CHƯƠNG 3 : NGUYÊN LIỆU VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA LON 333
3.2 QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA LON 333
3.2.2 Cơng đoạn lên men và lọc
Quy trình lên men - lọc:
Quy trình lên men lọc được thể hiện ở hình 3.16:
Hình 3.16: Quy trình lên men - lọc
Thuyết minh quy trình:
Vicant Collupulin Hệ thống xử lý CO2 Lọc tinh Lọc đĩa
Bộ bão hịa CO2 Bồn đệm Lên men chính
Lên men phụ
Lọc ống Thu hồi CO2
Sục khơng khí vơ trùng
Bột trợ lọc Dịch nha lạnh
Nấm men
Nấm men thu hồi Cấp lại cho lên men
Bỏ (quá đời, hoặc khơng đạt yêu cầu)
Nhựa PVPP
CO2
3.2.2.1 Lên men:
Tổng thời gian lên men và trữ bia: ≥ 21 (ngày). Q trình lên men chính và lên men phụ thực hiện cùng một tank tránh nhiễm vi sinh vật trên đường ống vận chuyển.
Sục khơng khí vơ trùng
- Mục đích: Trong q trình nấu bắt buộc hạn chế oxy tiếp xúc hoặc cĩ trong dịch nha, ta cần nạp khơng khí vơ trùng cĩ chứa oxy để nấm men phát triển. - Tiến hành:
Trên đường ống bơm dịch về tank lên men người ta sục khơng khí vơ trùng vào thẳng trong ống sao cho oxy hịa tan trong dịch nha đạt 6÷8 mg/l.
Khí oxy chỉ được sục vào dịch nha lạnh.
Cách xử lý khơng khí: Mở đèn cực tím cho khơng khí đi qua, đèn cực tím sẽ diệt khuẩn khí oxy.
a. Lên men chính
- Mục đích: Q trình lên men chính nhằm chuyển hĩa đường trong dịch nha thành ethanol, carbondioxide cùng với các sản phẩm phụ và sản phẩm trung gian từ quá trình trao đổi chất, đồng thời lên men chính cịn làm tăng sinh khối nấm men.
- Cách Tiến hành:
Bổ sung oxy và nấm men ngay trên đường ống dẫn dịch nha ở mẻ đầu tiên. Đồng thời quá trình bơm nước nha vào tank, ta bổ sung Maturex L để rút ngắn q trình lên men.
Cơng thức tính lượng nấm men sử dụng cho 1bồn (tank) lên men: M= K*V*10000/(C*(100-%chết)
Trong đĩ: K=0.525, V= 830hl
Hệ số K: đã tính cho hao hụt đường ống C: độ đậm đặc % nấm men cấy
Trong quá trình bơm dịch nha ta mở van thơng đỉnh tank.
Trong q trình lên men chính, khí CO2 sinh ra đạt độ tinh khiết ≥ 99,7% thì tiến hành thu hồi CO2.
Trong thời gian lên men chính cần xả cặn men mỗi ngày để loại bỏ cặn hoa, xác nấm men gây mùi vị xấu cho bia.
Bảng 3.8: Thơng số của q trình lên men chính:
Chỉ tiêu Thơng số sa u 1 g i ờ Mật số nấm men 23÷24 x 106 tế bào/ml Tỉ lệ nấm men chết 1÷13 % Tỉ lệ nấm men chồi 0,5÷31 % Chất hịa tan 12,4 0P pH 4÷5,5
Nhiệt độ lên men 7÷9oC
Áp suất 0 bar (cuối quá trình lên men cài 0,3)
Thời gian lên men chính 5÷7 ngày
Các biến đổi xảy ra trong q trình lên men chính:
* Biến đổi sinh học:
- Giai đoạn sinh trưởng hiếu khí:
Đây là giai đoạn đầu của q trình lên men. Ở giai đoạn này nấm men nảy chồi và phát triển rất nhanh, đạt cực đại là ở cuối ngày thứ 3 đồng thời là sự giảm nhanh nồng độ chất hịa tan trong dịch đường, nhiệt độ tăng dần và sự xuất hiện của nhiều bĩng khí to phủ kín bề mặt dịch nha.
Trong giai đoạn này nấm men vẫn tiếp tục sinh trưởng nhưng trong điều kiện khơng cĩ O2 và nồng độ đường thấp. Quá trình lên men bắt đầu chuyển từ kiểu lên men hiếu khí (để tăng sinh khối nấm men) sang lên men kỵ khí (tạo C2H5OH, CO2 và một số sản phẩm phụ khác).
* Biến đổi vật lý: - Nhiệt độ lên men
+ Trong quá trình lên men chính yếu tố nhiệt độ đĩng vai trị rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lên men và từ đĩ ảnh hưởng đến chất lượng của bia non.
