Đồ án: Thiết kế hệ thống nồi đun sôi dịch đường với hoa houblon gia nhiệt kiểu ống chùm

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN KỸ THUẬT THỰC PHẨM



ĐỒ ÁN:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NỒI ĐUN SÔI DỊCH ĐƢỜNG
VỚI HOA HOUBLON GIA NHIỆT KIỂU ỐNG CHÙM

GVHD: Phan Vĩnh Hƣng
SVTH1: Lê Thị Bé Hồng -2005130206 -04DHTP2
SVTH2: Nguyễn Thị Bích Kiều -2005130198 -04DHTP2

TP.HỒ CHÍ MINH - THÁNG 5/2016


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................

Tp Hồ Chí Minh, ngày….tháng….năm 2016
Giảng viên hƣớng dẫn

Phan Vĩnh Hƣng



NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
Tp Hồ Chí Minh, ngày….tháng….năm 2016
Giảng viên phản biện


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa công nghệ thực phẩm, trƣờng Đại học
Công nghiệp Thực phẩm TpHCM đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt đồ án
này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Vĩnh Hƣng đã tận tình hƣớng dẫn
cho chúng em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trƣờng Đại học Công nghiệp
thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh nói chung, quý thầy cô trong bộ monn Kỹ thuật
thực phẩm nói riêng đã dạy dỗ chúng em những kiến thức đại cƣơng cũng nhƣ các

kiến thức chuyên ngành, giúp chúng em có đƣợc cơ sở li thuyết vững vàng và tạo điều
kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành đồ án này.
Nhóm em chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2016
Nhóm sinh viên thực hiện


LỜI MỞ ĐẦU
Bia là loại nƣớc giải khát có cồn đƣợc nhiều ngƣời ƣa thích. Bia là loại nƣớc giải
khát nếu uống một cách hợp lí thì rất có lợi cho sức khỏe. Ngày nay, ngành công nghệ
sản xuất bia ngày càng phát triển ở khắp nơi trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói
riêng. Nguyên liệu chính trong sản xuất bia là malt, nƣớc và hoa houblon. Trong đó,
hoa houblon là một nguyên liệu tuy chiếm một tỉ lệ rất nhỏ nhƣng có vai trò quan
trọng giúp bia có vị đắng và hƣơng thơm đặc trƣng. Đến nay ngƣời ta vẫn chƣa tìm
đƣợc nguyên liệu nào có thể thay thế hoa houblon trong công nghệ sản xuất bia.
Vì vậy công đoạn đun sôi dịch đƣờng với hoa houblon là một công đoạn quan trọng
trong công nghệ sản xuất bia. Do đó nhiệm vụ đồ án của chúng em là thiết kế hệ thống
nồi đun sôi dịch đƣờng với hoa houblon và thiết bị gia nhiệt đƣợc sử dụng là thiết bị
trao đổi nhiệt ống chùm. Đây là loại thiết bị đƣợc sử dụng rất phổ biến trong công
nghệ thực phẩm.
Với nhiệm vụ nhƣ trên, đồ án của nhóm em gồm 4 phần chính:
1.

Tổng quan về bia và thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp.

2.

Tính toán thiết bị nồi đun sôi với thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm.

3.

Tính bền cơ khí và tính thiết bị phụ.

4.

Vẽ thiết bị nồi đun sôi có thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm bên

trong.
Trong thời gian thực hiện đồ án này, chúng em đã nhận đƣợc sự tận tình hƣớng dẫn
của thầy Phan Vĩnh Hƣng cũng nhƣ sự cố gắng tìm tài liệu để hoàn thành đồ án tuy
nhiên không tránh khỏi sự thiếu sót. Do đó, chúng em rất mong sự góp ý kiến của các
thầy cô để dồ án hoàn thiện hơn. Từ đó, tích lũy những kinh nghiệm bổ ích cho cuộc
sống cũng nhƣ cho nghề nghiệp tƣơng lai.


Mục lục
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................................................1
1.1.

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ....................................................................................................................1

1.2.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA ................................1

1.3.

TÌNH HÌNH SẢN XUẤT BIA ....................................................................................................1

1.3.1.

Trên thế giới .........................................................................................................................1

1.3.2.

Tại Việt Nam ........................................................................................................................1

1.4.

NGUYÊN LIỆU ...........................................................................................................................2

1.4.1.

Malt đại mạch .......................................................................................................................2

1.4.2.

Nƣớc .....................................................................................................................................2

1.4.3.

Hoa houblon .........................................................................................................................2

1.4.4.

Nấm men ..............................................................................................................................2

1.4.5.

Thế liệu.................................................................................................................................3

1.5.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA ...........................................................................3

1.5.1.

Sơ đồ công nghệ ...................................................................................................................3

1.5.2.

Thuyết minh quy trình: .........................................................................................................5

1.6.

1.5.2.1.

Nghiền nguyên liệu ......................................................................................................5

1.5.2.2.

Hồ hóa và thủy phân nguyên liệu .................................................................................5

1.5.2.3.

Lọc tách bã, rửa bã .......................................................................................................5

1.5.2.4.

Nấu dịch đƣờng với houblon ........................................................................................5

1.5.2.5.

Làm lạnh dịch đƣờng....................................................................................................6

1.5.2.6.

Lên men chính và thu hồi CO2 .....................................................................................6

1.5.2.7.

Lên men phụ và làm chin bia .......................................................................................6

1.5.2.8.

