Phân tích thiết kế nhà máy sản xuất bia

1
tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi
ViÖn C«NG NGHÖ Sinh häc vµ C«NG NGHÖ Thùc phÈm
Bé m«n C«ng nghÖ c¸c S¶n phÈm Lªn men
















H−íng dÉn thiÕt kÕ tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ nhµ m¸y bia

Hµ Néi 09/2006



2
BỐ CỤC BẢN THIẾT KẾ

LỜI CÁM ƠN

LỜI MỞ ĐẦU

PHẦN I- Lập luận kinh tế

PHẦN II- Chọn và thuyết minh dây chuyền sản xuất

PHẦN III- Cân bằng sản phẩm

PHẦN IV- Tính và chọn thiết bị

PHẦN V- Tính hơi, lạnh, nước, điện

PHẦN VI- Tính xây dựng

PHẦN VII- Tính kinh tế

PHẦN VIII- Vệ sinh an toàn thực phẩm và an toàn lao động

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3
BỐ CỤC CHI TIẾT BẢN THIẾT KẾ

LỜI CÁM ƠN

LỜI MỞ ĐẦU
- Giới thiệu về sản phẩm, sơ lược về lịch sử phát triển, tình hình sản xuất và kinh doanh
sản phẩm này trên thế giới và ở Việt Nam và tầm quan trọng đối với nền kinh tế;
- Nêu mục đích và tầm quan trọng của đề tài.


Phần I- Lập luận kinh tế

Phần này gồm các phần chính như sau:
1.1. Chọn địa điểm xây dựng nhà máy
1.2. Nguồn nguyên liệu: malt, nguyên liệu thay thế, nước, nấm men, sữa men, v.v...
1.3. Nguồn điện
1.4. Giao thông vận tải
1.5. Vệ sinh môi trường, xử lýnước thải

1.6. Nguồn nhân lực
1.7. Thị trường tiêu thụ

Phần II- Chọn và thuyết minh dây chuyền sản xuất


2.1. Nguyên liệu (malt đại mạch, nguyên liệu thay thế, hoa Houblon, nước, nấm men, các
chế phẩm enzyme, các nguyên liệu phụ trợ như axit, bột trợ lọc, chất tẩy rửa, vải lọc,
v.v...): Trình bày rõ tác dụng, các tính chất và chỉ tiêu hoá lý, vi sinh và cảm quan.

2.2. Sản phẩm: mô tả sản phầm (bao gồm các chỉ tiêu hoá lý, vi sinh và cảm quan).

2.3. Chọn quy trình công nghệ:
- Trình bày mục đích, điều kiện, chọn phương pháp và loạ
i thiết bị cho từng công
đoạn trong quy trình công nghệ và nêu lý do (ưu, nhược điểm của các phương pháp),
- Sơ đồ dây chuyền công nghệ.

2.4. Thuyết minh quy trình công nghệ: trình bày cụ thể nguyên lý và các biến đổi sinh lý hoá
của nguyên liệu, cách thực hiện và yêu cầu của từng bước trong quy trình công nghệ,
bao gồm cả hệ thống vệ sinh (CIP) nhà xưởng và thiết bị.




4
Phần III- Tính cân bằng sản phẩm

Có hai cách tính cân bằng sản phẩm:
Tính xuôi: Từ 100 kg nguyên liệu ban đầu → lượng bia sản xuất được

Tính ngược: Từ 1hl bia cần sản xuất → lượng nguyên liệu cần thiết

Các thông số ban đầu cần biết:
+ Độ ẩm nguyên liệu
+ Tỷ lệ nguyên liệu cần dùng
+ Độ hoà tan của nguyên liệu
+ Nồng độ dịch đường trước khi lên men
+ Tổn thất qua các công đoạn (Tuỳ theo từng công đoạn mà tổn thất có thể được tính
theo lượng nguyên liệu, lượng chất khô lượng dịch hoặc sản phẩm)

Một số thông số cần thiết
Malt Gạo
W, % 5-7 12-14
Độ hoà tan, % 65-76 75-85
Tỷ lệ nguyên liệu, % 60-100 40-0

