Mục đích lắng trong:
•Lắng các cặn mịn ra khỏi dịch đường (hoa houblon, protein tủa). •Làm nước mout trong.
•Tạo điều kiện cho men dễ dàng thẩm thấu trong quá trình lên men bia. •Đưa nhiệt độ dịch đường từ 100 o C xuống 90 o C
7 6 5 4 3 2 1 Tiến hành
Dịch đường sau khi đun hoa houblon được cho chảy vào thiết bị lắng trong bằng bồn Whirlpool. Dịch đường được bơm vào thùng với vận tốc lớn theo phương tiếp tuyến với thành trong của thùng tạo nên vùng xốy. Nhờ cĩ lực hướng tâm, cặn lắng được hút vào tâm thùng và lắng xuống đáy. Cụ thể như sau:
• Trước khi bơm dịch nha vào thùng lắng whirlpool, cần kiểm tra tình trạng vệ sinh, đĩng và mở các valve trên đường ống cho phù hợp.
• Kế đến, bơm dịch nha vào thùng lắng, thời gian bơm hết dịch nha từ phân xưởng nấu vào thùng khoảng 20 phút. Sau đĩ, để yên cho lắng cặn trong thùng khoảng 30 phút.
• Mở valve đường ống lớn tháo nhanh dịch nha. Khi thể tích dịch nha trong thùng cịn 50 hl thì mở valve đường ống nhỏ để tháo tiếp dịch nha cho đến khi hết, điều này để tránh cho sự xáo trộn lớp cặn ở gần đáy thùng. Sau cùng mở valve đáy để xả bỏ cặn lắng, đồng thời dùng nước nĩng (100 oC) để đuổi hết dịch nha cịn dư trong thùng lắng và đường ống. Cấu tạo: 1. Cửa tháo bã 2, 3. Ống tháo dịch đường 4. Ống thốt hơi
5. Đường vệ sinh thiết bị 6. Đường dịch vào 7. Bơm
Hình 4.2. Thùng lắng Whirtpool 4.256. Làm lạnh
Mục đích
Dịch nha sau khi lắng cặn sẽđược làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp, chuẩn bị cho quá trình lên men chính (giá trị nhiệt độ khoảng 8 - 15 oC, tùy thuộc vào đời men sử dụng), việc này giúp tăng khả năng hịa tan của oxi vào dịch nha. Bên cạnh đĩ, quá trình làm lạnh nhanh từ 96 oC xuống 8 - 15 oC cĩ tác dụng hạn chế sự phát triển của vi sinh vật và ngăn cản quá trình oxi hĩa các polyphenol gây sậm màu dịch nha.
Ngay sau khi làm lạnh, dịch nha sẽđược nạp khơng khí nhằm để bão hịa oxi, tạo điều kiện cho nấm men sinh trưởng và phát triển trong giai đoạn đầu của quá trình lên men chính. Lượng cung cấp khoảng 8 – 10 mg/l dịch nha.
Nguyên tắc hoạt động
Dịch đường và chất tải lạnh đi theo hai hướng ngược chiều nhau.
Đối với dàn làm nguội: dịch được bơm từ thùng lắng qua dàn làm nguội, dịch đường được làm nguội từ 85 - 90 oC xuống 14 - 15 oC. Chất tải lạnh trong dàn làm nguội là nước 2 oC, nước lạnh sẽ thu nhiệt của dịch đường để hên nhiệt độ dịch đường xuống nhiệt độ yêu cầu. Nước nhận nhiệt của dịch đường sẽ đi ra ngồi với nhiệt độ 78 - 80 oC.
Đối với dàn làm lạnh: sau khi qua dàn làm nguội dịch tiếp tục đưa qua dàn làm lạnh, nguyên tắc hoạt động dàn làm lạnh và làm nguội đều giống nhau. Ở đây dịch sẽ được hạ nhiệt độ từ 14 - 15oC xuống 7 - 9 oC phù hợp với nhiệt độ lên men, sử dụng chất tải lạnh là Glycol (-3 ÷ -5 oC).
