Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.2. Tự động hóa quá trình sản xuất bia
2.2.1. Đặc điểm công nghệ và thiết bị
1) Khái niện về bia
Bia là một loại nước lâu đời có từ hàng ngàn năm trước công nguyên, không có một quốc gia nào trên thế giới không sản xuất hoặc không tiêu thụ bia,bia có tác dụng làm mát cơ thể, nó mang lại cho người uống một cảm giác rất sản khoái và hấp dẫn. Trong bia có chứa hệ enzyme phong phú và đặt biệt là enzyme khích thích hệ tiêu hóa vì vậy khi uống bia với một lượng thích hợp không những có lợi cho sức khỏe, ăn cơm ngon dễ tiêu hóa giảm được sự mệt mỏi sau khi làm việc. Mặc khác, khi uống bia sẽ làm tăng khả năng bài tiết nước tiểu, giúp quá trình giải độc cơ thể nhanh hơn. Khi đời sống kinh tế xã hội tăng thi nhu cầu uống bia của con người cũng tăng theo thúc đẩy công nghệ sản xuất bia phát triển và có những bước tiến nhảy vọt. Chính vì vậy công nghệ sản xuất bia cần được biết đến và có những cải tiến mới về công nghiệp để mang lại hiệu quả kinh tế cao cho nhà sản xuất, mang lại giá trị dinh dưỡng và chất lượng của bia cho người tiêu dùng. Bia thành phẩm có chất lượng theo tiêu chuẩn bảng 2.2, bảng 2.3.
- Bảng yêu cầu cảm quan:
Độ trong Bia trong suốt không có vật thể lạ
Độ màu Màu vàng, sáng đặc trưng của sản phẩm
Trạng thái và độ bền bọt Bọt nở đều, xốp, rất bền khi lên khỏi mặt thoáng, thời gian giữ bọt lâu
Mùi Có mùi thơm dễ chịu, đặc trưng cho sản phẩm, không có mùi lạ
Vị Vị hòa hợp, êm dịu,dễ chịu, hoàn toàn đặc trưng cho vị sản phẩm được sản xuất hoàn hảo
Bảng 2.2. Thông số cảm quan của bia
Các chỉ tiêu Mức mong muốn
Mức chấp thuận
Độ hòa tan biểu kiến (oP )
2,2 2,3 2,3
2 2,5 2 2,6 2 27 Độ cồn (%, V/P)
4,9 4,5 5,3
4,7
4,8
5,1 Độ hòa tan nguyên thủy (oP)
11,4 11,5 12,3
11,2
11,4
12 Hàm lượng CO2 (g/l)
5 5,5 5 5,5
5,0
4,8
4,8
4,8 Độ chua ml NaOH 0,1N 10ml bia (ml)
1,5 1,6 1,5
1,3 1,7 1,3 1,8 1,3 1,8 Độ màu (EBC)
6,5 7 7
6 7,5 6 8,5 6 8 Độ đắng (mg/l)
21 22 23
18 24 18 24 18 24
pH 4,2 4 4,4
Độ trong % (Neph) 10 < 20
Tổng số nấm men mốc Không có Không có
Tổng số VSV hiếu khí (khuẩn lạc/ml) 0 10
Diacetyl (tham khảo) < 0,1 < 0,1
2) Lịch sử phát triển ngành bia a) Sản xuất bia trên thế giới.
Bảng 2.3.Bảng yêu cầu hóa lý của bia
Bia là một trong các đồ uống lâu đời nhất mà loài người đã tạo ra, có niên đại ít nhất là từ thiên niên kỷ 5 TCN và đã được ghi chép lại trong các thư tịch cổ của Ai Cập cổ đại và Lưỡng Hà (Mesopotamia)
Giống như phần lớn các chất chứa đường khác có thể bị lên men một cách tự nhiên, rất có thể là các đồ uống tương tự như bia đã được phát minh một cách độc lập giữa các nền văn minh trên toàn thế giới. Việc kiểm định hóa học các bình gốm cổ phát hiện ra rằng bia (tương tự như rượu vang) đã được sản xuất khoảng 7.000 năm trước ở khu vực ngày nay là Iran và là một trong số các công nghệ sinh học đã biết, trong đó các quy trình sinh học của sự lên men được áp dụng.