Tổn thất qua các công đoạn: tùy thuộc vào năng suất, điều kiện, thiết bị và mức độ hiện đại
hóa của nhà máy
Nghiền: 0,5-1% so với nguyên liệu
Nấu, đường hoá, lọc: 2-3 (1,75%) chất hoà tan
Nấu hoa 5-10% lượng dịch do nước bay hơi
Lắng 2-3%
Làm lạnh nhanh 0,5-1%
Lên men chính & phụ 2-6%
Lọc bia& bão hoà CO2: 2-3%
Chiết chai: 2-6%
Chiết bock 0,5-1,5%


A- TÍNH XUÔI: Tính cho 100 kg nguyên liệu ban đầu

Chọn tỷ lệ nguyên liệu:
Ở Việt Nam, có thể chọn tỷ lệ nguyên liệu thay thế từ 0÷50%. Trong ví
dụ dưới đây, tỷ lệ chọn là 70% malt và 30% gạo. Đây là tỷ lệ thường được sử dụng trong các
nhà máy sản xuất bia ở Việt Nam.

1. Tính lượng chất hoà tan và bã


* Tính lượng chất chiết từ malt trong tổng số 100 kg nguyên liệu:
Độ ẩm của malt: 7% ;
Hệ số hoà tan: 76%
Tổn thất do nghiền: 0,5%;
Lượng malt thô sau khi nghiền là (tổn thất do nghiền: 0,5
%):
so với lượng dịch

5
100 x 0,7 x 0,995 = 69,65 kg
Lượng chất khô của malt là:
100 x 0,7 x 0,995 x 0,93 = 64,77 kg
Lượng chất chiết từ malt có trong 100 kg nguyên liệu là:
100 x 0,7 x 0,995 x 0,93 x 0,76 = 49,23 kg

* Tính lượng chất chiết từ gạo trong tổng số 100 kg nguyên liệu:
Độ ẩm của gạo: 13% ;
Hệ số hoà tan: 85%
Tổn thất do xay nghiền: 0,5-1%
Lượng gạo sau khi nghiền là:
100 × 0,3 × 0,995 = 29,85 kg

Lượng chất khô của gạo là
100 × 0,3 × 0,995 × 0,87 = 25,97 kg
Lượng chất chiết từ gạo có trong 100 kg nguyên liệu là:
100 × 0,3 × 0,87 × 0,85 × 0,995 = 22,08 kg
* Tổng lượng chất khô có trong 100 kg nguyên liệu là:
64,77 + 25,97 = 90,74 kg
* Tổng lượng chất chiết có trong 100 kg nguyên liệu là:
49,23 + 22,08 = 71,31 kg
* Tính lượng chất hoà tan còn lại có trong dịch đường sau giai đoạn nấu, đường hoá, lọc:
Chọn tổn thất chất hoà tan chung của quá trình nấu, đường hoá, lọc là 1,5% (thường là 1-2%)
Lượng chất chiết còn lại trong dịch đường là: 71,31 × 0,985 = 70,24 kg


2- Tính lượng sản phẩm trung gian qua các giai đoạn

Khi đun hoa coi lượng chất khô hoà tan vào bằng lượng chất khô mất đi do vậy lượng
chất chiết sau đun hoa vẫn là 70,24 kg
Lượng dịch đường 10
o
S (sau khi đun hoa) là:
70,24 × 100 : 10 = 702,4 kg
Với dịch đường 10
o
S, ở 20
o
C có thể coi khối lượng riêng d
20/20
= 1,039 kg/l (tra bằng
phụ lục 1 trong tài liệu tham khảo "Các phương pháp phân tích ngành Công nghệ Lên men")
Do vậy, thể tích dịch 10S ở 20

o
C là:
V = M/d = 702,4/1,039 = 676,04 l
Do thể tích dịch ở 100
o
C chênh lệch so với thể tích dịch ở 20
o
C là 4% nên thể tích dịch
ở 100
o
C là:
676,04 x 1,04 = 703,08 l
Lượng dịch sau khi làm lắng trong và lạnh nhanh (trước khi lên men) là: (với tổn thất
chung của cả 2 quá trình này là 3%)
676,04 x 0,97 = 655,76 l
Lượng bia non sau khi lên men chính, phụ (tổn thất 4%):
655,76 x 0,96 = 629,53 l
Lượng bia non sau khi lọc (tổn thất 1%):
629,53 x 0,99 = 623,24 l

6
Lượng bia sau khi bão hoà CO
2
(tổn thất 0,5%):
623,24 x 0,995 = 620,12 l
Lượng bia sau khi chiết (thành phẩm):
* Bia hơi (tổn thất 1,5%): 620,12 x 0,985 = 610,82 l
* Bia chai (tổn thất 4%): 620,12 x 0,96 = 595,32 l

