Mục đích
Dịch đường sau khi đun sôi với hoa houblon là một hỗn hợp phức tạp, chứa protein, hạt có kích thước khác nhau và cặn từ hoa houblon Khi ở trạng thái tĩnh, các hạt này sẽ lắng xuống đáy thùng theo nguyên lý rơi tự do, với tốc độ phụ thuộc vào khối lượng riêng, nhiệt độ và nồng độ dịch đường Hạt lớn lắng ở nhiệt độ cao, trong khi hạt nhỏ cần nhiệt độ thấp hơn để lắng Ở vùng nhiệt độ thấp, kích thước hạt lắng cũng nhỏ hơn Để cấy giống nấm men, cần làm trong dịch và tách bỏ cặn, sau đó làm lạnh đến nhiệt độ lên men.
Do đó công đoạn này có hai mục đích:
Dịch đường dễ bị nhiễm tạp vi sinh vật do chứa nhiều đường lên men và hợp chất nito mà vi sinh vật có thể sử dụng Trong quá trình làm lạnh, dịch này trở thành môi trường lý tưởng cho sự phát triển của vi sinh vật.
Các vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn chịu nhiệt Coliform, phát triển nhanh trong dịch nấu và tạo ra mùi "cần tây" khó chịu Mặc dù những vi khuẩn này không chịu được rượu và sẽ bị tiêu diệt trong quá trình lên men, nhưng các hợp chất gây mùi mà chúng tạo ra vẫn tồn tại trong bia thành phẩm.
Do đó mục đích chính:
Lắng trong và làm lạnh nhanh: loại các cặn bẩn ra khỏi dịch sau khi nấu với hoa, làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men.
Bổ sung oxy: cung cấp lượng oxy cần thiết cho tế bào nấm men sống và phát triển đặc biệt trong quá trình sinh sản.
Cặn
Cặn nóng
Bia chủ yếu chứa protein, hợp chất polyphenol, hợp chất đắng, khoáng chất và một lượng nhỏ các hợp chất khác Việc loại bỏ hoàn toàn cặn nóng là rất cần thiết, vì nếu cặn nóng tham gia vào quá trình lên men, nó sẽ gây rối loạn và làm nấm men kết tủa cùng với cặn bẩn Để tái sử dụng sinh khối này, cần phải xử lý kỹ lưỡng, tốn nhiều công sức, dẫn đến chất lượng bia kém và có thể sản sinh ra các acid gây hại cho độ bền của bia.
Cặn lạnh (cặn mịn)
Cặn mịn được hình thành trong quá trình làm lạnh dịch đường, chứa nhiều phức chất protein-polyphenol Theo Hactong, hàm lượng polyphenol trong cặn mịn lên tới 20%, trong khi protein chủ yếu là globulin và các sản phẩm thủy phân của chúng Dữ liệu từ Sandergen cho thấy cặn mịn bao gồm 35% polyphenol và 65% β-globulin Nhiều tác giả khác cũng chỉ ra rằng các kết tủa mịn chứa lượng protein khó kết lắng, với khối lượng khoảng 8-10g/hl, nhẹ hơn tủa nóng từ 10-15 lần.
Hàm lượng cặn trong bia phụ thuộc vào tỷ lệ nguyên liệu thay thế và mức độ sôi, với mục tiêu loại bỏ từ 70% đến 80% Nghiên cứu cho thấy cặn mịn có thể thúc đẩy quá trình lên men nhanh hơn nhờ tăng bề mặt tiếp xúc của nấm men, giúp chúng duy trì hoạt động hiệu quả Tuy nhiên, nếu hàm lượng cặn vượt quá mức này, sẽ dẫn đến giảm hương vị và khả năng giữ bọt của bia, làm giảm độ bền keo và tạo ra vị chát không mong muốn.
