Thiết kế phân xưởng lên men nhà máy bia 20 triệu lít/năm

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế phân xưởng lên men nhà máy bia 20 triệu lít năm PAGE  PAGE 26 Lê Tuân Lớp CN lên men K50 MỞ ĐẦU Bia là loại nước giải khát lên men rất bổ dưỡng. Bia có nồng độ rượu nhẹ (hàm lượng rượu khoảng 3%  6%), có ga (hàm lượng CO2 khoảng 3  4 gam/lít), có bọt mịn, xốp & có hương vị thơm ngon rất đặc trưng. Ngoài ra, bia còn chứa một số chất bổ dưỡng. Chất đạm: đặc biệt là đạm hoà tan chiếm (8  10)% chất tan bao gồm prôtêin, peptit, aminoaxit. Gulucit: glucit tan (70% là dextrin, pentosan – sản phẩm caramen hoá). Vitamin: chủ yếu là vitamin nhóm B (vitamin B1, B6). Ngoài ra trong bia còn chứa một lượng các enzim khác nhau. Đặc biệt CO2 hoà tan trong bia có tác dụng làm giảm nhanh cơn khát cho người uống bia, giúp tiêu hoá nhanh thức ăn và ăn uống ngon miệng, giảm mệt mỏi, tăng phần tỉnh táo nếu người uống sử dụng một liều lượng thích hợp. Nhờ những đặc điểm nêu trên, bia được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới với sản lượng ngày càng tăng. Nước ta là một nước gần xích đạo nên nóng và oi bức. Vì vậy nhu cầu về nước giải khát chiếm một vị trí quan trọng trong mùa hè, ngành công nghiệp nước giải khát nói chung và ngành bia hiện nay nói riêng rất được quan tâm. Ngoài các nhà máy bia có công suất lớn là nhà máy bia Hà Nội, nhà máy bia Hà Tây và nhà máy bia Sài Gòn với tổng công suất khoảng 400 triệu lít/năm, gần đây đã xuất hiện rất nhiều nhà máy sản xuất bia liên doanh với nước ngoài. Các nhà máy này cùng với những cơ sở sản xuất quy mô nhỏ ở hầu hết các tỉnh thành trong cả nước nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng bia ngày càng tăng của mọi người. Vào khoảng những năm 80 của thế kỉ trước bia có thể coi là đồ uống xa xỉ đối với người lao động, nhưng hiện nay đời sống của người lao động đã dần được cải thiện, mức sống ngày càng cao hơn nên việc sử dụng bia hàng ngày càng trở nên phổ biến. Để đáp ứng nhu cầu này thì việc xây dựng thêm các nhà máy bia là rất thích hợp. PHẦN 1 LẬP LUẬN KINH TẾ 1.1 Địa điểm xây dựng nhà máy Bia là một trong những loại nước uống giải khát được ưa chuộng nhất hiện nay. Trên thế giới bia được phổ biến rộng rãi và luôn được tiêu thụ với sản lượng lớn. Có thể ví dụ cụ thể theo thống kê trước đây thì các nước Đức, Mỹ có sản lượng bia lớn hơn 10 tỉ lít/năm. Còn ở Châu Á thì sản lượng bia của Nhật & Trung Quốc cũng gần bằng với sản lượng bia của Đức & Mỹ là khoảng 7-10 tỉ lít/năm. Hiện nay ở Việt Nam đời sống của mọi người đều được nâng cao nên việc dùng bia làm nước giải khát hàng ngày trở nên thông dụng hơn. Tuy nhiều nhà máy mới mọc lên và đang áp dụng tiến bộ khoa học kĩ thuật, sử dụng dây truyền thiết bị hiện đại để tăng năng suất, nâng cao chất lượng nhưng vẫn không đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ. Chính điều này đã thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất nước giải khát nói chung và công nghệ sản xuất bia nói riêng. Giữa sự phát triển ngành công nghiệp bia & tăng trưởng kinh tế có sự tác động tương hỗ lẫn nhau. Phát triển công nghiệp bia tạo công ăn việc làm cho rất nhiều người lao động, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng, có doanh thu lớn, góp phần vào tăng trưởng kinh tế. Ngược lại, nền kinh tế phát triển tạo điều kiện cho đầu tư mở rộng sản xuất, mở rộng thị trường tiêu thụ cả trong nước và nước ngoài. Để thiết kế và xây dựng một nhà máy bia hoạt động có hiệu quả, việc đầu tiên là phải chọn được một địa điểm xây dựng thích hợp, thuận tiện về giao thông đường thuỷ, đường bộ để dễ vận chuyển nguyên liệu, nhiên liệu, vật liệu và sản phẩm. Phải gần nguồn cung cấp nước, có hệ thống thoát nước hợp lí không ảnh hưởng đến vệ sinh môi trường, đến sức khoẻ của người dân trong vùng. Phải gần nơi đông dân cư để có nguồn nhân lực dồi dào, tiêu thụ sản phảm thuận lợi. Qua khảo sát và tìm hiểu em chọn địa điểm xây dựng nhà máy bia ở