Lọc trong bia ................................................................................................................6

1.5.2.9.

Bảo hòa CO2 .................................................................................................................6

1.5.2.10.

Đóng chai, đóng lon .....................................................................................................7

1.5.2.11.

Thanh trùng bia ............................................................................................................7

CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐUN SÔI DỊCH ĐƢỜNG VỚI HOA HOUBLON ...7

1.6.1.

Các quá trình cơ bản và các yếu tố ảnh hƣởng .....................................................................7


1.6.1.1.

Trích ly và hòa tan chất đắng vào dịch đƣờng .............................................................7

1.6.1.2.

Trích ly và hòa tan các thành phần khác ......................................................................8

1.6.1.3.

Sự biến hình phi thuận nghịch và kết màng protein .....................................................8

1.6.1.4.

Sự thay đổi thế oxy hóa-khử ........................................................................................9

1.6.2.

1.7.

Kĩ thuật đun sôi và houblon hóa dịch đƣờng........................................................................9

1.6.2.1.

Kỹ thuật đun sôi ...........................................................................................................9

1.6.2.2.

Hàm lƣợng và phƣơng pháp nạp ............................................................................... 10

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT ................................................................................................. 11

1.7.1.

Khái niệm: ......................................................................................................................... 11

1.7.2.

Phân loại: ........................................................................................................................... 11

1.7.3.

Các loại thiết bị trao đổi nhiệt thƣờng gặp ........................................................................ 11

1.7.3.1.

Loại vỏ bọc ................................................................................................................ 11

1.7.3.2.

Loại ống..................................................................................................................... 12

1.7.3.3.

Loại có dạng tấm ....................................................................................................... 13

1.7.4.

Cấu tạo và ứng dụng một số dạng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm .................................. 13

1.8.

CHỌN THIẾT BỊ ...................................................................................................................... 14

1.9.

CÁC THIẾT BỊ VÀ CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG NỒI ĐUN SÔI .................................... 14

CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH .......................................................... 16
2.1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƢỢNG........................................................................... 18
2.1.1. Dữ liệu ban đầu ...................................................................................................................... 18
2.1.2. Cân bằng vật chất .................................................................................................................... 18
2.1.2.1. Lƣợng houblon sử dụng ................................................................................................... 18
2.1.2.2. Lƣợng bã hoa.................................................................................................................... 19
2.1.2.3. Tính lƣợng nƣớc trong dịch đƣờng ban đầu ..................................................................... 19
2.1.3. Cân bằng năng lƣợng .............................................................................................................. 19
2.2. THIẾT KẾ BỘ PHẬN ĐUN NÓNG BÊN TRONG ...................................................................... 21
2.2.1. Tính toán truyền nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt .................................................................... 21
2.2.1.1. Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ................................................................................... 21
2.2.1.2. Hệ số cấp nhiệt

khi ngƣng tụ hơi: ............................................................................... 21


2.2.1.3. Hệ số cấp nhiệt

về phía dung dịch cần đun sôi ............... Error! Bookmark not defined.

2.2.1.4. Xác định hệ số trao đổi nhiệt tổng quát K ........................................................................ 25
2.2.1.5. Diện tích bề mặt truyền nhiệt ........................................................................................... 26
2.2.2. Tính kích thƣớc buồng đốt ..................................................................................................... 26
2.2.2.1. Số ống truyền nhiệt ......................................................................................................... 26
2.2.2.2. Tính đƣờng kính thiết bị gia nhiệt .................................................................................... 26
2.2.2.3.

Kiểm tra diện tích truyền nhiệt .................................................................................. 27

2.2.3.

Kích thƣớc tấm định hƣớng hình nón cụt trên buồng đốt ................................................. 27

2.2.4.

Kích thƣớc tấm định hƣớng hình trụ ................................................................................. 28

2.2.5.

Nón phân tán dịch ............................................................................................................. 28

2.3.

TÍNH KÍCH THƢỚC NỒI ĐUN VÀ TỔN THẤT TRONG QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT28

2.3.1. Tính đƣờng kính trong của thiết bị .......................................................................................... 28
2.3.2. Tổn thất nhiệt lƣợng cho phần thân tiếp xúc với dịch đƣờng.................................................. 29
2.3.3.

Tổn thất nhiệt lƣợng của dịch đƣờng khi tiếp xúc với thân: ............................................. 30

2.3.4.

Tổn thất nhiệt lƣợng cho phần đáy: ................................................................................... 31

2.3.5.

Tổn thất nhiêt lƣợng ở phần nắp và 1 phần của thân do hơi nƣớc bốc hơi: Error! Bookmark

not defined.
2.3.6.

Tổn thất nhiệt lƣợng qua ống ngƣng: ................................................................................ 36

CHƢƠNG 3: TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ........................................................... 41
3.1. THIẾT BỊ GIA NHIỆT TRUNG TÂM.......................................................................................... 41
3.1.1. Sơ lƣợc về cấu tạo ................................................................................................................... 41
3.1.2. Tính toán ................................................................................................................................. 41
3.1.3. Tính bền cho các lỗ ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.2. TÍNH KÍCH THƢỚC CÁC ỐNG DẪN ........................................................................................ 43
3.2.1.Cửa tháo sản phẩm ................................................................................................................... 44
3.2.2. Cửa nạp liệu ............................................................................................................................ 44
3.2.3. Ống dẫn hơi đốt ....................................................................................................................... 44

3.2.4. Ống dẫn nƣớc ngƣng ............................................................................................................... 45
3.3. TÍNH VỈ ỐNG ................................................................................... Error! Bookmark not defined.