Làm lạnh nhanh (làm nguội) và lắng trong
Làm nguội và tách cặn bằng phương pháp cổ điển
Làm nguội và tách cặn dịch đường thường được bố trí cạnh phân đoạn nấu – đường hóa và phân đoạn lên men, hoặc gần phân đoạn nấu – đường hóa nhưng nằm trên phân đoạn lên men Sắp xếp này nhằm mục đích tối ưu hóa việc tận dụng dịch.
- Hệ thống cổ điển làm nguội dịch đường theo kiểu hở bao gồm hai bộ phận:
Bể làm nguội dịch đường có khả năng hạ nhiệt độ xuống 60°C, với diện tích từ 60 đến 80m² và độ sâu từ 0.2 đến 0.3m Quá trình làm nguội diễn ra trong 2 giờ, giúp tách cặn thô hiệu quả trước khi chuyển sang giai đoạn lên men.
- Hệ thống làm lạnh dịch đường đến nhiệt độ lên men (6 – 10 C)
+ Dạng “ống lồng ống” hay còn gọi là “thiết bị đổi nhiệt đồng trục”
Máy làm lạnh kiểu phun (giàn xối): cấu tạo từ đường ống có đường kính 40 –
Ống có đường kính 50mm, thường được làm từ đồng hoặc thép không gỉ, được uốn thành hình gấp khúc liền sát nhau với chiều dài tùy ý Bên trong ống, tác nhân lạnh như nước 0°C, dung dịch NaCl hoặc glycol CH2OH- sẽ được bơm qua.
CH2OH) còn phía ngoài ống dịch đường phun vào và chảy thành lớp mỏng, tác nhân lạnh chạy từ dưới lên còn dịch đường từ trên xuống.
Có thể chia làm cấp:
Ở phía trên tác nhân lạnh là nước 0 o C để hệ dịch đường xuống 20 o C.
Ở dưới tác nhân lạnh là nước muối hoặc glycol với nhiệt độ - 8 o C hoặc thấp hơn nữa để hạ nhiệt độ của dịch đường xuống 8 o C.
Hình 2.1 Giàn làm lạnh kiểu phun
Giàn làm lạnh đồng trục hoạt động tương tự như giàn phun, với nguyên lý làm lạnh dựa trên hai đường ống lồng vào nhau, trong đó ống nhỏ nằm bên trong ống lớn Dịch đường có thể lưu thông trong ống nhỏ hoặc bên ngoài ống nhỏ nhưng vẫn trong ống lớn, hoặc theo chiều ngược lại Tác nhân lạnh di chuyển ngược chiều với dịch đường, cho phép áp dụng nhiều kiểu giàn phun với hai cấp độ khác nhau.
Hình 2.2 Giàn làm lạnh đồng trục
Thùng nông là loại thùng hình trụ thấp, thường có nắp mở, với bề mặt tiếp xúc giữa dịch và không khí lớn Người ta thường để dịch trong thùng trong hai giờ để nguội tự nhiên đến 60°C, sau đó dịch được lấy ra và làm lạnh trong hệ thống trao đổi nhiệt khác Phương pháp này đã được sử dụng phổ biến cho đến năm 1950, nhưng hiện nay đã không còn được áp dụng.
Nhược điểm của phương án này:
- Nguy cơ nhiễm vi sinh vật lớn
Làm lạnh nhanh và lắng trong bằng hệ thống kín hiện đại
Hiện nay, xu hướng sử dụng các hệ thống hiện đại để làm nguội dịch đường trong điều kiện kín đang ngày càng phổ biến Quá trình tách cặn diễn ra ở nhiệt độ từ 85-95C, trong khi đó, để tách cục bộ dịch đường lạnh, bột trợ lọc diatomit được sử dụng.