Cấu tạo
•Máy làm lạnh Alfa Laval là thiết bị trao đổi nhiệt dạng khung bản, thiết bị này bền, hiệu suất cao, đa năng, dễ vệ sinh, đảm bảo vơ trùng, được cấu tạo bởi nhiều tấm bản mảnh bằng thép khơng gỉ. Số tấm bản phụ thuộc năng suất máy.
•Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản này thuộc 2 cấp (dùng 2 loại tác nhân lạnh là nước và glycol), làm bằng thép khơng gỉ. Bốn đỉnh của tấm bản được đục lỗ trịn để khi ghép lại vào với nhau tạo thành mương dẫn.
•Cấu tạo của tấm bản được thiết kế sao cho khi ghép lại thì dịch nha và tác nhân lạnh sẽ chuyển động ngược chiều nhau ở hai mặt của mỗi tấm và thực hiện quá trình trao đổi nhiệt. Bên cạnh đĩ, các đường gân trên bề mặt tấm bản cĩ tác dụng tạo dịng chảy rối, tăng quãng đường chuyển động của lưu chất, dẫn đến tăng diện tích tiếp xúc, dẫn đến tăng hiệu quả của quá trình truyền nhiệt.
IV III II I Hình 4.3. Thiết bị làm lạnh
I. Dịch vào II. Dịch ra III. Chất tải lạnh vào IV. Chất tải lạnh ra
4.2.6. Lên men
Lên men là giai đoạn khá phức tạp, bao gồm 2 giai đoạn là lên men chính và lên men phụ. Quá trình lên men diễn ra trong thời gian dài và nĩ là trung tâm của sản xuất bia. Lên men cịn quyết định đến việc chuyển hố dịch đường thành bia dưới tác động của nấm men thơng qua quá trình trao đổi chất và hoạt động sống của
chúng [1].
Qua sự trao đổi chất của nấm men dẫn đến sự thay đổi cơ bản trong thành phần hố học của nước mout, biến nước malt thành một loại nước cĩ hương thơm, vị dễ chịu và độ bền vững cần thiết, đĩ là bia.
Sau quá trình lên men chính từ dịch đường hoa houblon đã được chuyển thành bia non, do tác động của tế bào nấm men. Ngồi 2 sản phẩm chính rượu etylic và CO2 trong quá trình lên men cịn tạo ra nhiều sản phẩm bậc hai:
Glyxerin: tạo thành khi phân giải đường. Lượng glyxerin cĩ trong bia từ 2 - 3g/l, sự cĩ mặt của glxerin sẽ làm bia cĩ vị mềm, tăng độ đậm đà của sản phẩm và tăng khả năng giữ CO2.
Este là sản phẩm bậc 2 khơng thường cĩ trong lên men chính. Nĩ được hình thành là kết quả của sự phản ứng giữ acid bay hơi và khơng bay hơi với các loại rượu khác nhau. Este cĩ ý nghĩa rất quan trọng trong việc hình thành hương thơm chịu của bia.
Andehit: là cấu tử được tạo thành từ sự thay đổi chất ở nấm men hoặc cĩ thể được tạo thành qua con đường oxy hố các loại rượu. Lượng andehit cĩ trong bia dao động từ 9 – 10 mg/l, anhehit làm tăng thêm hương cho bia.
Diaxetyl: Nĩ được tạo thành do quá trình hoạt động sống của tế bào nấm men, là một chất lỏng màu vàng cĩ khả năng khích thích rất mạnh lên hệ thần kinh con người, gây đau đầu cho người uống. Giai đoạn đầu lên men chính diacetyl được tạo nên tương đối nhiều nhưng quá trình lên men phụ và tàng trữ diacetyl giảm đi rõ rệt, lượng diacetyl quy định phải nhỏ hơn 0,2mg/lit, đây là cấu tử cĩ ảnh hưởng xấu tới chất lượng bia.