3.3.1. Sơ lƣợc cấu tạo ............................................................................ Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Tính toán ..................................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.4. TÍNH THÂN THIẾT BỊ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.4.1. Sơ lƣợc về cấu tạo: ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.4.2. Tính toán ..................................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.5. TÍNH CHO ĐÁY THIẾT BỊ.............................................................. Error! Bookmark not defined.
3.5.1. Sơ lƣợc cấu tạo ........................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.5.2. Tính toán ..................................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.6. TÍNH CHO NẮP THIẾT BỊ .......................................................................................................... 51
3.6.1. Sơ lƣợc về cấu tạo ....................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.6.2. Tính toán ..................................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.7. TÍNH CHÂN ĐỠ THIẾT BỊ.......................................................................................................... 55
3.7.1. Sơ lƣợc cấu tạo chân đỡ thiết bị .............................................................................................. 55
3.7.1.1. Khối lƣợng nắp nón .............................................................. Error! Bookmark not defined.
3.7.1.2. Khối lƣợng thép làm thân nồi ........................................................................................... 56
3.7.1.3. Khối lƣợng thép làm đáy ellipse tiêu chuẩn ..................................................................... 57
3.7.1.4. Khối lƣợng thép làm ống truyền nhiệt.............................................................................. 57
3.7.1.5. Khối lƣợng vỉ ống ............................................................................................................ 57
3.7.1.6. Khối lƣợng buồng đốt ...................................................................................................... 58
3.7.1.7. Khối lƣợng ống ngƣng ..................................................................................................... 58
3.7.1.8. Khối lƣợng của lớp cách nhiệt bằng amiang carton của thân và đáy .............................. 58
3.6.1.9. Khối lƣợng lớp inox ở thân và đáy ................................................................................... 59
3.7.2. Khối lƣợng dung dịch lớn nhất có trong thiết bị ..................................................................... 64
3.7.3. Kích thƣớc chân thiết bị .......................................................................................................... 64
3.8. CÁC CHI TIẾT PHỤ ..................................................................................................................... 65
CHƢƠNG 4: THIẾT BỊ PHỤ ............................................................................................................... 66

4.1.

Bẫy hơi .................................................................................................................................. 66

KẾT LUẬN ........................................................................................................................................... 67
Tài liệu tham khảo ................................................................................................................................. 68



CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Giới thiệu tổng quan về bia và nguyên liệu sản xuất bia, cơ sở lí thuyết của quá trình
đun sôi dịch đƣờng với hoa houblon, thiết bị bị gia nhiệt ống chùm. Mô tả công đoạn
houblon hóa, vẽ sơ đồ thiết bị và nguyên lí hoạt động. Tính cân bằng vật chất và năng
lƣợng cho quá trình. Tính và thiết kế hệ thống nồi đun sôi dịch đƣờng với hoa houblon
gia nhiệt kiểu ống chùm:
 Nhiệt độ dịch đƣờng ban đầu là 650C
 Thể tích dịch đƣờng 10hl=1000 (lít)
 Nhiệt độ đun sôi dịch đƣờng với hoa houblon là 1050C
 Chọn nồng độ dịch đƣờng là 120Brix.
1.2.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA

Bia là một trong những đồ uống lâu đời nhất thế giới, lịch sử bia có niên đại đến
6000 năm TCN. Ngày nay, công nghiệp bia là công việc kinh doanh khổng lồ toàn
cầu, bao gồm chủ yếu là các tổ hợp đƣợc ra đời từ các nhà sản xuất nhỏ hơn.

1.3.

TÌNH HÌNH SẢN XUẤT BIA

1.3.1. Trên thế giới
Trong những năm gần đây ngành sản xuất bia ở các nƣớc Châu Âu và Bắc Mỹ suy
giảm, trong khi đó sản lƣợng bia ở các nƣớc Châu Á và Nam Mỹ lại tăng lên và ngày
càng giữ vị trí quan trọng trong thị trƣờng bia thế giới.
1.3.2. Tại Việt Nam
Trong những năm gần dây ngành sản xuất bia của Việt Nam đã có những bƣớc phát
triển mạnh mẽ thông qua việc đầu tƣ cải tạo và mở rộng các nhà máy hiện có, xây
dựng các nhà máy bia mới cũng nhƣ tăng cƣờng liên doanh với các công ty bia nƣớc
ngoài.
Năng lực sản xuất bia hiện nay của các nhà máy đạt công suất 2900 triệu lít/năm. Hà
Nội chiếm 17,64% năng lực sản xuất bia cả nƣớc, thành phố Hồ Chí Minh đạt 45,98%.
Còn các khu vực khác thì thấp.
1


1.4.