thị xã Tam Đường, tỉnh Lào Cai. Đây là một tỉnh vùng cao biên giới thuộc vùng trung du và miền núi phía Bắc của Việt Nam, giáp ranh giữa vùng Tây Bắc và vùng Đông Bắc. Phía Bắc Lào Cai giáp Trung Quốc, phía Tây giáp tỉnh Lai Châu, phía đông giáp tỉnh Hà Giang, phía Nam giáp tỉnh Yên Bái. Theo kết quả điều tra dân số ngày 01/04/2009 dân số tỉnh là 613.075 người trong đó dân trong trong độ tuổi lao động chiếm 53%. Theo dự kiến, năng suất nhà máy sẽ là 20 triệu lít/năm 20 triệu lít năm với 50% bia hơi và 50% bia chai, bia hơi sản xuất chủ yếu vào mùa hè còn bia chai do đặc điểm có thể bảo quản được 6 tháng nên sẽ sản xuất quanh năm. Chất lượng bia ở mức trung bình khá hướng tới thị trường bình dân. 1.2 Nguyên liệu Với chất lượng bia ở múc trung bình khá, tỷ lệ nguyên liệu chính/nguyên liệu thay thế dự kiến là malt 60%, gạo chiếm 40% mục đích hạ giá thành sản phẩm, nâng cao lợi nhuận. Gạo sẽ được thu mua từ các địa phương lân cận trong nước, malt nhập khẩu từ nước ngoài (dự kiến là Trung Quốc) Nếu nhập khẩu malt từ Trung Quốc thì sẽ rất thuận tiện vì tỉnh Lào Cai có vị trí địa lí rất gần với đường biên giới Việt Nam – Trung Quốc, thông thương thuận lợi và nhanh chóng. Hoa houblon dự kiến cũng sẽ được nhập khẩu từ Trung Quốc với 2 dạng : hoa viên và cao hoa. Nấm men sử dụng tại nhà máy là loại Saccharomyces carlsbergensis. Về nguồn nước, trên địa phận tỉnh Lào Cai, có 2 con sông lớn chảy qua là sông Hồng và sông Chảy, tận dụng nguồn nước sẵn có này cùng với việc khai thác các nguồn nước ngầm sẽ đảm bảo cho nhu cầu sản xuất của nhà máy. Vấn đề đặt ra là chi phí và trang thiết bị cần thiết cho việc xử lý nguồn nước cấp đảm bảo tiêu chuẩn của nước nấu bia. Ngoài ra cũng có thể xem xét sử dụng nguồn nước máy của tỉnh để hạ giá thành sản xuất vì trên thực tế, mua nước máy rẻ hơn khá nhiều so với xử lý nước ngầm, nước sông. 1.3 Giao thông vận tải Lào Cai là một trong số ít tỉnh miền núi có mạng lưới giao thông vận tải đa dạng, bao gồm: đường bộ, đường sắt, đường sông, và trong giai đoạn 2006 – 2010 đã đang triển khai dự án sân bay Lào Cai. Tuyến đường cao tốc Hà Nội - Lào Cai phía hữu ngạn sông Hồng đang được Bộ Giao thông Vận tải và Ngân hàng Phát triển châu Á (ADB) triển khai nghiên cứu xây dựng. Dự kiến tuyến đường này sẽ nối với tuyến đường cao tốc Côn Minh - Hà Khẩu tạo nên hành lang Côn Minh - Lào Cai - Hà Nội - Hải Phòng. Tuyến đường sắt Hà Nội - Lào Cai dài 296 km, đoạn qua địa phận Lào Cai dài 62 km được nối với đường sắt Trung Quốc, năng lực vận tải khoảng 1 triệu tấn/năm và hàng ngàn lượt khách/ngày đêm. 1.4 Nguồn nhân lực Nhà máy có thể sử dụng lực lượng lao động tại địa phương, vừa nhằm giải quyết công ăn việc làm cho người dân tại đây, mặt khác khi sử dụng nguồn nhân công tại chỗ giúp chúng ta không phải quan tâm đến nơi ăn chốn ở của công nhân. Bên cạnh đó nhà máy đặt tại thị xã lớn của một tỉnh với đường giao thông thuận lợi sẽ thu hút nhân tài từ các tỉnh lân cận về đây làm việc. 1.5 Đối tượng khách hàng Lào Cai đã phát hiện được 150 mỏ và điểm mỏ với trên 30 loại khoáng sản, trong đó có một số mỏ chất lượng thuộc loại quy mô lớn nhất nước và khu vực như: mỏ A Pa Tit Cam Đường với trữ lượng 2,5 tỷ tấn, mỏ sắt Quý Xa trữ lượng 124 triệu tấn, mỏ đồng Sin Quyền trữ lượng 53 triệu tấn, mỏ Molipden Ô Quy Hồ trữ lượng 15,4 nghìn tấn. Trong dự án này, đối tượng khách hàng hướng tới chủ yếu của sản phẩm bia hơi là công nhân viên làm việc tại các khu vực khai thác khoáng sản cũng như dân cư sinh sống tại địa phận thị xã Tam Đường tỉnh Lào Cai. Bia chai có thể tiêu thụ trên diện rộng hơn đến các tỉnh lân cận như Lai Châu, Điện Biên, Cao Bằng, Tuyên Quang và xuất khẩu sang các tỉnh vùng biên giới của Trung Quốc. Hiện nay trên địa phận thị xã Tam Đường tỉnh Lào Cai, chỉ có một vài cơ sở sản xuất bia tư nhân với quy mô nhỏ lẻ, năng suất thấp, sản xuất chủ yếu là bia hơi. Với đặc tính của bia và nhu cầu nước giải khát ngày càng cao cùng với sự giảm chi phí