Đề tài Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Mục lục Trang Mục lục ...........................................................................................................................1 Lời nói đầu .............................................................................................................................6 Phần I: Lập luận kinh tế kỹ thuật ...........................................................................................8 I. Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới và tại Việt Nam ...................................8 II. Chọn loại sản phẩm, địa điểm xây dựng, vùng nguyên liệu và thị trường ....................9 1. Lựa chọn loại bia sản xuất ..........................................................................................9 2. Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy .......................................................................9 3. Vùng nguyên liệu .....................................................................................................10 4. Vùng tiêu thụ sản phẩm ............................................................................................10 5. Nguồn cung cấp điện, nước, lạnh .............................................................................10 6. Nguồn cung cấp nhiên liệu .......................................................................................11 7. Nguồn nhân lực ........................................................................................................11 8. Giao thông vận tải ....................................................................................................11 Phần II: Chọn phương pháp sản xuất và thuyết minh dây chuyền công nghệ .....................12 I. Chọn nguyên liệu ..........................................................................................................12 1. Malt đại mạch ...........................................................................................................12 2. Gạo ...........................................................................................................................13 3. Hoa houblon .............................................................................................................14 4. Nước .........................................................................................................................15 5. Nguyên liệu phụ trợ khác .........................................................................................15 II. Chọn phương pháp nấu ................................................................................................16 1. Nghiền nguyên liệu ..................................................................................................16 2. Hồ hoá và đường hoá ...............................................................................................17 3. Lọc dịch đường .........................................................................................................17 4. Nấu hoa .....................................................................................................................18 5. Lắng trong và làm lạnh dịch đường houblon hoá .....................................................19 III. Chọn chủng nấm men và phương pháp lên men ........................................................20 1. Chọn chủng nấm men ...............................................................................................20 2. Lên men sản phẩm bia chai ......................................................................................21 3. Lên men sản phẩm bia hơi ........................................................................................22 1. Nghiền nguyên liệu ..................................................................................................24 a. Nghiền malt ..............................................................................................................24 b. Nghiền gạo ...............................................................................................................24 2. Quá trình hồ hoá và đường hoá ................................................................................25 a. Hồ hoá .......................................................................................................................25 b. Đường hoá ................................................................................................................25 3. Lọc dịch đường .........................................................................................................26 4. Nấu hoa .....................................................................................................................27 5. Lắng xoáy .................................................................................................................28 6. Lạnh nhanh ...............................................................................................................28 7. Bão hoà O2 vào dịch lên men ..................................................................................29 8. Cấp nấm men và tiến hành lên men .........................................................................29 9. Lọc bia ......................................................................................................................30 10. Tàng trữ và ổn định tính chất của bia thành phẩm .................................................31 11. Hoàn thiện sản phẩm ..............................................................................................31 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm V. Quy trình công nghệ xử lý nước cấp, nước thải ...........................................................33 1. Xử lý nước cấp .........................................................................................................33 2. Xử lý nước thải .........................................................................................................33 Phần III: Lập kế hoạch sản xuất và tính cân bằng sản phẩm ................................................35 A. Lập kế hoạch sản xuất .................................................................................................35 B. Tính cân bằng sản phẩm ..............................................................................................36 I. Tính cân bằng sản phẩm cho 1000l bia chai .................................................................36 1. Tính lượng gạo và lượng malt ..................................................................................36 2. Lượng bã gạo và bã malt ..........................................................................................37 3. Lượng nước dùng trong nấu và rửa bã .....................................................................38 4. Lượng hoa houblon sử dụng .....................................................................................39 5. Các nguyên liệu khác ...............................................................................................40 II. Tính cân bằng sản phẩm cho 1000l bia hơi .................................................................45 1. Tính lượng gạo và lượng malt ..................................................................................45 2. Lượng bã gạo và bã malt ..........................................................................................46 3. Lượng nước dùng trong nấu và rửa bã .....................................................................46 4. Lượng hoa houblon sử dụng .....................................................................................47 5. Các nguyên liệu khác ...............................................................................................48 III. Hoá chất vệ sinh: ........................................................................................................53 1. Hóa chất vệ sinh các nồi nấu: ...................................................................................53 2. Hóa chất vệ sinh các thiết bị lên men, tàng trữ bia: .................................................53 Phần IV: Tính và chọn thiết bị ..............................................................................................55 I. Tính và chọn thiết bị cho phân xưởng nấu ....................................................................55 1. Cân, gầu tải ...............................................................................................................55 2. Máy nghiền ...............................................................................................................55 3. Nồi hồ hoá ................................................................................................................56 4. Nồi đường hoá ..........................................................................................................57 5. Thùng lọc đáy bằng ..................................................................................................58 6. Nồi nấu hoa ..............................................................................................................59 7. Thùng chứa trung gian ..............................................................................................60 8. Thùng lắng xoáy .......................................................................................................61 9. Thiết bị lạnh nhanh và sục khí ..................................................................................62 10. Thùng nước nấu ......................................................................................................62 11. Hệ thống cip nấu .....................................................................................................63 II. Tính và chọn thiết bị cho phân xưởng lên men ...........................................................64 1. Tank lên men ............................................................................................................64 2. Thiết bị nhân giống cấp II ........................................................................................65 3. Thiết bị nhân giống cấp I ..........................................................................................65 4. Thiết bị rửa men sữa kết lắng ...................................................................................66 5. Thiết bị hoạt hoá men ...............................................................................................67 6. Hệ thống cip lạnh: ....................................................................................................67 III. Tính và chọn thiết bị cho phân xưởng hoàn thiện ......................................................69 1. Thiết bị lọc trong bia ................................................................................................69 2. Thùng tàng trữ và bão hoà CO2 ...............................................................................69 3. Hệ thống chiết bock ..................................................................................................70 4. Hệ thống chiết chai ...................................................................................................70 Phần V: Tính toán nhu cầu năng lượng, nhu cầu nước của nhà máy ...................................74 I. Tính nhiệt lạnh ..............................................................................................................74 1. Lượng nhiệt lạnh cần cấp cho thiết bị lạnh nhanh ....................................................74 2. Lượng nhiệt lạnh cấp cho khu tank lên men ............................................................74 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 2 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm a. Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp trong giai đoạn lên men chính ................................74 b. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để hạ nhiệt độ dịch ..........................................................76 c. Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp trong giai đoạn lên men phụ: ..................................76 3. Lượng nhiệt lạnh cấp cho hệ thống cấp men giống ..................................................77 a. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để tái sử dụng men kết lắng ............................................77 b. Lượng nhiệt lạnh cần cấp để nhân men ....................................................................78 4. Lượng nhiệt lạnh cấp cho phân xưởng hoàn thiện ...................................................80 5. Hệ thống lạnh ...........................................................................................................81 II. Tính hơi ........................................................................................................................83 1. Lượng hơi cấp cho nồi hồ hoá ..................................................................................83 2. Lượng hơi cấp cho nồi đường hoá ...........................................................................84 3. Lượng hơi cấp cho nồi nấu hoa ................................................................................85 4. Lượng hơi cấp cho thiết bị đun nóng nước ..............................................................86 5. Lượng hơi cấp cho phân xưởng hoàn thiện ..............................................................86 6. Lượng nhiên liệu cho nồi hơi ...................................................................................87 III. Tính nước ...................................................................................................................88 1. Lượng nước dùng cho phân xưởng nấu ....................................................................88 2. Lượng nước dùng cho phân xưởng lên men .............................................................88 3. Lượng nước dùng cho phân xưởng hoàn thiện .........................................................88 4. Lượng nước dùng cho các hoạt động khác của nhà máy .........................................89 IV. Tính điện .....................................................................................................................90 1. Phụ tải chiếu sáng .....................................................................................................90 2. Phụ tải sản xuất .........................................................................................................92 3. Xác định các thông số của hệ thống điện .................................................................93 4. Tính điện năng tiêu thụ hàng năm ............................................................................93 a. Điện năng thắp sáng hàng năm .................................................................................93 b. Điện năng tiêu thụ cho sản xuất hàng năm ...............................................................94 c. Điện năng tiêu thụ cả năm ........................................................................................94 Phần VI: Tính toán và thiết kế về xây dựng của nhà máy ....................................................95 A. Phân tích và lựa chọn địa điểm xây dựng ....................................................................95 B. Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy ..................................................................................97 I. Tính toán các hạng mục công trình ...............................................................................98 1. Khu vực sản xuất ......................................................................................................98 a. Nhà sản xuất chính ...................................................................................................98 b. Khu tank lên men .....................................................................................................98 c. Nhà hoàn thiện sản phẩm ..........................................................................................99 2. Kho tàng ...................................................................................................................99 a. Kho chứa nguyên liệu ...............................................................................................99 b. Kho chứa thành phẩm .............................................................................................100 3. Các phân xưởng phụ trợ sản xuất ...........................................................................101 a. Trạm biến áp ...........................................................................................................101 b. Xưởng cơ điện ........................................................................................................101 c. Nhà đặt hệ thống lạnh, hệ thống thu hồi CO2 và cấp khí nén ................................101 d. Phân xưởng hơi ......................................................................................................101 e. Khu xử lý nước cấp ................................................................................................101 g. Khu xử lý nước thải ................................................................................................102 h. Bãi vỏ chai ..............................................................................................................102 4. Các công trình khác ................................................................................................102 a. Nhà hành chính .......................................................................................................102 b. Nhà giới thiệu sản phẩm .........................................................................................102 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm c. Hội trường ..............................................................................................................103 d. Nhà ăn, căng tin ......................................................................................................103 e. Gara ô tô .................................................................................................................103 g. Nhà để xe của nhân viên .........................................................................................103 h. Phòng bảo vệ ..........................................................................................................103 i. Nhà vệ sinh ..............................................................................................................103 II. Bố trí các hạng mục công trình ..................................................................................105 III. Tính toán và đánh giá các thông số xây dựng ..........................................................106 IV. Thiết kế phân xưởng sản xuất chính .........................................................................107 1. Đặc điểm và cách bố trí các thiết bị trong phân xưởng sản xuất chính ..................107 2. Thiết kế xây dựng phân xưởng sản xuất chính .......................................................107 Phần VII: Tính toán kinh tế ................................................................................................109 A. Phân tích thị trường ...................................................................................................109 B. Tính các chỉ tiêu dự án đầu tư ....................................................................................110 I. Nhu cầu vốn đầu tư .....................................................................................................110 1. Vốn lưu động ..........................................................................................................110 a. Tiền lương ...............................................................................................................110 b. Chi phí nhiên liệu, năng lượng ...............................................................................111 2. Vốn cố định ............................................................................................................112 a. Vốn đầu tư cho xây dựng ........................................................................................112 b. Vốn đầu tư mua dây chuyền thiết bị .......................................................................114 c. Tiền đầu tư mua phương tiện vận tải ......................................................................114 d. Tiền đầu tư ban đầu để mua chai, két, bock ...........................................................115 e. Khấu hao tài sản cố định .........................................................................................115 3. Nguồn vốn ..............................................................................................................116 II. Tính giá thành sản phẩm ............................................................................................117 1. Chi phí vận hành .....................................................................................................117 a. Chi phí nguyên vật liệu ...........................................................................................117 b. Chi phí nhân công trực tiếp ....................................................................................118 c. Chi phí sản xuất chung ...........................................................................................118 d. Chi phí tiêu thụ sản phẩm .......................................................................................119 e. Chi phí quản lý doanh nghiệp .................................................................................119 2. Các khoản thu, chi khác ..........................................................................................119 a. Thu nhập từ việc bán các sản phẩm phụ của nhà máy ............................................119 b. Chi phí tiền vốn ......................................................................................................120 3. Giá thành sản phẩm ................................................................................................120 4. Giá bán ...................................................................................................................120 5. Thu nhập trước thuế của dự án ...............................................................................121 III. Tính dòng tiền và một số chỉ tiêu hiệu quả của dự án ..............................................122 Phần VIII: Vệ sinh an toàn lao động ..................................................................................129 I. Vệ sinh ........................................................................................................................129 1. Vệ sinh cá nhân ......................................................................................................129 2. Vệ sinh thiết bị nhà xưởng .....................................................................................129 II. An toàn lao động ........................................................................................................131 1. Chống khí độc trong nhà máy ................................................................................131 2. Chống ồn và rung động ..........................................................................................131 3. An toàn khi vận hành thiết bị ..................................................................................131 4. An toàn về điện .......................................................................................................131 5. Phòng cháy chữa cháy ............................................................................................132 Kết luận ..............................................................................................................................133 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Tài liệu tham khảo chính ............................................................................................135 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 5 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Lời nói đầu Bia là một loại đồ uống giải khát hiện rất được ưa chuộng ở nước ta cũng như trên thế giới. Bia có màu sắc, hương vị đặc trưng, dễ dàng phân biệt với các loại đồ uống khác. Được sản xuất từ các nguyên liệu chính là malt đại mạch, hoa hublon... bia đem lại giá trị dinh dưỡng, một lít bia cung cấp 400 – 450kcal, bia có khả năng kích thích tiêu hoá, giúp cơ thể khoẻ mạnh khi dùng với liều lượng thích hợp và đặc biệt còn có tác dụng làm giảm nhanh cơn khát của người uống nhờ đặc tính bão hoà CO2. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, bia ra đời từ khoảng 7000 năm trước Công nguyên, bắt nguồn từ các bộ lạc cư trú ven bờ sông Lưỡng Hà, sau đó được truyền sang các châu lục khác thông qua quá trình trao đổi, buôn bán giữa các bộ lạc. Trong quá trình tìm kiếm nguyên liệu phụ để tăng chất lượng cho bia, người ta nhận thấy hoa houblon mang lại cho bia hương vị rất đặc biệt và nhiều đặc tính quý giá. Hiện nay, hoa hublon vẫn là nguyên liệu không thể thay thế trong sản xuất bia. Đến thế kỷ XIX Louis Pasteur xuất bản cuốn sách về bia đã tạo ra ngành công nghiệp sản xuất bia dưới ánh sáng khoa học, cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác quy trình công nghệ sản xuất bia đang ngày càng trở nên hoàn thiện. Chính vì vậy, bia đã trở thành loại đồ uống được ưa chuộng nhất hiện nay, được sản xuất và tiêu thụ ngày nhiều trên phạm vi toàn thế giới. Ở Việt Nam, bia xuất hiện chưa lâu lắm (chỉ khoảng 100 năm), ngành công nghiệp sản xuất bia vẫn còn rất nhiều tiềm năng phát triển. Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng bia ở nước ta ngày càng tăng. Rất nhiều nhà máy cũng như cơ sở sản xuất bia được thành lập trên khắp cả nước nhưng vẫn chưa đáp ứng hết được nhu cầu thị trường cả về chất lượng cũng như số lượng. Hơn nữa bia là một ngành công nghiệp có nhiều đóng góp to lớn cho ngành kinh tế quốc dân vì nó là ngành sản xuất đem lại lợi nhuận cao, khả năng thu hồi vốn nhanh, và là nguồn thu quan trọng cho ngân sách quốc gia. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, mục tiêu đề ra và lợi ích của việc phát triển công nghệ sản xuất bia nên việc xây dựng thêm các nhà máy bia với cơ cấu tổ chức chặt chẽ cùng các thiết bị công nghệ hiện đại để cung cấp cho Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm người tiêu dùng các loại bia có chất lượng cao, giá thành phù hợp là vô cùng cần thiết. Trong bản đồ án này em trình bày thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm. Đây là một nhà máy với năng suất trung bình, nếu được trang bị và tổ chức hợp lý sẽ có khả năng thích ứng linh hoạt với qui mô sản xuất trung bình, cũng như có khả năng mở rộng qui mô sản xuất. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 7 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Phần I: Lập luận kinh tế kỹ thuật I. Hiện trạng sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới và tại Việt Nam Trong các loại đồ uống giải khát hiện nay bia rất được ưa chuộng, được phổ biến rộng rãi trên thế giới và sản lượng tiêu thụ lớn và ngày càng tăng. Ở các nước phát triển như Đức, Đan Mạch, Ba Lan, Mỹ... ngành công nghiệp sản xuất bia rất phát triển, sản lượng bia của Đức, Mỹ đã đạt 10 tỷ lít/năm. Công nghệ sản xuất bia cũng như sản phẩm bia của các nước này đã thâm nhập vào thâm nhập vào thị trường của rất nhiều nước trên thế giới trong đó có cả Việt Nam. Mức tiêu thụ bia bình quân ở các nước này khá cao khoảng 100 lít/người/năm. Các nước Á Đông tuy hiện tại có mức tiêu thụ bia chưa cao bình quân khoảng 20 lít/người/năm ngoại trừ một số nước như Nhật Bản đạt 50 lít/người/năm. Nhưng đây là một thị trường đông dân cư, sản lượng bia ở Trung Quốc và Nhật Bản cũng gần bằng sản lượng bia của Đức, Mỹ. Ở Việt Nam bia mới chỉ xuất hiện từ đầu thế kỉ 20, nhưng là một nước nằm trong vùng nhiệt đới cận xích đạo đã tạo điều kiện thuận lợi để ngành công nghiệp bia tồn tại và ngày càng phát triển. Từ ban đầu chỉ có các nhà máy bia nhỏ là nhà máy bia Hà Nội và nhà máy bia Sài Gòn, hiện nay các nhà máy bia đã xuất hiện ở hầu khắp các tỉnh trong cả nước, sản lượng của các nhà máy cũng ngày càng tăng. Hiện nay năng suất của nhà máy bia Hà Nội đã đạt trên 100 triệu lít/năm và đang tiếp tục tăng năng suất tới 200 triệu lít/năm vào năm 2010, năng suất của nhà máy bia Sài Gòn đã đạt trên 350 triệu lít/năm và dự kiến sẽ là 780 triệu lít/năm vào năm 2010. Bên cạnh đó rất nhiều thương hiệu bia ngoại đã xuất hiện ở nước ta như Tiger, Heineken... Mức tiêu thụ bia bình quân ở Việt Nam hiện còn thấp khoảng 15 lít/người/năm và sẽ hứa hẹn nhiều tiềm năng để ngành sản xuất bia phát triển. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 8 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm II. Chọn loại sản phẩm, địa điểm xây dựng, vùng nguyên liệu và thị trường 1. Lựa chọn loại bia sản xuất Để sản phẩm sản xuất ra có thể tiêu thụ được đặc biệt là sản phẩm bia chai có thể chiếm lĩnh được thị trường rộng thì sản phẩm bia phải có chất lượng cao đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Do đó em lựa chọn sản xuất loại bia có chất lượng cao, thuộc loại bia vàng là loại bia đang rất được ưa chuộng hiện nay. Sản phẩm bia sản xuất ra phải đảm bảo đạt được các tiêu chuẩn sau: * Các chỉ tiêu cảm quan: - Độ bọt: Khi rót bia ra cốc, bia phải có bọt trắng mịn, từ đáy cốc luôn có các bọt khí li ti nổi dần lên bề mặt. Chiều cao lớp bọt > 2cm, thời gian giữ bọt 5 – 15 phút. - Mùi và vị: Bia phải có độ đắng đặc trưng và hương thơm dịu nhẹ của hoa houblon, không quá nhạt, không có mùi vị lạ. - Màu sắc và độ trong: Bia phải có màu vàng rơm sáng óng ánh, trong suốt, không được có cặn hay vẩn đục. * Các chỉ tiêu hoá học: - Độ cồn: 4,6 ± 0,2 - Hàm lượng đường sót: 1 – 2% - Hàm lượng CO2: 4,5 – 5 g/l - Hàm lượng diacetyl: ≤ 0,2 mg/l - Chất khoáng: 0,14 – 0,38% - Đạm tổng: 3,5 – 5 g/l - Este: 15 – 50 mg/l - Aldehyt: 10 – 15 mg/l 2. Lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy Địa điểm được lựa chọn cần đáp ứng được yêu cầu sau: - Phù hợp với qui hoạch chung của tỉnh, thành phố. - Gần nguồn cung cấp nguyên liệu và thị trường tiêu thụ sản phẩm. - Thuận tiện về mặt giao thông. - Đảm bảo các nguồn điện, nước, nhiên liệu. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 9 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm - Nguồn nhân lực không quá khan hiếm. Dựa vào những yêu cầu trên em chọn địa điểm xây dựng nhà máy nằm trong khu công nghiệp Quang Minh, thuộc huyện Mê Linh, tỉnh Vĩnh Phúc. Đây là một khu công nghiệp mới có diện tích rộng và đang tiếp tục được phát triển, có nhiều tiềm năng để phát triển kinh tế xã hội. Các khu dân cư và đô thị xung quanh đang được xây dựng và mở rộng. Bên cạnh đó hệ thống giao thông gần khu công nghiệp đã và đang được xây dựng, cải tạo và hoàn thiện như đường cao tốc Bắc Thăng Long - Nội Bài, đường quốc lộ 2, quốc lộ 3, quốc lộ 18, tuyến đường sắt Hà Nội – Lào Cai là những tuyến giao thông quan trọng nhờ thuận lợi trong vận chuyển nguyên liệu và phân phối sản phẩm. Mạng lưới điện quốc gia ở đây cung cấp cho cả khu công nghiệp rất ổn định và thuận lợi. 3. Vùng nguyên liệu Nguyên liệu chính đầu tiên để sản xuất bia là malt đại có thể nhập ngoại từ Đức, Úc... Hoa houblon nhập từ Tiệp Khắc dưới dạng cao hoa và hoa viên. Nguyên liệu thay thế là gạo có thể mua ngay trong tỉnh hay mua từ các tỉnh lân cận Hà Tây, Hưng Yên, Hải Dương, Nam Định, Thái Bình với giá thành hợp lý, chất lượng đảm bảo vận chuyển về nhà máy chủ yếu bằng ô tô. Trong nhà máy còn thiết kế một hệ thống lấy nước từ giếng khoan xử lý lọc và làm mềm nước dùng cho nấu bia và các hoạt động khác của nhà máy. 4. Vùng tiêu thụ sản phẩm Bia nhà máy sản xuất ra cung cấp cho các cửa hàng trong tỉnh và các tỉnh lân cận như Hà Nội, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hà Tây, Nam Định, Phú Thọ, Thái Nguyên... Sản phẩm sau chiết chai, chiết bock được chuyên chở bằng ô tô, nếu số lượng ít có thể sử dụng các phương tiện khác. 5. Nguồn cung cấp điện, nước, lạnh Nguồn điện: Sử dụng điện lưới của mạng lưới điện quốc gia chạy qua khu vực. Mạng lưới điện này cung cấp 24/24 giờ trong ngày, nhưng để đề phòng sự cố mạng lưới, nhà máy bố trí một trạm biến thế và sử dụng thêm máy phát điện dự phòng. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 10 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Nguồn nước: nước được lấy từ hệ thống giếng khoan. Trong nhà máy nước được dùng vào các mục đích khác nhau: xử lý nguyên liệu, nước nấu nguyên liệu, nước rửa chai, nước vệ sinh thiết bị, vệ sinh nhà máy... Nước nấu bia cần đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu cho công nghệ sản xuất bia. Do đó nước phải đi qua một hệ thống xử lý đúng kỹ thuật trước khi cấp cho sản xuất. Bên cạnh đó cần phải xây dựng khu xử lý nước thải để xử lý nước thải của nhà máy tránh gây ô nhiễm đến môi trường xung quanh. Nhà máy cũng cần đặt hệ thống lạnh, hệ thống thu hồi CO2 và cấp khí nén phù hợp với công suất của nhà máy đủ để cấp lạnh cho hoạt động sản xuất của nhà máy. Hệ thống lạnh có thể sử dụng tác nhân lạnh là NH3 hay Freon, chất tải lạnh sử dụng nước glycol hay nước muối. 6. Nguồn cung cấp nhiên liệu Nhiên liệu sử dụng trong nhà máy là cho nồi hơi phục vụ cho các mục đích khác nhau như nấu nguyên liệu, thanh trùng... Nhà máy sử dụng nhiên liệu là than. 7. Nguồn nhân lực Địa điểm xây dựng nhà máy cách không xa các khu dân cư, gần các tuyến giao thông đi tới các vùng đô thị trung tâm như thành phố Hà Nội nên có nguồn nhân lực dồi dào. Các cán bộ, kỹ sư có trình độ tổ chức chuyên môn phải được đào tạo đủ trình độ quản lý, điều hành. Các công nhân có thể tuyển chọn lao động phổ thông, học nghề ở các vùng dân cư xung quanh để đảm bảo được yêu cầu về nơi ở, sinh hoạt. 8. Giao thông vận tải Nhà máy nằm gần trục giao thông nên thuận tiện cho vận chuyển nguyên nhiên vật liệu đến nhà máy, và vận chuyển sản phẩm phân phối cho các đại lý, cửa hàng tiêu thụ bằng đường bộ. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Phần II: Chọn phương pháp sản xuất và thuyết minh dây chuyền công nghệ I. Chọn nguyên liệu Nguyên liệu chính đầu tiên dùng cho sản xuất bia trong nhà máy là malt đại mạch, và nguyên liệu dùng để thay thế cho malt là gạo với tỷ lệ 20% nhằm giảm giá thành sản phẩm, hoa houblon tạo hương vị đặc trưng cho bia, và nước cũng là một thành phần không thể thiếu để sản xuất bia. 1. Malt đại mạch 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 2 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. Hạt đại mạch trải qua quá trình ngâm, ươm mầm sẽ trở thành hạt malt tươi; hạt malt tươi lại tiếp tục qua quá trình sấy, tách rễ và đánh bóng sẽ trở thành hạt malt khô tiêu chuẩn có thể bảo quản dài ngày trong điều kiện khô, mát và được sử dụng để sản xuất bia. Trong quá trình xử lí hạt đại mạch để trở thành hạt malt hoàn thiện hệ enzyme trong hạt đã được hoạt hóa và tăng cường hoạt lực, đặc biệt là hệ enzyme thủy phân thực hiện quá trình chuyển hóa các chất cao phân tử để tạo ra chất chiết của dịch đường. Hiện nay, các cơ sở sản xuất bia ở nước ta thường sử dụng loại malt có nguồn gốc từ đại mạch hai hàng, chủ yếu được nhập từ Úc hoặc một số nước châu Âu như: Đức, Đan Mạch... Malt dùng trong sản xuất bia cần đảm bảo một số yêu cầu: Chỉ tiêu cảm quan: - Màu sắc: hạt malt vàng có màu vàng rơm, sáng óng ánh, màu chuẩn là 0,3 độ iod; (malt đen có màu sẫm). Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 12 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm - Mùi vị: mùi vị đặc trưng cho malt vàng là vị ngọt nhẹ hay ngọt dịu, có hương thơm đặc trưng, không được có mùi vị lạ. - Độ sạch của malt cho phép là 0,5% hạt gãy vỡ, 1% các tạp chất khác. Chỉ số cơ lý: - Trọng lượng khô tuyệt đối: 28 – 38g/1000hạt - Dung trọng: 530 – 560g/l - Độ ẩm: 5 – 8% - Độ hoà tan: 70 – 80% - Thời gian đường hoá: 10 – 20phút ở 70˚C - Đường maltose chiếm từ 65 – 70% tổng chất hoà tan, tỷ lệ: đường maltose/đường phi maltose = 1/0,4 – 1/0,51 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 2. Gạo Gạo là nguyên liệu dạng hạt được dùng để thay thế một phần malt nhằm mục đích giảm giá thành sản phẩm. Các chỉ tiêu kỹ thuật của gạo: - Đồng nhất về kích thước - Màu sắc trắng đồng nhất, không có hạt bị mốc, mối, mọt, mùi hôi - Tạp chất không quá 2% - Dung trọng 660 – 700g/l - Độ ẩm từ 12 – 14% - Độ hoà tan 75 – 85% TT Thành phần % chất khô Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 13 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 1 Tinh bột 75 2 Protein 6 – 8 3 Chất béo 1 – 1,5 4 Cellulose 0,5 – 0,8 5 Chất khoáng 1 – 1,2 3. Hoa houblon Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản có tầm quan trọng thứ hai sau malt trong sản xuất bia, hiện chưa có nguyên liệu nào có thể thay thế được. Hoa houblon góp phần quan trọng tạo ra mùi vị đặc trưng của bia và tăng độ bền sinh học của bia. Các hợp chất có giá trị trong hoa phải kể đến chất đắng, polyphenol và tinh dầu thơm ngoài ra còn một số hợp phần khác nhưng không mang nhiều ý nghĩa trong công nghệ sản xuất bia. Hoa houblon thường được sử dụng dưới 3 dạng: hoa cánh, hoa viên và cao hoa. - Hoa cánh: hoa houblon tươi, nguyên cánh được sấy khô đến hàm ẩm ≈11%, sau đó được phân loại rồi xông hơi (SO2) để hạn chế sự oxy hóa và sự phát triển của vi sinh vật. - Hoa viên: hoa houblon sau khi xử lý sơ bộ, được nghiền và ép thành các viên nhỏ, xếp vào các túi polyetylen hàn kín miệng để tiện cho việc bảo quản cũng như vận chuyển. - Cao hoa: trích ly các tinh chất trong hoa bằng các dung môi hữu cơ (toluen, benzen... ), sau đó cô đặc để thu lấy chế phẩm ở dạng cao. 1 kg hoa viên = 1,3 – 1,5 kg hoa cánh 1 kg cao hoa = 7 – 10 kg hoa cánh 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. Hoa cánh sử dụng là hoa cái chưa thụ phấn, nghiền còn dính. - Hoa có mùi thơm đặc trưng, không lẫn các tạp chất. STT Thành phần % chất khô 1 Độ ẩm 11 – 13 2 Chất đắng 15 – 21 3 Polyphenol 2,5 – 6 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 14 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 4 Tinh dầu thơm 0,3 – 1 5 Cellulose 12 – 14 6 Chất khoáng 5 – 8 7 Protein 15 – 21 8 Các hợp chất khác 26 – 28 4. Nước Trong quá trình sản xuất bia, nước được sử dụng rộng rãi trong mọi khâu, từ các công đoạn chính như nấu, lọc ... đến các khâu vệ sinh. Trong thành phần bia, nước cũng chiếm một lượng lớn (80 – 90%), góp phần hình thành nên hương vị của bia. Bởi vậy, nước dùng trong sản xuất bia phải có chất lượng tốt, đáp ứng được các chỉ tiêu quan trọng: - Nước uống phải đảm bảo yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm. - Nước trong suốt, không màu, không mùi, không vị, không có tạp chất cơ học. - Độ cứng <10˚H. - Hàm lượng các ion: Ca2+: < 250mg/lít; Mg2+: < 100mg/lít; Na+: 15 – 20 mg/lít; Fe2+: 0,2 – 0,5mg/lít; SO42-: < 250 mg/lít; muối cacbonat < 50mg/l; muối clorua < 50mg/l; muối phospho < 5000mg/l; không có đồng, kẽm; amoniac và muối nitrit < 0,1mg/l. - pH ≈ 6,5 – 7,0. - Chỉ số coli < 3. 5. Nguyên liệu phụ trợ khác Nguyên liệu phụ trợ dùng trong sản xuất bia chủ yếu là: acid , bột trợ lọc, chất tẩy rửa, chất sát trùng, ... Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 15 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm II. Chọn phương pháp nấu Mục đích của quá trình nấu là: Hoà tan các chất có trong malt, gạo. Sử dụng hệ enzyme của malt để thuỷ phân tinh bột thành đường, dextrin; thuỷ phân protein thành axit amin, peptide, polypeptide... bên cạnh đó còn trích ly các chất chất trong hoa houblon để tạo hương vị đặc trưng cho bia. Quá trình nấu bia có thể chia làm 5 giai đoạn chính. - Nghiền nguyên liệu - Hồ hoá và đường hoá - Lọc dịch đường - Nấu hoa - Lắng xoáy và làm lạnh dịch đường houblon hoá 1. Nghiền nguyên liệu Nghiền malt: Về cấu tạo hạt malt có 2 phần chính là vỏ và nội nhũ. Để đảm bảo quá trình đường hóa đạt hiệu quả cao thì phần nội nhũ malt phải được nghiền càng nhỏ càng tốt. Nhưng lớp vỏ trấu không mang thành phần chất chiết cần thiết của dịch đường nếu nghiền nhỏ sẽ làm dịch đường đắng chát gây ảnh hưởng âm tính đến tính chất cảm quan của bia thành phẩm, hơn nữa lớp vỏ trấu lại đóng vai trò tạo lớp màng lọc tích cực trong quá trình lọc dịch đường do đó chỉ nên nghiền thô malt. Thực tế không có phương án nào thoả mãn tối ưu cho các yêu cầu nêu trên mà để đảm bảo công nghệ sản xuất ra bia thành phẩm đạt chất lượng cao người ta chọn giải pháp nghiền thô malt bằng máy nghiền trục. Có 3 phương pháp nghiền malt thường được dùng là: nghiền khô, nghiền ẩm và nghiền ướt. Nghiền khô: có ưu điểm là cấu tạo thiết bị đơn giản vận hành dễ dàng, có thể nghiền trước một ngày trước khi nấu, có thể nghiền malt có độ nhuyễn kém nhưng có nhược điểm là vỏ trấu thường bị nát làm dịch đường đắng chát, quá trình lọc khó khăn. Nghiền ẩm: các thiết bị sử dụng cũng chỉ yêu cầu như nghiền khô, có thể khắc phục được một phần hiện tượng nát vỏ trấu. Nghiền ướt: yêu cầu thiết bị chịu ăn mòn, thiết bị có kích thước lớn, vận hành nghiêm ngặt, nghiền xong phải nấu ngay nhưng có ưu điểm nổi trội là bảo Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 16 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm toàn được lớp vỏ trấu trong quá trình nghiền do đó dịch đường thu được có chất lượng cao, quá trình lọc thuận lợi. Căn cứ vào ưu nhược điểm của các phương pháp em chọn phương pháp nghiền malt là nghiền ướt bằng máy nghiền trục nghiền malt ướt. Nghiền gạo: Để đạt được hiệu quả hồ hoá và đường hoá cao yêu cầu gạo phải được nghiền thật mịn do đó giải pháp nghiền gạo bằng máy nghiền búa là phương pháp đơn giản mà đạt được hiệu quả cao. 2. Hồ hoá và đường hoá Vì nấu bia ở đây có sử dụng nguyên liệu thay thế nên không thể sử dụng phương pháp đường hóa toàn khối liên tục vì phương pháp này chỉ thích hợp khi sử dụng 100% nguyên liệu là malt có độ nhuyễn tốt và lên men nổi. Nếu sử dụng phương pháp đường hóa gián đoạn đun sôi từng phần nguyên liệu để tạo bước nhảy nhiệt độ thì yêu cầu phải có nồi phối trộn được bảo ôn, nhưng một nhược điểm rất lớn là quá trình kéo dài tốn năng lượng để cấp hơi đốt và bơm. Do đó ở đây em chọn phương pháp nấu hồ hoá gạo riêng, dịch cháo sau hồ hoá được đường hoá chung với matl. Với phương pháp này thời gian nấu được rút ngắn mà vẫn đảm bảo hiệu suất đường hoá, có thể thiết kế nồi cháo và nồi malt cấu tạo giống nhau chỉ khác nhau về thể tích nên sẽ linh động trong tổ chức sản xuất. Nồi nấu phải thiết kế hệ thống áo hơi để cấp nhiệt cho quá trình nấu, đồng thời phải có cánh khuấy để hoà trộn đều dịch bột và chống khê dịch ở sát vỏ. 3. Lọc dịch đường Để tách bã malt và làm trong dịch đường thì các giải pháp thường được đặt ra là phân ly và lọc, tuy nhiên do lọc có ưu điểm là khả năng tách loại cặn tốt hơn, chế tạo và vận hành thiết bị đơn giản hơn nên hiện nay hầu hết các nhà máy bia đều sử dụng phương pháp lọc để làm trong dịch đường. Thiết bị lọc dịch đường thường được sử dụng là máy lọc khung bản và thùng lọc đáy bằng. Máy lọc khung bản có ưu điểm là thiết bị có kích thước nhỏ gọn hơn thùng lọc đáy bằng, lọc nhanh tốn ít nước rửa bã, nhưng thiết bị không kín nên dịch đường bị oxy hoá nhiều, tốn nhiều lao động thủ công để vận hành, vệ sinh và bảo dưỡng cũng tốn công hơn. Thùng lọc đáy bằng chiếm diện tích lớn, lọc chậm nhưng năng suất lọc vẫn lớn hơn máy lọc khung bản. Thùng lọc Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 17 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm đáy bằng có kết cấu cơ giới tự động nên vận hành đơn giản, bảo ôn tốt, thùng kín nên dịch đường ít bị oxy hoá hơn. Căn cứ vào những điều trên em chọn sử dụng thùng lọc đáy bằng để lọc dịch đường. Thùng lọc đáy bằng có đáy giả cách đáy thật khoảng 2cm, có hệ thống cào bã để nhanh chóng tạo và tạo lại lớp lọc, tạo không gian gom dịch đường. Phía dưới thùng cần có hệ thống ống gom dịch, bên cạnh đó còn cần thiết bị ổn định lưu lượng dịch trước bơm, đường ống dẫn dịch ra cần thiết kế đoạn vồng lên để tránh tạo áp suất chân không làm bít lỗ lọc, đồng thời tách đi một phần cặn lắng của dịch lọc. Cần thiết kế cả đường ống để thông áp và hồi lưu dịch lọc còn đục. 4. Nấu hoa Nấu hoa nhằm mục đích bất hoạt hệ enzyme của malt đồng thời cũng là một công đoạn để diệt vi sinh vật còn tồn tại trong dịch đường nhằm đảm bảo quá trình lên men sau này ổn định, đảm bảo chất lượng của bia thành phẩm. Bên cạnh đó quá trình này cũng trích ly các chất có lợi của hoa vào dịch đường: chất đắng trong hoa houblon vào dịch đường, thành phần này tạo vị đắng dịu đặc trưng cho bia đồng thời cũng kìm hãm các vi sinh vật gây đục cho bia thành phẩm; các chất tanin làm kết tủa đạm cao phân tử tạo màng kéo theo các phần tử dễ kết lắng trong dịch đường; tinh dầu thơm tạo hương cho bia thành phẩm... Ngoài ra trong quá trình này còn diễn ra nhiều phản ứng phụ khác như: phản ứng melanoid, phản ứng caramel hoá... Để đảm bảo cấp nhiệt cho quá trình sôi mãnh liệt của dịch cần thiết kế cả hệ thống ống chùm gia nhiệt trung tâm đồng thời với vỏ áo hơi. Kỹ thuật nấu bổ sung hoa 3 lần để đạt hiệu suất trích ly cao: Phần 1: Bổ sung cao hoa khi dịch sôi khoảng 15 phút. Phần cao hoa này có hàm lượng axít đắng và tanin cao nhằm tạo vị đắng, kết tủa các đạm cao phân tử trong dịch đường. Phần 2: Bổ sung 1/2 lượng hoa viên khi dịch sôi được khoảng 60 phút. Phần 3: Bổ sung 1/2 lượng hoa viên trước khi đưa sang nồi lắng xoáy 10 phút. Phần hoa viên có hàm lượng axít đắng thấp hơn cao hoa mà chủ yếu để cung cấp tinh dầu thơm tạo hương cho bia. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 18 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 5. Lắng trong và làm lạnh dịch đường houblon hoá Đây là giai đoạn dễ nhiễm tạp nhất đặc biệt là nhiễm các loại vi khuẩn chịu nhiệt có thể gây cho bia thành phẩm có mùi vị lạ do đó cần thiết kế các thiết bị để đảm bảo tránh nhiễm tạp cho bia. Để làm trong dịch đường có thể sử dụng các thiết bị: thùng thấp hở, thùng kín lọc ly tâm, máy lọc tấm, lắng xoáy... Ở đây em chọn thiết bị lắng xoáy để làm trong dịch đường. Thiết bị lắng xoáy có cấu tạo đơn giản, vận hành dễ dàng, dựa vào lực ly tâm và trọng lực nên có thể đạt hiệu quả cao trong việc phân ly bã hoa và các cặn lắng khác ra khỏi dịch đường. Để tránh nhiễm tạp trong khi lắng xoáy thì ống hơi ở thùng lắng xoáy thiết kế có đường kính bằng khoảng 1/10 đường kính thùng để dòng hơi bốc lên đủ mạnh để ngăn ngừa sự nhiễm tạp. Để tăng hiệu quả phân ly thì đường ống đưa dịch đường vào lắng xoáy phải thiết kế thu hẹp để tăng vận tốc dòng chảy trước khi vào tiếp tuyến với thành thùng ở vị trí cách đáy 1/3 chiều cao thùng nhằm tận dụng hiệu quả lực ly tâm. Đường ống cấp dịch cũng nên thiết kế đoạn cong lên nhằm tách bớt một phần cặn của dịch và ổn định dòng dịch. Dịch trong được tháo ra bằng cả đường ống tiếp tuyến cách đáy một khoảng và cả phía đáy nhằm tránh kéo theo bã. Bã hoa được tháo ra ở đáy thùng bằng việc xả nước vào thùng, để tháo bã dễ dàng thiết kế đáy thùng hơi nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang chừng 3 – 5˚. Làm lạnh dịch đường để hạ nhiệt độ dịch đường xuống tới nhiệt độ lên men. Để tránh nhiễm tạp giai đoạn này cần tiến hành làm lạnh nhanh dịch đường, đồng thời cũng để đẩy nhanh tiến trình sản xuất. Ở đây em chọn thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm bản, làm lạnh 1 cấp, với chất tải nhiệt là nước lạnh 2˚C để làm lạnh nhanh dịch đường. Nước sau khi lấy nhiệt của dịch đường được dùng để phục vụ quá trình nấu và vệ sinh hệ thống nồi nấu. Ngay sau lạnh nhanh bố trí thiết bị sục không khí vô trùng vào dịch đường rồi đưa đi lên men. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 19 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm III. Chọn chủng nấm men và phương pháp lên men Lên men là giai đoạn quyết định để chuyển hoá dịch đường houblon hoá thành bia dưới tác động của nấm men thông qua hoạt động sống của chúng. Quá trình quan trọng nhất và phức tạp nhất ở giai đoạn này là quá trình lên men rượu của các loại đường ở trong cơ chất. Song song với quá trình lên men rượu hoặc sau đó, trong dịch lên men còn xảy ra rất nhiều quá trình hoá sinh, sinh lý, hoá lý, hoá học và lý học phức tạp khác. Những quá trình này đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc ấn định thành phần và chất lượng của bia. 1. Chọn chủng nấm men Ở đây để thực hiện quá trình lên men chuyển hoá dịch đường houblon hoá thành bia vàng em chọn chủng nấm men chìm thuộc loại Saccharomyces carlbergensis. Đặc điểm: nấm men Saccharomyces carlbergensis, tế bào nấm men hình cầu hay bầu dục, kích thước trung bình là 3 – 15µm, sinh sản chủ yếu bằng phương thức nảy chồi, có khả năng lên men ở điều kiện nhiệt độ thấp nên giảm được sự nhiễm tạp và tạo được bia có chất lượng cao bền sinh học, nó có khả năng lên men các loại đường glucose, fructose, maltose... và đặc biệt do nấm men có khả năng tổng hợp được enzyme melibiase nên lên men được hoàn toàn đường rafinose, vào cuối quá trình lên men nó kết lắng xuống dưới đáy do tính chất tạo chùm của tế bào, thuận lợi cho việc tách men sau quá trình lên men để quay vòng tái sử dụng nấm men. Nguồn men giống: Nấm men cấp cho quá trình lên men có thể lấy từ chủng gốc trải qua hai giai đoạn nhân men trong phòng thí nghiệm và nhân men sản xuất. Trong giai đoạn nhân men trong phòng thí nghiệm chủng nấm men gốc được bảo quản dạng đông khô hay bảo quản lạnh trong các ống thạch nghiêng được cấy chuyển ra bình tam giác 100ml, rồi sang bình 1000ml, bình 5l, bình 20l trên môi trường nước chiết malt có bổ sung thêm các chất dinh dưỡng chủ yếu là dạng muối khoáng. Mỗi cấp cấy chuyển nuôi trong thời gian 24h ở 22 – 25˚C, nếu nuôi lắc thì thời gian có thể ngắn hơn. Sang giai đoạn nhân giống sản xuất nấm men được nuôi trong các canh trường có dung tích tăng dần 100l, 300l... cho đến khi đủ lượng cấp cho lên men. Trong giai đoạn nhân giống sản xuất Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 20 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm môi trường dinh dưỡng để nuôi nấm men thường dùng trực tiếp dịch đường sau lạnh nhanh từ phân xưởng nấu có bổ sung thêm các chất dinh dưỡng, nhiệt độ nhân giống là 16 – 20˚C, trong quá trình nuôi có sục khí ở thời gian đầu để nấm men phát triển sinh khối mạnh. Mật độ dịch men giống sau nhân giống phải đạt khoảng 100 – 120 triệu tế bào/ml. Ngoài ra có thể tái sử dụng sữa men kết lắng sau lên men. Sau khi lên men chính, người ta tiến hành tháo sữa men. Thông thường, cứ 1000 lít dịch đường cho khoảng 20 lít dịch sinh khối nấm men sệt, độ ẩm 85 – 88%. Dịch này được chia thành 3 lớp: lớp dưới cùng là lớp cặn bẩn và lớp trên cùng là lớp tế bào chết thường dùng làm thức ăn gia súc, chỉ có lớp giữa có màu trắng ngà là nấm men sạch, có thể tái sử dụng. Số lần tái sử dụng men sữa khoảng 6 – 8 lần, tùy thuộc chất lượng nấm men. Để tái sử dụng nấm men kết lắng cần xử lý rửa, bảo quản và hoạt hoá men. Rửa men: Dịch bã men thu được sau lên men chính được lọc và rửa nhiều lần bằng nước vô trùng ở 1 – 2˚C để loại bỏ cặn bẩn và xác nấm men cho tới khi đạt yêu cầu. Sữa men sạch được kiểm tra để xác định chất lượng, hoạt lực, sau đó bảo quản trong nước lạnh ở nhiệt độ 0 – 2˚C. Hoạt hóa: Trước khi sử dụng, để nấm men phát triển tốt cần phải tiến hành hoạt hóa giống bằng cách: nuôi cấy nấm men trong dịch đường mới với tỷ lệ dịch đường : men sữa bằng 4 : 1, sục không khí vô trùng vào dịch, đồng thời tăng dần nhiệt độ tới gần bằng nhiệt độ lên men. Khi có nhiều tế bào phát triển và độ cồn đạt 0,3% thì kết thúc quá trình hoạt hóa. 2. Lên men sản phẩm bia chai Bia chai có nồng độ dịch đường trước lên men là 12˚Bx ở đây em chọn phương thức lên men gián đoạn theo mẻ, phương pháp lên men gia tốc trong các thiết bị lên men kín thân trụ đáy côn, sử dụng chủng nấm men thuộc loại Saccharomyces calbergensis chu kì lên men là 21 ngày. Ở giai đoạn lên men chính dịch lên men được duy trì ở nhiệt độ 8˚C trong thời gian 6 ngày. Sau lên men chính bia non được làm lạnh xuống 4˚C để nấm men dễ dàng kết lắng và được tháo ra ngoài. Cuối cùng hạ nhiệt độ dịch lên men xuống 2˚C và tiến hành quá trình lên men phụ và tàng trữ để lão hoá bia non thành bia tiêu chuẩn đồng thời bão hoà CO2 cho bia. Sau lên men bia được xử lý lọc và chiết chai. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 21 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 3. Lên men sản phẩm bia hơi Bia hơi có nồng độ dịch đường trước lên men là 10,5˚Bx ở đây em cũng chọn phương thức lên men gián đoạn, phương pháp lên men gia tốc trong các thiết bị thân trụ đáy côn, sử dụng chủng nấm men thuộc loại Saccharomyces calbergensis chu kì lên men 15 ngày. Lên men chính tiến hành ở 8˚C trong thời gian 5 ngày. Sau lên men chính dịch lên men được hạ nhiệt độ xuống 4˚C và xả nấm men kết lắng, rồi hạ nhiệt độ dịch lên men xuống 2˚C và để thực hiện lên men phụ. Sau lên men bia được xử lý lọc và chiết box. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 22 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Lọc đáy bằngNấu hoa Lắng xoáy Lạnh nhanh Lên men Lọc bia Gạo Malt lót Malt Nghiền Nghiền Nghiền ướt Hồ hoá Đường hoá Chiết chai Thanh trùngDán nhãn Xếp két Nước Nước Bã maltBã hoa Không khí vô trùng Men giống Nhân giống cấp I Nhân giống cấp II Sục khí Cấp nấm men Tàng trữ, ổn định Rửa chai Rửa két Thu hồi CO2 Bột trợ lọc Rửa bock Chiết bock Bia hơi Bia chai Sơ đồ dây chuyền công nghệ Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 23 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 1. Nghiền nguyên liệu a. Nghiền malt Mục đích: Phá vỡ màng tinh bột để quá trình đường hoá được tốt hơn. Yêu cầu của quá trình nghiền malt là vỏ còn nguyên vẹn và tách ra khỏi nội nhũ, lượng tấm thô nhỏ. Độ mịn và bản chất bột nghiền phụ thuộc vào máy lọc, nguyên liệu thay thế và chất lượng malt. Trong dây chuyền sản xuất này, chọn thiết bị lọc là thùng lọc đáy bằng, nghiền theo phương pháp nghiền ướt, sử dụng máy nghiền có 2 cặp rulô. Malt được đổ vào phễu hứng ở chân gầu tải thứ nhất, được gầu tải này đưa lên thiết bị cân malt, sau đó đổ xuống phễu hứng của gầu tải thứ hai và được đưa lên đổ vào thùng chứa. Từ đây malt được chuyển dần xuống máy nghiền đồng thời được phun nước 65˚C, nghiền xong lại bổ sung thêm nước để hỗn dịch đạt nhiệt độ 45˚C và đạt tỉ lệ: bột malt/nước = 1/4, dịch sữa malt này được bơm chuyển vào các nồi nấu. b. Nghiền gạo Đặc điểm chung của các loại nguyên liệu chưa được ươm mầm như gạo là chưa trải qua quá trình đồ hoá, chưa chịu tác động bởi hệ enzym sitase. Cấu trúc thành tế bào và các hạt tinh bột của chúng còn rất chắc, khó bị thuỷ phân. Do đó yêu cần nghiền thật nhỏ và hồ hoá ở nhiệt độ cao để thu được nhiều chất chiết. Gạo được đổ vào phễu hứng và được gầu tải đưa lên đổ xuống máy nghiền búa, bột gạo sau nghiền được quạt gió đưa vào phễu hứng của gầu tải tiếp theo và được đưa lên cao, được vít tải đưa qua thiết bị phối trộn với nước ấm rồi đổ vào nồi hồ hoá. Bột gạo trong quá trình được quạt gió thổi và gầu tải vận chuyển sinh ra nhiều bụi nên ở những vị trí này có bố trí đường ống thông với túi lọc và xyclon tách bụi. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 24 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 2. Quá trình hồ hoá và đường hoá a. Hồ hoá Mục đích: Do sử dụng nguyên liệu thay thế là gạo với tỉ lệ 20% nên cần tiến hành hồ hoá và dịch hoá gạo trong thiết bị riêng trước khi đường hoá chung với malt. Vì gạo chưa trải qua quá trình đồ sinh học nên thành tế bào chưa bị phá vỡ rất khó cho việc giải phóng tinh bột để đường hoá. Do đó ta sử dụng lượng malt lót với tỉ lệ 20% so với lượng gạo thay thế nhằm mục đích giảm độ nhớt của dịch cháo giúp cho quá trình nấu dễ dàng hơn, tăng hiệu suất chất chiết và cũng thuận lợi hơn cho quá trình đường hoá sau này. Tiến hành nấu gạo: Trước khi nấu, tiến hành vệ sinh thiết bị bằng nước nóng. Bột gạo được phối trộn với nước ấm để đạt nhiệt độ dịch khoảng 45˚C trước khi bơm vào nồi với tỉ lệ: bột/nước = 1/5. Bật cánh khuấy, bổ sung axít lactics để hạ pH của hỗn dịch xuống khoảng 5,4 – 5,6. Cho malt lót vào nồi với lượng bằng 20% gạo và bổ sung thêm nước để tỉ lệ: bột/nước = 1/5. Nhiệt độ của khối dịch giảm xuống khoảng 42 – 43˚C. Bột được trộn đều và giữ ở nhiệt độ 42 – 45˚C trong khoảng 15 phút để tinh bột hút nước trương nở, đồng thời hệ enzyme trong malt đặc biệt là peptidase thực hiện quá trình đạm hoá. Cấp hơi để nâng từ từ nhiệt độ của khối dịch lên 72˚C và giữ trong khoảng 10 phút. Tiếp tục nâng nhiệt của khối dịch lên 83˚C và giữ trong 30 phút để thực hiện quá trình hồ hoá tinh bột gạo. Cuối cùng cấp hơi đun sôi khối dịch trong khoảng 30 phút trước khi bơm sang nồi malt. Thời gian nấu một mẻ khoảng 150 phút. b. Đường hoá Mục đích: Tạo điều kiện thích hợp thông qua điều chỉnh nhiệt độ, pH môi trường để hệ enzyme của malt hoạt động, đặc biệt là hệ enzyme thuỷ phân phân cắt các hợp chất cao phân tử trong dịch cháo thành các hợp chất thấp phân tử dễ hoà tan tạo thành chất chiết của dịch đường. Yêu cầu của quá trình đường hoá là dịch đường thu được chứa hàm lượng chất chiết tối đa và tỉ lệ giữa các thành phần là 80% đường có khả năng lên men. Trong quá trình đường hoá, tinh bột được thuỷ phân thành các đường đơn giản và dextrin bậc thấp dễ tan; protein được thuỷ phân thành các hợp Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 25 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm chất chứa nitơ chủ yếu là có khối lượng phân tử trung bình: peptide, polypeptide, albumose; các hợp chất chứa phospho như Fitin bị thuỷ phân giải phóng axit phosphoric làm tăng độ chua và lực đệm của dịch đường. Ngoài các quá trình thuỷ phân bởi enzyme, trong quá trình đường hóa còn có thể xảy ra các phản ứng phi enzyme như phản ứng caramel hoá, phản ứng melanoid, sự biến tính protein kém bền nhiệt, hoà tan các chất trong vỏ malt vào dịch đường... Tiến hành đường hoá: Trong khi nồi cháo nấu thì vệ sinh nồi malt, khi cháo sôi được khoảng 15 phút thì bơm dịch sữa malt vào nồi đường hoá. Bật cánh khuấy để đảo trộn đều dịch sữa malt. Bổ sung NaCl với nồng độ 200mg/l để tạo cho bia vị đậm đà dễ chịu, bổ sung axit lactics hạ pH của hỗn dịch xuống 5,4 – 5,5 thuận lợi cho hoạt động của hệ enzyme thuỷ phân và cũng có tác dụng khử độ cứng của nước còn lại. Bơm dịch cháo sang nồi malt hoà trộn với dịch bột malt, khi đó nhiệt độ của hỗn dịch sẽ vào khoảng 54-55˚C, thời gian bơm cháo khoảng 5 phút. Nâng nhiệt độ khối dịch lên 63˚C và giữ trong khoảng 40 phút. Tiếp tục nâng nhiệt độ khối dịch lên 72˚C và giữ trong khoảng 30 phút. Nâng nhiệt độ khối dịch lên 76˚C, rồi bơm sang thùng lọc. Thời gian đường hoá một mẻ khoảng 130 phút. 3. Lọc dịch đường Mục đích: Tách dịch đường ra khỏi bã với hiệu suất thu hồi lớn nhất, đồng thời hạn chế tối đa sự oxy hoá dịch đường. Lọc dịch đường có 2 giai đoạn: giai đoạn thứ nhất là lọc để tách dịch đường ra khỏi bã, giai đoạn 2 là rửa bã để rút nốt phần chất hoà tan còn sót lại trong bã. Tiến hành lọc: Trước khi tiến hành lọc, thùng lọc cần được vệ sinh kỹ bằng nước, các mảnh các mảnh của đáy giả phải được ghép thật khít và chặt với nhau. Lỗ tháo bã và các van xả dịch phải đóng chặt. Bơm nước nóng vào các ống dẫn dịch để đuổi không khí đồng thời bơm tới đầy khoảng không giữa hai đáy của thùng lọc. Dịch đường từ nồi đường hoá sau khi được trộn đều, được bơm một lần sang thùng lọc, đồng thời hệ thống cào bã hoạt động để dàn đều lớp bã trên mặt đáy giả. Sau khi hết dịch đường hệ thống cánh đảo bã được nâng lên cao. Dịch đường được để yên 20 phút để bã kết lắng tạo thành lớp lọc. Có thể chia lớp bã thành 3 lớp: lớp dưới cùng gồm các phần tử nặng nhất và lớn Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 26 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm nhất, dày khoảng 1cm; lớp giữa gồm vỏ và các phần tử nặng khác; lớp trên cùng là các phần tử mịn và nhẹ, xám, dày khoảng 1cm. Sau đó mở van thu dịch đường, ban đầu dịch đường còn đục nên ta cho hồi lưu trở lại thùng lọc trong khoảng 15 phút đầu. Khi dịch đường bắt đầu trong thì khoá van hồi lưu, dịch đường được đưa ngay sang nồi nấu hoa. Nếu nồi hoa chưa sẵn sàng thì dịch đường được đưa sang nồi trung gian có vỏ bảo ôn chứa tạm. Lúc đầu tốc độ lọc nhanh, về sau tốc độ lọc chậm dần do màng lọc bị bít làm tăng trở lực khi đó cần ngừng quá trình lọc dùng hệ thống cào bã tạo lại lớp màng lọc. Dùng áp kế để kiểm tra tốc độ lọc. Thời gian ép dịch lọc khoảng 90 phút. Sau đó tiến hành rửa bã. Tiến hành rửa bã gián đoạn làm 3 lần, nước rửa bã có nhiệt độ 78˚C. Sau khi thu hết dịch đường, khoá van xả dịch, cấp 1/3 lượng nước rửa bã, cho cánh khuấy quay để làm tơi lớp bã giải phóng chất tan còn lưu trong bã vào dịch. Để yên 10 phút thì tháo dịch, dịch này cũng được bơm sang nồi hoa với dịch lọc trước đó. Kết thúc quá trình rửa bã hàm lượng đường trong bã còn 0,5 – 1˚Bx. Thời gian rửa bã khoảng 60 