Đồ án Thiết kế phân xưởng lên men bia

Thiết kế phân xưởng lên men Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BIA Bia là một loại nước giải khát khá phổ biến, được tiêu thụ rộng rãi trên khắp thế giới và có lịch sử phát triển rất lâu đời. Từ thời xa xưa, người Babilon đã sản xuất bia từ quá trình lên men bánh mì ẩm. Cách đây khoảng 5000 năm, người Ai Cập cổ đại đã sử dụng lúa mạch để sản xuất bia. Bia đã trở thành một thực phẩm quan trọng trong các bữa ăn kiêng hàng ngày của người Ai Cập lúc đó. Người Hy Lạp đã học cách sản xuất bia từ người Ai Cập. Các bộ tộc của Đức đã biết sản xuất bia từ lâu trước khi có sự xâm chiếm của đế chế La Mã. Ban đầu người ta sử dụng các loại thảo mộc và gia vị khác vào việc sản xuất bia. Tuy nhiên vào khoảng 1000 năm trước công nguyên bia mới thâm nhập vào các tu viện và các tu sĩ đã sử dụng hoa houblon thay cho các thảo mộc vào quá trình sản xuất bia. Bia thật sự được trở nên phổ biến nhờ vào các tu viện. Các tu sĩ là những người đầu tiên đã xây dựng các nhà máy bia. Họ cung cấp nơi ở, thức ăn và bia cho những người đi hành hương và những người đi du lịch. Cho đến giữa thế kỷ XVI, bia chỉ được sản xuất chủ yếu trong các gia đình và còn chưa mang tính thương mại. Từ năm 1833, nhờ các nghiên cứu của Pasteur về quá trình lên men rượu vang, Hansen đã đề nghị phương pháp nhân giống nấm men từ một tế bào thuần khiết ban đầu trong canh trường. Đến năm 1881 – 1883 nấm men đã được đưa vào sử dụng sản xuất bia lần đầu tiên ở Đan Mạch. Từ đó đến nay ngành công nghiệp bia ngày càng được hoàn thiện, phát triển và đã đạt được nhiều thành tựu rực rỡ. Bia là sản phẩm của quá trình lên men ethanol từ dịch nha, không qua chưng cất, dịch nha được nấu từ malt đại mạch, các hạt giàu tinh bột, protein…(như gạo, ngô, đại mạch,…), hoa houblon và nước. So với các loại thức uống khác bia có nhiều ưu điểm như: • So với các loại rượu uống thì bia có nồng độ cồn rất thấp (2 – 6%). Do đó nếu sử dụng bia đúng mức sẽ giúp cơ thể cảm thấy thoải mái, dễ chịu và tăng sức lực cho cơ thể. • So với trà, cà phê thì bia không có chứa các kim loại có hại. • Bia là nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể, 1 lít bia có thể cung cấp cho cơ thể 400 – 800 KCal. • Với hàm lượng CO2 khá cao (4 – 5g/l), bia giúp cơ thể giảm nhanh cơn khát, kích thích quá trình tiêu hóa tốt hơn. GVHD : PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH :Chu Xuân Trường 1 Thiết kế phân xưởng lên men • Khoảng 80% chất hòa tan trong bia là glucid, 8 – 10% là các hợp chất chứa nitơ, 3 – 4% là các chất khoáng. Ngoài ra trong bia còn có chất chát, chất đắng, glycerin, acid hữu cơ, một số vitamin như B1, B2, PP. • Ngoài ra, những nghiên cứu gần đây nhận thấy rằng nếu uống một lượng bia vừa phải mỗi ngày thì sẽ có tác dụng tốt cho tim mạch và não, giúp cơ thể hưng phấn hơn và hiệu quả làm việc cao hơn. Nhờ có những ưu điểm