NGUYÊN LIỆU

1.4.1. Malt đại mạch
Malt là một trong các nguyên liệu chính, thiết yếu để sản xuất bia nói chung và
không thể thay thế khi sản phẩm là các loại bia truyền thống. Thể loại và phẩm chất
của malt là một trong những yếu tố quan trọng tạo ra sự đặc trƣng của bia thành phẩm.
Matl là nguyên liệu đƣợc sử dụng có số lƣợng nhiều thứ hai (sau nƣớc) tính theo khối
lƣợng. Mức tiêu hao trung bình đối với malt là 1.15-0.2 kg cho 1 lít bia thành phẩm.
1.4.2. Nƣớc

Nƣớc là một trong các nguyên liệu chính chiếm 80-90% trong bia.
Nƣớc dùng để sản xuất dịch lên men, pha chế bán thành phẩm và thành phẩm, nuôi
cấy và nhân giống nấm men…đƣợc coi là nƣớc nguyên liệu của quá trình sản xuất. Về
cơ bản, nƣớc dùng trong sản xuất phải có chất lƣợng của nƣớc uống đƣợc theo tiêu
chuẩn. Ngoài ra, nƣớc nguyên liệu phải đạt các chỉ tiêu quy định.
1.4.3. Hoa houblon
Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản thứ hai trong sản xuất bia
Vai trò của hoa houblon trong sản xuất bia:
 Tạo vị và mùi cho bia
 Góp phần giữ bọt cho bia
 Tăng tính sát trùng cho bia
 Ổn định thành phần của bia
Thành phần hóa học: 11-13% nƣớc, 15-21% chất đắng, polyphenol 2,5-6%, prptein
0,3-3% và các chất khác 26-28%.
Ở các nhà máy ngƣời ta thƣờng sử dụng cao hoa và hoa viên.
1.4.4. Nấm men
Nấm men đƣợc dùng để sản xuất nấm men phải đáp ứng những yêu cầu sau:


Khả năng và tốc độ lên men trong điều kiện nhiệt độ thấp với dịch đƣờng malt.



Khả năng kết lắng đối với những loài lên men chìm.



Hàm lƣợng các sản phẩm bậc hai tạo thành của quá trình lên men.
2



Tính ổn định trong sản xuất.



Tạo ra hƣơng vị và chất lƣợng sản phẩm đặc trƣng.

1.4.5. Thế liệu
Trong sản xuất bia việc dùng thế liệu thay cho malt tùy thuộc vào điều kiện chủ
quan và khách quan, có thể nhằm mục đích hạ giá thành sản phẩm tạo ra các sản phẩm
bia có mức chất lƣợng khác nhau. Cải thiện một vài tính chất của sản phẩm, theo đơn
đặt hàng của ngƣời tiêu dùng.
1.5.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIA

1.5.1. Sơ đồ công nghệ

3


Malt

Gạo

Phụ gia

Nghiền

Nghiền
Nƣớc

Đạm hóa

Malt lót

Hồ hóa
Đƣờng hóa

Bã
Caramel

Lọc, rửa tách bã

Houblon hóa

Nƣớc nóng

Houblon

Phụ gia

Cặn

Lắng, làm lạnh

Thu hồi CO2
Bã men

Xử
lý
CO2

Nấm men
Lên men chính

Lên men phụ

Bột lọc

CO2 tinh khiết
Chai sạch

O2 tinh khiết

Thu hồi nấm men

Lọc bia

Xử lí nấm men

Bảo hòa CO2

Tái sử dụng nấm
men

Chiết chai
Thanh trùng

Dán nhãn

4

Bia thành
phẩm

Bã


1.5.2. Thuyết minh quy trình:
1.5.2.1.

Nghiền nguyên liệu

Nghiền nguyên liệu nhằm làm cho các hạt malt, gạo bị phá hủy thành nhiều mảnh,
tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu với nƣớc để nƣớc thấm đều vào nguyên liệu
để quá trình thủy phân diễn ra nhanh hơn và dễ dàng hơn. Mỗi loại nguyên liệu đều có
mức độ nghiền riêng: đối với malt, khi nghiền giữ cho vỏ trấu không bị nát vụn để tạo
lớp lọc tự nhiên trong quá trình lọc tách bã; đối với nguyên liệu thay thế, do hạt tinh
bột cứng nên khó bị phá vỡ, lâu chin khi nấu do đó cần nghiền mịn.
1.5.2.2.

Hồ hóa và thủy phân nguyên liệu

Hồ hóa đƣợc tiến hành đối với các loại nguyên liệu hạt chƣa ƣơm mầm nhƣ gạo,
ngô,..Trong trƣờng hợp không dùng nguyên liệu thay thế với mục đích sản xuất các
loại bia có chất lƣợng cao thì từng phần bột malt cũng đƣợc nấu chín (phƣơng pháp
đƣờng hóa đun sôi từng phần.
Mục đích của quá trình thủy phân nguyên liệu là tạo ddieuf kiện tối thích về nhiệt

độ, pH môi trƣờng, thời gian gia nhiệt,…để hệ enzyme thủy phân trong malt hoạt
động.
1.5.2.3.

Lọc tách bã, rửa bã

Nhằm tách lỏng ra khỏi rắn trong hỗn hợp cháo malt-gạo. Rửa bã nhằm tận dụng tối
đa lƣợng chất hòa tan còn sót trong bã sau khi lọc tách bã. Quá trình rửa bã kết thúc
khi nồng độ đƣờng trong nƣớc rửa bã còn khoảng 2%. Nồng độ chung của hỗn hợp
dịch ép và nƣớc rửa bã đạt trên 90% so với nồng độ yêu cầu.
1.5.2.4.

Nấu dịch đƣờng với houblon

Nhằm mục đích:


Hòa tan thành phần các chất trong hoa houblon vào dịch đƣờng nhƣ: chất đắng,

tinh dầu thơm, polyphenol và các hợp chất chứa nito


Kết lắng protein cao phân tử nên làm trong dịch đƣờng.