Trong sản xuất bia, quá trình lên men xảy ra qua 2 giai đoạn: Lên men chính và lên men phụ:
Lên men chính
Mục đích: quá trình là chuyển hố các chất hồ tan ở trong dịch đường thành C2H5OH, CO2 và các sản phẩm phụ khác (sinh tổng hợp trong quá trình hoạt động sống của tế bào nấm men) tạo thành bia theo yêu cầu kỹ thuật và chất lượng thành phẩm.
Quá trình lên men chính thưịng xảy ra ở nhiệt độ 8 - 10oC trong thời gian 5 - 7 ngày.
Quá trình lên men chính chia làm 4 giai đoạn:
•Giai đoạn đầu: tạo bọt trắng và mịn xung quanh bề mặt dịch lên men, là giai đoạn nấm men nảy chồi, hàm lượng chất hồ tan giảm khoảng 0,2 đến 0,5% mỗi ngày đêm, nhiệt độ tăng khoảng 0,5oC, độ Balling khoảng 6,8 – 7,6%, giai đoạn này kéo dài từ 1 đến 1,5 ngày.
•Giai đoạn thứ hai (giai đoạn tạo bọt thấp): cĩ rất nhiều bọt trắng đặc, tốc độ giảm các chất trích ly khoảng 1,5 đến 1% mỗi ngày đêm và nhiệt độ tăng 1 đến 1,5 0C, độ Balling trung bình khoảng 5 - 6,5%. Thời kỳ này kéo dài từ 2 đến 3 ngày.
•Giai đoạn thứ ba (giai đoạn tạo bọt) quá trình lên men xảy ra mạnh mẽ nhất, tốc độ tiêu hao cơ chất từ 1 - 1,5% ngày đêm, nhiệt độ lên men tăng nhanh, phải thường xuyên theo dõi và khống chế ở mức nhiệt độ <9oC (khoảng 8 - 9oC), độ balling trung bình khoảng 3,3 – 3,4%, bọt xốp và bồng lên rất cao. Bề mặt tạo bọt từ trắng chuyển dần sang nâu, giai đoạn này kéo dài từ 2 - 3 ngày.
•Giai đoạn cuối: bọt xẹp xuống dần, dẫn tới bề mặt được phủ một lớp mỏng bọt màu nâu, tiêu hao cơ chất giảm, diễn ra với tốc độ chậm , khoảng 0,2 – 0,5 mỗi ngày đêm, nhiệt độ giảm 3 - 4oC. Tế bào nấm men lắng dần xuống đáy thùng lên men, dịch lên men trong dần. Quá trình lên kết thúc khi hàm lượng đường trong bia non cịn lại khoảng 30 - 35% so với nồng độ ban đầu.
Tiến hành thu hồi CO2 như sau: Đĩng nĩc tank nối đường ống thu hồi CO2 quá trình thu hồi kết thúc khi nồng độ chất hịa tan cịn lại 2,8 - 3% lúc này khĩa van áp suất để đạt áp suất 0,5 - 0,7at
Lên men phụ và lên men chín bia:
Lên men phụ là quá trình tiếp theo của quá trình lên men chính để lên men phần đường cịn lại nhưng với tốc độ chậm.
Làm chín bia là quá trình khử diacetyl xuống dưới hàm lượng 0,2mg/l, khử rượu bậc cao, andehyt, bão hào CO2, tạo este và các sản phẩm khác.
Mục đích
•Tiếp tục lên men phần chất khơ cịn sĩt lại sau lên men chính. •Bão hịa CO2 tạo bọt cho bia
•Tăng cường mùi vị cho bia thực hiện quá trình ủ chín của bia (ổn định chất lượng bia).
