(CÓ bản vẽ) đồ án THIẾT kế THIẾT bị THỦY PHÂN TINH bột MALT BẰNG ENZYME BETA

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ THIẾT BỊ THỦY PHÂN TINH
BỘT MALT ĐẠI MẠCH BẰNG ENZYME
β
– AMYLASE, NĂNG SUẤT
GVHD:

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 3/2022

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………….1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................2
1


1.1. Ngun liệu......................................................................................................2
1.2. Enzyme β – amylase.........................................................................................4
1.3. Quy trình cơng nghệ sản xuất bia.....................................................................8
1.4. Quá trình thủy phân tinh bột...........................................................................11
1.4.1. Mục đích..................................................................................................11
1.4.2. Q trình thủy phân tinh bột....................................................................12
1.5. Thiết bị thủy phân tinh bột.............................................................................16
CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT...................................................................19
2.1. Tính lượng ngun liệu malt và nước.............................................................19
2.2. Tính lượng chất hịa tan và bã........................................................................20

2.3. Khối lượng riêng huyền phù...........................................................................21
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG...........................................................22
3.1. Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình đun nóng nguyên liệu............................23
3.2. Bề mặt truyền nhiệt........................................................................................25
3.3. Nhiệt lượng làm nóng nồi...............................................................................25
3.4. Nhiệt lượng tổn thất........................................................................................26
3.5. Nhiệt lượng điện trở cần cung cấp để đun sôi nước........................................27
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THIẾT BỊ........................................................................28
4.1. Chọn kích thước thiết bị phù hợp...................................................................29
4.1.1. Kích thước thân trong..............................................................................29
4.1.2. Kích thước vỏ áo......................................................................................30
4.2. Bề dày thân trụ thiết bị...................................................................................31
4.2.1. Lớp thép tiếp xúc với dịch đường (chịu áp suất ngoài)............................31
4.2.2. Bề dày lớp thép vỏ áo (chịu áp suất trong)...............................................33
4.3. Bề dày đáy elip...............................................................................................34
4.3.1. Đáy chịu áp suất ngoài (lớp đáy thép elip tiếp xúc với dịch đường)........34
4.3.2. Tính đáy elip chịu áp suất trong (vỏ áo)...................................................35
4.4. Tính bề dày lớp cách nhiệt..............................................................................37
4.5. Tính cánh khuấy của thiết bị...........................................................................38
4.5.1. Tính cơng suất cánh khuấy......................................................................39
4.5.2. Động cơ điện............................................................................................39
4.5.3. Tính trục khuấy........................................................................................40
4.6. Thiết kế chân đỡ thiết bị.................................................................................41
4.6.1. Khối lượng lớp thép thân trong của thiết bị.............................................43
2


4.6.2. Khối lượng của lớp thép vỏ áo.................................................................44
4.6.3. Khối lượng nắp thiết bị............................................................................45
4.6.4. Khối lượng cánh khuấy............................................................................45

4.6.5. Khối lượng lớp cách nhiệt........................................................................45
4.6.6. Khối lượng thép ngồi thiết bị.................................................................46
4.6.7. Kích thước bu lông..................................................................................47
4.6.8. Chọn ống dẫn...........................................................................................48
4.6.9. Khối lượng chân đỡ cần chịu...................................................................48
KẾT LUẬN…………………………………………………………………………..50
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................51

CHƯƠNG 1:
1.1.

TỔNG QUAN

Nguyên liệu
Malt đại mạch là nguyên liệu chính, thiết yếu dùng để sản xuất bia. Đại mạch

thuộc họ Hordeum Sativum, có một số ít thuộc họ H.Muvirum, H.Jubatum.
Malt là một sản phẩm dựa trên sự chuyển hóa sinh của q trình nảy mầm tự
nhiên từ đại mạch. Mục đích của q trình cho hạt nảy mầm là để hoạt hóa, tích lũy
khối lượng và hoạt lực của hệ enzyme có trong hạt đại mạch. Kích thước, hình dáng
của hạt malt hầu như vẫn giữ được sự nguyên vẹn của hạt đại mạch nhưng thành phần
hóa học bên trong hạt malt so với hạt đại mạch đã có nhiều q trình chuyển hóa quan
trọng với mức độ khác nhau. Chính các q trình đó đã tạo ra hạt malt có các đặc tính
riêng của nó.

3


Hình 1.1. Cấu tạo hạt đại mạch
Chỉ tiêu nguyên liệu

 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).

-

Mùi vị: mùi vị đặc trưng cho malt vàng là vị ngọt nhẹ hay ngọt dịu,
có hương thơm đặc trưng, khơng 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 – 560 g/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

 Thành phần chính
4


STT

1.2.