Tại Lưỡng Hà, chứng cứ lâu đời nhất về bia được cho là bức vẽ 6.000 năm tuổi của người Sumeria miêu tả những người đang uống một thứ đồ uống bằng các cần hút bằng sậy từ thùng công cộng. Bia cũng được đề cập tới trong Thiên sử thi Gilgamesh, một bản trường ca 3.900 năm tuổi của người Sumeria để tỏ lòng tôn kính nữ thần Ninkasi, vị thần bảo trợ cho bia, nó chứa công thức làm bia cổ nhất còn sót lại và miêu tả việc sản xuất bia từ lúa mạch thông qua bánh mì.[5][6] Bia đã trở thành thiết yếu đối với tất cả các nền văn minh trồng ngũ cốc ở thế giới phương Tây cổ xưa, đặc biệt là ở Ai Cập và Lưỡng Hà.[7]
Bia đã từng là quan trọng đối với người La Mã trong thời kỳ đầu, nhưng trong thời kỳ Cộng hòa La Mã thì rượu vang đã thay thế bia như là một đồ uống chứa cồn được ưa chuộng hơn. Bia trở thành đồ uống được coi là thích hợp cho những người man rợ; Tacitus đã viết một cách đầy chê bai về bia được các giống người Đức sản xuất trong thời đại của ông.
Người Thracia cũng được biết là đã sử dụng bia sản xuất từ lúa mạch đen, thậm chí từ thế kỷ 5 TCN, như Hellanicos đã viết trong vở các opêra. Tên gọi cho bia của họ là brutos hay brytos.
Sự bổ sung hoa bia vào bia để tạo vị đắng, bảo quản và hương vị cho bia là một phát kiến tương đối mới: trong thời Trung cổ nhiều hỗn hợp khác của các loại thảo mộc thông thường được cho vào bia chứ không phải hoa bia. Các hỗn hợp này thông thường được gọi là gruit. Hoa bia đã được trồng tại Pháp sớm nhất là vào khoảng thế kỷ 9; văn bản cổ nhất còn sót lại có ghi chép về việc sử dụng hoa bia trong bia có niên đại vào năm 1067 bởi nữ tu viện trưởng kiêm nhà văn Hildegard: "Nếu người ta định làm bia từ yến mạch, nó được chuẩn bị cùng hoa bia".
Tại châu Âu, trong thời Trung cổ, bia chủ yếu được sản xuất trong gia đình. Vào thế kỷ 14 và 15, việc sản xuất bia đã dần dần chuyển từ hoạt động gia đình sang hoạt động thủ công, với các quán bia và tu viện sản xuất bia của mình hàng loạt để tiêu thụ.
Trong thế kỷ 15, ở Anh thì loại bia không có hoa bia được biết đến như là ale, còn việc sử dụng hoa bia thì đồ uống đó gọi là bia. Bia có chứa hoa bia được nhập khẩu vào Anh từ Hà Lan sớm nhất là từ năm 1400 ở Winchester, và hoa bia đã được trồng trên quốc đảo này từ năm 1428. Tính phổ biến của hoa bia ban đầu là hỗn hợp — Công ty bia rượu London đã đi xa tới mức ra thông báo
"không hoa bia, không thảo mộc hoặc những gì khác tương tự được cho vào bất kỳ ale hay rượu (mùi) nào sẽ được sản xuất — mà chỉ có liquor (nước), mạch nha, và men bia". Tuy nhiên, vào thế kỷ 16, ale đã được dùng để chỉ các loại bia mạnh (nồng độ cồn cao) bất kỳ, và tất cả ale và bia đều sử dụng hoa bia.
Hình 2.20. Sản xuất bia thế kỷ 16.
