TIỂU LUẬN THIẾT bị lên MEN BIẾN đổi NGUYÊN LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH

Hiện nay các thiết bị lên men còn được trang bị thêm những cảm biến đo nồng độ sinh khối, cơ chất và sản phẩm trong suốt quá trình lên men.. Giới thiệu chung về brandy Brandy là loại rượ

1.4 Các thiết bị lên men công nghiệp

1.4.1 Phân loại thiết bị lên men

a Thiết bị lên men cổ điển

Những thiết bị lên men có dạng hình trụ đứng hoặc nằm ngang được làm từ những loại vật liệu như gỗ, thép không rỉ Hiện nay các nhà máy trong nước cũng như ngoài nước vẫn sử dụng những thiết bị lên men cổ điển này

Hình 1.4.1a: Thiết bị lên men cổ điển

b Thiết bị lên men hiện đại

Hình 1.4.1b: Thiết bị lên men hiện đại

Thiết bị có dạng hình trụ đứng và được làm bằng thép không rỉ Lớp vỏ áo được sử dụng để hiệu chỉnh nhiệt độ và có hệ thống đường dẫn xoắn nằm bên trong thân trụ của thiết bị Ngoài ra, bên trong thiết bị còn có bộ phận sục khí, cánh khuấy và các hệ thống cảm biến để đo và điều khiển các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men như nhiệt độ,

pH, lượng Oxy hoà tan trong pha lỏng Các thông số như nhiệt độ và pH được thực hiện hoàn toàn nhờ các chương trình phần mềm và các bơm điều khiển Hiện nay các thiết bị lên men còn được trang bị thêm những cảm biến đo nồng độ sinh khối, cơ chất và sản phẩm trong suốt quá trình lên men

1.4.2 Thiết bị lên men ethanol

a Thiết bị lên men tĩnh

Hình 1.4.2a: Thiết bị lên men sản xuất ethanol

1- Bộ phận làm lạnh; 2- Cửa vệ sinh thiết bị; 3- Cửa nạp môi trường; 4- Cửa nạp cơ chất cho nấm men; 5- Cửa thoát khí CO2; 6- Ống dẫn hoá chất để vệ sinh thiết bị; 7- Đèn quan sát; 8- Cửa quan sát; 9- Nhiệt kế; 10- Cửa hông; 11- Cửa dẫn tác nhân

điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình lên men

Thi t b lên men ế ị được làm b ng thép không r , có d ng hình tr ng và có n p y phíaằ ỉ ạ ụ đứ ắ đậ trên Để ệ hi u ch nh nhi t , thi t b có hai l p v áo và ỉ ệ độ ế ị ớ ỏ đượ ảc b o ôn cách nhi t t t nh t.ệ ố ấ

Thi t b ế ị đượ ắc g nc m bi n nh m c xác nh ph n th tích ang s d ng, c m bi n nhi tả ế đị ứ để đị ầ ể đ ử ụ ả ế ệ

và pH

độ Trên thân thi t b có g n van l y m u và c a v sinh Trên n p có g n èn quanế ị ắ ấ ẫ ử để ệ ắ ắ đ sát và b ph n x tộ ậ ị hóa ch t v sinh và n c r a.ấ ệ ướ ử Thi t b có hai c a tháo d ch lên men C aế ị ử để ị ử tháo bã khi k t thúc quá trình lên men có kích th c kháế ướ

l n, n m trên m t áy.ớ ằ ặ đ

b Thiết bị lên men có khuấy trộn

Hình 1.4.2b: Thiết bị lên men có khuấy trộn

1- Bộ phận khuấy; 2- phần trong thiết bị; 3-vỏ áo cách nhiệt; 4-pH kế; 5-nhiệt kế; 6-áp kế;

7-van an toàn;

8-van xả khí; 9- van rót; 10-cửa; 12- van lấy sản phẩm; 13- van lấy mẫu.