sản xuất do dùng 40% nguyên liệu thay thế và địa điểm đặt nhà máy thuận lợi thì dự án có triển vọng sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao. PHẦN 2 NGUYÊN LIỆU DÙNG TRONG SẢN XUẤT 2.1 Nguyên liệu sản xuất bia 2.1.1 Malt đại mạch Malt đại mạch là sản phẩm không tồn tại trong tự nhiên, nó là một sản phẩm nhân tạo: cho hạt đại mạch nảy mầm và sự nảy mầm dừng lại ở sấy khô. Hạt đại mạch bao gồm: Lớp vỏ hạt: có vai trò như một màng bán thấm, chỉ cho nước thấm vào bên trong hạt đồng thời giữ các chất hoà tan trong hạt không cho thấm ra ngoài. Vỏ hạt chiếm một giá trị khá lớn nhưng không có giá trị dinh dưỡng. Đối với công nghệ sản xuất bia vỏ hạt gây ảnh hưởng hai mặt, mặt bất lợi là vì trong vỏ chứa các chất màu, các chất đắng & chất chát. Nếu những chất này hoà tan vào dịch đường sẽ làm giảm chất lượng của sản phẩm. Mặt lợi của vỏ là nó đóng vai trò xây dựng màng lọc trong quá trình tách bã khỏi khối cháo. Nội nhũ: là phần lớn nhất đồng thời là phần giá trị nhất của hạt. Cấu trúc của nội nhũ gồm các tế bào lớn có thành mỏng chứa đầy các hạt tinh bột, một ít protein, xelluloza, chất béo, đường. Phôi: là phần sống của hạt, trọng lượng cả phôi chỉ chiếm khoảng 2,5-5% so với trọng lượng của hạt. Vai trò của phôi có tầm quan trọng đăc biệt không những đối với sự sống lưu truyền của cây mà ngay cả trong công nghệ sản xuất bia. Quá trình chế biến hạt để trở thành malt dựa vào sự nảy mầm của hạt hay sự phát triển của phôi. Trong giai đoạn này quá trình sinh học chủ yếu xảy ra là sự hoạt hoá và tích luỹ hoạt lực của enzyme trong hạt. Phôi là trạm hoạt hoá và là nhà máy sản xuất enzyme, nếu thiếu nó thì cơ sở lí thuyết của quá trình sản xuất malt coi như sụp đổ. Malt đại mạch là nguyên liệu chính cho sản xuất bia, Malt được sản xuất từ đại mạch. Quá trình quan trọng nhất để đại mạch chuyển thành malt là quá trình nảy mầm. Mục đích của quá trình này là biến hạt đại mạch thành sản phẩm giàu các enzim xúc tác sinh học, có hương vị thích hợp, màu sắc mong muốn cho loại bia sẽ sản xuất. Hoạt hoá & nâng cao năng lực của enzim chủ yếu có trong đại mạch, ứng dụng thuỷ phần hợp chất cao phân tử, chuyển hoá một phần chính đại mạch (dịch chiết, dịch lên men) khi hoạt lực enzim tăng dễ dàng cho quá trình sản xuất bia, tạo nhiệt độ, độ ẩm và môi trường thích hợp để phôi phát triển, hệ enzim thuỷ phân trong hạt đại mạch giải phóng khỏi trạng thái liên kết để trở thành trạng thái tự do, tăng cường hoạt động tích luỹ các hệ enzim như amylaza, proteaza và một số enzim khác. Nhờ lượng tích tụ trong hạt kết quả là sự thuỷ phân tinh bột, protit, hemixenllulo, các phốt pho hữu cơ diễn ra triệt để hơn. Sau quá trình nảy mầm đem sấy khô tách rễ và làm sạch. Chỉ tiêu chất lượng của malt đại mạch trong sản xuất bia: - Hình dáng bên ngoài của hạt: Hạt phải thống nhất về màu sắc: vàng nhạt óng ánh (giống như màu rơm), hạt có màu xanh là hạt chưa chín, màu đậm là thu hoạch bị ẩm, hạt có chấm màu nâu hoặc xám (đặc biệt là hai đầu hạt) là dấu hiệu bị mốc, không có khả năng nảy mầm, hạt có mùi thơm đặc trưng (giống màu rạ tươi). Hạt phải thống nhất về độ thuần khiết của giống lúa: với một loại giống đại mạch có chế độ xử lý kỹ thuật để đạt chất lượng yêu cầu. Trong sản xuất chỉ chấp nhận 5% các hạt ngoại lai khi dùng số lượng hạt đại mạch lớn. - Trọng lượng đại mạch: nhỏ hơn (7  9)% trọng lượng hạt, không dùng hạt có chỉ số lớn hơn 9% (10%  12%). - Dung trọng: Đại mạch loại 1 dung trọng  680g/l hạt. Đại mạch loại 2 dung trọng (650  680)g/l hạt. Đại mạch loại 3 dung trọng (630 650)g/l hạt. - Trọng lượng tuyệt đối: đại mạch trung bình bằng (35  45)g/1000 hạt. Đại mạch loại nặng > 44g/1000 hạt. Đại mạch loại trung = (44  45)g/1000 hạt. Đại mạch loại nhẹ = (35  40)g/1000 hạt. Trong sản xuất chỉ dùng hai loại trên, loại thứ ba chỉ dùng với một tỷ lệ nhất định thông thường không quá (15  20)%. - Hàm lượng ẩm (w): phải đạt trung bình (10  15)%. Khi bảo quản tốt nhất w = (12  