2.2.1 Giải pháp làm trong dịch đường
Quá trình tách cặn dịch đường ở nhiệt độ cao bắt đầu khi dịch đường houblon hóa được đưa vào thiết bị lọc bã hoa, sau đó được chuyển đến thùng trung gian để làm nguội sơ bộ Thùng này có hình dạng thân trụ hoặc đáy côn, có chức năng chứa tạm dịch đường và hạ nhiệt độ xuống khoảng 90°C Dịch đường sẽ lưu lại trong thùng một thời gian ngắn trước khi được bơm qua máy ly tâm để tách cặn Tiếp theo, dịch đường được đưa qua máy lạnh nhanh để giảm nhiệt độ xuống mức phù hợp cho quá trình lên men Đối với các nhà máy có công suất lớn, việc trang bị thùng làm nguội trung gian có thể không cần thiết nếu có nhiều tuyến làm lạnh và nguồn lạnh mạnh.
Quá trình tách cặn cục bộ của dịch đường ở nhiệt độ cao bắt đầu bằng việc làm lạnh dịch đường trong, trong khi phần dịch chứa nhiều cặn được ly tâm và sau đó nhanh chóng đưa vào máy lạnh Thùng làm nguội cần phải là loại đa năng lắng – lạnh để hạ nhiệt độ của dịch đường xuống 60 o C trong thời gian ngắn Dịch đường nóng từ máy lọc bã hoa được bơm vào thùng làm nguội trung gian, cặn thô được tách ra, trong khi dịch trong ở phía trên được chuyển sang thiết bị lạnh nhanh tấm bản Cuối cùng, quá trình bão hòa oxy vào dịch đường được thực hiện sau khi dịch đã được làm lạnh đến nhiệt độ lên men.
Để tách cặn toàn bộ dịch đường ở nhiệt độ thấp, dịch đường houblon hóa sau khi tách bã hoa được làm nguội sơ bộ đến 90C Tiếp theo, dịch đường sẽ được đưa qua thiết bị làm lạnh nhanh để hạ nhiệt độ xuống còn 8C Cuối cùng, dịch đường được bơm qua máy ly tâm để tách và xả cặn, chuẩn bị cho công đoạn lên men.
Khi bia được bảo quản ở nhiệt độ thấp trong thời gian dài, các hạt cặn sẽ lắng xuống, giúp bia trở nên trong hơn theo định luật Stoke Định luật này chỉ ra rằng các hạt lớn sẽ lắng nhanh hơn các hạt nhỏ, và quá trình lắng diễn ra hiệu quả nhất trong chất lỏng có tỷ trọng và độ nhớt thấp.
Phương trình của định luật Stoke: Vg = d 2 × 18× μ ( p ¿ )× g
Vg là vận tốc lắng giới hạn của hạt chịu tác dụng của lực hấp dẫn, trong đó d là đường kính hạt, pv là tỷ trọng hạt, p1 là tỷ trọng chất lỏng, g là gia tốc trọng lực và μ là độ nhớt của chất lỏng.
Phương pháp lắng là một kỹ thuật đơn giản trong sản xuất bia, có thể kết hợp với quá trình lên men phụ ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, việc lắng cặn men định kỳ thường kéo dài thời gian cần thiết để đạt được độ trong nhất định cho bia Đặc biệt, phương pháp này không thể tách triệt để cặn, nhất là các dạng cặn lơ lửng.
2.2.2 Hệ thống kín làm nguội và tách cặn dịch đường
Hệ thống làm nguội dịch đường kín bao gồm thùng làm nguội và giàn làm lạnh, với thùng làm nguội hạ nhiệt độ dịch đường xuống 60ºC và giàn làm lạnh tiếp tục hạ xuống 6 – 10ºC Thùng làm nguội kín có hai loại: đơn chức năng và đa chức năng.
Thùng lắng lạnh đơn chức năng: là thùng chỉ để lắng cặn, còn việc hạ nhiệt độ xuống 60ºC là để hạ tự nhiên.
Thùng lắng lạnh đa chức năng không chỉ có khả năng lắng cặn mà còn giúp làm nguội dịch đường bằng phương pháp cưỡng bức Để thực hiện điều này, thùng chứa dịch được trang bị thêm một hệ thống đặc biệt.