3- Tính lượng men giống

Lượng men giống nuôi cấy tiếp vào trước khi lên men chính (10% so với lượng dịch đưa vào
lên men) là:
655,76 x 0,1 = 65,58 l
Lượng men sữa tiếp vào trước khi lên men chính (1% so với lượng dịch đưa vào lên men) là:
655,76 x 0,01 = 6,56 l


4- Tính lượng bã malt và gạo:

* Tính lượng bã khô của 100 kg nguyên liệu:
Tổng lượng chất khô của malt và gạo là:
64,77 + 25,97 = 90,74 kg
Tổng lượng bã khô của 100 kg nguyên liệu là:
90,74 - 71,31 = 19,43 kg

* Tính lượng bã ẩm
Độ ẩm bã 80 % (phụ thuộc thiết bị lọc: lọc khung bản hay nồi lọc)
Lượng bã ẩm là :
19,43 : 0,2 = 97,15 kg
Lượng nước trong bã là:
97,15 - 19,43 = 77,72 kg


5- Tính lượng nước dùng trong quá trình nấu và rửa bã
* Quá trình hồ hoá tỷ lệ (Bột gạo + 10% malt lót): nước =1:5
Lượng nước cho vào nồi hồ hoá:
(29,85 + 29,85 x 0,1) x 5 = 164,175 kg = 164,175 l
* Lượng nước có sẵn trong nguyên liệu ở nồi hồ hoá là:

29,85 x 0,13 + 2,985 x 0,07 = 4,09 kg
* Tổng lượng hỗn hợp bột + nước ban đầu trong nồi hồ hoá là:
(29,85 + 29,85 x 0,1) x 6 = 197,01 kg
* Lượng dịch cháo sau khi đun là (bay hơi 5% lượng dịch)
197,01 x 0,95 = 187,16 kg
* Quá trình đường hoá tỷ lệ malt : nước = 1:5
Lượng nước cho vào nồi đường hoá:
(69,65-29,85 x 0,1) x 5 = 333,325 kg = 333,325 l

7
* Lượng nước có sẵn trong nguyên liệu ở nồi đường hoá là:
(69,85-2,985) x 0,07 = 4,68 kg
* Tổng lượng dịch trong nồi đường hoá sau khi chuyển dịch cháo sang là:
187,16 + (69,65-29,85 x 0,1) x 6 = 587,15 kg
* Lượng dịch còn lại trong nồi đường hoá sau khi đun là (bay hơi 4%)
587,15 × 0,96 = 563,66 kg
* Lượng nước trong dịch trước khi lọc là:
563,66 - 90,74 = 472,92 kg = 472,92 l
* Lượng nước trong dịch sau khi đun hoa (dịch đường 10S) là:
702,4 x 0,9 = 632,16kg
* Lượng nước trong dịch trước khi đun hoa (nước bay hơi 10% so với tổng lượng dịch trước
khi đun hoa) là:
632,16 + 702,4 x 0,1 = 702,4 kg = 702,4 l
* Tính lượng nước rửa bã theo công thức sau:
V
nước trước lọc
+ V
nước rửa bã
= V
nước trong bã

+ V
nước trong dịch đun hoa

Do vậy lượng nước rửa bã là:
77,36 + 702,4 –472,92 = 306,84 l
* Tổng lượng nước cho vào hai nồi nấu và đường hoá là:
164,175 + 333,325 = 497,5 l


6- Tính các nguyên liệu khác
* Lượng hoa houblon:
Thông thường trên thế giới, lượng hoa Houblon sử dụng được tính toán dựa trên chỉ số
EBC của hoa Houblon (1 EBC = 1mg chất đắng) và chỉ số EBC yêu cầu của bia sản phẩm (đối
với bia vàng: EBC = 4÷7).
Trong ví dụ này, từ 100kg nguyên liệu sản xuất được 592,32 lít bia chai (ví dụ yêu cầu
EBC = 5 cho bia chai).
Vậy EBC cần thiết cho lượng bia chai nói trên là: 5 × 592,32 = 2961,6 EBC.
Dựa trên chỉ số EBC của hoa Houblon sử dụng, ta có thể tính toán được lượng hoa cần
dùng để đạt được chỉ số EBC trong bia như yêu cầu.