phút. Tổng thời gian lọc khoảng 160 phút. 4. Nấu hoa Mục đích: Quá trình nấu hoa có mục đích chính: diệt enzyme của malt, diệt vi sinh vật; kết lắng các phần tử khó tan phân tán trong dịch đường; trích ly các chất đắng và tinh dầu thơm trong hoa houblon để đem lại hương vị đặc trưng cho bia thành phẩm. Trong quá trình đun hoa xảy ra một số biến đổi: sự đồng phân hoá các α-axit đắng thành izo α-axit đắng có độ hoà tan cao hơn và lực đắng mạnh hơn, vị đắng dịu hơn; trích ly tinh dầu thơm của hoa tạo hương thơm đặc trưng cho bia vàng; tạo phức tanin-protein cao phân tử tạo màng kéo theo nhiều phần tử khác kết lắng theo làm trong dịch đường, tạo độ ổn định keo cho dịch; vô hoạt các protein enzyme của malt và diệt vi sinh vật tạp làm tăng tính ổn định sinh học của dịch đường đảm bảo quá trình lên men sau này dịch đường chỉ chuyển hoá bởi hệ enzyme của nấm men. Ngoài ra trong quá trình nấu hoa do nhiệt độ cao xảy ra các phản ứng melanoid, phản ứng caramel hoá làm thay đổi tính chất cảm quan của dịch đường đặc biệt là độ màu của dịch đường. Đun hoa còn có tác dụng làm bay hơi một số chất không mong muốn Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 27 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm như dimethyl sulfua và các dẫn xuất; cô đặc dịch đường nhờ quá trình bay hơi nước; pH dịch đường cũng giảm từ 0,2 – 0,3. Tiến hành đun hoa: Thiết bị đun hoa được vệ sinh sạch sẽ trước mỗi mẻ nấu. Ngay từ khi dịch lọc đưa sang nồi hoa thì mở van cấp hơi nhưng ở mức vừa phải để duy trì nhiệt độ dịch lọc trên 75˚C. Sau đó nâng dần nhiệt độ sao cho tới khi toàn bộ dịch lọc và nước rửa bã được bơm sang nồi hoa thì dịch đường trong nồi cũng vừa sôi. Khi dịch sôi được khoảng 15 phút thì cho toàn bộ lượng hoa cao vào nồi. Sau khi dịch sôi được khoảng 60 phút thì cho 1/2 lượng hoa viên vào nồi. Trước khi kết thúc đun hoa 15 phút thì bổ sung nốt 1/2 lượng hoa viên vào nồi. Tỷ lệ: cao hoa/hoa viên = 1/4. Thời gian đun hoa khoảng 90 phút. 5. Lắng xoáy Mục đích: Quá trình lắng trong cũng đồng thời làm lạnh sơ bộ dịch đường nhằm mục đích tách bỏ các phần tử rắn hay cặn, bã hoa ra khỏi dịch đường, tránh bia không bị đục. Đặc biệt là cặn nóng được tạo thành từ nhiệt độ trên 60˚C và cần được tách bỏ hoàn toàn vì chúng ảnh hưởng xấu tới quá trình lên men, làm bia kém chất lượng, sinh ra một số axít có hại cho độ bền của bia. Tiến hành lắng xoáy: Dịch đường ra khỏi nồi hoa được bơm vào thùng lắng xoáy theo phương tiếp tuyến với vận tốc 12 – 14m/s, dưới tác dụng của lực ly tâm và trọng lực các cặn lắng và bã hoa tách ra tập trung ở giữa thùng và lắng xuống đáy. Dịch ra khỏi thùng có nhiệt độ khoảng 90˚C được bơm sang thiết bị làm lạnh nhanh. Cặn tập trung ở đáy thùng khi bơm hết dịch được xối nước xả bã ra ngoài. Thời gian lắng xoáy khoảng 30 phút. 6. Lạnh nhanh Mục đích: Quá trình làm lạnh nhanh nhằm mục đích hạ nhiệt độ của dịch đường tới nhiệt độ thích hợp cho quá trình lên men đồng thời hạn chế tối đa sự nhiễm tạp vi sinh vật, ảnh hưởng tới lên men và chất lượng bia thành phẩm. Tiến hành làm lạnh nhanh: Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 28 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Sau khi ra khỏi thùng lắng xoáy, dịch đường có nhiệt độ 90˚C, được dẫn vào máy lạnh nhanh kiểu tấm bản. Máy được cấu tạo từ những tấm bản gấp sóng chế tạo từ thép hay hợp kim Cr – Ni. Các tấm bản có hình chữ nhật, có 4 tai ở 4 góc, trên mỗi tai có đục lỗ tròn. Kết hợp xen kẽ các tấm bản với các gioăng cao su tạo nên 4 mương dẫn: dịch đường vào máy, dịch đường ra khỏi máy, chất tải lạnh vào máy, chất tải lạnh ra khỏi máy. Dịch đường nóng được bơm vào một trong hai mương dẫn phía trên, chảy thành màng ziczac trên bề mặt các tấm bản trong khoảng trống giữa 2 tấm bản liền kề, dịch đường chảy các khoảng trống cách nhau 1 khoảng trống xen kẽ bởi chất tải lạnh, cuối cùng ra khỏi máy ở mương dẫn dưới ngược phía. Nước lạnh 2˚C được đi theo chiều ngược lại từ mương dẫn vào ở phía dưới qua các khoảng trống mà dịch đường không đi qua rồi ra ở mương dẫn phía trên đối diện. Nước lạnh qua trao đổi nhiệt với dịch đường trở thành nước nóng 70 – 80˚C được thu hồi về thùng nước nóng đưa đi phục vụ cho quá trình nấu. 7. Bão hoà O2 vào dịch lên men Mục đích: Bổ sung O2 vào dịch đường trước khi lên men nhằm đảm bảo cung cấp đủ lượng O2 ban đầu cho quá trình phát triển tạo sinh khối của nấm men trong giai đoạn tiềm phát, thích nghi và phát triển logarit. Tiến hành bố sung oxy: Sau khi ra khỏi máy lạnh nhanh, dịch đường có nhiệt độ 8˚C dịch đường được bổ sung oxy dưới dạng không khí nén sục vào đường ống cấp dịch đường đi lên men. Không khi được hút qua màng lọc, đi qua tháp rửa, qua hấp phụ bằng than hoạt tính, khử trùng, lọc xốp trước khi nạp vào dịch. Không khí nén sau làm sạch và khử trùng được bổ sung xuôi theo chiều đường ống dẫn dịch đường vào thùng lên men. 8. Cấp nấm men và tiến hành lên men Mục đích: Hòa trộn nấm men với dịch đường để nấm men thực hiện quá trình lên men chuyển hoá dịch đường thành bia. Quá trình lên men bao gồm 2 giai đoạn: lên men chính, lên men phụ và tàng trữ bia. Lên men chính nhằm mục đích chuyển hoá các thành phần chất tan chủ yếu là các loại đường và dextrin thấp phân tử của dịch đường đã được houblon hoá thành rượu etylic, CO2, glyxerin và các rượu bậc cao khác, axit hữu cơ, este… dưới tác dụng của nấm men. Lên men phụ và tàng trữ nhằm ổn định các thành phần của bia, tạo bọt, Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 29 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm tạo các sản phẩm bậc cao mang hương và vị đặc trưng hài hoà của bia, tăng độ bền keo, ức chế sự phát triển của vi sinh vật… Quá trình lên men được tiến hành theo phương pháp lên men gia tốc trong thiết bị thân trụ đáy côn, phương thức lên men gián đoạn. Giai đoạn lên men chính diễn ra trong khoảng 6 ngày ở nhiệt độ 8˚C đối với bia chai và diễn ra trong vòng 5 ngày ở nhiệt độ 8˚C đối với bia hơi. Trong giai đoạn này nấm men hoạt động mạnh toả nhiều nhiệt, lượng CO2 tạo thành nhiều nên cần phải cấp nhiều glycol để làm lạnh và tiến hành thu hồi CO2 để đảm bảo áp suất trong thùng lên men khoảng 0,7 – 0,8at. Kết thúc giai đoạn này hàm đường còn lại trong bia non là 3˚Bx. Khi đó hạ nhiệt độ khối dịch xuống 4˚C và tháo nấm men kết lắng. Cuối cùng hạ nhiệt độ khối dịch xuống 2˚C và tiến hành lên men phụ và tàng trữ bia trong khoảng 15 ngày đối với bia chai và 10 ngày đối với bia hơi, duy trì áp suất khoảng 1 – 1,2at. Ở giai đoạn này lượng nấm men còn lại rất ít, hoạt lực giảm mặt khác do nhiệt độ rất thấp nên quá trình chuyển hoá các hợp phần của khối dịch rất chậm. 9. Lọc bia Mục đích: Bia sau khi lên men đã được làm trong tự nhiên (nhờ quá trình lắng khi lên men phụ) nhưng chưa đạt mức độ cần thiết. Do đó, cần phải lọc tiếp để loại bỏ hoàn toàn cặn, kết tủa... nhằm tăng độ bền của bia, tăng giá trị cảm quan, ổn định các thành phần cơ học. Bia tiêu chuẩn sau quá trình lên men được đi qua thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản trao đổi nhiệt với chất tải lạnh là glycol để ổn định nhiệt độ bia ở –1˚C trước khi lọc. Để thực hiện quá trình lọc trong bia sử dụng thiết bị lọc ống inox và thiết bị lọc ống xốp để lọc tinh đối với sản phẩm bia chai. Thiết bị lọc ống có một giàn ống, trên các ống này có đục lỗ cỡ 0,04µm. Quá trình lọc gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tạo màng lọc và giai đoạn lọc. Giai đoạn tạo màng lọc: Bột trợ lọc diatomide được hoà với nước và bơm vào thiết bị lọc để tạo màng lọc. Sử dụng 2 loại bột trợ lọc là Hyflosuppercell và Standarlsuppercell mỗi loại 5kg cho một lần tạo áo lọc. Giai đoạn lọc: Bơm bia vào để tiến hành lọc, trong giai đoạn đầu dịch bia ra còn đục nên cần tuần hoàn khoảng 15 phút. Trong quá trình lọc bột trợ lọc diatomide và vinyl polypyriolidone được bổ sung bằng bơm định mức. Ngoài ra, đối với sản phẩm bia chai trong quá trình lọc còn bổ sung các hoá chất Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 30 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm chống oxy hoá, chống đục như: polyclarlc, vicant, collupulin cùng với bột trợ lọc lần 2. Bia sau lọc được bơm sang các tank chứa bia trong để ổn định và bão hòa CO2. 10. Tàng trữ và ổn định tính chất của bia thành phẩm Mục đích: Tăng chất lượng cảm quan của bia, chống oxy hóa, chống kết lắng, tăng thời gian bảo quản bia, ổn định các thành phần trong bia... * Quá trình tàng trữ, ổn định bia và bão hòa CO2 diễn ra như sau: Bơm một lượng CO2 vào trước để đẩy hết không khí có trong tank ra ngoài, tránh không để bia bị oxy hóa do tiếp xúc với O2. Sau đó, bơm bia đã lọc vào tank từ dưới lên. Khi đã bơm hết bia, tiến hành bão hòa CO2 cho tới khi hàm lượng CO2 trong bia đạt 4,5 – 5 g/lít. Trong quá trình tàng trữ bia, duy trì áp suất trong tank ở ≈1,8 kg/cm2 và thu hồi CO2 khi cần thiết. 11. Hoàn thiện sản phẩm * Bia hơi được chiết bock để phục vụ cho nhu cầu trong ngày của các cửa hàng, đại lý ở các vùng lân cận. Như vậy về nguyên tắc mà nói thì bia chiết bock trước đó không cần bổ sung thêm CO2. Quá trình chiết bock tuân theo nguyên tắc chiết đẳng áp để đảm bảo yêu cầu: rót đầy thể tích thùng bock, không sủi bọt và hao phí bia ít nhất. * Bia sau một thời gian tàng trữ được bơm sang phân xưởng chiết chai để nạp vào các chai. Hệ thống chiết chai gồm một số công đoạn chính sau: - Rửa chai: chai được ngâm trong nước nóng trước, kế tiếp được rửa bằng xút nóng, sau đó qua giàn phun nước, hệ thống thổi khí làm khô rồi đi qua bộ phận soi chai trước khi đưa sang máy chiết chai. - Chiết chai: quá trình chiết chai cũng tuân theo nguyên tắc chiết đẳng áp, sau đó chai được dập nút, ra khỏi máy chiết chai chai qua bộ phận soi chai trước khi vào hầm thanh trùng. - Thanh trùng: mục đích của quá trình này là nhằm diệt nấm men còn sót để nâng cao độ bền sinh học của bia. Thiết bị thanh trùng thường có nhiều khoang, mỗi khoang phun nước nóng ở một nhiệt độ khác nhau. Nhiệt độ tối đa để thanh trùng khoảng 65oC. Quá trình thanh trùng cần đảm bảo nhiệt độ của chai đi vào và đi ra khỏi thiết bị là bằng nhau, đồng thời không quá chênh lệch so với nhiệt độ môi trường. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 31 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm - Bia sau thanh trùng sẽ theo băng tải vào bộ phận dán nhãn, bắn chữ, sau đó qua máy xếp két và lưu kho hoặc đưa ngay đến các nơi tiêu thụ. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 32 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm V. Quy trình công nghệ xử lý nước cấp, nước thải 1. Xử lý nước cấp Nước được lấy từ giếng khoan sẽ được lọc qua hệ thống bể cát bao gồm 2 bể lọc thô và 2 bể lọc tinh hoạt động luân phiên sẽ được chứa trong bể chứa trung gian để tiếp tục được xử lý để đạt yêu cầu phục vụ cho các hoạt động cụ thể. * Nước dùng để nấu và rửa sữa men kết lắng: Nước sau xử lý sơ bộ được bổ sung nước zaven và sục khí để khử trùng, rồi bơm qua cột lọc cát thạch anh để loại bỏ các tạp chất rắn. Tiếp theo nước được tẩy màu bằng than hoạt tính và khử clo dư. Cuối cùng nước được đi qua hệ thống lọc thẩm thấu ngược để loại bỏ các muối tan và tạp chất hữu cơ còn lại. Nước sau xử lý có độ thuần khiết cao, đạt các chỉ tiêu: Tổng lượng sắt, mangan < 0,1mg/l Hàm lượng chất rắn tồn đọng < 0,1mg/l Hàm lượng canxi, magie < 0,08mg/l Hàm lượng clo dư < 0,1mg/l * Nước dùng để rửa chai: Nước sau xử lý sơ bộ được bổ sung nước zaven và sục khí để khử trùng, rồi qua bể lọc chứa vật liệu khử sắt, mangan. Sau đó nước được tẩy màu bằng than hoạt tính và khử clo dư. Tiếp theo nước được làm mềm qua trao đổi ion (cationist), cuối cùng được tinh lọc bằng lọc lõi sợi. Nước sau xử lý ở đây có hàm lượng clo dư < 0,05mg/l. 2. Xử lý nước thải Nước thải trong quá trình sản xuất của nhà máy qua hệ thống cống rãnh được đưa tới bể lắng sơ bộ tại đây nhờ quá trình lắng dưới tác dụng của trọng lực các tạp chất nặng được tách ra, các rác thải hữu cơ cũng được loại bỏ nhờ các song chắn rác. Tiếp theo nước được đưa qua bể điều hoà, ở đây nước sẽ được trung hoà một phần để thuận lợi cho các quá trình xử lý sinh học tiếp theo. Nước thải từ bể điều hoà sẽ được đưa qua bể mêtan hoá với lớp lọc là bùn chứa hệ vi sinh vật kị khí, tại đây nước thải sẽ được đi từ dưới lên qua lớp bùn, các cặn lắng sẽ được giữ lại ở dưới. Nước sau xử lý yếm khí sẽ chảy tràn qua các máng thu sang bể aeroten, ở đây thực hiện sục khí để tăng cường hoạt Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 33 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm động phân giải hiếu khí của hệ bùn hoạt tính. Sau đó nước thải được đưa qua bể lắng đứng để tách bùn rồi được lắng trong lần cuối ở bể tiếp xúc trước khi thải ra theo hệ thống nước thải bên ngoài nhà máy. Bùn thu được ở bể lắng đứng một phần tuần hoàn vào bể aeroten, phần còn lại được ép khô đưa sang bể ủ bùn và có thể sử dụng để làm phân bón. Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại B với các thông số như sau: pH = 5,5 – 9 BOD = 50 mg/l COD = 100 mg/l SS = 100 mg/l Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 34 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Phần III: Lập kế hoạch sản xuất và tính cân bằng sản phẩm A. Lập kế hoạch sản xuất Nhà máy được thiết kế với năng suất 25 triệu lít bia/năm, cơ cấu sản phẩm 80% bia chai và 20% bia hơi. Nồng độ dịch đường trước lên men là 12˚Bx ứng với bia chai, và 10,5˚Bx ứng với bia hơi. Sử dụng nguyên liệu thay thế là gạo với tỉ lệ thay thế là 20% cho tổng lượng gạo và malt sử dụng. Do nước ta nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, ở miền Bắc khí hậu có 4 mùa rất khác nhau vì vậy mà nhu cầu tiêu thụ bia các mùa cũng khác nhau. Mùa hè do thời tiết nóng nực nên nhu cầu sử dụng bia cao, trong khi mùa đông do thời tiết lạnh nhu cầu về bia giảm. Do đó nhà máy phải có kế hoạch sản xuất một cách hợp lý để lượng bia sản xuất ra tiêu thụ hết tránh lãng phí. Bảng kế hoạch sản xuất của nhà máy: Quý I II III IV Bia chai (triệu lít) 4,5 5,5 5,5 4,5 Bia hơi (triệu lít) 0,5 2,0 2,0 0,5 Tổng năng suất (triệu lít) 5,0 7,5 7,5 5,0 Một năm nhà máy sản xuất 300 ngày, trung bình mỗi tháng sản xuất 25 ngày, những ngày còn lại để duy tu, bảo dưỡng máy móc thiết bị. Năng suất lớn nhất một tháng: 2,5 triệu lít. Năng suất lớn nhất một ngày: 2500000/25 = 100000(lít). Mỗi ngày nấu 6 mẻ, năng suất một mẻ khoảng: 16700(lít). Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 35 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm B. Tính cân bằng sản phẩm Trong quá trình sản xuất, tổn thất ở các công đoạn là không thể tránh khỏi nên trong trong quá trình tính toán ta đều phải tính đến lượng tổn thất ở từng công đoạn. Lượng tổn thất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng nguyên liệu, chế độ công nghệ thiết bị. Để đơn giản ta tính cân bằng sản phẩm cho 1000l bia. Giả thiết: Malt có hàm ẩm 6%, hiệu suất hoà tan 80%. Gạo có hàm ẩm 13%, hiệu suất hoà tan 85%. Tổn thất trong các quá trình lần lượt là: - Nghiền: 0,5%. - Hồ hoá, đường hoá và lọc: 3% chất hoà tan. - Nấu hoa: 10% lượng dịch do nước bay hơi. - Lắng xoáy và lạnh nhanh: 2,5%. - Lên men: 5%. - Lọc bia: 1,5%. - Bão hoà CO2: 0,5%. - Chiết chai: 4%; chiết bock: 1%. I. Tính cân bằng sản phẩm cho 1000l bia chai 1. Tính lượng gạo và lượng malt Gọi lượng malt cần để sản xuất 1000l bia chai là M(kg) thì lượng gạo cần là 0,25M(kg). Lượng chất chiết thu được từ M(kg) malt là: M.(1 – 0,005).(1 – 0,06).0,8 = 0,74824M(kg) Lượng chất chiết thu được từ gạo là: 0,25M.(1 – 0,005).(1 – 0,13).0,85 = 0,18395M(kg) Tổng lượng chất chiết thu được là: 0,74824M + 0,18395M = 0,93219M(kg) * Lượng dịch qua các công đoạn ứng với 1000l bia chai thành phẩm: Công đoạn chiết chai tổn thất 4%, lượng bia sau bão hoà CO2 là: 04,01 1000 − = 1041,7(l) Công đoạn bão hoà CO2 tổn thất 0,5%, lượng bia sau lọc là: Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 36 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 005,01 7,1041 − = 1046,9(l) Công đoạn lọc bia tổn thất 1,5%, lượng bia sau lên men là: 015,01 9,1046 − = 1062,8(l) Công đoạn lên men tổn thất 5%, lượng dịch đường đưa đi lên men là: 05,01 8,1062 − = 1118,8(l) Công đoạn lắng xoáy và lạnh nhanh tổn thất 2,5% khối lượng dịch và tổn hao do co thể tích khoảng 4%, lượng dịch đường sau đun hoa là: )04,01()025.01( 8,1118 −×− = 1195,3(l) Dịch đường sau đun hoa có nồng độ chất khô là 12˚Bx có d20=1,048, khối lượng dịch đường sau đun hoa là: 1195,3.1,048=1252,7(kg) Khối lượng chất chiết có trong dịch đường sau đun hoa là: 7,1252 100 12 × = 150,3(kg) Công đoạn nấu, đường hoá, lọc tổn thất chất chiết là 3%, lượng chất chiết ban đầu là: 03,01 3,150 − = 155,0(kg) Ta có: 0,93219M = 155,0(kg) Suy ra: Lượng malt cần là M = 166,2(kg) Lượng gạo cần là 0,25M = 41,6(kg) 2. Lượng bã gạo và bã malt Lượng malt đem nấu là 166,2kg trong đó: Lượng chất khô không hoà tan 100% – 80% = 20% Độ ẩm W = 6% Tổn thất khi nghiền 0,5% Suy ra lượng chất khô trong bã malt: 166,2.(1 – 0,005).(1 – 0,06).0,2 = 31,1(kg) Bã có hàm ẩm 80%, khối lượng bã malt ướt là: 8,01 1,31 − = 155,5(kg) Lượng gạo đem nấu là 41,6kg trong đó: Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 37 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Lượng chất khô không hoà tan 100% – 85% = 15% Độ ẩm 13% Tổn thất khi nghiền 0,5% Suy ra lượng chất khô trong bã gạo: 41,6.(1 – 0,005).(1 – 0,13).0,15 = 5,4(kg) Bã có hàm ẩm 80%, khối lượng bã gạo ướt là: 8,01 4,5 − = 27,0(kg) Tổng lượng bã khô là: 31,1 + 5,4 = 36,5(kg) Tổng lượng bã ướt là: 155,5 + 27,0 = 182,5(kg) Lượng nước trong bã là: 182,5 – 36,5 = 146(kg) 3. Lượng nước dùng trong nấu và rửa bã * Lượng nước trong quá trình hồ hoá: Ở nồi hồ hoá có sử dụng lượng malt lót bằng 20% lượng gạo, tổng lượng bột cho vào nồi cháo là: (41,6 + 0,2.41,6).(1 – 0,005) = 49,7(kg) Tỷ lệ phối trộn nước:bột = 5:1, lượng nước cho vào nồi hồ hoá là: 5.49,7 = 248,4(kg) Tổng khối lượng dịch bột trong nồi hồ hoá là: 49,7 + 248,4 = 298,1(kg) Lượng nước có sẵn trong nguyên liệu: 41,6.(1 – 0,005).0,13 + 0,2.41,6.(1 – 0,005).0,06 = 5,9(kg) Tổng lượng nước có trong nồi hồ hoá: 248,4 + 5,9 = 254,3(kg) Trong quá trình hồ hoá lượng nước bay hơi khoảng 5%: 254,3.0,05 = 12,7(kg) Khối lượng dịch cháo còn lại là: 298,1 – 12,7 = 285,4(kg) * Lượng nước trong quá trình đường hoá: Lượng malt cho vào nồi đường hoá: (166,2 – 0,2.41,6).(1 – 0,005) = 157,1(kg) Tỷ lệ phối trộn nước:malt = 4:1, lượng nước phối trộn với malt là: 4.157,1 = 628,4(kg) Lượng nước có sẵn trong malt là: 157,1.0,06 = 9,4(kg) Khi chuyển toàn bộ dịch cháo sang nồi đường hoá tổng khối lượng dịch là: Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 38 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 157,1 + 628,4 + 285,4 = 1070,9(kg) Tổng lượng nước có trong nồi đường hoá là: 628,4 + 9,4 + (254,3 – 12,7) = 879,4(kg) Trong quá trình đường hoá lượng nước bay hơi khoảng 4%: 0,04.879,4 = 35,2(kg) Lượng nước còn lại sau đường hoá: 879,4 – 35,2 = 844,2(kg) Khối lượng dịch đường còn lại là: 1070,9 – 35,2 = 1035,7(kg) * Lượng nước rửa bã: Lượng dịch đường sau đun hoa: 1252,7(kg) Lượng nước có trong dịch đường sau đun hoa: 7,1252) 100 121( ×− = 1102,4(kg) Khi đun hoa tổn thất 10% thể tích dịch do nước bay hơi, lượng nước trong dịch đường trước đun hoa: 1,01 4,1102 − = 1224,9(kg) Lượng nước trong bã là: 146(kg) Lượng nước còn lại sau đường hoá là: 844,2(kg) Suy ra lượng nước rửa bã: 1224,9 + 146 – 844,2 = 526,7(kg) * Dịch lọc: Dịch lọc ban đầu: 1035,7 – 182,5 = 853,2(kg) Tổng lượng dịch lọc: 853,2 + 526,7 = 1379,9(kg) 4. Lượng hoa houblon sử dụng Bia chai nấu có độ đắng 22độ tức hàm lượng chất đắng là 22mg/l. Lấy hiệu suất trích ly chất đắng trong quá trình nấu hoa là 30% thì lượng chất đắng ban đầu ứng với 1000l bia thành phẩm là: 1000 3,0 22 × = 73,3.103(mg) = 73,3(g) Sử dụng 80% hoa viên 8% α – axit đắng và 20% cao hoa 60% α – axit đắng. Gọi lượng hoa viên sử dụng là m(g) thì lượng cao hoa sử dụng là 0,25m(g). Lượng chất đắng trích ly được là: m × 0,08 + 0,25m × 0,60 = 0,23m(g) Ta có: 0,23m = 73,3(g) Suy ra: Lượng hoa viên sử dụng là m = 318,8(g) Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 39 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Lượng cao hoa sử dụng là 0,25m = 79,7(g) Bã hoa: coi lượng cao hoa hoà tan hoàn toàn, hoa viên hoà tan 40%, bã hoa viên có độ ẩm 85% thì lượng bã hoa viên là: 85,01 6,08,318 − × = 1275,2(g) ≈ 1,3(kg) 5. Các nguyên liệu khác * Các hoá chất bổ sung trong quá trình nấu: Ở nồi hồ hoá và nồi đường hoá bổ sung acid lactics để hạ pH của dịch xuống 5,4 – 5,5 thuận lợi cho hoạt động của hệ enzyme thuỷ phân. Lượng acid bổ sung vào nồi hồ hoá bằng khoảng 0,06% lượng gạo, và lượng acid bổ sung vào nồi malt bằng khoảng 0,04% lượng malt. Tổng lượng acid bổ sung là: 0,06% × 41,6 + 0,04% × 166,2 = 0,091(kg) = 91(g) Ở nồi đường hoá còn được bổ sung một lượng muối ăn để tạo cho bia vị đậm đà, lượng muối tương ứng với 1000 lít bia là: 200g * Các hoá chất bổ sung trong quá trình lọc dịch bia: Bột trợ lọc: Bột trợ lọc sử dụng ở đây chủ yếu là diatomide (2 loại bột thô và mịn được sử dụng là Hyflosuppercell và Standarlsuppercell) ngoài ra còn có vinyl polypyriolidone. Để lọc 1000 lít bia cần sử dụng khoảng 0,8 kg diatomide mỗi loại và 250 g vinyl polypyriolidone. Sản phẩm bia chai còn được bổ sung các hoá chất chống oxyhoá, chống đục là polyclarlc, vicant, collupulin cùng với đất trợ lọc lần 2. Lượng hoá chất bổ sung tương ứng với 1000 lít bia là: 180g polycarlc, 30g vicant, 22g collupulin. * Lượng men giống sử dụng: Men giống nuôi cấy trực tiếp cấp bằng 10% lượng dịch đưa vào lên men: 0,1.1118,8 ≈ 111,9(l) Men sữa cấp bằng 1% lượng dịch đưa vào lên men: 0,01.1118,8 ≈ 11,2(l) Men sữa tái sử dụng 7 lần thì trong 8 chu kì lên men chỉ cần nhân men giống cho chu kì đầu còn tái sử dụng men sữa cho 7 chu kì sau. * Sữa men kết lắng: Cứ 1000l bia cho 20l sữa men có độ ẩm 85%, trong đó có thể tái sử dụng khoảng 10l. Lượng men tái sử dụng của 1 tank có thể đủ để nhân men cho 2 tank do đó thực tế chỉ tái sử dụng 5l sữa men còn thải bỏ 15l sữa men kết lắng. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 40 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm * Cặn lắng: Lượng cặn lắng có độ ẩm 80% chiếm khoảng 1,75% so với nguyên liệu. Ứng với 1000l bia cần nấu 166,2kg malt và 41,6kg gạo tức tổng lượng nguyên liệu là: 166,2 + 41,6 = 207,8(kg). Lượng cặn lắng tương ứng sẽ là: 207,8.0,0175 = 3,6(kg) Lượng cặn lắng khô: 0,2.3,6 = 0,72(kg) * Lượng CO2: Phương trình lên men: C12H22O11 + H2O → 4C2H5OH + 4CO2 + Q 342g 18g 184g 176g Lượng dịch trước lên men: 1118,8(l), có độ đường 12˚Bx có d20=1,048, khối lượng dịch đường trước lên men là: 1118,8.1,048 = 1172,5(kg) Khối lượng chất chiết trong dịch đường trước lên men: )(7,1405,1172100 12 kg=× Quy về đường maltose, trong giai đoạn lên men chính coi 55% lượng chất chiết được chuyển hoá, lượng CO2 tạo thành là: 55,0342 1767,140 ×× = 39,82(kg) Lên men chính tổn hao thể tích dịch lên men là 3% thì thể tích bia non ứng với 1000 lít bia thành phẩm là: 1118,8 × 0,97 = 1085,2(l) Lượng CO2 hoà tan trong bia non là 2,5g/l, ứng với 1085,2lít bia non là: 2,5.1085,2 = 2713(g) ≈ 2,71(kg) Lượng CO2 thoát ra là: 39,82 – 2,71 = 37,11(kg) Ở 20˚C, 1atm, CO2 có khối lượng riêng 1,832kg/m3, thể tích của CO2 thoát ra là: 37,11 1,832 = 20,26(m 3) Hiệu suất thu hồi CO2 là 70%, lượng CO2 có thể thu hồi được là: 0,7.20,26 = 14,18(m3) Trong quá trình lên men phụ 15% chất chiết của dịch đường tiếp tục được chuyển hoá, lượng CO2 tạo thành tiếp tục được bão hoà trong bia do đó hàm lượng CO2 trong bia tươi vào khoảng 4g/l. Trong quá trình lọc CO2 bị thất thoát một phần nên hàm lượng CO2 trong bia sau lọc vào khoảng 2g/l. Cuối quá trình lọc cần cấp CO2 để ép nốt lượng dịch lọc cuối đồng thời trong quá trình tàng trữ cần tiếp tục bão hoà CO2 trong bia để hàm lượng CO2 đạt tới 4,5g/l. Lượng CO2 cần để bão hoà 1046,9 lít bia sau lọc là: (4,5 – 2).1046,9 = 2617,25(g) ≈ 2,62(kg) Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 41 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Thể tích CO2 cần để bão hoà thêm là: 832,1 62,2 = 1,43(m3) Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 42 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm * Bảng tổng kết nguyên liệu chính, bán thành phẩm tương ứng với bia chai TT Tên nguyên liệu 1000 lít 1 mẻ 1 ngày 1 năm 1 Malt 166,2 kg 2775 kg 16,62 tấn 3324 tấn 2 Gạo 41,6 kg 695 kg 4,16 tấn 832 tấn 3 Nước nấu cháo 248,4 lít 41,5 hl 24,84 