“đường ống ruột gà” tải chất mang lạnh Chất tải lạnh thường dùng là nước.
1 - vỏ; 2 - ống ruột gà; 3 - nắp; 4 - cửa; 5 - cửa thoát hơi; 6 - van xả dịch; 7 - van vệ
Thiết bị lắng lạnh kiểu mới sử dụng thùng lắng có đáy nghiêng, cho phép dịch được bơm vào với vận tốc cao từ 12 đến 14 m/s theo phương tiếp tuyến với thành thùng Nguyên tắc hoạt động của thiết bị dựa trên việc bơm dịch đường vào thùng và tách cặn nhờ vào sức hút của lực hướng tâm.
Trong quá trình vận hành hệ thống, các yếu tố quan trọng cần được chú ý bao gồm mức dịch đường, đèn tín hiệu, và cửa vệ sinh để đảm bảo an toàn và hiệu quả Nhiệt kế và ống thủy báo mức giúp theo dõi nhiệt độ và mức chất lỏng chính xác Cửa quan sát cho phép kiểm tra tình trạng bên trong hệ thống, trong khi đường ống dịch đường vào và ống thoát hơi hỗ trợ quá trình lưu thông Van tháo dịch đường và van xả cặn là cần thiết để xử lý chất lỏng hiệu quả, cùng với nước vệ sinh để duy trì sạch sẽ Cuối cùng, độ nghiêng của đáy là yếu tố quan trọng để đảm bảo dòng chảy ổn định trong hệ thống.
Thùng được chế tạo từ thép không gỉ với dung tích đa dạng, thường phù hợp với dung tích nồi nấu hoa Chiều cao từ đáy đến vai thùng lớn gấp 1,2 – 1,3 lần đường kính, và đáy thùng có độ nghiêng 8 – 10% Trên thân thùng có cửa vệ sinh, nhiệt kế, ống thủy báo mức nước, cùng với cửa quan sát và đèn báo tín hiệu trên vai thùng Ống thoát hơi nối với cổ thùng cao từ 4 – 5m hoặc hơn, giúp tạo ra sức hút mạnh mẽ Với cấu trúc này, nhiệt độ dịch đường giảm từ 100ºC xuống 90ºC chỉ trong 15 – 20 phút Đường ống bơm dịch vào thùng nằm ở độ cao 1/4 thân thùng, với hướng đi theo phương tiếp tuyến và thắt lại tại khoảng cách 0.4 – 0.5m trước thùng Whiripool, tạo ra tốc độ lớn và sức đẩy mạnh Lực này tạo ra xung lượng làm cho cột chất lỏng bên trong thùng xoay tròn, giúp cặn lắng tập trung ở giữa và dịch trong được lấy ra ngoài Nhờ lực hướng tâm lớn, cặn lắng bị hút vào tâm thùng và lắng xuống đáy; khi nhiệt độ hạ xuống 90ºC, dịch đường trong được bơm sang thiết bị lạnh nhanh, trong khi cặn lắng được dội nước và xả ra ngoài.
Whirlpool có thiết kế đơn giản, giúp tiết kiệm chi phí lắp đặt và sử dụng Việc vận hành thùng lắng xoáy dễ dàng, chủ yếu phụ thuộc vào vị trí các thiết bị, đặc biệt là khoảng cách giữa thiết bị đun hoa và thùng Whirlpool; khoảng cách càng ngắn thì việc bơm càng hiệu quả Chất lượng malt và phương pháp nấu cũng ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng thùng lắng xoáy.
Phương pháp này có hạn chế lớn với tổn thất lên đến 2-3% và hiệu quả phân tách tạp chất cùng dịch không cao nếu vận hành không đúng cách Để giảm thiểu tổn thất, có thể kết hợp sử dụng máy ly tâm hoặc máy lọc để tách cặn trong phần dịch cuối cùng.