•Làm trong bia
Vì hai quá trình xảy ra đồng thời , trong cùng một thiết bị và trong cùng một điều kiện nên ta hay gọi chung là tàng trữ bia. Ta lên men bia ở nhiệt độ 50C sau 48h ta hạ nhiệt xuống 20C duy trì lên men phụ từ 5 - 7 ngày. Quá trình lên men phụ kéo dài từ 10 - 15 ngày ở nhiệt độ 0 - 40C
Cách tiến hành
Nước nha được làm lạnh đến nhiệt độ 6 - 80C, được sục khí để cấp O2 cho nấm men phát triển sinh khối. Hàm lượng oxy hịa tan là thơng số rất quan trọng, thiếu O2 nấm men khơng đủ số lượng yêu cầu, tốc độ lên men chậm, nhưng thừa oxy sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng bia. Vậy hàm lượng O2 hịa tan thường khoảng 8 – 10 mg/l. Mỗi tank lên men khoảng 6 mẻ, mỗi mẻ khoảng 2 giờ đểđi vào. Trước khi bơm nước nha vào ta bơm nước nĩng vào để tiệt trùng đường ống, sau đĩ dẫn nước
nah vào tank, đồng thời cấy men vào. Men giống sử dụng thì lượng men chết khơng quá 10%, lượng men cấy vào khoảng 20 – 25.106 tb/ml, đồng thời thêm một lượng nhỏ phụ gia Malturex để rút ngắn thời gian lên men. Nhiệt độ lên men chính thường ở 6 - 80C, áp suất 0 bar, nếu nhiệt độ quá cao ( lớn hơn 100C, nhỏ hơn -40C thì con men chết). Quá trình lên men chính ta phải làm lạnh vùng trên của tank lên men hơn so với hai vùng cịn lại (lợi dụng chênh lệch nhiệt độđĩ sẽ cĩ sựđảo trộn trong lịng dịch lên men) được thực hiện 5 – 7 ngày thì kết thúc, ta phải kiểm tra độ plato hằng ngày để xác định thời điểm kết thúc quá trình lên men chính, thơng thường cịn khoảng 3,3 – 3,5 độ Plato thì kết thúc quá trình lên men chính, thực hiện dằn áp từ 0,3 – 0,6 bar và nhằm mục đích giữ CO2 lại giúp bia thành phẩm đạt nồng độ CO2 yêu cầu, ức chế một phần hoạt động của nấm men và chuyển sang quá trình lên men phụ.
Để thúc đẩy quá trình kết lắng ta hạ nhiệt độ bia xuống 4 - 50C (tùy thuộc vào tốc độ lên men nhanh hay chậm ta sẽ khống chế. Trước khi chuyển sang quá trình lên men phụ ta tiến hành thu hồi men, lưu ý phải thường xuyên xả cặn để loại bỏ xác men và các kết tủa lạnh.
Sau khi nấm men được thu hồi thì tank lên men được hạ nhiệt độ xuống 40C để lên men phụ. Các giai đoạn lên men phụ:
+ Giai đoạn đầu: quá trình lên men vẫn xảy ra nhưng ít và nĩ khơng phải là mục đích chính của giai đoạn này vì nhiệt độ đã được hạ xuống và khơng cịn là nhiệt độ tối ưu của quá trình lên men. Người ta khống chế quá trình lên men nhằm giữ lại một phần chất dinh dưỡng hịa tan trong dung dịch. Ở giai đoạn này thì nhiệt độ của dung dịch chưa đơng đều nên xảy ra hiện tượng đối lưu nhiệt
+ Giai đoạn sau: nấm men kết lắng, hợp chất protein – polyphenol kết tủa và lắng xuống. Do vậy, thời gian càng dài bia càng trong.
Quá trình lên men chính và phụ được thực hiện trong cùng một tank để tránh nhiễm vi sinh vật.
Tank lên men
Là thiết bị cĩ dạng hình trụ đứng, đáy cơn 700, làm bằng thép khơng gỉ, cĩ ba lớp áo lạnh (thường gọi là ba vùng) để tác nhân lạnh glycol tiếp xúc khi cần thiết. Trên thiết bị cĩ đường thơng giĩ để loại bỏ khơng khí và CO2 khi cho nước nha vào.