Thành phần hóa học của malt

% chất khơ

1

Tinh bột

58 – 65

2

Đường khử

4

3

Saccarose

5

4

Pentose

1

5

Nitơ formol

0,7-1

6

Chất khống

2,5

7

Pentozan khơng hồ 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

Enzyme β – amylase

Enzyme β – amylase, còn gọi là 1,4 – α – D – glucan maltohydrolase, phân bố chủ yếu
trong thực vật (hạt, củ) đặc biệt có nhiều ở ngũ cốc nảy mầm, có pH opt = 4 – 5, topt
khoảng 50 – 650C, 700C enzyme mất hoạt tính, bền với acid, chỉ cắt đứt liên kết 1 – 4
glucoside từ đầu không khử từng 2 gốc glucose và chỉ phân giải 40 – 50% tinh bột, gọi
là enzyme đường hóa. Sản phẩm thủy phân chủ yếu là maltose và β – dextrin (dextrin
giới hạn).
 Cấu tạo
Enzyme β – amylase, còn gọi là 1,4 – α – D – glucan maltohydrolase, phân bố chủ yếu
trong thực vật (hạt, củ) đặc biệt có nhiều ở ngũ cốc nảy mầm. Trong các hạt ngũ cốc
nảy mầm, β – amylase xúc tác sự thủy phân các liên kết 1,4 – α – D – glucan trong tinh
bột, glucogen và polysaccharide, phân cắt từng nhóm maltose từ đầu khơng khử của
mạch. Maltose được tạo thành do sự xúc tác của β – amylase.
Ở ngũ cốc, β – amylase tham gia vào sự phân giải của tinh bột trong quá trình nảy
mầm của hạt. Ở lúa, β – amylase được tổng hợp trong suốt quá trình của hạt và hầu
như khơng được tổng hợp ở hạt khơ. Ở lúa mạch, enzyme có mặt ở trong hạt khơ,
được tích lũy trong suốt q trình của hạt, khi ở dạng liên kết, enzyme này là một
5


phân tử có trọng lượng phân tử là 64.000 Da và khi bị phân cắt bởi một protease sẽ
được phóng thích dưới dạng tự do và có khối lượng phân tử là 59.000 Da.
 Cơ chế tác dụng của β – amylase
β – amylase là một enzyme ngoại bào (exoenzyme). Tiến trình phân giải bắt đầu từ
đầu khơng khử của các nhánh ngoài cùng cơ chất. β – amylase phân cắt các liên kết α
– 1,4 glucoside nhưng khi gặp liên kết α – 1,6 glucoside thì sẽ ngừng tác dụng. Phần
polysaccharide cịn lại là dextrin phân tử lớn có chứa rất nhiều liên kết α – 1,6
glucoside và được gọi là β – dextrin.
-

Cơ chế tác dụng của β – amylase lên tinh bột
β – amylase
Tinh bột

Maltose (54 – 58%) + β – dextrin (42 – 46%)

(Glucogen)
-

Tinh bột bị thủy phân đồng thời bởi cả α – amylase và β – amylase thì
lượng tinh bột thủy phân tới 95%.

 Đặc tính của β – amylase
-

β – amylase là một albumin, tâm xúc tác có chứa nhóm –SH, nhóm XCOOH và vòng imidazol của các gốc histidine và là enzyme ngoại bào
(exoenzyme).

-

β – amylase khơng bền khi có Ca2+, β – amylase bị kìm hãm bởi Cu2+,
Hg2+, ureaa, iodineoacetamide, iodine, ozon…

-

β – amylase chịu nhiệt kém hơn α – amylase nhưng bền hơn với acid. β –
amylase bị bất hoạt ở nhiệt độ 700C, có pHopt = 4 – 5, topt khoảng 50 –
650C.
pHopt

topt

5,5

55 - 65

5,2 – 5,6

55

Đỗ tương

5,4

55

Khoai lang

5,0 – 6,0

50 – 55

Nguồn gốc enzyme
Đại mạch
Lúa mỳ

6

B. cerus

7,0

40

B. polymyxa

7,5

40

B. megaterium

6,5

40 - 65

 Một số ứng dụng của amylase
-

Ứng dụng amylase trong sản xuất bia:
+ Trong công nghệ sản xuất bia truyền thống, đầu tiên enzyme amylase
của malt được sử dụng để thủy phân tinh bột trong malt, sau đó đến giai
đoạn rượu hóa bởi nấm men Saccharomyces spp. Cơ sở khoa học của
việc sử dụng amylase của malt ở chỗ, khi đại mạch chuyển từ trạng thái
hạt sang trạng thái nảy mầm (malt), enzyme amylase sẽ được tổng hợp
và khi đó enzyme này sẽ thủy phân tinh bột có trong hạt tạo ra năng
lượng và vật chất cho sự tạo thành mầm. Như vậy, việc đường hóa tinh
bột trong hạt nhờ enzyme của chính nó.

+ Để giảm giá thành, trong quá trình lên men tạo bia thì nhà sản xuất
khơng sử dụng hồn tồn 100% ngun liệu là malt đại mạch mà có sự
pha trộn theo một cơng thức nào đó để thay thế malt và bổ sung nguồn
tinh bột cho quá trình lên men. Lý do là một phần để tạo hương vị cho
bia, màu sắc, độ cồn phù hợp cho người tiêu dùng và một phần là làm
giảm giá thành cho sản phẩm bia. Chính vì điều này, các nhà sản xuất bia
sử dụng chế phẩm enzyme amylase cung cấp cho quá trình thủy phân
tinh bột. Ngoài ra, trong sản xuất bia, người ta cịn sử dụng chế phẩm
enzyme cellulose có tác dụng phá vỡ thành tế bào, tạo điều kiện để các
thành phần có trong tế bào hạt thốt ra phía ngồi nhờ đó chất lượng bia
được nâng cao hơn. Một loại enzyme khác cũng được sử dụng khá rộng
rãi là glucose amylase, enzyme này được sử dụng để loại trừ O 2 có trong
bia, giúp q trình bảo quản bia kéo dài hơn.
+ Sử dụng chế phẩm enzyme để nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm, sử
dụng nguyên liệu thay thế, tăng khả năng lọc dịch đường, tăng độ hòa
tan của các hợp chất nitơ, tăng khả năng giữ bọt và độ bền vững của bia.
7


