giảm, mức độ sinh sản hạn chế làm cho tốc độ lên men chậm, hương vị của bia không đạt. Lượng oxy thích hợp là 6,7 – 7 mg/l dịch đường. Vì lên men trong hệ thống kín do đó oxy được hòa tan với dịch đường trên đường ống dẫn về thiết bị lên men chính với liều lượng 50 – 70 hls/h khi châm thêm là 30 – 50 hls/h. Khi làm đầy thì không thêm nữa.
Thiết bị này có cấu tạo đơn giản: Máy nén hoạt động tạo áp suất 4 – 5 bar dùng để nén không khí, nó qua lớp gòn dày để lọc bụi, qua đèn cực tím để diệt khuẩn, cuối cùng qua thiết bị lọc tinh để đảm bảo không khí sạch khuẩn.
3.2.2.2.2 Thiết bị xử lý và cung cấp nấm men
Nấm men được cho vào nước nha trên đường ống về tank lên men chính. Nấm men được lấy từ 2 nguồn: Nhân giống ở phòng thí nghiệm và men tái sử dụng.
Lượng sinh khối thu được sau lên men chính nhiều gấp 5 – 8 lần lượng nấm men giống gieo cấy ban đầu. Hầu hết lượng sinh khối này rất bẩn vì trong đó có rất nhiều tạp chất kết lắng cùng. Công việc thu hoạch nấm men sản xuất, bao gồm công đoạn sau:
+ Rây nấm men để tách hết các tạp chất có kích thước lớn. + Rửa nấm men để tách hết tế bào chết và cặn mịn.
+ Sát trùng để tiêu diệt các vi sinh vật.
+ Bảo quản nấm men sạch, dùng để lên men các mẻ sau hoặc sử dụng mục đích khác.
3.2.2.2.3. Thiết bị lên men
Cấu tạo
Hình 3.14. Thiết bị lên men
Tank lên men có dạng hình trụ, được làm bằng thép không rỉ. Ở giữa các đoạn thân và đáy được chế tạo hai lớp vỏ để bơm chất tải lạnh đi qua. Nhờ có chất tải lạnh này mà nhiệt độ trong thùng lên men luôn giữ ổn định, lớp vỏ dày chịu được áp lực 3 kg/cm2, có lớp bảo ôn cách nhiệt, đáy hình chóp cụt.
Chiều cao tank là 500 cm, đường kính ngoài là 190 cm, đường kính trong là 180 cm. Lớp áo bảo ôn dày 5 cm, đường kính đáy là 50 cm. Thiết bị này có 3 áo làm lạnh (1cái ở đáy và 2 cái ở thân).
Thân và đáy của tank có 2 lớp, được làm bằng thép không rỉ, giữa hai lớp có một lớp bảo ôn để giảm sự truyền nhiệt giữa thiết bị lên men và môi trường bên ngoài.
Ở giữa thành thiết bị và lớp bảo ôn là hệ thống làm lạnh mà tác nhân làm lạnh là cồn.
Ngoài ra, thiết bị lên men còn có một số bộ phận phụ trợ khác như: Bên thân tank có các đường ống dẫn để dẫn tác nhân làm lạnh vào, đồng hồ đo nhiệt độ, áp suất, van lấy mẫu, cửa thao tác… phía dưới đáy còn có các van xả dịch, xả cặn, thu
hồi nấm men (van xả dịch: được thiết kế gồm một đường ống nhỏ hơn so với đáy tank và nằm bên trong tank có thể có thể tháo rời hay gắn liền nhờ ren kết hợp với một đường ống gọi là đường ống lấy bia).
Giá đỡ thiết bị được gắn liền với thân thiết bị tại đáy gồm 3 chân đỡ hình trụ rất chắc chắn.