này mà bia được sản xuất ở khắp nơi trên thế giới với sản lượng và chất lượng ngày càng được nâng cao. GVHD : PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH :Chu Xuân Trường 2 Thiết kế phân xưởng lên men Chương 2 : KĨ THUẬT CÔNG NGHỆ I. Chọn địa điểm xây dựng nhà máy, phân xưởng Trong công nghệ sản xuất bia, nguồn nước là một yếu tố cực kỳ quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng bia thành phẩm. Nên việc xây dựng nhà máy phải dựa trên sự khảo sát nguồn nước. Khu công nghiệp Tây Bắc Củ Chi là một trong những nơi có nguồn nước thích hợp cho sản xuất bia. Vì vậy địa điểm chọn để xây dựng nhà máy là khu công nghiệp Tây Bắc Củ Chi, tọa lạc tại quốc lộ 22, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh.. Tổng diện tích hiện tại của khu công nghiệp là 220 (ha) : ¾ Tình hình đầu tư và hoạt động : - Tỷ lệ đất đã cho thuê : 96.83% - Tổng số nhà đầu tư : 42 - Tổng số vốn đầu tư : 144,525,050 (USD) - Ngành nghề thu hút đầu tư : các ngành công nghiệp không gây ô nhiễm như công nghiệp cơ khí, lắp ráp điện tử, may, dệt, da, nhựa, cao su, nhôm, sành sứ, thuỷ tinh, đồ mỹ nghệ xuất khẩu, thiết bị trang trí nội thất, dược, mỹ phẩm, chế biến lương thực, thực phẩm. - Tổng số lao động : 8287 người. ¾ Cơ sở hạ tầng : - Giao thông : đạt 70%. - Cấp điện : mạng điện chung của thành phố Hồ Chí Minh từ trạm 110/22-15KV Củ Chi. - Cấp nước : 100000m3/ngày. - Thông tin liên lạc : trong nước và quốc tế. - Xử lý nước thải : 10000m3/ngày. - Giá thuê đất : 34 – 40 triệu USD cho 42 năm (đặt cọc 5%). - Giá điện : 0.7 USD. - Giá nước : 0.22 USD. II. Nguyên liệu sản xuất bia 1. Malt 1.1. Khái niệm chung ¾ Khái niệm : Malt là hạt ngũ cốc đã nảy mầm (malt lúa gạo, malt lúa mì, malt đại mạch…). ¾ Phân loại malt : gồm 2 nhóm malt chính 9 Malt xanh (green malt) : là hạt ngũ cốc đã nảy mầm nhưng chưa tách mầm, chưa qua sấy nên có độ ẩm hạt cao. 9 Malt thành phẩm : là sản phẩm malt đã qua sấy và tách mầm. ¾ Phạm vi ứng dụng của malt : 9 Trong công nghệ lên men : malt là nguồn enzyme, chế phẩm enzyme. 9 Trong công nghệ thực phẩm : malt được dùng như nguồn nguyên liệu để chế biến ra nhiều loại thực phẩm khác (sản xuất đường nha, syrup glucose, dextrin…). GVHD : PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH :Chu Xuân Trường 3 Thiết kế phân xưởng lên men ¾ Malt đại mạch : thông dụng, phổ biến và được sản xuất nhiều nhất do có hoạt tính enzyme cao. Là nguyên liệu chính trong công nghệ sản xuất bia. 1.2. Malt đại mạch 1.2.1. Đặc tính thực vật ¾ Đại mạch là một loại ngũ cốc vùng ôn đới thuộc nhóm thực vật có hạt, lớp một lá mầm, họ hoà thảo. ¾ Đại mạch là loại thựa vật một năm. Dựa vào mùa vụ chúng được chia thành 2 nhóm chính : 9 Đại mạch mùa đông : gieo hạt mùa đông, thu hoạch mùa hè. 9 Đại mạch mùa xuân : gieo hạt mùa xuân, thu hoạch mùa thu. ¾ Chu kỳ sinh trưởng của đại mạch thông thường là 100 – 120 ngày. Kết thúc quá