-

Ứng dụng amylase trong sản xuất cồn:
+ Để sản xuất cồn từ nguồn nguyên liệu tinh bột, mỗi nước sử dụng các
nguyên liệu khác nhau. Quá trình sản xuất cồn trải qua hai giai đoạn: giai
đoạn đường hóa và giai đoạn rượu hóa.
+ Trong giai đoạn đường hóa, người ta bắt buộc phải sử dụng enzyme
amylase. Đến thế kỷ XIX khi Takamine người Nhật đưa nấm mốc
Aspergillus sang Mỹ, người Mỹ đã áp dụng để sử dụng phương pháp
Mycomalt (mầm mốc) trong sản xuất cồn và rượu. Nhờ sự du nhập kỹ
thuật này từ Nhật mà người Mỹ tiết kiệm được một khối lượng malt

khổng lồ trong sản xuất rượu.
+ Phương trình đường hóa:
Hệ enzyme amylase
(C6H10O5)n + nH2O

nC6H12O6

Tinh bột

Glucose

+ Giai đoạn rượu hóa: Nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae, cũng có
thể xem đây là một quá trình sử dụng hệ enzyme oxy hóa khử trong nấm
men để chuyển hóa đường thành rượu. Rượu hóa là q trình hết sức
phức tạp, trải quá rất nhiều giai đoạn chuyển hóa từ đường thành cồn
nhờ sự tham gia của nhiều enzyme khác nhau. Điểm khác với enzyme
amylase là ở chỗ enzyme tham gia quá trình rượu hóa nằm trong tế bào
nấm men. Việc điều khiền các q trình chuyển hóa bởi enzyme trong tế
bào thực chất là quá trình trao đổi chất của nấm men trong mơi trường
chứa đường.
+ Phương trình rượu hóa:
Nấm men
C6H12O6

C2H5OH + CO2

+ Ngoài ra, enzyme amylase cũng được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi
trong sản xuất đường bột, sản xuất dextrin, maltodextrin, dịch glucose,

8

siro, glucose – fructose, sản xuất tương và nước chấm…ở quy mơ cơng
nghiệp.
1.3.

Quy trình cơng nghệ sản xuất bia

 Nghiền

Malt

Nhằm để làm giảm kích thước hạt, phá vỡ cấu trúc tinh bột, làm cho
Nghiền

nước xâm nhập vào nội nhũ nhanh hơn, thúc đẩy q trình đường hố, thuỷ
phân tinh bột diễn ra nhanh và triệt để hơn.
Đường hóa

Vỏ malt giữ được càng nguyên càng tốt. Nếu giữ nguyên được vỏ malt
thì sẽ ngăn chặn được việc chuyển các chất khơng có lợiBã
từ vỏ vào dịch đường
Lọc bã

và bia. Mặt khác, vỏ malt càng nguyên càng tạo điều kiện thuận lợi cho quá
trình lọc, nâng cao vận tốc và hiệu suất lọc.
Nấu hoa

Hoa houblon

Nội nhũ phải được nghiền nhỏ. Tuy nhiên, nếu tỷ lệ bột và tấm mịn, nhất
là bột quá cao thì lọc dịch đường sẽ khó khăn và giảm hiệu suất thu hồi. Vì vậy,
Lắng trong

khi nghiền cần tạo tỷ lệ thích hợp giữa tấm thơ, tấm mịn và bột phù hợp với
từng loại thiết bị lọc.
 Đường hóa

Làm lạnh

Chuyển các chất có trong nguyên liệu từ trạng thái khơng hồ tan sang

Nấm men

Lên men

trạng thái hồ tan nhờ tác động của các hệ enzyme thuỷ phân.
Sau khi nghiền xong, nguyên liệu nên đem đi nấuCặn
ngay vì nếu để lâu bột
Lọc bia

sẽ bị chua, làm ảnh hưởng đến chất lượng của bán thành phẩm và thành phẩm
sau này.
 Lọc bã

Bão hịa CO2

Dịch đường hố bao gồm các chất hồ tan và các chất khơng hồ tan nên
Thanh trùng

cần phải lọc để tách các chất hoà tan ra khỏi các chất khơng hồ tan.
Lọc dịch đường có 2 giai đoạn: giai đoạn thứ nhất là lọc để tách dịch
Đóng chai

đường ra khỏi bã, giai đoạn 2: rửa bã để thu nốt phần chất hồ tan cịn sót lại
trong bã.
Sản phẩm

9


 Nấu hoa
Hịa tan và chuyển hóa chất đắng, thơm của hoa houblon để tạo hương vị
đặc trưng cho dịch houblon hòa và bia sau này. Đồng thời loại trừ các hợp chất
kém bền, tạo ra các sản phẩm làm tăng cường độ màu và hương thơm hấp dẫn,
làm tăng nồng độ các chất hòa tan và thanh trùng dịch hoa houblon hóa, chuẩn
bị cho q trình lên men bia.
Dịch đường và nước rửa bã từ thiết bị lọc chuyển thẳng vào nồi houblon
hóa. Khi nước rửa bã chảy vào nồi gần kết thúc thì bắt đầu nâng nhiệt đến sơi
và cho tồn bộ lượng cao hoa vào nồi nhằm thu chất đắng. Giữ sôi rồi tiếp tục
cho 1/2 lượng hoa viên vào. Trước khi kết thúc quá trình houblon hóa khoảng
30 phút thì cho tiếp 1/3 lượng hoa viên còn lại nhằm tạo hương và kết lắng
protein. Việc bổ sung hoa chia làm hai lần nhằm mục đích tạo hương tốt hơn
cho bia, bởi vì trong quá trình đun hoa lượng tinh dầu thơm sẽ tổn hao 80-90%.
Vì vậy việc bổ sung làm hai lần sẽ giảm tổn thất. Trong q trình đun sơi thì chỉ
số đầu tiên để kết thúc q trình đun sơi là nồng độ dịch đường, những chỉ số
khác là sự có mặt kết tủa của protein và độ trong của dịch đường.
 Lắng trong và Làm lạnh
-

Lắng và tách cặn để làm trong dịch đường.