2.2.3 Thiết bị làm trong dịch đường:
Phương pháp phân ly hiệu quả cao cho các hệ phân tán, trong đó môi trường phân tán là chất lỏng và pha phân tán là các vật rắn hoặc chất lỏng khác Phương pháp này đặc biệt thích hợp cho ngành sản xuất dịch đường và bia, nơi mà tỷ lệ pha rắn chỉ chiếm một phần nhỏ so với thể tích của môi trường.
Làm lạnh dịch đường
Cấu tạo
Thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản về cơ bản có thể chia thành hai phần chính
- Phần bề mặt trao đổi nhiệt.
Khung thiết bị có vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ các tấm trao đổi nhiệt và chất lỏng bên trong, đồng thời tạo ra cấu trúc chắc chắn để định vị và ép chặt các tấm này lại với nhau Điều này giúp tạo thành một khối vững chắc, ngăn chặn hiện tượng rò rỉ lưu chất ra bên ngoài.
Hình 3.1 Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản.
3.1.2 Phần bề mặt trao đổi nhiệt
Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm nhiều tấm kim loại mỏng làm từ thép không gỉ, được dập gân và sắp xếp liền nhau Các gân dập trên tấm có chiều hướng không đồng nhất nhằm tránh tạo ra vùng chết và giảm thiểu hiện tượng đóng cặn Những tấm kim loại này kết hợp lại tạo thành một tấm trao đổi nhiệt, với không gian rỗng giữa hai tấm cho phép lưu thể di chuyển qua các khe hẹp Quá trình truyền nhiệt diễn ra qua bề mặt của các tấm, trong khi một vòng đệm bít kín (gioăng cao su) đảm bảo rằng các lưu thể không bị trộn lẫn và không rò rỉ ra môi trường.
Các tấm bản hình chữ nhật được thiết kế với bốn tai ở bốn góc, mỗi tai có một lỗ tròn Khi lắp đặt các tấm bản này lên khung máy, chúng tạo ra bốn mương dẫn cho việc lưu thông: dịch đường vào máy, dịch đường ra khỏi máy, tác nhân lạnh vào máy, và tác nhân lạnh ra khỏi máy.
Dịch đường nóng thường được bơm vào một trong hai mương dẫn ở phía trên và khi ra khỏi máy thì theo mương dẫn dưới theo chiều ngược lại Tác nhân lạnh sẽ vào mương dẫn ở phía trên, di chuyển ngược chiều với dịch đường và thoát ra ở mương dẫn dưới.
Hình 3.2 Tấm bản trao đổi nhiệt.
Nguyên lý hoạt động
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khung bản hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra các dòng chảy ngược chiều nhau trên bề mặt các tấm trao đổi nhiệt, nhằm tăng cường hiệu quả truyền nhiệt Khi các tấm trao đổi nhiệt được ép chặt, chúng tạo thành các khe hẹp cho phép các dòng chảy xen kẽ, tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.
Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động của thiết bị trao đổi nhiêt tấm bản
-: Đường đi của dịch đường.
: Đường đi của tác nhân lạnh.
Thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản có thể hoạt động với một hoặc hai cấp Trong trường hợp một cấp, chỉ cần sử dụng một loại tác nhân lạnh; trong khi đó, trường hợp hai cấp yêu cầu sử dụng hai loại tác nhân lạnh khác nhau.
Cấp 1: làm nguội dịch đường sơ bộ bằng nước 16 o C chảy ngược chiều.
Cấp 2 trong quá trình làm lạnh dịch đường là bước quan trọng, nơi nhiệt độ được hạ xuống mức phù hợp cho quá trình lên men, thường sử dụng nước muối (NaCl) hoặc chất tải lạnh glycol Một số máy làm lạnh đến từ Bỉ hoặc Đức sử dụng nước lạnh với nhiệt độ 0,5 o C làm tác nhân lạnh cấp 2.
Hình 3.4 Hình dáng bên ngoài của máy làm lạnh tấm bản hai cấp.
Hình 3.5 Sơ đồ dịch đường đi trong máy làm lạnh tấm bản hai cấp.