m3 4968 m3 4 Nước đường hoá 628,4 lít 104,9 hl 62,84 m3 12568 m3 5 Nước rửa bã 527,6 lít 88,1 hl 52,76 m3 10552 m3 6 Bã malt và gạo 182,5 kg 3,05 tấn 18,25 tấn 3650 tấn 7 Hoa viên 318,8 g 5,32 kg 32 kg 6400 kg 8 Cao hoa 79,7 g 1,33 kg 8,0 kg 1600 kg 9 Dịch bột gạo 298,1 kg 4,98 tấn 29,81 tấn 5962 tấn 10 Dịch cháo 285,4 kg 4,77 tấn 28,54 tấn 5708 tấn 11 Dịch malt 1070,9 kg 17,88 tấn 107,09tấn 21418 tấn 12 Dịch đường 1035,7 kg 17,30 tấn 103,57tấn 20714 tấn 13 Dịch sau lọc 1379,9 kg 23,04 tấn 137,99tấn 27598 tấn 14 Dịch đường houblon hoá 1195,3 lít 199,6 hl 119,53m3 23906 m3 15 Dịch đường đem lên men 1118,8 lít 186,8 hl 111,88m3 22376 m3 16 Bia tươi 1062,8 lít 177,5 hl 106,28m3 21256 m3 17 Bia sau lọc 1046,9 lít 174,8 hl 104,69m3 20938 m3 18 Bia trước chiết chai 1041,7 lít 174,0 hl 104,17m3 20834 m3 19 Men nhân trực tiếp 111,9 lít 1869 lít 11,21m3 280,3m3 Men tái sử dụng 11,2 lít 187 lít 1,12 m3 196 m3 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 43 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm * Bảng các nguyên liệu phụ, sản phẩm phụ tương ứng bia chai: TT Tên nguyên liệu 1000 lít 1 mẻ 1 ngày 1 năm 1 Acid lactics 91 g 1,52 kg 9,12 kg 1824 kg 2 NaCl 200 g 3,34 kg 20 kg 4000 kg 3 Diatomide (mỗi loại) 0,8 kg 13,4 kg 80 kg 16000 kg 4 Vinyl polypyriolidone 250 g 4,2 kg 25 kg 1250 kg 5 Men kết lắng 20 lít 334 lít 2000 lít 400 m3 6 Men tái sử dụng 5 lít 83,5 lít 500 lít 100 m3 7 Men thải bỏ 15 lít 250,5 lít 1500 lít 300 m3 8 Polyclarlc 180 g 3 kg 18 kg 3600 kg 9 Vicant 33 g 551 g 3,3 kg 660 kg 10 Collupulin 22 g 367 g 2,2 kg 440 kg 11 CO2 thoát ra 20,26 m3 338,3 m3 2026 m3 405200m3 12 CO2 có thể thu hồi 14,18 m3 236,8 m3 1418 m3 283600m3 13 CO2 cần để bão hoà 1,43 m3 23,9 m3 143 m3 28600 m3 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 44 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm II. Tính cân bằng sản phẩm cho 1000l bia hơi 1. Tính lượng gạo và lượng malt Gọi lượng malt cần để sản xuất 1000l bia hơi là M(kg) thì lượng gạo cần là 0,25M(kg). Lượng chất chiết thu được từ M(kg) malt là: M.(1 – 0,005).(1 – 0,06).0,8 = 0,74824M(kg) Lượng chất chiết thu được từ gạo là: 0,25M.(1 – 0,005).(1 – 0,13).0,85 = 0,18395M(kg) Tổng lượng chất chiết thu được là: 0,74824M + 0,18395M = 0,93219M(kg) * Lượng dịch qua các công đoạn ứng với 1000l bia hơi thành phẩm: Công đoạn chiết bock tổn thất 1%, lượng bia đưa vào chiết bock là: 01,01 1000 − = 1010,1(l) Giai đoạn tàng trữ và bão hoà CO2 trước khi chiết bock tổn thất 0,5%, lượng bia sau lọc là: 005.01 1,1010 − = 1015,2(l) Công đoạn lọc bia tổn thất 1,5%, lượng bia sau lên men là: 015,01 2,1015 − = 1030,6(l) Công đoạn lên men tổn thất 5%, lượng dịch đường trước lên men là: 05,01 6,1030 − = 1084,9(l) Công đoạn lắng xoáy và lạnh nhanh tổn thất 2,5% và tổn thất do co thể tích khoảng 4%, lượng dịch đường sau đun hoa là: )04,01()025,01( 9,1084 −×− = 1159,1(l) Dịch đường sau đun hoa có nồng độ chất khô 10,5˚Bx có d20 = 1,042. Khối lượng dịch đường sau đun hoa là: 1159,1.1,042 = 1207,7(kg) Lượng chất chiết có trong dịch đường sau đun hoa là: )(8,1267,1207 100 5,10 kg=× Ta có: 0,93219M = 126,8(kg) Suy ra: Lượng malt cần là M = 136,0(kg) Lượng gạo cần là 0,25M = 34,0(kg) Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 45 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 2. Lượng bã gạo và bã malt Lượng malt đem nấu là 136,0kg. Lượng chất khô không hoà tan 100% – 80% = 20% Độ ẩm 6% Tổn thất trong quá trình nghiền là 0,5% Lượng bã malt khô là: 136,0.(1 – 0,005).(1 – 0,06).0,2 = 25,4(kg) Bã có hàm ẩm 80%, khối lượng bã malt ướt là: 8,01 4,25 − = 127,2(kg) Lượng gạo đem nấu là 34,0kg. Lượng chất khô không hoà tan là 100% – 85% = 15% Độ ẩm 13% Tổn thất trong quá trình nghiền là 0,5% Lượng bã gạo khô là: 34,0.(1 – 0,005).(1 – 0,06).0,15 = 4,8(kg) Bã có hàm ẩm là 80%, khối lượng bã gạo ướt là: )(9,238,01 8,4 kg= − Tổng lượng bã khô: 25,4 + 4,8 = 30,2(kg) Tổng lượng bã ướt là: 127,2 + 23,9 = 151,1(kg) Tổng lượng nước có trong bã là: 151,1 – 30,2 = 120,9(kg) 3. Lượng nước dùng trong nấu và rửa bã * Lượng nước dùng trong quá trình hồ hoá: Ở nồi cháo sử dụng lượng malt lót bằng 20% lượng gạo. Tổng lượng bột gạo và malt lót cho vào nồi cháo là: (34,0 + 0,2.34,0).(1 – 0,005) = 40,6(kg) Tỷ lệ phối trộn bột:nước = 1:5, lượng nước cho vào nồi cháo là: 40,6.5 = 203,0(kg) Tổng khối lượng dịch bột trong nồi hồ hoá là: 40,6 + 203,0 = 243,6(kg) Lượng nước có sẵn trong bột gạo và malt lót là: 34,0.(1 – 0,005).0,13 + 0,2.34,0.(1 – 0,005).0,06 = 4,8(kg) Tổng lượng nước có trong nồi hồ hoá là: 203,0 + 4,8 = 207,8(kg) Trong quá trình hồ hoá lượng nước bay hơi khoảng 5% là: 0,05.207,8 = 10,4(kg) Lượng nước còn lại trong dịch cháo sau hồ hoá là: Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 46 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm 207,8 – 10,4 = 197,4(kg) Khối lượng dịch cháo còn lại là: 243,6 – 10,4 = 233,2(kg) * Lượng nước dùng trong quá trình đường hoá: Lượng malt cho vào nồi đường hoá là: (136,0 – 0,2.34,0).(1 – 0,005) = 128,6(kg) Tỉ lệ phối trộn malt:nước = 1:4, lượng nước hoà trộn với bột malt là: 4.128,6 = 514,2(kg) Lượng nước có sẵn trong malt là: 128,6.0,06 = 7,7(kg) Khi bơm toàn bộ dịch cháo sang nồi đường hoá thì tổng khối lượng của dịch là: (128,6 + 514,2) + 233,2 = 876,0(kg) Tổng lượng nước có trong nồi đường hoá là: (514,2 + 7,7) + 197,4 = 719,3(kg) Trong quá trình đường hoá lượng nước bay hơi khoảng 4% là: 0,04.719,3 = 28,8(kg) Sau quá trình đường hoá lượng nước còn lại trong dịch đường là: 719,3 – 28,8 = 690,5(kg) Khối lượng dịch đường còn lại sau đường hoá: 876,0 – 28,8 = 847,2(kg) * Lượng nước rửa bã: Lượng dịch đường sau đun hoa: 1207,7kg Lượng nước có trong dịch đường sau đun hoa là: )(9,10807,1207100 5,10100 kg=×− Trong quá trình đun hoa thể tích dịch giảm 10% do nước bay hơi. Lượng nước trong dịch đường trước đun hoa là: 1,01 9,1080 − = 1201,0(kg) Lượng nước trong bã là: 120,9kg Suy ra lượng nước rửa bã là: 1201,0 + 120,9 – 690,5 = 631,4(kg) * Dịch lọc: Dịch lọc ban đầu: 847,2 – 151,1 = 696,1(kg) Tổng lượng dịch lọc: 696,1 + 631,4 = 1327,5(kg) 4. Lượng hoa houblon sử dụng Bia hơi nấu có độ đắng 18độ tức hàm lượng chất đắng là 18mg/l. Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 47 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Lấy hiệu suất trích ly chất đắng trong quá trình nấu hoa là 30% thì lượng chất đắng ban đầu ứng với 1000l bia thành phẩm là: 1000 3,0 18 × = 60.103(mg) = 60(g) Sử dụng 80% hoa viên 8% α – axit đắng và 20% cao hoa 60% α – axit đắng. Gọi lượng hoa viên sử dụng là m(g) thì lượng cao hoa sử dụng là 0,25m(g). Lượng chất đắng trích ly được là: m × 0,08 + 0,25m × 0,60 = 0,23m(g) Ta có: 0,23m = 60(g) Suy ra: Lượng hoa viên sử dụng là m = 260,9(g) Lượng cao hoa sử dụng là 0,25m = 65,2(g) Bã hoa: coi lượng cao hoa hoà tan hoàn toàn, hoa viên hoà tan 40%, bã hoa viên có độ ẩm 85% thì lượng bã hoa viên là: 85,01 6,09,260 − × = 1043,5(g) ≈ 1,04(kg) 5. Các nguyên liệu khác * Các hoá chất bổ sung trong quá trình nấu: Ở nồi hồ hoá và nồi đường hoá bổ sung acid lactics để hạ pH của dịch xuống 5,4 – 5,5 thuận lợi cho hoạt động của hệ enzyme thuỷ phân. Lượng acid bổ sung vào nồi hồ hoá bằng khoảng 0,06% lượng gạo, và lượng acid bổ sung vào nồi malt bằng khoảng 0,04% lượng malt. Tổng lượng acid bổ sung là: 0,06% × 34,0 + 0,04% × 136,0 = 0,075(kg) = 75(g) Ở nồi đường hoá còn được bổ sung một lượng muối ăn để tạo cho bia vị đậm đà, lượng muối tương ứng với 1000 lít bia là: 200g * Các hoá chất bổ sung trong quá trình lọc dịch bia: Bột trợ lọc: Bột trợ lọc sử dụng ở đây chủ yếu là diatomide (2 loại bột thô và mịn được sử dụng là Hyflosuppercell và Standarlsuppercell) ngoài ra còn có vinyl polypyriolidone. Để lọc 1000 lít bia cần sử dụng khoảng 0,8 kg diatomide mỗi loại và 250 g vinyl polypyriolidone. * Lượng men giống sử dụng: Men giống nuôi cấy trực tiếp cấp bằng 10% lượng dịch đưa vào lên men: 0,1.1084,9 ≈ 108,5(l) Men sữa cấp bằng 1% lượng dịch đưa vào lên men: 0,01.1084,9 ≈ 10,8(l) Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 48 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Men sữa tái sử dụng 7 lần thì trong 8 chu kì lên men chỉ cần nhân men giống cho chu kì đầu còn tái sử dụng men sữa cho 7 chu kì sau. * Sữa men kết lắng: Cứ 1000l bia cho 20l sữa men có độ ẩm 85%, trong đó có thể tái sử dụng khoảng 10l. Lượng men tái sử dụng của 1 tank có thể đủ để nhân men cho 2 tank do đó thực tế chỉ tái sử dụng 5l sữa men còn thải bỏ 15l sữa men kết lắng. * Cặn lắng: Lượng cặn lắng có độ ẩm 80% chiếm khoảng 1,75% so với nguyên liệu. Ứng với 1000l bia cần nấu 136kg malt và 34kg gạo tức tổng lượng nguyên liệu là: 136 + 34 = 170(kg). Lượng cặn lắng tương ứng sẽ là: 170.0,0175 = 3,0(kg) Lượng cặn lắng khô: 0,2.3,0 = 0,6(kg) * Lượng CO2: Phương trình lên men: C12H22O11 + H2O = 4C2H5OH + 4CO2 + Q 342g 18g 184g 176g Lượng dịch trước lên men: 1084,9(l), có độ đường 10,5˚Bx có d20=1,042. Khối lượng dịch đường trước lên men là: 1084,9.1,042 = 1130,5(kg) Khối lượng chất chiết trong dịch đường trước lên men: )(7,1185,1130100 5,10 kg=× Quy về đường maltose, trong giai đoạn lên men chính coi 55% lượng chất chiết được chuyển hoá, lượng CO2 tạo thành là: 55,0342 1767,118 ×× = 33,6(kg) Sau lên men chính thể tích dịch giảm 3%, thể tích bia non ứng với 1000 lít bia thành phẩm là: 1084,9 × 0,97 = 1052,4(l) Lượng CO2 hoà tan trong bia non là 2,5g/l, ứng với 1052,4lít bia non là: 2,5.1052,4 = 2631(g) ≈ 2,63(kg) Lượng CO2 thoát ra là: 33,60 – 2,63 = 30,97(kg) Ở 20˚C, 1atm, CO2 có khối lượng riêng 1,832kg/m3, thể tích của CO2 bay ra là: 30,97 1,832 = 16,91(m 3) Hiệu suất thu hồi CO2 là 70%, lượng CO2 có thể thu hồi được là: 0,7.16,91 = 11,83(m3) Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm Trong quá trình lên men phụ 15% chất chiết của dịch đường tiếp tục được chuyển hoá, lượng CO2 tạo thành tiếp tục được bão hoà trong bia do đó hàm lượng CO2 trong bia tươi vào khoảng 4g/l. Trong quá trình lọc CO2 bị thất thoát một phần nên hàm lượng CO2 trong bia sau lọc vào khoảng 2g/l. Cuối quá trình lọc cần cấp CO2 để ép nốt lượng dịch lọc cuối đồng thời trong quá trình tàng trữ cần tiếp tục bão hoà CO2 trong bia để hàm lượng CO2 đạt tới 4,5g/l. Lượng CO2 cần để bão hoà 1015,2 lít bia sau lọc là: (4,5 – 2).1015,2 = 2538(g) ≈ 2,54(kg) Thể tích CO2 cần để bão hoà thêm là: )(39,1832,1 54,2 3m= Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 50 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm * Bảng tổng kết nguyên liệu chính, bán thành phẩm tương ứng với bia hơi TT Tên nguyên liệu 1000 lít 1 mẻ 1 ngày 1 năm 1 Malt 136,0 kg 2271 kg 13,6 tấn 680 tấn 2 Gạo 34,0 kg 568 kg 3,4 tấn 170 tấn 3 Nước nấu cháo 203,0 lít 33,9 hl 20,3 m3 1015 m3 4 Nước đường hoá 514,2 lít 85,9 hl 51,42 m3 2571 m3 5 Nước rửa bã 631,4 lít 105,4 hl 63,14 m3 3157 m3 6 Bã malt 151,1 kg 2,52 tấn 15,11 tấn 756 tấn 7 Hoa viên 260,9 g 4,36 kg 26,1 kg 1305 kg 8 Cao hoa 65,2 g 1,09 kg 6,5 kg 325 kg 9 Dịch bột gạo 243,6 kg 4,07 tấn 24,36 tấn 1218 tấn 10 Dịch cháo 233,2 kg 3,89 tấn 12,32 tấn 616 tấn 11 Dịch malt 876,0 kg 14,63 tấn 87,60 tấn 4380 tấn 12 Dịch đường 847,2 kg 14,15 tấn 84,72 tấn 4236 tấn 13 Dịch lọc 1327,5 kg 22,17 tấn 132,75 tấn 6638 tấn 14 Dịch đường houblon hoá 1159,1 lít 193,6 hl 115,91m3 5796 m3 15 Dịch đi lên men 1084,9 lít 181,2 hl 108,49m3 5425 m3 16 Bia tươi 1030,6 lít 172,1 hl 103,06m3 5153 m3 17 Bia sau lọc 1015,2 lít 169,5 hl 101,52m3 5076 m3 18 Bia trước chiết bock 1010,1 lít 168,7 hl 101,01m3 5051 m3 19 Men nhân trực tiếp 108,5 lít 1812 lít 10,85 m3 271,3 m3 Men tái sử dụng 10,8 lít 180 lít 1,08 m3 189 m3 Ngô Xuân Đồng Lớp Công nghệ sinh học A- K47 51 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nhà máy bia năng suất 25 triệu lít/năm * Bảng các nguyên liệu phụ, sản phẩm phụ tương ứng bia hơi: TT Tên nguyên liệu 1000 lít 1 mẻ 1 ngày 1 năm 1 Acid lactics 75 g 1,25 kg 7,50 kg 375 kg 2 NaCl 200 g 3,34 kg 20 kg 1000 kg 3 Diatomide (mỗi loại) 0,8 kg 13,4 kg 80 kg 4000 kg 4 Vinyl polypyriolidone 250 g 4,2 kg 25 kg 1250 kg 5 Men kết lắng 20 lít 334 lít 2000 lít 100 m3 6 Men tái sử dụng 5 lít 83,5 lít 500 lít 25 m3 7 Men thải bỏ 15 lít 250,5 lít 1500 lít 75 m3 8 CO2 thoát ra 16,91 m3 282,4 m3 1691 m3 84550 m3 9 CO