Tạo màu do phản ứng melanoidin. Tăng nồng độ chất hòa tan của dịch đƣờng

do đun sôi trong thời gian dài.

5




Trong houblon có chất kháng khuẩn nên có tác dụng sát khuẩn cho dịch

houblon. Nhờ quá trình đun sôi, các vi sinh vật bị tiêu diệt và các enzyme bị các
enzyme biến tính, do đó làm tăng độ bền cho bia.


Nhờ các acid hữu cơ của houblon hòa tan vào dịch đƣờng mà quá trình houblon

hóa có tác dụng làm cho pH dịch thủy phân giảm xuống phù hợp với yêu cầu pH của
nấm men
1.5.2.5.

Làm lạnh dịch đƣờng

Mục đích


Hạ nhiệt độ dịch đƣờng đến nhiệt độ thích hợp cho nấm men phát triển (100C-

120C)


Tách các loại cặn mịn ra khỏi dịch chuẩn bị lên men.

1.5.2.6.

Lên men chính và thu hồi CO2

Nhằm chuyển hóa các chất hòa tan trong dịch đƣờng thành etylic, CO2 và các sản
phẩm phụ khác.Quá trình lên men chính đƣợc tiến hành trong điều kiện 6-80C.
1.5.2.7.

Lên men phụ và làm chin bia

Là giai đoạn tiếp theo của quá trình lên men chính. Trong điều kiện nhiệt độ thấp
(1-20C), lên men phụ nhằm lên men tiếp phần đƣờng còn lại (với tốc độ chậm), khử
diaxetyl, khử rƣợu bậc cao, aldehyde,..đồng thời diễn ra quá trình bão hòa CO2 cho
bia, làm lắng men nên bia trong hơn, tạo este thơm và các sản phẩm phụ khác. Sau giai
đoạn lên men phụ bia trong trong hơn, thơm hơn và dịu hơn và hấp đãn hơn.
1.5.2.8.

Lọc trong bia

Mục đích làm cho bia trong hơn, đạt giá trị cảm quan và tăng độ bền sinh học (bảo
quản đƣợc lâu). Lọc trong bia đƣợc tiến hành ở nhiệt độ 1-20C để hạn chế nhiễm
khuẩn và tránh thất thoát CO2
1.5.2.9.

Bảo hòa CO2

Sau khi lọc, nếu hàm lƣợng CO2 hòa tan chƣa đạt mức chất lƣợng thì phải bổ sung
CO2 nhằm đảm bảo hàm lƣợng CO2 đạt khoảng 4 gam/lít. Trƣớc khi nạp CO2 vào bia,
phải dẫn CO2 qua hệ thống lọc để khử mùi, khử tạp chất, tách nƣớc, tách các vật thể lại
lẫn trong CO2.
6

1.5.2.10. Đóng chai, đóng lon
Nhằm mục đích dễ thanh trùng, dễ vận chuyển đến ngƣời tiêu dùng, dễ bảo quản,
đảm bảo vệ sinh, tạo vẻ hấp dẫn cho sản phẩm đồng thời xác nhận trách nhiệm của nhà
sản xuất đói với sản phẩm mình làm ra.
1.5.2.11. Thanh trùng bia
Mục đích là tiêu diệt nấm men còn sót trong bia để ổn định thành phần sinh học và
tăng thời gian bảo quản cho bia.
1.6.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐUN SÔI DỊCH ĐƢỜNG VỚI
HOA HOUBLON

1.6.1. Các quá trình cơ bản và các yếu tố ảnh hƣởng
1.6.1.1.

Trích ly và hòa tan chất đắng vào dịch đƣờng

Các hợp chất đắng của hoa houblon có độ hòa tan ở trong dịch đƣờng rất kém.
Trong hai cấu tử của acid đắng thì α-acid đắng có độ hòa tan khá hơn và chính cấu tử
này là nguồn chính tạo ra lực đắng cho bia.
Chất đắng hòa tan và tồn tại trong dịch đƣờng dƣới cả hai dạng dung dịch phân tử
và dung dịch keo với điện tích âm ở vỏ bên ngoài. Mức độ phân tán của chúng ở trong
dịch đƣờng không đồng đều, mà phụ thuộc vào sự có mặt của các chất điện phân và
các phân tử dạng keo khác
Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự hòa tan của chất đắng:


Thời gian đun nấu: nếu thời gian đun nấu kéo dài thì lƣợng chất đắng ở trong

bia cũng tăng lên.


Lƣợng protein khả kết ở trong dịch đƣờng: nếu lƣợng các hợp chất này càng

cao thì lƣợng chất đắng tham gia phản ứng kết tủa càng nhiều.


pH của dịch đƣờng: khi giảm độ chua tác dụng của môi trƣờng, khả năng hòa

tan của các chất đắng sẽ tăng. Tuy nhiên ảnh hƣởng của pH đến hàm lƣợng cuối cùng
của chất đắng trong bia không đƣợc thể hiện rõ nét lắm.
Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào thành phần hóa học của nƣớc, nồng độ chất hòa tan
của dịch đƣờng, đặc điểm chủng, giống hoa, điều kiện gieo trồng canh tác và đặc biệt
là thời gian và chế độ bảo quản
7


1.6.1.2.