-

Hạ nhiệt độ của dịch đường đến nhiệt độ lên men.

-

Bão hịa oxy cho dịch lên men

 Lên men
Q trình lên men chính là q trình chuyển hố các chất đường và
dextrin thấp phân tử trong dịch lên men thành C2H5OH, CO2 và một số chất hữu
cơ khác dưới tác dụng của nấm men:
C6H12O6

2C2H5OH + 2CO2 + Q

Đồng thời, còn tạo các sản phẩm phụ như: este, axit hữu cơ, rượu bậc
cao, aldehit, glyxerin,…hoà tan vào dịch lên men tạo thành bia non.
 Lọc bia
10


Bia sau quá trình lên men dù đã qua quá trình tách cặn và xác men
nhưng vẫn chứa nhiều nấm men dư thừa và các chất kết tủa khác có nguồn gốc
từ q trình nấu đường hóa và đun hoa hoặc tạo ra từ q trình lên men. Để có
được sản phẩm có độ trong nhất định, tăng tính ổn định và độ bền các thành
phần, trạng thái phân tán của các thành phần, giá trị cảm quan và thời gian bảo
quản cho bia thành phẩm thì lọc trong là bước đầu tiên của q trình hồn thiện

sản phẩm.
Sau khi lọc thì hàm lượng CO2 bị giảm. Do đó để khơi phục lại sự bão
hồ CO2 trong bia thì sau khi lọc, bia được giữ trong thùng chứa ở nhiệt độ
0,5÷1oC dưới áp suất của CO2 là 0,5 at và thời gian tối thiểu là 4 giờ. Hàm
lượng CO2 trong bia thành phẩm phải đạt ít nhất là 0,3% khối lượng. Nếu chưa
đạt được hàm lượng CO2 này phải bổ sung CO2 cho bia.


Bão hòa CO2
Tạo điều kiện thuận lợi để hịa tan, nâng nồng độ CO 2 có trong bia ở
dạng bão hòa, nhằm bù vào lượng CO2 thất thốt trong các q trình cơng nghệ,
ngồi ra cịn giúp ổn định thành phần, chất lượng của bia theo tiêu chuẩn và
tăng giá trị cảm quan cho bia thành phẩm.

 Thanh trùng
Tiêu diệt các vi sinh vật, vô hoạt các enzyme có trong bia, để ổn định
thành phần, chất lượng, làm tăng độ bền sinh học và bảo quản bia.
1.4.

Quá trình thủy phân tinh bột
Q trình đường hóa ngun liệu malt đại mạch: Đây là quá trình quan trọng

nhất trong quá trình sản xuất dịch lên men. Trong suốt quá trình đường hóa, bột malt
và nước trộn với nhau, các thành phần của malt hòa tan vào nước và ta thu được dịch
đường.
1.4.1. Mục đích
Hầu hết các hợp chất của bột malt khơng tan trong nước. Chỉ có những chất
hịa tan mới tham gia vào thành phần bia. Do vậy q trình đường hóa thực hiện việc
chuyển các chất khơng tan của bột nghiền sang dạng hòa tan.
11

Dịch hỗn hợp sau khi đường hóa gồm tất cả các chất hòa tan vào dung dịch
(chất chiết), bã malt cùng các chất khơng hịa tan khác.
-

Các chất hịa tan như: Đường, dextrin, acid vô cơ và một số protein.

-

Các chất không tan: Tinh bột, cellulose, một số protein cao phân tử
và các hợp chất khác.

Mục đích của q trình đường hóa là tạo ra được càng nhiều chất chiết và chất
lượng dịch càng cao càng tốt. Phần lớn chất chiết được tạo ra nhờ phản ứng enzyme,
các enzyme hoạt động mạnh tại các nhiệt độ thích hợp. Vì vây, q trình đường hóa
được thực hiện tại những điểm phù hợp cho hoạt động của các enzyme.
1.4.2. Quá trình thủy phân tinh bột
Cấu tử quan trọng nhất của bia là rượu được tạo thành trong quá trình men
đường. Tinh bột được thủy phân thành các loại đường trong đó phần lớn là maltose.
Ngồi ra cịn các sản phẩm trung gian như dextrin (không lên men được).
Tinh bột được thủy phân thành đường và dextrin, hỗn hợp này không làm mất
màu iot. Xét về mặt kinh tế, thủy phân càng hết tinh bột càng tốt, bởi phần tinh bột
cịn sót lại gây đục bia thành phẩm.
Quá trình thủy phân tinh bột xảy ra theo 3 giai đoạn, trình tự khơng thể thay
đổi, tuy nhiên chúng xen lẫn nhau:
-

Hồ hóa

-

Dịch hóa

-

Đường hóa

Hồ hóa
Khi ngâm với nước nóng, một lượng nước ngấm vào các phân tử tinh bột
làm thể tích hạt tăng lên và hạt bột trương nở, cuối cùng vỡ tung, dịch trở nên
nhớt. Trong quá trình này, xảy ra quá trình phân hủy khơng có tính hóa học, gọi
là q trình hồ hóa.
Sau khi tinh bột đã hồ hóa sẽ khơng liên kết chặt chẽ với nhau nữa, tạo
điều kiện cho các enzyme có trong dịch tấn cơng trực tiếp vào tinh bột. Ngược
lại, sự thủy phân các tinh bột không bị hồ hóa phải mất vài ngày.
12