13)% & không vượt quá 13% khi tàng trữ & w tối thiểu cho phép là 10%. Trên 13% (nhất là > 15%  16% hạt dễ bốc nóng, khó bảo quản, nếu độ ẩm lượng chất chiết trong dịch lên men là 66,15 0,97 = 64,17 (kg) Giả thiết hiệu suất lên men thực tế là 60% và coi toàn bộ lượng đường lên men là maltoza. Mà cứ 1kg đường maltoza khi lên men theo lý thuyết thì sẽ được 0,682 lít cồn, do đó độ cồn của bia sau khi lên men là: 64,17 0,682 0,6 100 488 = 5,38 % (v/v) 4.1.4 Tính lượng bia thu được sau khi chiết Tổn thất chiết chai là 4 % nên thể tích bia chai thu được là 480,68 0,96 = 461,46 (lít) 4.1.5 Tính lượng men giống và men sữa Tỷ lệ men giống trước khi cấy cho vào là 10% so với dịch đưa vào lên men, vậy lượng men giống đưa vào sẽ là: 508,31 0,1 = 50,83 (lít) Nếu sử dụng men sữa thì ta sẽ sử dụng theo tỷ lệ 1%. Vậy lượng men sữa là: 508,31 0,01 = 5,08 (lít) Cứ 100 lít bia cho 2 lít sữa men W=85% Cứ 100kg nguyên liệu (sản xuất ra 461,46 lít bia chai) sẽ cho lượng sữa men là: 461,46 × 2 100 = 9,23 (lít) Trong đó một phần (5,08 lít) được tái sử dụng làm men giống. Vậy lượng sữa men dùng làm thức ăn gia súc là: 9,23 – 5,08 = 4,15 (lít) 4.1.6 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 cho nên lượng bột trợ lọc cần dùng là: 487,98 0,73 1000 = 0,36 (kg) 4.1.7 Tính toán lượng CO2 Ta có phương trình lên men như sau: C12H22O11 + H2O → 4 C2H5OH + 4CO2 Cứ 342 g maltoza theo lý thuyết sẽ tạo thành 176 g CO2 Hiệu suất lên men trong quá trình lên men là 60%. Lượng chất chiết trong dịch lên men là 66,15kg. Vậy lượng CO2 thu được là: 66,15 0,6 176 342 = 20,43 (kg) Lượng CO2 hòa tan trong bia (2,5g CO2/lít bia non) là: 487,98 2,5 = 1219,95 (g) = 1,22 (kg). Lượng CO2 thoát ra là: 20,43 – 1,22 = 19,21 (kg) Lượng CO2 thu hồi (thường đạt 70%) là: 19,21 0,7 = 13,45 (kg) Ở 20ºC, 1atm thì cứ 1m3 CO2 cân nặng 1,832kg. Vậy thể tích CO2 thu hồi là: 13,45 1,832 = 7,34 (m3) Lượng CO2 cần bão hòa thêm để đạt hàm lượng 3,5g/l trong bia thành phẩm là: (480,68 3,5) – 1219,95 = 462,43 (g) = 0,46 (kg) Thể tích CO2 cần bão hòa thêm (ở 20ºC) 0,46 1,832 = 0,25 (m3) 4.2 Tính toán lượng nguyên liệu và sản phẩm trung gian để sản xuất 100 lít bia chai từ dịch đường 12,5 ºP 4.2.1 Tính lượng bia và dịch đường qua các giai đoạn Quá trình chiết bia tổn thất 4%, lượng bia đã bão hoà CO2 là: 100 (1-0,04) = 100 0,96 = 104,17 (lít) Quá trình bão hòa CO2 tổn thất 0,5%. lượng bia trước khi bão hòa là : 104,17 (1-0,005) = 1014,17 0,995 = 104,69 (lít) Quá trình lọc bia tổn hao 1%, lượng bia trước khi lọc là: 104,69 (1-0,01) = 87,57 0,99 = 105,75 (lít) Quá trình lên men chính và phụ tổn hao 4%, lượng dịch đường đưa vào lên men là: 105,75 (1-0,04) = 88,45 0,96 = 110,15 (lít) Quá trình lạnh nhanh tổn hao 1%, lượng dịch đường đưa vào làm lạnh là: 92,14 (1-0,01) = 92,14 0,99 = 111,27 (lít) Quá trình lắng xoáy tổn hao 2%, lượng dịch đường đưa vào lắng xoáy là 111,27 (1-0,02) = 93,07 0,98 = 113,54 (lít) Khi làm lạnh thể tích dịch đường co ngót 4%, thể tích dịch đường ở 100ºC trước khi lắng xoáy là: 113,54 (1-0,04) = 94,97 0,96 = 118,27 (lít) Dịch đường 12,5% ở 20ºC có khối lượng riêng d = 1,05048 (kg/l). Khối lượng dịch đường sau quá trình đun hoa (ở 20ºC) là: 118,27 1,05048 = 124,24 (kg) Lượng chất chiết có trong dịch đường 12,5% đó là: 99,76 0,125 = 15,53 (kg) Quá trình nấu, đường hóa, lọc tổn hao chất chiết 2%, lượng chất chiết cần thiết là: 15,53 (1-0,02) = 12,47 0,98 = 15,85 (kg) 4.2.2 Tính nguyên liệu Gọi lượng malt cần dùng là M, lượng chất chiết thu được từ M kg malt là: M 0,99 0,94 0,70 = 0,651 M Lượng gạo cần dùng là M, lượng chất chiết thu được từ gạo là M 0,99 0,875 0,82 = 0,474 M Tổng lượng chất chiết là : 0,651 M + 0,474 M = 1,125 M Vậy M = = 14,09 Lượng malt cần dùng là: 14,09 kg Lượng gạo cần dùng là: M = 9,39 kg 4.2.3 Tính các phụ phẩm Lượng men sữa gieo cấy là:(1% lượng dịch lên men) 101,15 0,01 = 1,012 (lít) Lượng nấm men gieo cấy là: ( 10% so với lượng dịch lên men ) 101,15 0, 1 = 10,12 (lít) Cứ 