Đặc biệt thiết bị cĩ đường dẫn nước nha vào, đường xả men và đường dẫn bia ra đều nằm dưới đáy nhằm tránh gây xáo trộn tạo bọt và dễ dàng xả.
Thiết bị lên men này cĩ thể tích lớn, thêm vào đĩ là gọn gàng dễ bố trí, đồng thời sử dụng cho cả lên men chính và lên men phụ nên tiết kiệm được khơng gian và kinh tế, tránh được sự xáo trộn, chênh lệch nhiệt độ và tách CO2 chuyển bia từ bồn lên men chính sang lên men phụ. Tuy nhiên loại tank lên men này địi hỏi người vận hành phải cĩ kiến thức tốt về quá trình lên men và cẩn thận tránh được những sai sĩt.
Thơng số kỹ thuật
Lên men chính: kéo dài 5 – 7 ngày, nhiệt độ 7 - 9 0C, áp suất P = 0 bar, lượng nấm men cấy khoảng 350 – 400 kg/tank ( mật độ 20 –30.106 tb/ml), tỷ lệ men chết ≤ 10%, đời men ≤ 8. Lên men chính kết thúc khi chất hịa tan bằng 3,3 – 3,5 0P.
Lên men phụ: thời gian 5 - 7 ngày, nhiệt độ -1 - 5 0C, áp suất P = 0,4 – 0,6 bar, lên men phụ kết thúc khi độ plato 2,85 – 3 0P. Lượng diacetyl < 0,1 mg/l.
Những biến đổi xảy ra trong quá trình lên men
• Biến đổi sinh học: quá trình này được thể hiện bằng sự sinh sản của nấm men và nĩ chỉ xảy ra trong thời kì đầu của quá trình lên men chính. Lúc đĩ, trong dịch lên men xảy ra đồng thời sự sinh sản của nấm men và sự lên men. Nhưng trong điều kiện bình thường sự sinh sản của nấm men kết thúc xa trước khi lên men chính xong.
• Biến đổi sinh hĩa: sự biến đổi sinh hĩa cơ bản trong lên men là sự chuyển các đường thành rượu và CO2. Phần lớn các chất chiết được trong dịch lên men là hydratcabon, trong đĩ chứa: fructoza 1 – 3%, glucoza 3 – 8%, saccaroza 2 – 6%, maltoza 38 – 50%, mantotrioza 11 – 19%, mantotetraoza 2 – 6%, dextrin 14 – 22%. Như vậy phần lớn chất chiết (75%) là đường lên men được. Phần lớn khơng lên men được chủ yếu là dextrin, protein và chất khống. Sự chuyển hĩa đường thành rượu và CO2 xảy ra chủ yếu trong thời kì lên men chính, cịn trong lên men phụ nĩ diễn ra rất chậm chạp với một hàm lượng đường nhỏ. Ngồi rượu và CO2, trong quá trình lên men cịn tạo ra nhiều sản phẩm phụ. Những sản phẩm phụ này đều cĩ vai trị quan trọng trong việc hình thành hương vị của bia. Vai trị đĩ cĩ thể là tích cực mà cũng cĩ thể là tiêu cực.
• Biến đổi hĩa lí:
+ Sự thay đổi độ chua và năng lực đệm: trong giai đoạn lên men chính cĩ sự thay đổi lớn về độ chua. Sở dĩ cĩ sự tăng đĩ là do sự tạo thành và CO2 một số các acid hữu cơ trong quá trình lên men. Tuy nhiên sự giảm mạnh về pH (từ trên 5,5 giảm xuống cịn dưới 4,5) khơng thể giải thích bằng sự tạo thành các acid hữu cơ vì chúng sinh ra với hàm lượng ít và khả năng phân ly yếu. Hiện tượng này chỉ giải thích bằng sự phá vỡ hệ thống đệm trong dung dịch đường. Khả năng đệm của dịch đường được hình thành và ổn định là nhờ các muối photphat bậc 1 và bậc 2 (chúng ổn định pH trong khoảng 5,67 – 7,07). Trong thời kì lên men một phần muối