Nhờ q trình hồ hóa, tức là sự trương nở và vỡ tung các hạt bột trong
nước nóng mà các phân tử tinh bột được giải phóng tự do vào dung dịch nhớt
và dễ dàng bị tấn công bởi các enzyme amylase hơn là các hạt tinh bột không
được hồ hóa. Nhiệt độ hồ hóa của đại mạch khoảng 60 – 620C.
Dịch hóa
Trong phân tử tinh bột có chuỗi mạch dài tạo nên từ các gốc glucose
(amylose và amylopectin) bị phá hủy nhanh chóng bởi α – amylose hình thành
mạch ngắn hơn. Điều này làm độ nhớt của dịch hồ hóa giảm nhanh. β –
amylose chỉ có thể phân tách từ từ mạch tinh bột từ đầu không khử, do vậy mà
sự thủy phân nhờ enzyme này mất nhiều thời gian. Do vậy, q trình dịch hóa
làm giảm độ nhớt của dịch bột đã hồ hóa.

Đường hóa
α – amylase phân cắt dần dần mạch amylose và amylopectin để tạo nên
các chuỗi ngắn mạch hơn, các dextrin chứa 7 – 12 gốc glucose. Các chuỗi này
được β – amylase tiếp tục phân cắt ra chuỗi có 2 gốc (maltose) từ đầu không
khử. Sự phân cắt của β – amylase diễn ra lâu hơn sự phân cắt mạch dài của α –
amylase.
Do có sự khác nhau về độ dài của các mạch mà ngồi sự tạo thành
maltose cịn tạo nên các đường khác như glucose, maltotriose.
Trong q trình phân cắt amylopectin ln hình thành các chuỗi chứa 2
-3 gốc glucose có mối liên kết 1,6 đó là các dextrin mà cả 2 enzyme α và β
amylase đều không phân cắt được mối liên kết này. Do đó, các dextrin ln tồn
tại trong dịch đường.
β – amylase tạo ra maltose từ đầu không khử của mạch nhưng nó cũng
tạo ra glucose và maltotriose với nhiệt độ tối ưu 60 – 65 0C và rất nhạy với nhiệt
độ cao hơn, mất hoạt tính nhanh ở 700C, pHopt = 5,4 – 5,5.
Sự thủy phân tinh bột cần được theo dõi do tinh bột cịn sót và các
dextrin mạch dài gây đục trong bia. Sự thủy phân tinh bột được kiểm tra bằng
iot 0,02N. Phương pháp kiểm tra này có tên: thử Iot và ln được thử với mẫu
dịch đã được làm nguội. Việc thử Iot dựa trên nguyên tắc dung dịch Iot chuyển
13


sang màu xanh ở nhiệt độ phòng với tinh bột và dextrin có phân tử lượng lớn,
ngược lại đường và các dextrin có phân tử lượng nhỏ hơn khơng làm mất màu
nâu của Iot.
Khi thử thấy dịch đường mẫu không làm mất màu iot nữa thì kết thúc
đường hóa. Thời gian thủy phân các phân tử tinh bột cho đến khi dịch thủy
phân không làm mất màu Iot gọi là thời gian đường hóa.

Hình 1.2. Q trình phân giải tinh bột bằng enzyme β – amylase và sản phẩm

thủy phân tinh bột hình thành1
Các sản phẩm thủy phân tinh bột hình thành trong q trình đường hóa
liên quan nhiều đến hoạt động của nấm men:
-

Dextrin: khơng lên men được

-

Maltotriose: có thể lên men được bởi một số chủng nấm men lên men
nổi S. cerevisiae. Tuy nhiên chỉ được lên men sau khi maltose đã lên
men hết (lên men chậm).

-

Maltose và các disaccharide khác được nấm men lên men dễ dàng
(loại đường lên men chủ yếu).

-

Glucose: là đường mà nấm men sử dụng đầu tiên trong quá trình lên
men.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự thủy phân tinh bột trong q trình
đường hóa là: Nhiệt độ, pH dịch malt, thời gian đường hóa.

1 Wolfgang Kunze (2010), TECHNOLOGY Brewing & Malting, VLB Berlin , Germany (Page 222)

14

Sự tác động độc lập của enzyme β – amylase lên tinh bột:
Enzyme β - amylase cắt 2 gốc glucoside trên toàn mạch của amylose và
mạch nhánh của amylopecin để tạo thành đường maltose. Enzyme này không
vượt qua được liên kết α – 1,6 glucoside, chúng dừng tác động trước điểm rẽ
của mạch nhánh amylopectin. Tác động của enzyme này trên mạch amylose bắt
đầu từ phía cực kín, cịn trên mạch amylopectin, từ phía ngồi của mạch nhánh
đi vào. Sản phẩm tạo thành do tác động phân cắt của β – amylase là đường
maltose.

Hình 1.3. Sự tác động của β – amylase lên tinh bột
Thực hiện q trình đường hóa theo phương pháp toàn khối bằng phương án
tăng dần nhiệt độ:
Bột malt được trộn đều với nước ở 45 0C. Sau đó tồn bộ dịch bột được nâng lên
khoảng 520C và giữ n ở nhiệt độ đó trong vịng 15 phút. Nâng nhiệt độ lên 65 0C và
duy trì nhiệt độ này trong 20 phút. Nâng nhiệt độ lên 72 0C và dừng ở đây 20 phút đến
khi quá trình đường hóa hồn tất, sau đó nâng lên 78 0C trong khoảng 5 phút để kết
thúc quá trình.
1.5.

Thiết bị thủy phân tinh bột
Khi nấu ta thường dùng từ 1 hay 2 thiết bị nấu tùy theo quy trình cơng nghệ.