100 lít bia thành phẩm cho 2 lít sữa men W = 85%, trong đó có một phẩn (1,012 lít) được tái sử dụng làm men giống Vậy lượng men sữa dùng làm thức ăn gia súc là 2 – 1,012 = 0,988 (lít) 4.2.4 Tính lượng CO2 Hiệu suất lên men trong quá trình lên men là 60%. Lượng chất chiết trong dịch lên men là 15,85 kg. Vậy lượng CO2 thu được là: 15,85 0,6 176 342 = 4,894(kg) Lượng CO2 hòa tan trong bia (2,5g CO2/lít bia non) là: 105,75 2,5 = 264,38 (g) = 0,264 (kg) Lượng CO2 thoát ra là: 4,894 – 0,264 = 4,63 (kg) Lượng CO2 thu hồi (thường đạt 70%) là: 4,63 0,7 = 3,24 (kg) Ở 20ºC, 1atm thì cứ 1m3 CO2 cân nặng 1,832kg. Vậy thể tích CO2 thu hồi là: 3,24 1,832 = 1,77 (m3) Lượng CO2 cần bão hòa thêm để đạt 3,5g/l bia thành phẩm là: (104,17 3,5) – 264,38 = 100,215 (g) = 0,1 (kg) Thể tích CO2 cần bão hòa thêm (ở 20ºC) 0,1 1,832 = 0,055 (m3)  Bảng cân bằng sản phẩm cho bia chai Hạng mụcĐơn vịCho 100 kg nguyên liệuCho 100 lít bia thành phẩmCho 1 mẻ nấuNguyên liệu chínhkg10023,484696Maltkg6014,092818Gạokg409,391878Nguyên liệu khácBột diatomitkg0,360,07314,6Men giốngl50,83112203Men sữal5,081,1120,3Sản phẩm trung gianChất chiết tổng sốkg66,1515,853170Dịch sau nấu hoal523,92113,5422708Dịch sau lắng xoáyl513,44111,2722254Dịch sang lên menl508,31110,1522030Bia non (sau lên men)l487,98105,7521150Bia sau lọcl483,12104,6920938Bia sau bão hòa CO2l480,68104,1720834Bia chai thành phẩml461,4610020.000Sản phẩm phụMen sữa thu hồil9,232400CO2 thu hồim37,341,77354CO2 bổ sungm30,250,05511 4.3 Tính toán lượng bia hơi từ 100kg nguyên liệu ban đầu Tỷ lệ nguyên liệu: 60% malt 40 % gạo 4.3.1 Tính lượng chất chiết trong 100 kg nguyên liệu ban đầu Tính lượng chất chiết từ malt trong tổng số 100kg nguyên liệu: Độ ẩm của malt: 6%. Hệ số hòa tan: 70% Tổn thất do nghiền: 1%. Lượng malt thô sau khi nghiền là (tổn thất do nghiền là 1%) 100 0,6 0,99 = 59,4 (kg) Lượng chất khô của malt là: 100 0,6 0,99 0,94 = 55,84 (kg) Lượng chất chiết từ malt có trong 100kg nguyên liệu là: 100 0,6 0,99 0,94 0,70 =39,09 (kg) Tính lượng chất chiết từ gạo trong tổng số 100kg nguyên liệu: Độ ẩm của gạo: 12,5% Hệ số hòa tan: 82% Tổn thất do xay, nghiền: 1% Lượng gạo sau khi nghiền là 100 0,4 0,99 = 39,60 (kg) Lượng chất khô của gạo là: 100 0,4 0,99 0,875 = 34,65 (kg) Lượng chất chiết từ gạo có trong 100kg nguyên liệu là: 100 0,4 0,99 0,875 0,82 = 28,41 (kg) Tổng lượng chất khô có trong 100kg nguyên liệu là: 55,84 + 34,65 =90,49 (kg) Tổng lượng chất chiết có trong 100kg nguyên liệu là: 39,09 + 28,41 = 67,50 (kg) Tính lượng chất hòa tan còn lại trong dịch đường sau giai đoạn nấu, đường hóa và lọc: Chọn tổn thất chất hòa tan chung của quá trình nấu, đường hóa, lọc là 2% (thường là 1 – 2%). Lượng chất chiết còn lại trong dịch đường là: 67,50 0,98 = 66,15 (kg) 4.3.2 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 66,15 kg Lượng dịch đường 10,5ºP (sau đun hoa) là: 66,15 0,105 = 630 (kg) Lượng dịch đường 10,5ºP, ở 20ºC có khối lượng riêng d = 1,04211 (kg/l). Do vậy thể tích dịch 10,5ºP ở 20ºC là: V= M/d = 630 1,04211 = 604,54 (lít) Do thể tích ở 100ºC chênh lệch so với thể tích dịch ở 20ºC là 4% nên thể tích dịch ở 100ºC là: 604,54 1,04 = 628,72 (lít) Lượng dịch sau khi làm lắng trong ( tổn thất quá trình lắng 2%) 628,72 0,98 = 616,15 (lít) Lượng dịch sau khi làm lạnh nhanh chuyển sang lên men là: ( tổn thất quá trình làm lạnh 1%) 616,15 0,99 = 609,98 (lít) Lượng bia non sau khi lên men chính và phụ (tổn thất theo dịch cho cả hai quá trình này là 4,0%) 609,98 0,96 = 585,58 (lít) Lượng bia non sau khi lọc (tổn thất là 1,0%) 585,58 0,99 = 579,73 (lít) Lượng bia sau khi bão hòa CO2 (tổn thất 0,5%) 579,73 0,995 = 576,83 (lít) 4.1.3 Tính toán độ cồn của bia sau khi lên men. Lượng chất chiết sau khi nấu hoa là 66,15 kg, sau khi lắng trong và làm lạnh nhanh với tổn thất chung cho hai quá trình này là 3,0% => lượng chất chiết trong dịch lên men là 66,15 0,97 = 64,17 (kg) Giả thiết hiệu suất lên men thực tế là 60% và coi toàn bộ lượng đường lên men là maltoza. Mà cứ 1kg đường maltoza khi lên men theo lý thuyết thì sẽ được 0,682 lít cồn, do đó độ cồn của bia sau khi lên men là: 64,17 0,682 0,6 100 585,58 = 4,48 % (v/v) 4.3.4 Tính lượng bia thu được sau khi chiết Tổn thất chiết bock là 0,5 % nên thể tích bia chai thu được là 576,83 0,995 = 573,95 (lít) 4.3.5 Tính lượng men giống và men sữa thu hồi Tỷ lệ men giống trước khi cấy cho vào là 10% so với dịch đưa vào lên men, vậy lượng men giống đưa vào sẽ là: 609,98 0,1 = 61 (lít) Nếu sử dụng men sữa thì ta sẽ sử dụng theo tỷ lệ 1%. Vậy lượng men sữa là: 609,98 0,01 = 6, 1 (lít) Cứ 100 lít bia cho 2 lít sữa men W=85% Cứ 100kg nguyên liệu (sản xuất ra 734,65 lít bia hơi) sẽ cho lượng sữa men là: 734,65 × 2 100 = 14,69 (lít) Trong đó một phần (6,1 lít) được tái sử dụng làm men giống. Vậy lượng sữa men dùng làm thức ăn gia súc là: 14,69 – 6,1 = 8,59 (lít) 4.3.6 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 cho nên lượng bột trợ lọc cần dùng là: 573,95 0,73 1000 = 0,419 (kg) 4.4 Tính toán lượng nguyên liệu và sản phẩm trung gian để sản xuất 100 lít bia hơi từ dịch đường 10,5 ºP 4.4.1 Tính lượng bia và dịch đường qua các giai đoạn Quá trình chiết bia tổn thất 0,5%, lượng bia đã bão hoà CO2 là: 100 (1-0,005) = 100 0,995 = 100,5 (lít) Quá trình bão hòa CO2 tổn thất 0,5%. lượng bia trước khi bão hòa là : 100,5 (1-0,005) = 100,5 0,995 = 101,01 (lít) Quá trình lọc bia tổn hao 1%, lượng bia trước khi lọc là: 101,01 (1-0,01) = 101,01 0,99 = 102,03 (lít) Quá trình lên men chính và phụ tổn hao 4%, lượng dịch đường đưa vào lên men là: 102,03 (1-0,04) = 102,03 0,96 = 106,28 (lít) Quá trình lạnh nhanh tổn hao 1%, lượng dịch đường đưa vào làm lạnh là: 106,28 (1-0,01) = 106,28 0,99 = 107,36 (lít) Quá trình lắng xoáy tổn hao 2%, lượng dịch đường đưa vào lắng xoáy là 107,36 (1-0,02) = 107,36 0,98 = 109,55 (lít) Khi làm lạnh thể tích dịch đường co ngót 4%, thể tích dịch đường ở 100ºC trước khi lắng xoáy là: 109,55 (1-0,04) = 109,55 0,96 = 114,11 (lít) Dịch đường 10,5% ở 20ºC có khối lượng riêng d = 1,04211 (kg/l). Khối lượng dịch đường sau quá trình đun hoa (ở 20ºC) là: 114,11 1,04211 = 118,92 (kg) Lượng chất chiết có trong dịch đường 10,5% đó là: 118,92 0,105 = 12,49 (kg) Quá trình nấu, đường hóa, lọc tổn hao chất chiết 2%, lượng chất chiết cần thiết là: 12,49 (1-0,02) = 12,05 0,98 = 12,74 (kg) 4.4.2 Tính nguyên liệu Gọi lượng malt cần dùng là M, lượng chất chiết thu được từ M kg malt là: M 0,99 0,94 0,70 = 0,651 M Lượng gạo cần dùng là M, lượng chất chiết thu được từ gạo là M 0,99 0,875 0,82 = 0,474 M Tổng lượng chất chiết là : 0,651 M + 0,474 M = 1,125 M Vậy M = =10,19 Lượng malt cần dùng là: 10,19 kg Lượng gạo cần dùng là: M = 6,80 kg 4.4.3 Tính các phụ phẩm Lượng men sữa gieo cấy là:(1% lượng dịch lên men) 106,28 0,01 = 1,06 (lít) Lượng nấm men gieo cấy là: ( 10% so với lượng dịch lên men ) 106,28 0, 1 = 10,63 (lít) Cứ 100 lít bia cho 2 lít sữa men W=85% Trong đó một phần (0,83 lít) được tái sử dụng làm men giống. Vậy lượng sữa men dùng làm thức ăn gia súc là: 2 – 1,06 = 0,94 (lít) Lượng bột trợ lọc diatomit sử dụng là: ( tỉ lệ 0,73 kg cho 1000 lít bia ) 102,03 0,73 1000 = 0,074 (kg) 4.4.4 Tính lượng CO2 Hiệu suất lên men trong quá trình lên men là 60%. Lượng chất chiết trong dịch lên men là 12,74 kg. Vậy lượng CO2 thu được là: 12,74 0,6 176 342 = 3,934(kg) Lượng CO2 hòa tan trong bia (2,5g CO2/lít bia non) là: 102,03 2,5 = 255,075 (g) = 0,256 (kg) Lượng CO2 thoát ra là: 3,934 – 0,256 = 3,678 (kg) Lượng CO2 thu hồi (thường đạt 70%) là: 3,678 0,7 = 2,575 (kg) Ở 20ºC, 1atm thì cứ 1m3 CO2 cân nặng 1,832kg. Vậy thể tích CO2 thu hồi là: 2,575 1,832 = 1,405 (m3) Lượng CO2 cần bão hòa thêm để đạt 3,5g/l bia thành phẩm là: (101,01 3,5) – 255,075 = 98,46 (g) = 0,098 (kg) Thể tích CO2 cần bão hòa thêm (ở 20ºC) 0,098 1,832 = 0,054 (m3) Bảng cân bằng sản phẩm cho bia hơi Hạng mụcĐơn vịCho 100 kg nguyên liệuCho 100 lít bia thành phẩmCho 1 mẻ nấuNguyên