Trích ly và hòa tan các thành phần khác

Tinh dầu thơm của hoa houblon là cấu tử tạo cho bia có hƣơng thơm rất đặc trƣng
mà không có ở bất kỳ một sản phẩm thực phẩm nào khác. Trong thành phần của tinh
dầu thơm, chứa đến 103 hợp chất với những độ bay hơi khác nhau. Cấu tử dễ bay hơi
trong thời gian đun nấu chúng bị bay ra ngoài theo hơi nƣớc. Tinh dầu tồn tại trong
bia chỉ chiếm 2-3% lƣợng tinh dầu đƣa vào nấu. Để tăng hệ số sử dụng của tinh dầu
thơm ngƣời ta thƣờng nạp một phần hoa ở thời điểm kết thúc quá trinh đun nấu trƣớc
đó 10-15 phút, nạp hoa vào thùng lọc bã hoa, hoặc thùng lên men, hoặc thậm chí bổ

sung một lƣợng nhỏ vào bia.
Khả năng hòa tan của các polyphenol của hoa houblon phụ thuộc vào mức độ
ngƣng tụ và polymer hóa của chúng, vào chế độ đun nấu dịch đƣờng và cuối cùng là
phƣơng pháp nạp hoa vào thiết bị.
Khả năng hòa tan của polyphenol vào dịch đƣờng phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Trong
số những yếu tố này thì quan trọng nhất là pH của dịch đƣờng, thời gian đun nấu, hàm
lƣợng và trạng thái keo của protein và cuối cùng là mức độ oxy hóa của chúng.
Các hợp chất chứa nito trong hoa houblon đƣợc đƣa vào đun nấu tuy ít về khối
lƣợng nhƣng lại có chất lƣợng cao, vì chúng là những hợp chất thấp phân tử, dễ hòa
tan, là nguồn bổ sung dinh dƣỡng nito quan trọng cho sự phát triển của nấm men sau
này. Thực nghiệm cho thấy 60% lƣợng nito trích ly từ hoa sẽ đƣợc nấm men hấp thụ.
Có từ 10-20 mg/l nito hòa tan vào dịch đƣờng.
1.6.1.3.

Sự biến hình phi thuận nghịch và kết màng protein

Quá trình keo tụ protein xảy ra qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu là biến tính phi
thuận nghịch và đến giai đoạn sau là quá trình keo tụ thực thụ.
Thực chất của giai đoạn biến tính là sự mất nƣớc trong hạt protein và chuyển chúng
từ trạng thái hydrat sang trạng thái dehydrat phi thuận nghịch.
Yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến sự keo tụ và kết lắng protein là pH của môi
trƣờng. Khi đại lƣợng này của môi trƣờng gần điểm đẳng điện của các hạt protein thì
lực đẩy tỉnh điện của chứng gần nhƣ triệt tiêu. Lúc đó lực hút phân tử chiến thắng
hoàn toàn: chúng kết mảng với nhau và gần nhƣ rơi tự do xuông đáy thiêt bị khi dịch
đƣờng ở trạng thái yên tĩnh
8


Trƣờng độ đun nấu và cƣờng độ đun nấu là yếu tố khá mạnh ảnh hƣởng đến sự keo
tụ và kết lắng protein. Ngoài ra quá trình này còn phụ thuộc vào các yếu tố khác nhƣ:

hàm lƣợng chất đắng đã hòa tan, nồng độ đƣờng của dịch, kích thƣớc và hình dáng của
các hạt protein,...
1.6.1.4.

Sự thay đổi thế oxy hóa-khử

Oxy hóa –khử là những quá trình có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công nghệ
sản xuất bia.Nó ảnh hƣởng đến các chỉ tiêu chất lƣợng của bia. Trong quá trình đun
nấu với hoa houblon, trong dịch đƣờng đã tạo thành một lƣợng chất khử đáng kể.
Chính lƣợng này đã làm thay đổi thế oxy hóa-khử của hệ thống theo chiều hƣớng có
lợi cho công nghệ sản xuất.
Trong quá trình đun nấu hoa, khả năng khử của dịch đƣờng tăng lên khá cao. Sự gia
tăng này phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣng cơ bản nhất là thời gian đun sôi và lƣợng hoa
houblon đƣợc sử dụng.
1.6.2. Kĩ thuật đun sôi và houblon hóa dịch đƣờng
1.6.2.1.

Kỹ thuật đun sôi

Dịch đƣờng ban đầu và dịch rửa bã đƣợc trộn lẫn với nhau trong thiết bị đun hoa.
Nếu thiết bị lọc đặt ở độ cao hơn thiết bị nấu hoa thì chúng tự chảy vào, còn nếu đặt ở
vị trí thấp hơn thì phải dùng bơm để đẩy. Một yêu cầu luôn luôn phải đảm bảo là
không để nhiệt độ của dịch (dịch đƣờng ban đầu và cả nƣớc rửa bã) hạ xuống dƣới
700C. Để đảm bảo yêu cầu này, ngay từ lít dịch đƣờng đầu tiên chảy vào nồi đun hoa
là phải cấp hơi vào để nâng nhiệt độ chúng lên. Lúc đầu, khi lƣợng dịch còn ít thì
lƣợng hơi cấp vào cũng chỉ ở mức thấp. Khi lƣợng dịch tăng lên thì lƣợng hơi cấp vào
cũng chỉ ở mức thấp. Khi lƣợng dịch tăng lên thì lƣợng hơi cấp vào cũng mạnh dần
lên. Ta phải dự trù thế nào đó để sao cho khi quá trình rửa bã malt vừa kết thúc thì
dịch đƣờng trong thiết bi đun hoa cũng vừa sôi.
Ngƣời ta cho sôi ngay từ lƣợng dịch đầu tiên vào thiết bị đun hoa. Sau đó hai quá

trình cứ diễn ra song song: dịch đƣờng bên ngoài cứ chảy vào và dịch đƣờng bên trong
thiết bị cứ sôi. Phút chót của quá trình phải đƣợc xác định bằng lƣợng protein kết tủa
và nồng độ chất hòa tan đã đạt đƣợc trong dịch đƣờng. Để quyết định phải dừng quá