Nguyên lý hoạt động
Tank lên men được làm vệ sinh trước khi bơm dịch vào. Trước hết mở hệ thống làm lạnh, cài nhiệt độ lớp áo lạnh bằng chất tải lạnh là cồn ở nhiệt độ khoảng 9oC. Dịch đường đã được lắng trong được bơm vận chuyển qua thiết bị α – laval làm lạnh xuống nhiệt độ lên men 9 ± 0,5 rồi trực tiếp đến tank lên men. Song song quá trình đó sục khí O2 vô trùng với hàm lượng 6 – 8 mg/l, đồng thời nấm men cũng được bơm vào tank cùng với dịch.
Lên men chính được thực hiện trong khoảng 5 – 6 ngày với nhiệt độ khoảng 9oC và áp suất là 0 atm. Phải kiểm tra nồng độ đường và nấm men mỗi ngày trong suốt thời gian lên men xem có phù hợp hay không, nếu có sự cố thì kịp thời khắc phục. Trong suốt thời gian lên men chính tiến hành thu hồi CO2 về phao chứa.
Quá trình lên men chính kết thúc khi nồng độ đường đạt 4,2 độ Plato, ta khóa van thu hồi CO2 và tiến hành dằn áp để tăng áp suất trong tank lên 0,5 kg/cm2 đồng thời hạ nhiệt độ lớp áo lạnh xuống 4oC, bắt đầu cho quá trình lên men phụ. Khi nồng độ đường trong bia non đạt 3,2 độ Plato ta lại dằn áp về để tăng áp suất lên 1,4 kg/cm2 và hạ nhiệt độ lớp áo lạnh xuống 0oC nhằm liên kết CO2 trong bia. Thời gian lên men phụ thường kéo dài từ 6 – 10 ngày. Kết thúc giai đoạn lên men phụ và ủ chín bia ta xả cặn và men qua van xả men. Dịch bia được lọc sẽ được bơm qua đường lọc bia đến thiết bị lọc. Khi trong tank hết bia thì tiến hành làm vệ sinh.
Trong suốt quá trình lên men cần phải theo dõi sự thay đổi về nhiệt độ, áp suất, tốc độ lên men để hiệu chỉnh cho phù hợp với từng giai đoạn.
3.2.2.2.4. Thiết bị tàng trữ bia
Sản xuất bia không thể bỏ qua giai đoạn tàng trữ bia. Một lượng nhỏ nấm men trong bia non sẽ lên men tiếp đường còn lại. Diacetyl tạo ra khi lên men chính sẽ được chính nấm men khử và chuyển thành aceton, các acid hữu cơ tác dụng với rượu tạo ester và chất thơm. Quá trình này ổn định thành phần và các tính chất cảm
quan của bia thành phẩm. Diacetyl này ổn định thành phần và các tính chất cảm quan của bia thành phẩm. Diacetyl là chất có mùi hôi và vị đắng gắt cực mạnh, rất có hại cho thần kinh (EBC quy định lượng Diacetyl trong bia phải ≤ 0,1 mg/lít).
Thiết bị tàng trữ bia cũng tương tự như thiết bị lên men bia chỉ khác là nó thêm áp kế, đường nạp CO2 có van an toàn, trên nắp có gắn thêm van đuổi không khí bia vào tank.
3.2.2.3. Quá trình lên men bia3.2.2.3.1. Lên men chính 3.2.2.3.1. Lên men chính
Mục đích
Lên men chính là quá trình chuyển chất đường và các destrin có phân tử lượng thấp thành ethanol, CO2 và một số sản phẩm phụ khác như các acid hữu cơ, ester, glyceryl, aldehyd... nhằm tạo mùi vị cho bia.
Các biến đổi trong quá trình lên men chính
Quá trình lên men chính để chuyển hóa dịch đường thành bia non thông qua những quá trình cơ bản sau:
* Quá trình sinh lý: Thể hiện rõ ở giai đoạn đầu, giai đoạn tăng sinh khối của nấm men. Thực chất đây là quá trình lên men hiếu khí, nấm men thực hiện quá trình trao đổi chất và năng lượng để sinh sống và phát triển.