Dịch đường được làm lạnh bằng nước lạnh có nhiệt độ 16 o C, trong khi nước ra khỏi máy có nhiệt độ 68 o C Nước nóng sau khi làm lạnh sẽ được thu hồi và sử dụng trong quá trình nấu – đường hóa nhằm tiết kiệm nhiệt, hoặc có thể gia nhiệt thêm để làm nước rửa bã.
Dịch chuyển vào từ một đầu, chảy qua các rãnh giữa hai tấm bản và thoát ra ở đầu kia, trong khi nước hoặc tác nhân làm lạnh di chuyển ngược lại qua các rãnh kế tiếp Các rãnh trên tấm bản giúp điều chỉnh hướng dòng chảy liên tục, tối ưu hóa hiệu quả trao đổi nhiệt.
Sau khi làm nguội sơ bộ, tác nhân làm lạnh tiếp theo có thể là nước lạnh, glycol, amoniac hoặc cồn, và dịch được làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu Nếu sử dụng tác nhân làm lạnh không phải nước, cần thực hiện kiểm tra máy định kỳ, tháo dỡ thiết bị để vệ sinh và loại bỏ cặn bám trên các tấm bản, đồng thời kiểm tra rò rỉ Để tăng hiệu quả, có thể sục khí vô trùng vào dịch đường trong máy làm lạnh nhằm làm xáo trộn dòng chảy và hòa tan khí Thiết bị làm lạnh kiểu tấm bản mang lại nhiều ưu điểm đáng chú ý.
- Hiệu suất cao, đa năng.
- Thu hồi được nhiều năng lượng.
- Vệ sinh trong chu trình kín.
- Đảm bảo vô trùng, không nhiễm vi sinh vật.
Bổ sung oxy
Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men, nấm men cần oxy hòa tan để phát triển hiệu quả Do đó, việc thông khí sau khi làm lạnh dịch đường và trước khi thêm nấm men là rất quan trọng Không khí sử dụng cần được tiệt trùng hoặc có thể thay thế bằng oxy tinh khiết Tuy nhiên, nếu kiểm soát lượng oxy không tốt, có thể dẫn đến tình trạng bão hòa và gây ra các vị không mong muốn cho bia.
Hàm lượng oxy trong dịch đường phụ thuộc vào chất lượng của nó, bao gồm thành phần sterol, axit béo chưa no và giống nấm men Trước đây, oxy từ không khí (khoảng 21%) được sử dụng để bão hòa dịch đường, nhưng hiện nay yêu cầu sử dụng oxy tinh khiết Việc hòa tan oxy vào dung dịch rất khó khăn, và sự cân bằng khí hòa tan phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất khí Mặc dù độ hòa tan thường được xem xét ở áp suất khí quyển, nhưng áp suất này có thể thay đổi theo nồng độ khí hòa tan Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của không khí hoặc oxy tinh khiết vào dung dịch sẽ giảm.
Hàm lượng chất hòa tan trong dịch đường, như đường và muối, làm giảm khả năng hòa tan oxy Do chứa nhiều chất hòa tan, dịch đường có khả năng hòa tan oxy kém hơn so với nước tinh khiết Hơn nữa, khi dịch đường càng đặc và chứa nhiều chất chiết, khả năng hòa tan oxy càng giảm trong cùng một điều kiện.
Việc bổ sung không khí hoặc oxy vào dịch đường có thể thực hiện ngay khi dịch nóng vào máy lạnh hoặc sau khi đã làm lạnh Tuy nhiên, việc này có thể gây ra phản ứng oxy hóa, làm biến đổi hương vị và sẫm màu bia Dịch nóng giúp đảm bảo vô trùng cho khí, vì vi sinh vật bị tiêu diệt ở nhiệt độ cao Đối với dịch đường lạnh, không khí hoặc oxy cần được vô trùng, có thể thực hiện bằng cách sử dụng máy lọc khí có lưới lọc kim loại đã nung.