Nếu dùng 100% malt đại mạch nhưng dùng quy trình ngâm thì ta chỉ cần thiết bị
đường hóa, nếu sử dụng quy trình có đun sơi từng phần thì cần thêm 1 thiết bị nữa.
15


Hoặc sử dụng nguyên liệu thay thế 1 phần malt thì cũng cần 1 thiết bị nấu riêng để xử
lý nguyên liệu thay thế.
Kích cỡ của cánh khuấy, vận tốc quay phải phù hợp với đường kính của thiết bị

và vận tốc biên của nó khơng vượt q 3,8m/s nếu khơng sẽ sinh lực kéo do chuyển
động xốy tác động xấu đến thành phần dịch nấu.
 Mục đích:
Chuyển những hợp chất cao phân tử trong nguyên liệu thành những chất
phần tử thấp để hòa tan vào nước dưới tác động của nhiệt độ để trở thành chất
chiết của dịch đường, thực chất là ta đưa về các nhiệt độ tối ưu cho enzyme
hoạt động, cho hoạt động xúc tác xảy ra mạnh mẽ nhất.
 Thiết bị thủy phân nguyên liệu malt đại mạch
-

Thiết bị nồi đường hóa với năng suất 50 lít/mẻ.

-

Tốc độ khuấy: 30 vịng/phút.

-

Thiết bị làm bằng thép khơng gỉ.
Hình 1.4. Sơ đồ ngun lý hoạt động của thiết bị thủy phân

 Ưu điểm:
-

Hệ thống điều chỉnh đơn giản, tự động

-

Chất lượng nấu đảm bảo

-

Dễ vận hành

 Nhược điểm: Năng suất nhỏ
 Nguyên lí hoạt động
kg bột malt được nhập vào thiết bị phản ứng phối trộn với 41 lít nước
theo tỉ lệ malt:nước = 1:4 theo ống nhập liệu .Khuấy trộn đều dịch bột bằng
motor cánh khuấy mỏ neo theo phương pháp khuấy chậm với tốc độ 30
vòng/phút.
Nước trong lớp vỏ áo được gia nhiệt bằng điện trở từ bộ điều khiển
(tác nhân gia nhiệt) với áp suất khoảng 1at, dịch malt trong thiết bị sẽ được
16


nâng nhiệt theo từng giai đoạn bằng cách trao đổi nhiệt với nước nóng trong
lớp vỏ áo bên ngồi.
Ban đầu gia nhiệt dịch malt đến ____ (___) sau đó hiệu chỉnh nhiệt độ
dịch malt đạt___ (____). Tiếp tục gia nhiệt hỗn hợp malt đến ___(___) cho
đến khi kết thúc quá trình đường hóa (kiểm tra bằng phương pháp thử với
dung dịch Iot 0,02N). Trong các giai đoạn này, pH của dịch malt có thể
được điều chỉnh bằng acid lactic. Cuối cùng, gia nhiệt hỗn hợp lên ___
trong vòng 5 phút rồi tháo sản phẩm ra khỏi thiết bị.
Khi kết thúc q trình đường hóa, sản phẩm là 50 lít dung dịch đường
sẽ được tháo ra khỏi thiết bị theo ống dẫn

CHƯƠNG 2:

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

-

Chọn nguyên liệu 100% malt

-

Malt có hàm ẩm 6%, hiệu suất hoà tan 80%.

-

Lượng dịch đường sau 1 mẻ nấu là Vsp = lít.

2.1.

Tính lượng nguyên liệu malt và nước

-

Kết thúc quá trình, dịch đường tổn thất khoảng a = 4%.

-

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất:
Vdd =
Trong đó:
+ Vsp: Lượng dịch đường sau 1 mẻ nấu (l)
+ Vdd: Lượng dịch đường trước hao hụt (l)
+ a: % Hao hụt (%)
 Tổng lượng dịch sau đường hóa trước khi hao hụt:
Vdd = = ___ (lít)

Ta có: Tỷ lệ phối trộn malt:nước = 1:4
-

Thể tích nước có trong nồi đường hóa:
17


Vnước = Vdd × = ___× = ___(lít)
-

Thể tích ngun liệu malt cần sử dụng:
Vmalt = Vdd – Vnước = (lít)

-

Thể tích nước có sẵn trong ngun liệu malt:
Vnước(s) = Vmalt × 6% = × 6% = (lít)

-

Thể tích bột malt nghiền: 80 lít/100 kg bột
 Khối lượng nguyên liệu malt cần sử dụng:
mmalt = Vmalt × = __× = __(kg)

Trong đó:
+ Vdd: Thể tích dịch đường sau q trình đường hóa (lít)
+ Vnước: Thể tích nước trong dịch đường (lít)
+ Vnước(s): Thể tích nước có sẵn trong dịch malt (lít)
+ Vmalt: Thể tích bột malt có trong dịch đường (lít)

+ mmalt: Khối lượng bột malt (kg)
2.2.
-

Tính lượng chất hịa tan và bã
Lượng chất khô của malt là:
mkhô = mmalt × 0,94 = (kg)

-

Lượng chất chiết từ 13 kg malt ngun liệu:
mchiết = mkhơ × 0,8 = (kg)

-

Khối lượng malt khơng hịa tan:
mkt = mkhơ - mchiết = (kg)

-

Độ brix dịch đường:
0

Bx = × 100 = × 100 = 0Bx

Trong đó:
+ mkhơ: Khối lượng chất khơ của ngun liệu malt (kg)
18

+ mchiết: Khối lượng chất chiết từ nguyên liệu malt (kg)
+ mkt: Khối lượng malt khơng hịa tan (kg)
+ mdd: Khối lượng dịch đường (kg)
NĂNG SUẤT LÍT/MẺ
Nguyên liệu

Khối lượng (kg) – Đầu vào

Thể tích (l) – Đầu vào

Bột malt

(kg)

(l)

Nước

(kg)

(l)

2.3.