trình sinh trưởng cây sẽ nở hoa và kết hạt. Hoa đại mạch nằm ở phần trên cùng của cây và kết thành bông. Mỗi một bông gồm 2 bộ phận : trục bông và gié. Khác với cây lúa nước, bông đại mạch chỉ có gié cấp một mà không có gié cấp hai. Gié của bông đại mạch thực chất là cuống hạt được đính trực tiếp vào trục bông. Tại mỗi mắt của trục bông có 3 gié, trên mỗi gié có một hoa. Số hoa biến thành hạt chắc quyết định hình dáng của bông đại mạch. Thông thường thì số đó là 1 hoặc 3. 1.2.2. Phân loại đại mạch dựa vào số hàng hạt : gồm 2 loại chính ¾ Đại mạch 2 hàng : trong một bông đại mạch có một nhánh được thụ phấn hình thành hai hàng hạt đối xứng. Đại mạch hai hàng được dùng chủ yếu cho công nghệ sản xuất bia do hạt to, cân đối và đồng đều. Đại mạch hai hàng được chia thành ba nhóm nhỏ : 9 Đại mạch bông cúi : trục bông rất dẻo, gié của hạt dài, sau khi trổ hoa và làm đòng thì bông bắt đầu cúi xuống. 9 Đại mạch bông đứng : cây to và cứng, bông dày hạt cho nên góc tạo trục bông và gié bông lớn, được trồng ở một số nước Tây Âu. 9 Đại mạch bông xoè : gié rất ngắn, hạt gần như được dính vuông góc với trục bông, được trồng nhiều ở Anh, Ailen, Bắc Mỹ. ¾ Đại mạch đa hàng (gồm đại mạch 4 hàng và đại mạch 6 hàng) : trong một bông cả ba nhánh đều được thụ phấn, hình thành 6 hàng hạt hoặc 4 hàng hạt (do một nhánh được thụ phấn nhưng yếu hơn hai nhánh còn lại). Tuy nhiên do kích thước của hạt không đồng nhất nên thường được sử dụng làm thức ăn gia súc hoặc sản xuất malt giàu enzyme protease. 1.2.3. Cấu tạo hạt đại mạch Gồm 3 bộ phận chính : vỏ, phôi và nội nhũ. ¾ Vỏ : chiếm 8 – 15% trọng lượng hạt, gồm 3 lớp : vỏ trấu, vỏ quả và vỏ hạt. Lớp vỏ quả và vỏ hạt liên kết chặt chẽ với nhau. 9 Ở đại mạch 2 hàng vỏ trấu của hạt khá mỏng, mềm mại còn ở đại mạch đa hàng thì vỏ trấu dày và thô hơn. Thành phần hoá học của vỏ trấu chủ yếu là cellulose liên kết chặt chẽ lại nhờ chất khoáng và lignin. 9 Lớp vỏ quả rất dai và bền vững. GVHD : PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH :Chu Xuân Trường 4 Thiết kế phân xưởng lên men 9 Lớp vỏ hạt có vai trò như một màng bán thấm chỉ cho nước thấm vào bên trong hạt đồng thời giữ lại các chất hoà tan trong hạt không thấm ra ngoài. ¾ Phôi là cơ quan sống, hô hấp của hạt. Phôi chỉ chiếm 2.5 – 5% trong lượng hạt. Trong phôi có từ 37 – 50% chất khô là thành phần nitơ, 7% chất béo, 5 – 6% đường saccharose, 7 – 7.5% pentozan, 6 – 6.5% chất tro và một số thành phần khác. Riêng tinh bột hầu như không đáng kể. ¾ Nội nhũ chiếm 45 – 68% trong lượng hạt, giữ vai trò quyết định chất lượng của đại mạch trong sản xuất bia. Ngoài cùng của nội nhũ tiếp giáp với lớp vỏ hạt là lớp aleuron. Lớp aleuron này rất giàu protein, chất béo, đường, cellulose, pentozan, vitamine và chất tro. Dưới lớp aleuron là phần nội nhũ thật của hạt. Thành phần chính trong nội nhũ là hạt tinh bột hình tròn có kích thước rất đa dạng. Nếu hàm lượng protein trong địa mạch càng cao thì càng nhiều hạt tinh bột kích thước nhỏ. Ngoài tinh bột nội nhũ còn chứa một số tạp chất khác như nitơ : 0.5 – 1.5%, tro : 0.2 – 0.7%, acid béo : 0.6%. Tóm lại, vỏ hạt chiếm tỷ lệ lớn nhưng không có giá trị dinh dưỡng. Trong công nghệ sản xuất bia vỏ hạt gây bất lợi do chứa nhiều chất màu, chất đắng, chất chát. Nếu những chất này hoà tan vào dịch đường sẽ làm giảm chất lượng của sản phẩm. Tuy nhiên nó đóng vai trò xây dựng màng lọc trong quá trình tách bã khỏi khối cháo. Nội nhũ chiếm phần lớn trọng lượng hạt, tập trung hầu hết chất dinh dưỡng và là nguồn cung cấp chất hoà tan cho dịch đường. Phôi chiếm tỷ lệ không đáng kể so với trọng lượng hạt. Mặt khác trong quá trình chế biến các thành phần trong phôi hoà tan rất ít vào dịch đường. 1.2.4. Thành phần hoá học của đại mạch (tính theo % khối lượng hạt) ¾ Độ ẩm : 12 – 16%. ¾ Glucid : 9 Tinh bột : 54 – 65%. Trong công nghệ sản xuất malt và bia, tinh bột có hai chức năng : một là nguồn thức ăn dự trữ cho phôi, hai là nguồn chất hoà tan cho dịch đường trước lên men. Tinh bột bao gồm hai hợp phần AM : 20 – 25% và AP : 75 – 80%. 9 Cellulose : chiếm khoảng 20% chất khô của vỏ. Đóng vai trò quyết định trong quá trình lọc dịch đường vì lớp vỏ trấu là vật liệu tạo màng lọc phụ lý tưởng. 9 Hemicellulose : chiếm phần lớn chất khô của vỏ trấu, gồm những hỗn hợp polysacchride khác nhau. 9 Các hợp chất pectin và các chất dạng keo làm cho dịch bia có độ nhớt cao, khó lọc, tuy nhiên các hợp chất này tao cho bia có vị đậm đà và làm tăng khả năng tạo và giữ bọt của sản phẩm. ¾ Protein : chiếm 9 – 14%, gồm 4 nhóm đại diện tiêu biểu : albumin (tan trong nước), globulin (tan trong nước muối), prolanin (tan trong rượu), glutenin (tan trong kiềm). Trong quá trình sản xuất bia, albumin, globulin và một phần nhỏ prolanin hoà tan vào dịch đường và tồn tại trong bia GVHD : PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH :Chu Xuân Trường 5 Thiết kế phân xưởng lên men còn những cấu tử khác thì bị kết lắng và thải ra ngoài theo bã malt và cặn lắng. ¾ Các hợp chất không chứa nitơ : 9 Polyphenol và chất đắng : tập trung ở lớp vỏ. Phần lớn những họp chất hoà tan được và tồn tại trong bia đều là dẫn xuất của catechin (thuộc nhóm flavonoid). Những chất này dễ dàng kết hợp với protein cao phân tử tạo thành phức chất dễ kết lắng làm tăng độ bền keo của sản phẩm. Mặt khác sự hoà tan polyphenol vào dịch đường ảnh hưởng xấu đến vị của bia. Chất đắng, chất chát cũng là nguyên nhân gây ra vị đắng khó chịu cho bia. 9 Fitin : là muối đồng thời của canxi và magie với acid Inozit phosphoric. Tập trung chủ yếu ở vỏ. Khi bị thuỷ phân sản phẩm lại là nguồn cung cấp P cho nấm men đồng thời làm tăng độ chua tác dụng của dịch cháo ở gia đoạn đường hoá. 9 Vitamine : B1, B2, B6, PP, tiền vitamine A, E, acid pantotenic, biotin, acid pholievic và nhiều dẫn