liệu chínhkg10014,752950Maltkg6010,192038Gạokg406,801360Nguyên liệu khácBột diatomitkg0,4190,07414,7Men giốngl6110,631848Men sữal6,11,06184,8Sản phẩm trung gianTổng lượng chất chiếtkg66,1512,742548Dịch sau nấu hoal628,72109,5521910Dịch sau lắng xoáyl616,15107,3621472Dịch sang lên menl609,98106,2821256Bia non (sau lên men)l585,58102,0320406Bia sau lọcl579,73101,0120202Bia sau bão hòa CO2l576,83100,0520100Bia hơi thành phẩml573,9510020.000Sản phẩm phụMen sữa thu hồil9,232400CO2 thu hồim37,341,405281CO2 bổ sungm30,250,05410,8 4.5 Kế hoạch sản xuất Tính cho 1 năm sản xuất, 10 triệu lít bia hơi và 10 triệu lít bia chai XuânHèThu ĐôngBia hơi2.5 triệu lít5 triệu lít2.5 triệu lít0 Bia chai2.5 triệu lít2.5 triệu lít2.5 triệu lít2.5 triệu lítTổng5 triệu lít7.5 triệu lít5 triệu lít2.5 triệu lít Theo kế hoạch thì mùa hè sản lượng là lớn nhất với 7,5 triệu lít, ta sẽ tính toán thiết bị theo sản lượng này 1 mùa có 3 tháng, 1 tháng sản xuất 25 ngày, vậy thời gian mùa hè có 253 = 75 ngày làm việc. Lượng bia sản xuất 1 ngày sẽ là 7,5 triệu lít / 75 ngày = 100.000 lít/ngày PHẦN 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ Để sản xuất được 100 lít bia thành phẩm cần lên men 92,14 lít dịch đường lạnh, vậy thể tích dịch cần lên men trong 1 ngày tương ứng với 1 tank là 92,14 100.000 100 = 92140 lít = 92,14 (m3) Hệ số chưa đầy tank lên men lựa chọn là 80%, thể tích tank lên men sẽ là 92,14 0,8 = 115,18 (m3) Vậy thể tích tank lên men lựa chọn sẽ là 115 m3 Thời gian lên men dự kiến là 15 ngày với bia hơi và 18 ngày với bia chai nên ta sẽ lựa chọn sử dụng 20 tank lên men. 5.1 Tank lên men Thể tích dịch chứa trong 1 tank lên men là Vd = 92,14 m3 Các thông số kỹ thuật của thiết bị lên men bao gồm: Vd : thể tích hữu ích của tank lên men D : đường kính của tank lên men h1 : chiều cao phần đáy h2 : chiều cao phần chứa dịch h3 : chiều cao phần trụ không chứa dịch h4 : chiều cao phần đỉnh α : góc đáy côn, chọn α = 60º. Ta có: = 1,5 D3 = 92,14 Chọn h2 = 1,5 D tính được D = 3,95 (m) = 3,42 (m) h2 = 1,5 D = 5,93 (m) Thể tích phần trống không chứa dịch chọn bằng 25% thể tích dịch Vtrống = 94,14 0,25 = 23,535 (m3) = 1,92 (m) h4 = 0,15D = 0,593 (m) Chiều cao tank lên men : H = h1 + h2 + h3 + h4 = 11,86 (m) Thể tích thực tế tank lên men : Vtt = Vd + Vtrống = 92,14 + 23,535 = 115,675 (m3) Tank lên men làm bằng thép không gỉ, bề dày 10 mm, lớp cách nhiệt dày 150 mm. Đường kính ngoài của tank là : Dn = D + (2 0,15) = 4,25 (m) Chọn khoảng cách từ nền tầng 1 đến đáy tank lên men là 1 m, chiều cao tổng thể của cả thiết bị so với mặt sàn là : Htt = H + 1 = 12,86 m 5.2 Thiết bị nhân men giống Thiết bị nhân men giống được chọn theo nguyên tắc sau : Thể tích hữu ích của thùng nhân men giống cấp 2 bằng 1/10 thể tích dịch lên men của tank lên men chính. Thể tích hữu ích của thùng nhân giống cấp 1 bằng 1/5 thể tích của thùng nhân giống cấp 2. * Chọn thiết bị nhân men giống cấp 2 làm bằng inox, thân trụ đáy côn Gọi V2 là thể tích hữu ích của thùng nhân men giống cấp 2 V2 = Vd / 10 = 9,214 (m3) Các thông số kỹ thuật của thiết bị nhân giống: V2 : thể tích hữu ích của thùng nhân giống cấp 2 D : đường kính của thiết bị h1 : chiều cao phần đáy h2 : chiều cao phần chứa dịch h3 : chiều cao phần trụ không chứa dịch h4 : chiều cao phần đỉnh α : góc đáy côn, chọn α = 60º. Chọn h2 = D Theo công thức = V2 = 9,214 = 1,11 D3 Ta tính được chu vi thùng nhân men cấp 2 là: D = 2,02 (m) = 1,75 (m) h2 = D = 2,02 (m) Thể tích phần trống : Vtrống = 0,25 V2 = 2,304 (m3) = 0,72 m Chọn h4 = 0,15D = 0,3 (m) Chiều cao thiết bị nhân giống cấp 2: H = h1 + h2 + h3 + h4 = 4,79 (m) Chọn khoảng cách từ sàn đến thiết bị là 0,8 m, chiều cao thực tế của thiết bị so với mặt nền là Htt = H + 0,8 = 5,59 (m) Thể tích thực tế thiết bị nhân giống cấp 2 Vtt = V2 + Vtrống = 9,214 + 2,304 = 11,518 (m3) Thiết bị làm bằng inox có bề dày là 10mm, lớp cách nhiệt 150 mm, đường kính ngoài của thiết bị là : Dn = D + 0,152 = 2,02 + 0,3 = 2,32 (m) * Thiết bị nhân men giống cấp 1 tính toán tương tự Thể tích hữu ích V1: V1 = 1/5 V2 = 1,843 (m3) Thể tích trống Vtrống: Vtrống = 0,25 V1 = 0,461 (m3) Chọn h2 = D, đường kính thiết bị: = V1 = 1,11 D3 D = 1,18 (m) = 1,03 (m) ; h2 = D = 1,18 (m) = 0,5 (m) ; h4 = 0,15D = 0,177 (m) Chiều cao thiết bị nhân giống cấp 1 : H = h1 + h2 + h3 + h4 = 3,3 (m) Khoảng cách từ sàn đến thết bị chọn là 0,8 m, chiều cao thực tế của thiết bị so với mặt nền là: Htt = H + 0,8 = 4,1 (m) Thể tích thực tế thiết bị nhân giống cấp 1 là : Vtt = V1 + Vtrống = 1,843 + 0,461 = 2,304 (m3) Thiết bị làm bằng inox có bề dày là 5mm, lớp cách nhiệt 100 mm, đường kính ngoài của thiết bị là : Dn = D + 2 0,1 = 1,38 (m) 5.3 Máy lọc bia Lượng bia tối đa cần lọc trong 1 ngày là: 17690 5 = 88450 (lít) Thời gian lọc bia non từ 1 tank lên men là 3 giờ, mỗi ngày lọc 2 ca, hệ số sử dụng thiết bị là 0,8 Năng suất của máy lọc là: = 18427,08 (lít/giờ) = 18,43 m3/h Vậy ta có thể chọn máy lọc với công suất là 20 m3/h 5.4 Thiết bị chứa bia và bão hòa CO2 Thông số thiết bị: Đường kính D (m) Chiều cao phần trụ h1 (m) (H = 1,2 – 1,5D) Chiều cao nắp và đáy là h2 (m) Chiều dày thùng là 10 (mm) Lượng bia sau lọc tối đa từ một mẻ lên men: Vd = 17514 5 = 87570 lít = 87,57 (m3) Thể tích hữu dụng của thiết bị bão hòa CO2: Vhd = Vd / 0,8 = 109,46 (m3) Chọn 4 thùng vừa tàng trữ vừa bão hòa CO2 Thể tích bia trong 1 thùng là: 87,57 4 = 21,89 (m3) Với hệ số chứa đầy 80%, thể tích thực của thùng tàng trữ bia Vthực = 21,89 0,8 = 27,37 (m3) Chọn thùng chứa bia có thể tích là 28 (m3) Chọn h1 = 1,5D và h2 = 0,15D Vthực = 28 (m3) D = 2,76 m Chọn thiết bị bão hòa CO2 với các thông số như sau : D = 2,8 m; h1 = 4,2 m; h2 = 0,42 m. Thể tích thực của thiết bị bão hòa CO2 là: 1,335D3 = 29,31 (m3) Chiều cao thiết bị bão hòa CO2 là : H = h1 + 2h2 = 5,04 (m) Khoảng cách từ thiết bị đến mặt sàn là 0,8 m, chiều cao thực tế của thiết bị là: Htt = H + 0,8 = 5,84 (m) Thiết bị có lớp áo lạnh dày 150 mm, đường kính ngoài của thiết bị là: Dn = D + 0,152 = 3,1(m) Vậy thông số của thiết bị chứa bia và bão hòa CO2 là: D = 2,8 (m) Dn = 3,1 (m) h1 = 4,2 (m) h2 = 0,42 (m) H = 5,04 (m) Htt = 6,04 (m) 5.5 Thiết bị bảo quản men sữa Lượng men sữa thu hồi tối đa sau 1 mẻ lên men là 2 m3, với hệ số chứa đầy là 80% thiết bị bảo quản men sữa sẽ có thể tích hữu dụng là: Vhd = 2 0,8 = 2,5 (m3) Chọn h1 = 1,5D; h2 = 0,15D = 2,5 (m3) D = 1,23 (m) Vậy ta sẽ chọn thiết bị với các thông số là: D = 1,3 (m); h1 = 1,95 (m); h2 = 0,2 (m) Thể tích thực của thiết bị : Vtt = 1,335D3 = 2,93 (m3) Chiều cao thiết bị H = 2h2 + h1 = 2,35 (m) Thiết bị đặt cách mặt sàn 0,8 m, chiều cao thực tế của thiết bị là Htt = H + 0,8 = 3,15 (m) Thiết bị có lớp áo lạnh dày 10 cm, đường kính ngoài của thiết bị là Dn = D + 0,12 = 1,5 (m) Các thông số của thiết bị bảo quản men sữa là D = 1,3 (m) Dn = 1,5 (m) h1 = 1,95 (m) h2 = 0,2 (m) H = 2,35 (m) Htt = 3,15 (m) 5.6 Thiết bị CIP Hệ thống CIP gồm - 1 thùng chứa nước - 1 thùng chứa dung dịch xút - 1 thùng chứa dung dịch trimeta HC - 1 thùng chứa dung dịch Oxonia Active Chọn thiết bị CIP có thể tích hữu ích bằng 5% thể tích tank lên men Vtank lên men = 115 (m3), vậy VCIP = 115 0,05 = 5,75 (m3) Hệ số sử dụng thiết bị là 0,8 nên thể tích thực của mỗi thùng là: Vthực = 5,75 0,8 = 7,19 (m3) Chọn h1 = 1,5D và h2 = 0,15D Vthực = D = 1,75 (m) h1 = 2,63 (m) h2 = 0,26 (m) Chiều cao thiết bị là : H = h1 + h2 2 = 3,15 (m) Chọn khoảng cách từ sàn đến đáy thiết bị là 0,5 m. Chiều cao thực tế của thiết bị là Htt = H + 0,5 = 3,65 (m) Bảng tổng kết thông số thiết bị STTThông sốTank lên menThùng nhân men cấp 2Thùng nhân men cấp 11D (m)3,952,021,182Dn (m)4,252,321,383h1 (m)3,421,7551,034h2 (m)5,932,0271,185h3 (m)1,920,7140,56h4 (m)0,5930,30401777H (m)11,864,793,38Htt (m)12,865,594,1 STTThông sốThùng chứa bia và bão hòa CO2Thùng bảo quản men sữaThùng CIP1D (m)2,81,61,752Dn(m)3,11,51,753h1(m)4,21,952,624h2(m)0,420,20,265H(m)5,042,353,156Htt(m)5,843,153,65