Khối lượng riêng huyền phù
Khối lượng riêng huyền phù tính theo cơng thức:

Trong đó :
+ hp: Khối lượng riêng của huyền phù (kg/m3)
+ bk: Khối lượng bã khô (kg/m3)

+ : Khối lượng riêng của nước ở 65 0C (kg/m3) = 980,5 (kg/m3) (Tra bảng I.249,
trang 311, [6])
+ Chọn nhiệt độ nước ở 650C vì ở nhiệt độ này q trình đường hố tinh bột xảy
ra với hiệu suất cao nhất .
+ Nồng độ pha rắn trong huyền phù:
C1 = =
 =
 (kg/m3)
2.4.

Độ nhớt huyền phù
Độ nhớt huyền phù:

Trong đó :
19


+ Xh: Nồng độ pha rắn trong huyền phù tính theo phần thể tích.
+ 1 : Độ nhớt pha liên tục (Ns/m2) (Tra bảng I.249, trang 311, [6])
Thể tích phần malt khơng hồ tan:
Vmalt = (m3)
Nồng độ pha rắn trong huyền phù tính theo phần thể tích:
Xh =
Giá trị độ nhớt của huyền phù:
4

(Ns/m3)
CHƯƠNG 3:

CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG

Hình 3.5. Sơ đồ tính tốn cân bằng nhiệt lượng
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Qnguồn nhiệt = Qđun + Qgia nhiệt + Qtổn thất
Trong đó:
+ Qnguồn nhiệt: Nhiệt lượng của điện trở (kcal), Qnguồn nhiệt = Qnước
+ Qđun: Nhiệt lượng đun nóng nguyên liệu trong quá trình thủy phân (kcal)
+ Qgia nhiệt: Nhiệt lượng làm nóng thân trong thiết bị (kcal)
+ Qtổn thất: Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình thủy phân (kcal)
3.1.

Nhiệt lượng cung cấp cho q trình đun nóng ngun liệu

Chu trình nhiệt của quá trình thủy phân:
Hình 3.6. Biểu đồ nhiệt độ - thời gian của quá trình thủy phân
Áp dụng cơng thức tính nhiệt lượng sau:
 Q=G×c×
Trong đó:
+ G: lượng dịch malt (kg)
20


+ c: nhiệt dung riêng dịch malt (J/kg.độ)
-

Lượng dịch đường hóa sau 1 mẻ nấu: 50 (l)

-

Lượng dịch malt có trong nồi đường hóa: 10,41 (l)

-

Lượng nước có trong nồi đường hóa: 41,67 (l)

-

Phối trộn nước:malt theo tỉ lệ = 4:1  Độ ẩm dịch đường là 80%

-

Nhiệt độ của nước ở 1000C có áp suất p = 1,03 at = 0,101 N/mm2

-

Nhiệt dung riêng của khối dịch được tính theo công thức: (I.44, trang 152, [6])
c = = (kcal/kg.0C)

Trong đó:
+ : Nhiệt dung riêng của chất hồ tan, = 0,34 (kcal/kg.0C)
: Nhiệt dung riêng của nước, = 1 (kcal/kg.0C)
Quá trình gia nhiệt trong nồi đường hóa:
 Giai đoạn 1: Nâng nhiệt độ dịch malt từ 450C đến 520C
-

Lượng nhiệt cần cung cấp để nâng nhiệt dịch malt từ 450C đến 520C là:
Q1 = G1 × c × = (kcal)
 Giai đoạn 2: Nâng nhiệt độ dịch malt từ 520C đến 650C

-

Coi quá trình này dịch malt tổn thất khoảng 1%.

-

Khối lượng của dịch malt lúc này là:
G2 = = (kg)

-

Lượng nhiệt cần cung cấp để nâng nhiệt dịch malt từ 520C đến 650C là:
Q2 = G2 × c × = (kcal).
 Giai đoạn 3: Nâng nhiệt độ dịch malt từ 650C đến 720C

-

Coi quá trình này dịch malt tổn thất khoảng 1,5%.

-

Khối lượng của dịch malt lúc này là:
G3 = = (kg)
21


Lượng nhiệt cần cung cấp để nâng nhiệt khối dịch từ 650C đến 720C là:

-

Q3 = G3 × c × = (kcal)

 Giai đoạn 4: Nâng nhiệt độ dịch malt từ 720C đến 780C
-

Coi quá trình này dịch malt tổn thất khoảng 1,5%.

-

Khối lượng của dịch malt lúc này là:
G4 = = (kcal)
Lượng nhiệt cần cung cấp để nâng nhiệt khối dịch từ 720C đến 780C là:

-

Q4 = G4 × c × = (kcal)
Vậy tổng lượng nhiệt cần cung cấp cho q trình đường hố là:
Qđun = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = (kJ)
3.2.