9


trình đun ở nồng độ nào của dịch đƣờng, phải căn cứ vào giải pháp và hệ thống thiết bị
làm nguôi dịch hiện đang sử dụng tại cơ sở đó.
Trƣờng độ đun sôi với hoa phụ thuộc vào chất lƣợng của nguyên liệu, cƣờng độ
đun, nồng độ chất hòa tan của dịch đƣờng và nhiều yếu tố khác.
1.6.2.2.

Hàm lƣợng và phƣơng pháp nạp

Lƣợng hoa houblon cần dùng để nấu với dịch đƣờng dao động trong một khoảng rất
rộng, từ 100-700g/hl. Lƣợng này phụ thuộc vào mức độ đắng của loại bia cần sản xuất,
chất lƣợng của hoa, thành phần hóa học của nƣớc và nhiều yếu tố khác.
Để đảm bảo sự đồng nhất về lực đắng của các lô hoa khác nhau, ta cần phải biết
hàm lƣợng của - acid đắng (hợp phần α), hàm lƣợng β-acid đắng và hàm lƣợng βnhựa mềm. Tổng của hàm lƣợng β-acid đắng và β-nhựa mềm là hợp phần β của hoa.
Từ đây sử dụng công thức gần đúng của Wollmer ta tính đƣợc lƣợng hoa cần phải sử
dụng.
Lực đắng = Hợp phần α +
Bình thƣờng thì mức độ đắng của các loại bia khác nhau lên men từ dịch đƣờng 1012% dao động trong khoảng 800-1800 đơn vị/hl. Hàm lƣợng chất đắng trong dịch
đƣờng khoảng 65-170 mg/l còn ở trong bia là từ 35-100 mg/l. Ở một số nƣớc ngƣời ta
kiểm tra độ đắng trên cơ sở hàm lƣợng của izohumulon.
Houblon đƣợc nạp vào nồi đun ở dạng khác nhau với nhiều phƣơng án khác nhau.
1-Nạp hai lần:
50% nạp lúc đáy nồi đun phủ đầy dịch đƣờng
50% nạp trƣớc lúc kết thúc quá trình nấu 60 phút

50%lúc kết thúc quá trình rửa bã
50% nạp trƣớc khi kết thúc quá trình nấu 30 phút
2-Nạp ba lần
nạp lúc dịch đƣờng vừa bơm đầy nồi nấu
sau khi sôi 30 phút
10


ngay từ lúc kết thúc quá trình nấu 30 phút
ngay từ lúc bơm dịch đƣờng vào nồi nấu
lúc dịch đƣờng sôi
trƣớc lúc kết thúc quá trình nấu 30 phút
lúc dịch đƣờng bắt đầu sôi
trƣớc lúc kết thúc quá trình nấu 30 phút
nạp vào thùng làm nguội dịch đƣờng
nạp ngay từ đầu
lúc dịch đƣờng sôi đƣợc 40 phút
trƣớc lúc kết thúc quá trình nấu 10 phút
1.7.

THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT

1.7.1. Khái niệm:
Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị trong đó thực hiện các quá trình truyền nhiệt giữa
các chất mang nhiệt.
1.7.2. Phân loại:
 Trao đổi nhiệt dạng vách ngăn
 Trao đổi nhiệt loại hồ nhiệt
 Trao đổi nhiệt dạng hỗn hợp
Trong kĩ thuật cũng nhƣ trong sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp thông qua

vách ngăn là loại đƣợc sử dụng phổ cập nhất.
1.7.3. Các loại thiết bị trao đổi nhiệt thƣờng gặp
1.7.3.1. Loại vỏ bọc
Ƣu điểm: chế tạo đơn giản, dễ vận hành, dễ bảo dƣỡng và sữa chữa
Nhƣợc điểm: Hệ số truyền nhiệt không cao, thiết bị công kềnh.
11


1.7.3.2. Loại ống
 Ống xoắn
Ƣu điểm: tạo bề mặt trao đổi nhiệt lớn
Nhƣợc điểm: Chế tạo phức tạp, hệ số truyền nhiệt nhỏ, khó làm sạch phía trong
ống.
 Lọai ống tƣới
Ƣu điểm: Lƣợng nƣớc làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ làm sạch bề mặt ngòa, dễ
thay thế, sửa chữa.
Nhƣợc điêm: Cồng kềnh, lƣợng nƣớc không tƣới đều trên bề mặt
 Loại ống lồng ống
Ƣu điểm: Có hệ số truyền nhiệt lớn,, dễ điều chỉnh tốc độ chảy của môi chất, chế
tạo đơn giản.
Nhƣợc điểm: cồng kềnh, giá thành cao, khó vệ sinh, sửa chữa.
 Loại ống chùm


Cấu tạo: Có vỏ trụ, bên trong lắp các ống trao đổi nhiệt. Trên vỏ và nắp thiết bị

có các cửa để dẫn chất tải nhiệt vào và ra. Các ống trao đổi nhiệt bên trong có thể bố
trí theo hình lục giác đều hình tròn đồng tâm, hình vuông.