* Quá trình sinh hóa: Tăng mạnh dần vào cuối giai đoạn thứ hai. Vào cuối giai đoạn lên men hiếu khí chuyển sang dần kỵ khí. Đây là quá trình chuyển dần sang kỵ khí. Đây là quá trình chuyển hóa các chất đường thành ethanol và CO2 theo các phương trình sau:
Phương trình hô hấp: C6H12O6 + O2→ 6CO2 + 6H2O + Q1 Phương trình sinh hoá: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Q2
Nấm men sử dụng các hydrat cacbon theo quy luật từ những đường đơn giản nhất (đường đơn glucose, fructose), khi đã cạn nguồn đường đơn nấm men sẽ tấn công đến các loại đường kép (saccharose), còn các destrin bậc thấp nấm men chỉ sử dụng một phần, phần còn lại sẽ được sử dụng trong quá trình lên men phụ.
* Quá trình lý hóa: Trong quá trình lên men chính, quá trình lý hóa cũng xảy ra mạnh mẽ: pH từ 5,5 – 5,6 ở dịch đường ban đầu giảm dần về pH ở 4,2 – 4,6 trong
bia non do sự tạo thành CO2 và các acid hữu cơ, pH thấp, không ảnh hưởng đến độ chua của bia. Đặc biệt các acid hữu cơ dễ bay hơi phản ứng với rượu theo phản ứng ester hóa tạo mùi thơm cho bia.
Do pH của dịch lên men giảm, đã tạo điều kiện cho protein đông tụ và kết lắng với tế bào nấm men.
Khí CO2 được tạo nên trong quá trình lên men lúc đầu nó hòa tan vào dịch sau đó tăng dần và tách ra ở dạng khí. Trên bề mặt của các lớp khí có lớp hấp phụ các chất có hoạt tính bề mặt như protein, nhựa hoa houblon. Các chất này là cơ sở để tạo thành các lớp xốp như bông khí CO2 tạo thành từ lớp xốp này. Khi các túi khí riêng lẻ dính vào nhau, thì tạo nên một lớp bọt tràn kín và xếp dày trên bề mặt của dịch lên men.
Do sự thay đổi của các tác nhân kỹ thuật như: O2, pH, to làm protein bị biến tính (mất dần điện tích) gây keo tụ protein, dẫn đến sự thay đổi lớn đến độ nhớt trong bia, ảnh hưởng đến sự liên kết và độ mịn của lớp bọt trong bia non.
Quá trình lên men chính được phân ra làm 4 giai đoạn
Giai đoạn đầu: Khi dịch đường và men đã được bơm vào tank lên men ở nhiệt
độ 90C thì sau 24 giờ nấm men bắt đầu phát triển. Trong giai đoạn này oxy rất cần cho sự phát triển của tế bào nấm men do vậy lượng oxy cần thiết hòa tan vào dịch đường được đảm bảo bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp với dịch đường trong thời gian làm lạnh (không khí được vô trùng bằng tia cực tím trước khi bơm vào dịch đường) hoặc cũng có thể sục khí vô trùng sau khi đã gieo men giống vào. Lượng oxy hòa tan vào dịch đường khống chế lưu lượng 60 – 80 lít/h. Nếu lưu lượng thấp hơn thì tốc độ sinh trưởng của nấm men bị hạn chế. Làm chậm quá trình lên men không đảm bảo được hương vị cho bia, còn nếu lưu lượng cao hơn thì nhiều sản phẩm bậc hai như diacetyl. Chất này tạo ra với hàm lượng cao không những gây ra tác động mạnh đến hệ thần kinh mà còn làm cho bia có vị khó chịu đắng, mùi khét. Đặc điểm chính của giai đoạn này là tạo bọt trắng mịn ở xung quanh bề mặt dịch lên men, lúc này lượng CO2 tạo ra nhiều, lại ở nhiệt độ thấp nên chúng hòa tan hết vào dịch lên men. Nấm men lúc này đang ở giai đoạn nảy chồi và phát triển làm giảm lượng chất hòa tan trong dịch lên men với tốc độ khoảng 0,2 – 0,5% mỗi ngày. Giai đoạn này kéo dài từ 24 – 36 giờ.