Năm 1516, William IV, Công tước xứ Bavaria, đã thông qua Reinheitsgebot (Luật tinh khiết), có lẽ là quy định về thực phẩm cổ nhất còn áp dụng đến nay. Gebot quy định rằng thành phần của bia chỉ được bao gồm nước, lúa mạch hoa bia, với men bia được bổ sung sau phát kiến của Louis Pasteur vào năm 1857. Luật của người Bavaria đã được áp dụng trong cả nước Đức như là một phần của nước Đức thống nhất năm 1871 thành Đế chế Đức dưới thời Otto von Bismarck, và kể từ đó đã được cập nhật để phản ánh xu hướng hiện đại trong sản xuất bia rượu. Cho đến nay, Gebot vẫn được coi là tiêu chuẩn của độ tinh khiết cho bia, mặc dù điều này có thể gây tranh cãi. Phần lớn các loại bia
được phát hiện ra một cách tình cờ vào thế kỷ 16 sau khi bia được lưu trũ trong các hầm lạnh một thời gian dài; kể từ đó nó đã được sản xuất nhiều hơn ale.
Với sự phát minh ra động cơ hơi nước năm 1765, công nghiệp hóa sản xuất bia đã trở thành sự thật. Các cải tiến mới trong công nghệ sản xuất bia đã xuất hiện cùng với sự ra đời của nhiệt kế và tỷ trọng kế vào thế kỷ 19, đã cho phép các nhà sản xuất bia tăng tính hiệu quả và kiểm soát nồng độ cồn. Cho đến cuối thế kỷ 18, mạch nha chủ yếu được làm khô bằng lửa do đốt gỗ, than củi, trấu, và sau năm 1600 là từ than cốc. Nói chung, không có loại mạch nha nào trong số này được che chắn tốt khỏi khói sinh ra trong các lò sấy, và do đó các loại bia thời kỳ đó có thành phần hơi khói trong hương vị của chúng; các chứng cứ chỉ ra rằng các nhà sản xuất mạch nha và bia thường xuyên phải cố gắng giảm thiểu sự ám khói của bia thành phẩm. Sự phát minh ra lò nướng hình trống năm 1817 của Daniel Wheeler đã cho phép tạo ra mạch nha nướng chín kỹ và tạo tiền đề cho sản xuất các loại bia đen (porter và stout). Sự phát minh ra vai trò của men bia trong quá trình lên men vào năm 1857 bởi Louis Pasteur đã giúp cho các nhà sản xuất bia phương pháp ngăn chặn vị chua của bia bởi các loại vi sinh vật không mong muốn.
Năm 1953, Morton W Coutts, một người New Zealand đã phát triển kỹ thuật lên men liên tục. Morton lấy bằng sáng chế công nghệ của ông và nó là một cuộc cách mạng trong công nghiệp bia do nó làm giảm thời gian ủ và sản xuất bia trước đây là 4 tháng xuống còn chưa đầy 24 giờ. Công nghệ của ông vẫn được sử dụng bởi nhiều nhà sản xuất bia lớn nhất thế giới ngày nay, bao gồm cả Guinness.
Ngày nay, công nghiệp bia là công việc kinh doanh khổng lồ toàn cầu, bao gồm chủ yếu là các tổ hợp được ra đời từ các nhà sản xuất nhỏ hơn. Trong khi bia chủ yếu là đồ uống chứa cồn thì một số biến thái của nó cũng tồn tại, xuất phát từ thế giới phương Tây, là các loại bia đi qua công đoạn xử lý để loại bỏ bớt cồn, sản xuất ra cái gọi là bia không cồn.
b) Sản xuất bia tại Việt Nam
Ngành công nghiệp sản xuất bia Việt Nam có lịch sử hơn 100 năm.
Xưởng sản xuất bia đầu tiên được đặt tên là xưởng sản xuất bia Chợ Lớn, do một người Pháp tên là Victor Larue mở vào năm 1875, là tiền thân của nhà máy bia Sài Gòn, nay là Tổng công ty Bia Rượu Nước giải khát Sài Gòn. Ở miền Bắc, vào năm 1889, một người Pháp tên là Hommel đã mở xưởng bia ở Làng Đại Yên, Ngọc Hà, sau trở thành nhà máy bia Hà Nội, nay là Tổng công ty Bia Rượu Nước giải khát Hà Nội. Trong quá trình hình thành và phát triển, ngành sản xuất bia đã đạt mức tăng trưởng cao vào những năm của thời kỳ mở
cửa.Cùng với quá trình hội nhập, ngành sản xuất bia phát triển về quy mô và trình độ công nghệ, trở thành một ngành công nghiệp có thế mạnh khi Việt Nam gia nhập tổ chức WTO.