Hình 1.1. Cấu tạo chung thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm



Nguyên lý hoạt động: Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm dựa trên nguyên lý trao

đổi nhiệt gián tiếp giữa 2 lƣu chất chuyển động bên trong và bên ngoài ống truyền
nhiệt.
Để tăng cƣờng hiệu quả trao đổi nhiệt, ngƣời ta tạo ra chiều chuyển động của lƣu chất
trong và ngoài ống theo phƣơng vuông góc hoặc chéo dòng. Tùy theo ứng dụng cụ thể
12


mà bố trí kiểu dòng chảy khác nhau. Lƣu chất chảy ngoài ống đƣợc chứa trong vỏ trụ
(Shell) còn lƣu chất chảy trong lòng ống đƣợc chứa khoang đầu. Toàn bộ bó ống đƣợc
đặt trong vỏ trụ.


Phân loại: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống chùm đƣợc chia thành nhiều loại

khác nhau, căn cứ vào kiểu cấu tạo, dòng chảy của khoang đầu (Tube Side Channel)
hoặc căn cứ vào kiểu cấu tạo, kiểu phân bố dòng chảy trong vỏ (Shell) của thiết bị.
Theo tiêu chuẩn của TEMA, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm căn cứ theo đặc
điểm của phần vỏ ngoài (Shell), và kiểu dòng chảy đƣợc chia thành các dạng chính:

Hình 1.2. Các dạng cơ bản của thiết bị trao đổi nhiệt của ống chùm
Ƣu điểm: kết cấu gọn, chắc chắn, công nghệ chế tạo không phức tạp, bề mặt truyền
nhiệt lớn, dễ vệ sinh, sữa chữa.
Nhƣợc điểm: Khó chế tạo bằng vật liệu dòn, giá thành cao.
1.7.3.3. Loại có dạng tấm
Ƣu điểm: Đảm bảo hệ số truyền nhiệt cao với hiệu suất trở kháng thủy lực thấp.
Thiết bị gọn nhẹ, chi phí chế tạo thấp. Làm việc đáng tin cậy, không bị rò rỉ. Kết hợp

hài hòa giữa lắp đặt và bảo dƣỡng
Nhƣợc điểm:chế tạo các tấm truyền nhiệt thƣờng phức tạp phải qua xử lí nhiệt và
gia công phức tạp
1.7.4. Cấu tạo và ứng dụng một số dạng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
Dƣới đây trình bày cấu tạo các loại thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm đƣợc sử dụng
phổ biến nhất hiện nay theo phân loại của tiêu chuẩn TEMA.
- Loại có hai khoang cho dòng chảy trong ống với một đầu ống di chuyển tự do
(floating head): sử dụng cho trƣờng hợp nhiệt độ giữa hai lƣu thể chênh lệch lớn.
13


- Loại có chùm ống cố định với hai dòng chảy (cho lƣu thể ngoài ống): đƣợc sử dụng
cho trƣờng hợp nhiệt độ giữa hai lƣu thể chênh lệch không lớn, tốc độ lƣu thể phía
ngoài ống cần đƣợc kiểm soát ở mức thấp.
- Loại có chùm ống cố định với vành bù giãn nở nhiệt: Loại này đƣợc lắp đặt theo
phƣơng thẳng đứng, sử dụng cho trƣờng hợp hai lƣu thể có nhiệt độ chênh lệch lớn,
thƣờng dùng cho quá trình ngƣng tụ .
- Loại có hai khoang cho dòng chảy trong ống với một đầu ống di chuyển tự do
(floating head) : đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp nhiệt độ giữa hai lƣu thể chênh lệch lớn
- Loại có ống trao đổi nhiệt hình chữ U với hai khoang lƣu thể chảy ngoài ống : Loại
này đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp nhiệt độ giữa hai lƣu thể chênh lệch lớn, tốc độ lƣu
thể chảy ngoài ống cần đƣợc tăng tốc độ (để tăng hiệu quả truyền nhiệt, giảm cặn đóng
kết).
- Loại “ ấm đun” (Kettle): Loại này thƣờng đƣợc sử dụng để gia nhiệt hoặc trao đổi
nhiệt có quá trình ngƣng tụ.
1.8.

CHỌN THIẾT BỊ

Mỗi loại thiết bị trao đổi nhiệt đều có ƣu và nhƣợc điểm riêng. Tuy nhiên, vì tính

chất của nguyên liệu và sự tối ƣu của thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm nên ngƣời viết
chọn thiết bị nồi đun sôi gia nhiệt gián tiếp kiểu ống chùm trung tâm để đun sôi dịch
đƣờng với hoa houblon. Hệ thống thiết bị làm việc gián đoạn.Vì thiết bị trao đổi nhiệt
ống chùm có hệ số trao đổi nhiệt lớn, diện tích bề mặt truyền nhiệt rất lớn, có thể đến
hàng nghìn mét vuông và loại thiết bị này đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
thực phẩm và hóa chất.
1.9.

CÁC THIẾT BỊ VÀ CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG NỒI ĐUN SÔI
 Thiết bị chính:



Nồi đun



Ống ngƣng



Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm trung tâm



Các ống dẫn: hơi đốt, nƣớc ngƣng.
 Thiết bị phụ



Bẫy hơi
14