+ Nhiệt độ trong quá trình lên men tăng dần do quá trình trao đổi chất của nấm men kèm theo hiện tượng giải phĩng nhiệt. Do đĩ, để đảm bảo nhiệt độ luơn ổn định người ta thường điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình lên men một cách tự động. Việc điều chỉnh nhiệt độ lên men cịn tùy thuộc vào đời men.
Sau khi kết thúc lên men chính hạ nhiệt độ từ từ xuống 2oC nhằm tạo điều kiện cho quá trình lắng men và tạo điều kiện thích hợp cho q trình lên men phụ. - Áp suất lên men:
Áp suất lên men tăng dần do sự tạo thành khí CO2 từ quá trình hơ hấp hiếu khí và lên men kỵ khí của nấm men. Do đĩ tank lên men cĩ nắp thiết bị điều áp tự động. * Biến đổi hĩa sinh:
Trong quá trình lên men diễn ra rất nhiều quá trình chuyển hĩa cụ thể là: - Sự trao đổi glulcid ở tế bào nấm men
+ Sự thủy phân của các loại đường disacharide, trisaccharide,..thành glucose dưới xúc tác của một số enzym tương ứng như: maliase, invertase, melibiase,…
+ Chuyển hĩa glucose thành ethanol và CO2. Ngồi ra cịn chuyển hĩa các loại đường khác thành các loại rượu như propylic, izopropylic, amilic…
+ Sự tổng hợp vật chất tế bào từ glucose thành glucogen cũng cĩ thể xảy ra trong quá trình sinh trưởng và phát triển của nấm men.
- Sự trao đổi lipid:
Trong quá trình sinh trưởng và phát triển hiếu khí thường kèm theo quá trình tổng hợp các acid béo và sterol ở nấm men. Các chất này là thành phần quan trọng của tế bào.
- Sự trao đổi các hợp chất nitơ:
Các hợp chất nitơ cĩ trong dịch nha gạo gồm: các phân đoạn protein (các polypeptide, peptid, pepton, acid amin), các muối amoni, các purite, nucleotide… Trong số các hợp chất này thì các muối amoni vơ cơ và các acid amin sẽ được nấm men sử dụng như nguồn cung cấp nitơ phục vụ cho quá trình sinh trưởng và trao đổi chất.
* Biến đổi hĩa học:
- Sự thay đổi hàm lượng chất khơ trong quá trình lên men, nấm men sử dụng đường trong dịch nha để tăng sinh khối và lên men ethanol. Do đĩ nồng độ chất khơ trong dịch lên men sẽ giảm dần. Người ta dựa vào sự thay đổi độ Plato làm thơng số điều khiển quá trình lên men. Độ Plato trước quá trình lên men là 12,4 (Độ Plato nguyên thủy). Tùy theo từng loại bia mà kết thúc q trình lên men chính và lên men phụ cĩ độ Plato khác nhau.
- Sự thay đổi pH:
Sau khi kết thúc q trình lên men chính pH giảm xuống cịn khoảng 4,4÷4,5. Hiện tượng giảm pH trong q trình lên men là do sự hình thành acid H2CO3 (do CO2 sinh ra trong quá trình lên men hịa tan vào nước), sự vận chuyển ion H+ qua màng tế bào và hình thành nên các acid hữu cơ trong quá trình trao đổi chất của nấm men như: acid acetic, acid formic, acid lactic, acid citric …
- Sự thay đổi hàm lượng khống chất trong quá trình lên men, nấm men đã sử dụng một số kim loại cần cho sự sinh trưởng và phát triển của nấm men như: Ca2+; Mg2+; Fe2+; Mn2+; Co2+; K +; Ni2+ và Zn2+. Dịch nha được xem là nguồn
cung cấp các thành phần khống cần thiết cho nấm men. Vì vậy trong quá trình nấu dịch nha cần bổ sung thêm Ca2+ và Zn 2+.
- Sự tạo thành các ester:
Các ester được tạo thành vào cuối giai đoạn lên men chính nhờ phản ứng ester hĩa giữa alcol (chủ yếu là ethanol) và các acid hữu cơ sinh ra trong quá trình lên men. Các loại ester này tạo nên hương đặc trưng cho bia thành phẩm.
* Biến đổi hĩa lý:
- Sự hình thành bọt: Bọt được tạo thành trong q trình lên men chính nhờ sự giải phĩng các khí ở dạng khơng liên kết đặc biệt là CO2. Do bản chất của dịch nha là hệ keo gồm các hợp chất cĩ tính hoạt động bề mặt như protein, polyphenol, chất đắng…Các chất này tạo nên một lớp hấp phụ trên bề mặt các bĩng khí do đĩ khí khĩ thốt khỏi bĩng này và tạo thành bọt mịn. Những bọt này cĩ xu hướng thốt lên trên bề mặt tạo nên sự khuấy trộn trong quá trình lên men.