Bề mặt truyền nhiệt
Qđun = K.F..τ
Trong đó:
+ α: hệ số tỏa nhiệt (W/�2.℃)
α1 = 9,3 + 0,058.tN = 9,3 + 0,058.100 = 15,1 (W/�2.℃)
α2 = 9,3 + 0,058.tD = 9,3 + 0,058.61,5 = 12,867 (W/�2.℃)
+ tN: Nhiệt độ trung bình ở thành vỏ áo trong giai đoạn đun nóng, tN = 100℃
+ tD: Nhiệt độ trung bình của dịch malt; tD = 61,5℃
+ K: Hệ số truyền nhiệt (W/�2.℃)
K = = (W/�2.℃)
+ : Bề dày thân trong (m), = 4 mm = 0,004 m
+ : Hệ số dẫn nhiệt của thép (W/m.℃), = 16,86 W/�.℃ (Tra bảng I.125, trang

127, [6])
+ F: Bề mặt truyền nhiệt (m2)
+ : Hiệu số nhiệt độ trung bình (℃)
= = 36℃
+ τ: Thời gian gia nhiệt dịch malt (giây), τ = 100 phút = 6000 giây
22


Bề mặt truyền nhiệt:
F = = = 0,7 (m2)
3.3.

Nhiệt lượng làm nóng nồi
Qgia nhiệt = Gn × cn × = (kcal)
Trong đó:
+ Gn: khối lượng nồi cần làm nóng (kg)
+ cn = 460 J/kg.0C: nhiệt dung riêng của thép (J/kg.0C)
+ = t2 – t1 = 78 – 30 = 48 (0C)
Gn = mthép(t) + mthép(d) = (kg)

3.4.
-

Nhiệt lượng tổn thất
Lượng nhiệt tổn thất là:
Qtổn thất = K.F..τ
Trong đó:
+ α: hệ số tỏa nhiệt (W/�2.℃)
α1 = 9,3 + 0,058.tN = 9,3 + 0,058.100 = 15,1 (W/�2.℃)
α2 = 9,3 + 0,058.tD = 9,3 + 0,058.30 = 11,04 (W/�2.℃)

+ tN: Nhiệt độ trung bình ở thành vỏ áo trong giai đoạn đun nóng, tN = 100℃
+ tD: Nhiệt độ trung bình của khơng khí; tD = 30℃
+ K: Hệ số truyền nhiệt (W/�2.℃)
K = = = 6,36 (W/�2.℃)
+ : Bề dày thân trong (m), = 4 mm = 0,004 m
+ : Hệ số dẫn nhiệt của thép (W/m.℃), = 16,86 W/�.℃ (Tra bảng I.125, trang
127, [6])
+ F: Bề mặt truyền nhiệt (m2)
+ : Hiệu số nhiệt độ trung bình (℃), = tN – tKK = 100 – 30 = 70 (℃)
+ tN: Nhiệt độ trung bình ở thành vỏ áo trong giai đoạn đun nóng, tN = 100℃
+ tKK: Nhiệt độ khí quyển; tKK = 30℃
+ τ: Thời gian gia nhiệt dịch malt (giây), τ = 40 phút = 2400 giây
23


Qtổn thất = K.F..τ = 6,36.0,7.70.2400 = 307981 (J) = 73,56 (kcal)

 .100%= %
-

Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Qnguồn nhiệt = Qđun + Qgia nhiệt + Qtổn thất = (kcal)
3.5.

Nhiệt lượng điện trở cần cung cấp để đun sôi nước
Qnguồn nhiệt = Qnước = (kcal)
Lượng nước trong vỏ áo:
Qnước = Gnước × cnước ×  Gnước = = (l)
Trong đó:

+ Gnước: Khối lượng nước trong vỏ áo (kg)
+ cnước = 1 kcal/kg.0C: Nhiệt dung riêng của nước (kcal/kg.0C)
+ = 100 – 25 = 75 (0C)
Trong đó: Nhiệt độ của nước (ở áp suất 1at): 1000C (Tra bảng I.251, trang 314,
[6])

-

Công suất điện trở:
P = = (W)

CHƯƠNG 4:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ

Hình 4.7. Sơ đồ tính tốn kích thước thiết bị
4.1.

Chọn kích thước thiết bị phù hợp
Chọn nồi đường hóa là thiết bị hai vỏ thân hình trụ làm bằng thép khơng gỉ

X18H10T, có các thơng số sau.
4.1.1. Kích thước thân trong
Chọn: Ht = 1,5.Dt, Hd = 0,25.Dt
Trong đó:
+ Ht: chiều cao thân trụ của thân trong (mm)
24


+ Hd: chiều cao đáy elip của thân trong (mm)

+ Dt: đường kính thân trụ của thân trong (mm)
+ Dd: đường kính đáy elip của thân trong (mm)
-

Thể tích dịch đường trong một mẻ: Vsp = 50 lít

-

Chọn hệ số chứa đầy là: α = 0,7

 Thể tích thân hình trụ, đáy elip bên trong chứa malt:
Vn = = = 71,43 (lít) = 0,07143 (m3)
-

Đường kính thân trong của thiết bị: (I-8, trang 22, [9])
Dt = Dd = = = 0,386 (m) = 386 (mm)
Trong đó:
+ K = = 1,5
+ K’: Tỷ số phụ thuộc vào hình dạng của đáy (Tra bảng I-1, trang 22, [9])
 K’ = 0,071
Do đó:
Ht = 1,5 × Dt = 1,5 × 0,386 = 0,580 (m) = 580 (mm)
Hd = 0,25 × Dt = 0,25 × 0,386 = 0,1 (m) = 100 (mm)
Vt = π × Ht × = π × 0,58 × = 0,06787 (m3) = 67,87 (l)
Vd = Vn – Vt = 71,43 – 67,87 = 3,56 (l)
Trong đó:
+ Vt: Thể tích thân trụ của thân trong (m3)
+ Vd: Thể tích đáy elip của thân trong (m3)
+ Vn: Thể tích nồi (thân trong) (m3)

4.1.2. Kích thước vỏ áo
Ta có:
F = Sthân trong + Sđáy = π.HTN.DTN + π. = π.HTN .0,386 + π. = 0,7 (m2)
25