xuất vitamine khác, là nhân tố điều hoà sinh trưởng của nấm men. 9 Chất khoáng : đóng vai trò quan trọng đặc biệt là P. thành phần tro của đại mạch : P2O5 : 35%, MgO : 9%, CaO : 2.8%, Na2O : 2.4%, SO32- : 1.9%, Fe2O3 : 1.5%, Cl- : 1% ¾ Chất béo : chiếm 2 – 3%, tập trung chủ yếu ở phôi và lớp aleuron. Thành phần chủ yếu của phôi là ester của glycerin và các acid béo bậc cao, làm giảm độ bền keo của bia. ¾ Các nhóm enzyme trong đại mạch : gồm 2 nhóm chính 9 Enzyme xúc tác cho các quá trình oxy hoá – khử : các enzyme này chỉ tham gia vào quá trình oxy hoá – khử khi hạt hô hấp hoặc phân huỷ hiếu khí các glucid nghĩa là chúng tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng của quá trình sống. Trong quá trình sấy malt chúng hầu như bị phá huỷ. 9 Nhóm enzyme thuỷ phân : được chia thành 3 nhóm nhỏ : ƒ Nhóm enzyme thuỷ phân các hợp chất glucid : o Diastase (amylase) : thuỷ phân glucid có mạch polymer tương đối đơn giản (tinh bột). o Sitase : thuỷ phân glucid có mạch polymer phức tạp hơn (hemicellulose). ƒ Nhóm enzyme thuỷ phân protein : o Protease : xúc tác chuyển hoá protein thành albumose và peptone rồi thành polypeptid và peptid. o Peptidase : chuyển polypeptid và peptid thành acid amin. o Amidase : tác dụng deamin hoá các acid amin tạo thành acid hữu cơ và nitơ. ƒ Nhóm enzyme esterase : tham gia phá vỡ liên kết ester giữa các hợp chất hữu cơ với nhau hoặc giữa hợp chất hữu cơ và vô cơ. o Lipase : thuỷ phân ester của glycerin và một số loại rượu với acid béo bậc cao. GVHD : PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH :Chu Xuân Trường 6 Thiết kế phân xưởng lên men o Phosphatase : tách acid phosphoric ra khỏi hợp chất hữu cơ có chứa P. Bảng 1: So sánh thành phần hóa học của đại mạch và malt đại mạch. (Tính theo % trọng lượng chất khô) Thành phần Đại mạch Malt đại mạch Tinh bột Đường sacharose Đường khử Các đường khác Hemicellulose Cellulose Lipid Protein Acid amin và peptit Các hợp chất khác Tro 63 – 65 1 – 2 0,1 – 0,2 1 8 – 10 4 – 5 2 – 3 8 – 11 3 – 4 5 – 6 2 58 – 60 3 – 5 3 – 4 2 6 – 8 5 2 – 3 8 – 11 3 – 4 6 – 7 2,2 Chỉ tiêu chất lượng đối với malt đại mạch : 9 Màu sắc : màu vàng nhạt 9 Mùi : mùi đặc trưng 9 Độ sạch : hạt gãy < 0.5% tạp chất < 1% 9 Cỡ hạt : > 85% hạt có kích thước > 2.5 mm 9 Độ xốp : 82% 9 Độ ẩm : 5% 9 Thời gian đường hóa : 10 – 15 phút 9 Hàm lượng chất chiết : 78% 9 Hoạt lực amylase : > 2500oWK 9 Chỉ số Kolbach : > 41% 9 Độ nhớt của dịch đường : 1.3 – 1.5 cP 9 pH của dịch đường : 5.5 – 6 2. Thế liệu (nguyên liệu thay thế đại mạch) : là nguyên liệu chưa nảy mầm 2.1. Mục đích sử dụng thế liệu ¾ Hạ giá thành sản phẩm. ¾ Cải thiện một vài tính chất của sản phẩm. ¾ Tạo ra chủng loại bia có các mức độ phẩm cấp chất lượng khác nhau. ¾ Theo đơn đặt hàng của người tiêu dùng. 2.2. Những thế liệu được sử dụng 2.2.1. Thế liệu dạng hạt : chủ yếu là tiểu mạch, gạo, ngô… ¾ Tiểu mạch (bo bo) : chứa 