Việc đầu tư xây dựng các nhà máy bia được triển khai mạnh mẽ từ những năm 1990 trở lại đây. Số các nhà máy bia là 469 vào năm 1998 với các quy mô khác nhau từ 100.000 lít/năm đến 100 triệu lít/năm. Mức tiêu thụ bình quân đầu người tăng lên nhanh chóng trong vòng 10 năm qua từ mức dưới 10 lít/người năm vào năm 1997 đã đạt mức 18 lít/người.năm vào năm 2006 như hình 2.21
Theo số liệu thống kê của Bộ Công nghiệp (nay là Bộ Công Thương) tổng sản lượng bia của Việt Nam qua 5 năm gần đây thể hiện trong hình 2. Mặc dù, đến năm 2005 số cơ sở sản xuất chỉ còn 329, nhưng quy mô của các doanh nghiệp đã tăng lên. Số liệu thống kê cho thấy trong ngành sản xuất bia có 3doanh nghiệp có sản lượng trên 100 triệu lít/năm là Sabeco (năng lực sản xuất trên 300 triệu lít/năm), Habeco (trên 200 triệu lít/năm) và công ty liên doanh nhà máy bia Việt Nam (trên 100 triệu lít/năm). Có 15 doanh nghiệp bia có công suất lớn hơn 15 triệu lít và 19 doanh nghiệp có sản lượng sản xuất thực tế trên 20 triệu lít. Khoảng 268 cơ sở còn lại có năng lực sản xuất dưới 1triệu lít/năm
Hình 2.21: Biểu đồ mức độ tiêu thụ bia bình quân đầu người qua các năm
Theo lộ trình phát triển dự kiến đến năm 2010 cả nước sẽ sản xuất khoảng 2,5 – 3 tỷ lít bia và mức tiêu thụ bình quân đầu người khoảng 28-30 lít/người/năm. Với tốc độ phát triển nhanh hiện nay, nhiều nhà máy bia bia mô lớn đang được đầu tư và cũng kéo theo nhiều vấn đề nảy sinh như tiêu tốn tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Nếu áp dụng tiếp cận sản xuất sạch hơn ngay từ khi đầu tư các nhà máy mới thì sẽ mang lại hiệu quả cao cho quá trình sản xuất tại các nhà máy mới này đồng thời phòng ngừa được rủi ro tác động môi trường.
3) Nguyên liệu sản xuất bia
Nguyên liệu chính dùng cho sản xuất bia là Malt đại mạch, hoa Houblon và nước. Malt đại mạch là nguồn cung cấp chất hòa tan, hệ enzym quan trọng, có tác dụng lớn trong quá trình lọc dịch đường. Hoa houblon tạo nên hương thơm và vị đắng đặc trưng mà chỉ sản phẩm bia mới có. Nước chiếm phần lớn trong bia vì vậy nước là thành phần ảnh hưởng đến chất lượng bia rất lớn. Để hạ giá thành sản phẩm thì ta dùng nguyên liệu thay thế một phần Malt đại mạch.
Với điều kiện Việt Nam thì gạo là một nguyên liệu thay thế rất tốt trong sản xuất bia. Lượng gạo thay thế là 25% là hoàn toàn có thể sản xuất được bia chất lượng khá tốt, có thể xuất khẩu được.
a) Malt
Malt đại mạch là nguyên liệu chính số một dùng để sản xuất bia. Khoảng 1/3 đại mạch trên thế giới được trồng để sản xuất bia. Đại mạch thuộc họ Hordeum Sativum, có một số ít thuộc họ H.Muvirum, H.Jubatum. Đại mạch thường được gieo trồng vào mùa đông hay mùa xuân, được trồng nhiều ở Nga, Mỹ, Canada, Pháp, Nga…
Đại mạch có giống hai hàng và đại mạch đa hàng, trong đại mạch đa hàng lại gồm có đại mạch 4 hàng và đại mạch 6 hàng. Tuy nhiên chỉ có đại mạch hai hàng được dùng trong sản xuất bia. Còn đại mạch đa hàng chỉ dùng trong chăn nuôi và các mục đích khác.