- Sự hịa tan khí CO2:
Độ hịa tan của CO2 trong dịch lên men thấp hơn trong nước đồng thời hàm lượng CO2 sinh ra tăng nhanh cùng hàm lượng ethanol. Do đĩ, một phần CO2 tồn tại trong dịch men dưới dạng liên kết với một số thành phần khác như protein, ester. Phần CO2 cịn lại cĩ xu hướng thốt lên trên bề mặt tạo lên sự tự khuấy đảo dịch lên men. Ngồi ra sự tự khuấy đảo dịch lên men cịn diễn ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình giữ ổn định nhiệt.
Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình lên men chính:
Tỷ lệ men giống cấy:
Trong q trình lên men chính, nếu tỷ lệ men giống cấy quá thấp thì khả năng nảy chồi và thời gian đạt được tỷ lệ nấm men theo yêu cầu là quá dài, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng, phát triển và trao đổi chất của nấm men từ đĩ ảnh hưởng tới hiệu quả lên men và chất lượng thành phẩm.
Nếu tỷ lệ men giống cấy quá cao dẫn tới tỷ lệ nảy chồi và tốc độ sinh trưởng tương đối thấp do sự cạnh tranh về dinh dưỡng nhưng tốc độ lên men lớn, hiệu
suất lên men thấp, đồng thời trong trường hợp này cũng cho bia cĩ chất lượng khơng tốt vì thời gian lên men ngắn, sản phẩm trao đổi bậc 2 do tế bào nấm men sinh ra cũng thấp và sự hình thành nên những ester cũng thấp.
Do đĩ trong sản xuất bia tùy theo từng loại chủng men và đời men mà lựa chọn tỷ lệ cấy men giống thích hợp.
Điều kiện lên men:
* Nhiệt độ và thời gian lên men: Nhiệt độ và thời gian lên men là 2 yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng thành phẩm, trong đĩ nhiệt độ lên men ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ lên men.
(Nhiệt độ lên men đối với men mới luơn giữ ở 15oC; qua đời 2 là 12oC; qua đời 3 là 9oC ; từ đời 4 tới đời 8 thường giữ ổn định là 8oC)
* pH dịch lên men:
pH ảnh hưởng quan trọng đến hệ enzym nấm men, do đĩ phải theo dõi pH để kiểm sốt hoạt động trao đổi chất của nấm men. pH của dịch nha trước khi lên men là từ 5,3÷5,5 và kết thúc q trình lên men là 4,4÷4,5.
* Ảnh hưởng bởi oxy
Oxy là yếu tố rất cần thiết cho nấm men sinh trưởng và phát triển trong giai đoạn đầu của quá trình lên men. Thực chất đây là giai đoạn lên men hiếu khí nhằm tăng sinh khối nấm men. Sự sinh tổng hợp một lượng lớn enzym nấm men là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới cường độ lên men.
* Áp suất bề mặt
Áp suất bề mặt của dịch lên men ảnh hưởng trực tiếp tới mức độ bão hịa CO2 trong bia.
Nồng độ sản phẩm lên men
Sản phẩm chính của q trình lên men là ethanol và khí CO2. Đây là những hợp chất ức chế các hoạt động sống của tế bào nấm men. Ở nồng độ ethanol thấp dưới 2% các hoạt động sống của nấm men vẫn xảy ra bình thường nhưng khi vượt quá 2% thì khả năng nảy chồi của nấm men bắt đầu giảm dần và khi nồng độ ethanol
vượt quá 5% thì khả năng nảy chồi của nấm men chấm dứt hồn tồn nhưng quá trình lên men vẫn tiếp tục xảy ra. Cịn nếu nồng độ ethanol vượt quá 12% quá trình lên men bị ngưng hồn tồn.
Thu hồi nấm men
Sau khi kết thúc q trình lên men chính hạ dần nhiệt độ xuống 5oC nhằm tạo điều kiện nhiệt độ cho quá trình lên men phụ và làm kết lắng nấm men xuống đáy thùng, khi đĩ ta tiến hành thu hồi men.
Lượng men nhà máy thu hồi là 2100kg, nếu khơng đủ lượng mà hết men thì ngưng vì nếu tiếp tục thu hồi sẽ mất bia, và ảnh hưởng tới các bồn lên men tiếp theo.
Men sau khi thu hồi được bảo quản ở 2÷4 oC. Thời gian giữ tối đa 36 giờ.
Men thu hồi hoặc men giống nhận của Sài Gịn về trước khi cấp vào tank lên men phải kiểm tra phần trăm chết, độ đậm đặc, mật độ tế bào.
b. Lên men phụ:
Quá trình lên men phụ được tiến hành sau khi lên men chính nhằm chuyển hố phần đường cịn sĩt lại sau q trình lên men chính để tạo thành CO2 và các sản phẩm khác. Ngồi ra, quá trình lên men phụ cịn gĩp phần ổn định hương vị và độ trong cho bia thành phẩm.