60 – 65% tinh bột (tính theo chất khô), 2.5 – 3% saccharose, 2% glucose và maltose, 12 – 13% protein, 1.5 – 2% chất béo, GVHD : PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH :Chu Xuân Trường 7 Thiết kế phân xưởng lên men 2.5 – 3% cellulose, 1.5 – 2% chất khoáng, 10 – 11% các hợp chất không chứa nitơ. Khi bột tiểu mạch tham gia quá trình hydrate hoá tạo thành phức chất keo tụ rất dai và dẻo có thể kéo dài thành sợi, chúng được gọi là gluten. Chính vì vậy tiểu mạch thường được sử dụng làm bánh mì. Vạn bất đắc dĩ mới sử dụng trong sản xuất bia. ¾ Gạo : được sử dụng nhiều ở các nước Châu Á hoặc vùng Trung Đông. Thành phần hoá học của gạo (tính theo % trong lượng) : W : 12.6%, hợp chất chứa nitơ : 7.9%, chất béo 0.5%, glucid : 77.8%, cellulose của vỏ lụa : 0.5%, chất tro : 0.7%. gạo có hàm lượng tinh bột khá cao, protein ở mức vừa phải còn chất béo và cellulose ở giới hạn thấp. Với các chỉ số này, gạo là một nguyên liệu khá lý tưởng cho việc sản xuất bia. Với lượng gạo thay thế đến 20% hoàn toàn có thể sản xuất các loại bia có chấ lượng hảo hạng dùng để xuất khẩu. Thực tế và thực nghiệm cho thấy có thể dùng gạo thay thế malt đến 50% (nếu malt có hoạt tính enzyme tốt) thì quá trình đường hoá và lọc vẫn có thể tiến hành bình thường. ¾ Ngô : được sử dụng ở các nước Mỹ la tinh hoặc Châu Phi. Đặc tính của ngô là phôi khá lớn, chiếm 9 – 15% trong lượng hạt, W : 10 – 11%, glucid : 66 – 70%, prtein : 10 – 12%, chất béo : 5 – 5.5%, cellulose : 2 – 2.5%, tro : 1.5 – 2%. Vì chất béo trong phôi khá cao (23 – 45% trong lượng phôi) nên làm giảm chất lượng kỹ thuật của bia, làm giảm độ bền bọt, khi bia bị oxy hoá cho mùi khó chịu. Do đó cần loại phôi trước khi sử dụng ngô làm thế liệu. ¾ Gạo mì : do đặc tính của vỏ mì không có vỏ trấu và hàm lượng gluten quá cao vì vậy muốn dùng gạo mì làm thế liệu cho malt đại mạch thường phải ươm mầm rồi dùng lết hợp với malt. Nếu không ươm mầm thì sẽ gây cản trở cho quá trình lọc dịch đường và lọc bia, rất khó trong suốt theo yêu cầu. ¾ Đậu : hàm lượng tinh bột trong đậu không lớn, thường < 40% trọng lượng, vì vậy khi nấu bia người ta sử dụng đậu không phải với ý nghĩa thế liệu cho malt mà với ý nghĩa như sau : 9 Trong đậu chứa glucoside có tính saponin làm cho bia có khả năng tạo bọt nhanh. 9 Hàm lượng protein trong đậu rất cao do đó các acid amin từ nguồn protein này sẽ là thức ăn tốt cho nấm men sau này. 9 Trong đậu còn có các vitamine A1, B1, B2, C, E, K và các chất kích thích tăng trưởng đối với nấm men. 9 Hàm lượng enzyme trong đậu cao hơn nhiều so với malt đại mạch. Thực tế cho thấy nếu sử dụng nước trích ly từ đậu đưa vào bổ sung ở khâu lên men thì quá trình lên men sẽ nhanh hơn, bọt bền hơn và bia trong hơn ở nhiệt độ lạnh. 2.2.2. Thế liệu dạng đường ¾ Đường mía và đường củ cải (saccharose) : là thế liệu cao cấp được đưa trực tiếp dưới dạng tinh thể vào nồi đun sôi với hoa h