Hình 2.23. Hình ảnh Malt dùng trong sản xuất bia
Bảng 2.4: thành phần hoá học của malt
TT Thành phần hoá học của malt % chất khô
1 Tinh bột 58 – 65
2 Đường khử 4
3 Saccarose 5
4 Pentose 1
5 Nitơ formol 0,7 – 1
6 Chất khoáng 2,5
7 Pentozan không hoà tan và Hexozan 9
8 Cellulose 6
9 Các chất chứa nitơ 10
10 Các chất chứa nitơ không đông tụ 2,5
11 Chất béo 2,5
Chỉ tiêu chất lượng của malt nấu bia - Màu: có màu vàng óng như rơm - Mùi: có mùi thơm đặc trưng của malt - Vị: ngọt
- Trạng thái: malt phải xốp và khô - Tạp chất(%khối lượng) < 0.1 - Hạt gãy(%khối lượng) < 0.5
- Hạt xẩm màu hai đầu(%khối lượng) < 0.01 b) Hoa Houblon
Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản, đứng vị trí thứ hai (sau đại mạch). Nó được con người biết đến và sử dụng khoảng 3000 năm trước công nguyên. Hoa houblon làm cho bia có vị đắng dịu, hương thơm rất đặc trưng, làm tăng khả năng tạo và giữ bọt, làm tăng độ bền keo và ổn định thành phần sinh học của sản phẩm. Do những tính năng cực kỳ đặc biệt như vậy, cho nên trải qua mấy thiên niên kỷ tồn tại và phát triển của ngành bia, hoa houblon vẫn giữ được vai trò độc tôn và là nguyên liệu không thể thay thế trong ngành công nghiệp sản xuất bia.
Trong công nghệ sản xuất bia, người ta chỉ sử dụng loại hoa cái chưa thụ phấn. Nếu hoa cái đã thụ phấn thì giá trị công nghiệp của chúng giảm đi rất nhiều. Vì vậy người ta thường tiến hành loại bỏ ngay những cây đực trong vườn houblon. Trong một giò houblon có các bộ phận: trục, cánh và nhị hoa. Khi hoa bắt đầu chín thì ở bên trong cánh hoa và đặc biệt là ở nhị hoa xuất hiện các hạt
0,15 – 0,25mm, chúng dính vào cánh hoa và nhị hoa bằng những cuống rất mảnh và ngắn. Chính những hạt lupulin này là nguồn gốc chính sinh ra chất đắng và tinh dầu thơm của hoa houblon.
Hình 2.24. Hình ảnh hoa houblon
Vai trò của chất đắng trong công nghệ sản xuất bia là rất lớn. Trước hết chúng tạo cho bia có vị đắng dịu là một đặc tính cảm quan rất đặc biệt của bia.
Khi hòa tan vào dịch đường, các chất đắng là những chất có hoạt tính sinh học cao, tạo sức căng bề mặt giúp cho bia có khả năng giữ bọt rất lâu. Mặt khác, các chất đắng còn có khả năng ức chế sự phát triển của vi sinh vật, tức là bảo vệ chất lượng của bia ổn định không bị vi sinh vật tác động hay còn gọi là làm tăng độ bền sinh học của bia. Chất đắng trong hoa Houblon gồm Axit đắng là hợp chất có cấu trúc tinh thể và nhựa đắng là hợp chất vô định hình. Tinh dầu thơm của hoa houblon hòa tan vào dịch đường, tồn tại trong bia và tạo cho bia một mùi thơm đặc trưng, nhẹ nhàng và dễ chịu. Tinh dầu thơm bay hơi khá nhanh ở nhiệt độ thường. Tinh dầu thơm có thành phần hóa học rất phức tạp, gồm rất nhiều các hợp chất, trong đó phần lớn là terpen, rỵu, xeton, aldehid, este và axit.
Polyphenol. Tính chất đặc biệt của hợp chất này là khả năng dễ dàng kết hợp với các protein cao phân tử để tạo ra phức chất không hòa tan, do vậy chúng được dùng để làm kết lắng và loại bỏ các hợp chất protid cao phân tử, là nguyên nhân gây đục bia, ra khỏi dịch đường, ổn định thành phần và tăng độ bền keo của bia.
Chỉ tiêu cảm quan
- Cao hoa có dạng keo, màu vàng hổ phách - Mùi thơm đặc biệt, dễ bay hơi, dễ nhận mùi -