Giai đoạn hai: Gọi là giai đoạn tạo bọt thấp. Lúc này lượng CO2 tạo ra nhiều hơn và có xu hướng muốn thoát ra ngoài dưới dạng bọt li ti. Trên mặt bong bóng này hình thành một lớp hấp phụ đơn phân gồm những chất có sức căng bề mặt như protein, chất đắng, polyphenol… làm cho CO2 không thể thoát ra khỏi bề mặt của lớp trên cùng để thoát ra ngoài môi trường mà chúng lại bị hấp phụ với nhau tạo thành bọt. Giai đoạn này chất lượng hòa tan giảm với tốc độ 1% mỗi ngày và kéo dài từ 2 – 3 ngày.
Giai đoạn ba: Trong giai đoạn này quá trình lên men xảy ra mạnh nhất. Tiêu
hao cơ chất với tốc độ 1 – 1,5% mỗi ngày đêm. Lượng CO2 tạo ra nhiều và một phần thoát ra ngoài nhưng lại được thu hồi để tái sử dụng tiếp. Bọt lúc này xốp và bồng lên cao, bề mặt bọt trắng dần và chuyển sang màu nâu (do xảy ra sự oxy hóa các chất trên bề mặt làm thay đổi màu lớp bọt). Giai đoạn này kéo dài từ 3 – 4 ngày.
Giai đoạn cuối: Bọt xẹp dần, màu sắc của lớp bọt cũng bị biến đổi, sự tiêu hao
chất hòa tan diễn ra chậm khoảng 0,2 – 0,5% mỗi ngày đêm. Khi thấy hàm lượng chất hòa tan chỉ còn lại 30 – 35% so với lượng chất chiết ban đầu thì ta dừng quá trình lên men chính lại. Lúc này tế bào nấm men tạo thành những lớp như bông và lắng xuống đáy. Sản phẩm ở giai đoạn này gọi là bia non.
Như vậy trong quá trình lên men chính một lượng đáng kể CO2 cần thiết cho bia đã thoát ra ngoài. Do vậy mà sau khi lên men chính lượng CO2 trong bia chưa đạt đến mức độ bão hòa cần thiết vì thế phải điều chỉnh quá trình lên men chính lại khi mà lượng chất hòa tan giảm còn 2,0 – 2,2% hoặc độ đường khoảng 3,2 – 4,2 độ Plato để nấm men tiếp tục chuyển hóa lượng cơ chất này khi chuyển sang nhiệt độ thấp hơn là quá trình lên men phụ.
Các thông số kỹ thuật trong quá trình lên men chính
Sau khi dịch đường đã được làm lạnh và nấm men cũng được chuẩn bị thì quá trình lên men chính được tiến hành:
+ Dịch đường phải được làm lạnh xuống 9oC trước khi lên men và duy trì ở nhiệt độ này trong suốt quá trình lên men chính.
+ Dịch đường chứa trong tank khoảng 80 – 90% thể tích tank nhằm tạo khoảng không cho sự sinh khí của CO2, cân bằng áp suất cho tank.
+ Nấm men được bơm vào tank với mật độ 15 – 20 triệu tế bào/ml dịch. Thường nấm men được cho vào khoảng 70 – 80 kg/tank (thể tích của tank là 10000 lít).
+ Khí oxy vô trùng xục vào tank với nồng độ 6 – 8 mg/l.
+ Hiện tại nhà máy sử dụng chủng nấm men Saccharomyces carlsbergensis để lên men chìm. Loại này hoạt động tốt ở nhiệt độ dưới 10oC, tiêu thụ hầu hết các chất chiết có trong dịch lên men.