- Cách Tiến hành:
Kết thúc q trình lên men chính, đĩng áp và hạ nhiệt độ lên men về áp suất và nhiệt độ mong muốn. Lên men phụ nhằm tạo điều kiện kết tủa lạnh lắng xuống đáy tank, nấm men và các thành phần khác kết lắng làm trong bia, tạo bia cĩ độ bền keo ổn định. Đồng thời điều quan trọng trong quá trình này là khử được diacetyl tạo ra trong q trình lên men chính. Với nhiệt độ thấp CO2 hịa tan hấp thụ vào trong bia tốt hơn.
Giai đoạn lên men phụ 2 ngày xả cặn men 1 lần.
Khi thời gian lên men đạt 18 ngày (trước khi chín bia 2 ngày), kiểm tra bia trước lọc.
Bảng 3.9: Thơng số của quá trình lên men phụ:
Chỉ tiêu Thơng số
Thời gian lên men 14÷16 ngày
Nhiệt độ lên men 0÷5oC (thời gian giữ 5o
C: ≤ 9 ngày)
Áp suất 0,3 – 0,6 bar
Mật độ men ≤ 10 triệu tế bào/ml
Hạ 5oC khi 0P = 2,95, Hạ 2oC khi 0P = 2,55 (hoặc ngày thứ 14), hạ 0oC khi 0P = 2,45 (hoặc ngày thứ 17)
Để hạ nhiệt xuống 5oC và giữ nhiệt 5oC, chỉ cần điều chỉnh mở van cấp glycol làm lạnh vùng đỉnh tank. Hạ 2oC, hoặc 1oC, hoặc 0oC mở glycol vùng đỉnh và thân.
Cài P = 0,3 bar khi 0P = 3,2, P= 0,6 bar khi 0P = 2,75
Những biến đổi trong quá trình lên men phụ:
Những biến đổi trong quá trình lên men phụ cũng giống như biến đổi trong q trình lên men chính. Trong đĩ, cĩ những biến đổi rất quan trọng ảnh hưởng đến những biến đổi bia thành phẩm. Đĩ là sự chín của bia non kèm theo sự điều chỉnh các tính chất cảm quan của bia thành phẩm như: độ trong, độ bền, đặc trưng keo, màu sắc và hương vị bia.
Diacetyl:
Trong giai đoạn này, nấm men sử dụng Diacetyl làm cơ chất và chuyển hố chất này thành aceton và 2,3-butadiol trong điều kiện kỵ khí. Q trình phân huỷ Diacetyl phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng lạnh thì càng chậm. Thơng thường, giới hạn cho phép của diacetyl là ≤ 0,1mg/l thì bia mới được gọi là đã chín.
Acetaldehyde
Vì q trình lên men phụ hàm lượng Acetaldehyde tiếp tục giảm xuống do hoạt động trao đổi chất của nấm men.
Sự tổng hợp các axit béo mạch ngắn (từ C4÷C10) sẽ bị gián đoạn trong giai đoạn đầu của quá trình lên mên phụ. Sau đĩ, nấm men sẽ kết nối các axit béo mạch ngắn thành triglycide dự trữ trong tế bào. Tuy nhiên, nếu quá trình lên men phụ kéo dài thì hàm lượng acid béo trong dịch lên men sẽ tăng do quá trình thuỷ phân glycide. Sự cĩ mặt các acid béo này ảnh hưởng đến mùi vị của bia thành phẩm.
Những biến đổi hố lý:
Sự bão hịa CO2 trong bia
Sự bảo hồ CO2 phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thời gian lên men phụ.
Trong giai đoạn này, quá trình lên men ethanol vẫn tiếp tục diễn ra kèm theo sự giải phĩng CO2 vào trong dịch lên men. Tuy nhiên, chỉ cĩ 15% lượng CO2 tạo thành được hấp thụ trong bia, tồn tại ở dạng hồ tan hoặc liên kết với các thành phần khác của dạng lên men.
Trong quá trình lên men phụ cĩ những hợp chất khơng bền như este của acid cacbonic, chính những chất này làm cho CO2 thất thốt nhanh mỗi khi thay đổi áp suất đột ngột trong tank lên men. Acid cacbonic cĩ thể liên kết với glycerin và glycol tạo nên các este và cịn cĩ thể kết hợp với các acid lactic, aceton, 2,3- butylenglycal. Như vậy, trong bia xuất hiện nhiều dạng liên kết hĩa học và hố lý khác nhau của CO2. Do đĩ, CO2 sinh ra khơng chỉ tồn tại ở dạng khí, dạng hồ