Tuy nhiên, các nhà máy bia ở Việt Nam thường tính toán một cách đơn giản hơn là 2 g
hoa cho 1 lít bia chai (hoặc 1g/l bia hơi).
Do đó trong ví dụ này, lượng hoa cần thiết là: 2 × 592,32 = 1184,64 g = 1,15 kg
Ta sử dụng hoa cao và hoa viên với tỉ lệ 50:50, biết rằng 1kg hoa viên tương đương với
1,3kg hoa cánh. Vậy lượng hoa viên cần dùng là:
1,15 × 0,5 / 1,3 = 0,4423 kg = 442,3 g
1kg hoa cao tương đương với 6kg hoa cánh. Vậy lượng hoa cao sử dụng là

8
1,15 × 0,5 / 6 = 0,0958 kg = 95,8 g

* Lượng chế phẩm enzym (Phụ thuộc từng loại chế phẩm)
Chế phẩm enzyme Termamyl 120L được dùng với tỉ lệ 0,1 % so với lượng nguyên liệu
thay thế. Vậy lượng Termamyl cần dùng là:
29,85 x 0.001 = 0.02985 kg = 29,85 g.
* Lượng bột trợ lọc diatomit:
Lượng bột trợ lọc cần dùng tùy thuộc vào chất lượng bột, thiết bị lọc và bề mặt lọc.
Thông thường cứ 1000 lít bia thì cần 0,73kg bột trợ lọc.
Vậy lượng trợ lọc cần dùng là:
* Bia hơi: 610,82 x 0,73 / 1000 = 0,446kg = 446 g.
* Bia chai: 595,32 x 0,73 / 1000 = 0,435kg = 435g.


7- Các sản phẩm phụ
• Bã malt và gạo (xem ở trên)
• Bã hoa:
Lượng chất không hoà tan trong hoa cánh và hoa viên là 60%, bã có độ ẩm 85 %; cao
hoa có lượng bã không đáng kể.
Lượng bã hoa sẽ là: 442,3 × 0,6 : (1-0,85) = 1769,2 g = 1,77 kg
• Cặn lắng: 100 kg nguyên liệu có khoảng 1,75 kg cặn lắng W=80% (ở thùng lắng xoáy)
• Sữa men;
Cứ 100 lít bia cho 2 lít sữa men W=85%
Cứ 100kg nguyên liệu (sản xuất ra 592,32 lít bia) sẽ cho lượng sữa men là:
592,32 × 2 : 100 = 11,845 lít
Trong đó một phần (6,56 lít) được tái sử dụng làm men giống.
Vậy lượng sữa men dùng làm thức ăn gia súc là: 11,845 – 6,56 = 5,285 lít
• Lượng CO
2

Theo phương trình lên men: C

12
H
22
O
11
+ H
2
O → 4 C
2
H
5
OH + 4CO
2
Cứ 342 g maltoza tạo thành 176 g CO
2

Lượng dịch trước khi lên men (dịch 10
o
S có d=1,039 kg/l)là:
655,76 x 1,039 = 681,34 kg
Lượng chất chiết trong dịch lên men là:
681,34 x 0,1 = 68,13 kg
Coi toàn bộ lượng đường lên men là maltoza, hiệu suất lên men trong quá trình lên men
chính là 50-60% (lấy 55%), lượng CO
2
thu được là:
68,13 x 0,55 x 176/342 = 19,28 kg
Lượng CO
2
hoà tan trong bia là (2-3g CO

2
/ 1 l bia non)
629,53 x 2 = 1259,06 g = 1,25 kg

9
Lượng CO
2
thoát ra là:
19,28 - 1,25 = 18,03 kg
Lượng CO
2
thu hồi thường chỉ đạt 60-80 % (lấy 70 %):
18,03 x 0,7 = 12,62 kg
ở 20
o
C, 1 atm thì 1 m
3
CO
2
cân nặng 1,832 kg→ Thể tích CO
2
bay ra là
12,62: 1,832 = 6,89 m
3

Lượng CO
2
cần bão hoà thêm để đạt 3,5g/l bia sau bão hoà là:
3,5 x 620,12 - 2 x 623,24 = 923,94 g = 0,93 kg
Thể tích CO

2
cần bão hoà thêm (ở 20
o
C) là:
0,93: 1,832 = 0,51 m
3