Thiết bị lên men có dạng hình trụ đứng Xung quanh thân là lớp vỏ áo để hiệu chỉnh nhiệt độ Bên trong thiết bị có cánh khuấy để đảo trộn khi cần Ngoài ra thiết bị còn có

bộ phận kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men như pH kế, nhiệt kế và áp

kế giúp cho việc giám sát cũng như đánh giá chất lượng của quá trình lên men

1.5 Các biến đổi của nguyên liệu trong quá trình lên men ethanol

- Sinh học: Xảy ra sự trao đổi chất và sự sinh trưởng của nấm men

- Hoá sinh và hoá học: Sự chuyển hoá glucose thành ethanol và khí carbon dioxide Đường cùng với chất dinh dưỡng khác của môi trường lên men, trước tiên được hấp thụ trên bề mặt và sau đó khuếch tán qua màng tế bào và vào bên trong tế bào nấm men, nấm men sẽ sử dụng cơ chất để phát triển và sinh ethanol

Số lượng nấm men sẽ thay đổi theo 4 giai đoạn:

+ Giai đoạn tiền phát: Số lượng nấm men sẽ tăng chậm do tại giai đoạn này nấm men tiến hành thích với môi trường

+ Giai đoạn tăng trưởng: số lượng nấm men tăng nhanh chóng theo cấp số nhân Hàm lượng chất khô sẽ giảm do nấm men sử dụng pH của canh trường giảm do có sự vận chuyển ion H+ qua màng cũng như sự hình thành nên các acid hữu cơ

+ Giai đoạn cân bằng: tốc độ sinh trưởng của nấm men giảm lại và giữ ổn định

+ Giai đoạn suy vong: Số lượng nấm men giảm do chết đi, hàm lượng cơ chất không thay đổi

Sự chuyển hoá đường thành ethanol trong tế bào nấm men xảy ra qua một chuỗi các phản ứng phức tạp với sự tham gia của nhiều loại enzyme khác nhau, ở điều kiện yếm khí thì NAD+ cần thiết cho quá trình đường phân tiếp tục được tái tạo bằng một quá trình chuyển hoá pyruvate thành ethanol Đầu tiên pyruvate được chuyển thành acetaldehyde (bởi pyruvate decarboxylase) và sau đó thành ethanol (bởi alcohol dehydrogenase) Quá trình lên men sẽ còn tạo ra các sản phẩm trung gian và sản phẩm phụ và được chia thành bốn nhóm chính: Aldehyde và ketone (nhiều nhất là aldehyde acetic), Rượu (đáng chú ý nhất là methanol, dầu fusel với thành phần gồm propanol, butanol và pentanol), acid hữu

cơ và ester (Ethyl acetate chiếm hàm lượng cao nhất)

- Vật lý: nhiệt độ của canh trường tăng lên do một phần năng lượng từ quá trình trao đổi chất của nấm men được thải ra ngoài dưới dạng nhiệt năng

- Hoá lý: một phần khí carbon dioxide được nấm men sinh ra sẽ hoà tan vào canh trường, một số chất keo bị kết tủa do sự thay đổi pH

II Sản xuất rượu brandy quy mô công nghiệp

2.1 Giới thiệu chung về brandy

Brandy là loại rượu được sản xuất bằng cách chưng cất dịch lên men ethanol của các loại trái cây, đại đa số các loại brandy được ủ trong thùng gỗ sồi sau khi chưng cất nên có màu cánh gián đặc trưng Vì là sản phẩm chưng cất của dịch lên men ethanol nên brandy có độ rượu cao hơn dịch lên men và thường có độ rượu rơi vào khoảng 40 độ hoặc cao hơn, do đó brandy được xếp vào nhóm rượu mạnh (spirit)

Brandy có thể được dùng như đồ uống và được dùng trong nấu ăn, gồm cả món mặn và món ngọt Về mặt cảm quan, brandy chất lượng cao cần thể hiện được rõ những hương vị đặc trưng của nguồn nguyên liệu trái cây đã được sử dụng để sản xuất nên, cần phải có hương vị đặc trưng của gỗ sồi, có vị ngọt cân bằng, cảm giác mượt trên lưỡi, không gắt vị cồn như một số loại rượu khác và thường phải có màu cánh gián

Hình 2.1 Một số chai brandy nổi tiếng (từ trái sang phải) BERTOUX Brandy, HINE Homage Cognac, Hennessy X.O Cognac

Dịch lên men để sản xuất brandy có thể được lên men từ bất kì loại trái cây nào, phổ biến nhất là nho, táo, tiếp đó có thể kể đến là đào, mận, lê, mơ, anh đào, các loại quả mọng như việt quất, phúc bồn tử, … Trái cây được chọn để sản xuất brandy cần phải đạt được độ chín tối đa để có được hàm lượng đường cao và hàm lượng acid thấp vì hàm lượng đường thấp sẽ không tạo ra được nhiều alcohol và vì nồng độ cao của các acids thường không mang lại những giá trị cảm quan đặc trưng của brandy

Các loại brandy cao cấp như Cognac hay Armagnac được sản xuất thủ công hoặc bán thủ công với nguồn nguyên liệu từ chính địa phương sản xuất hoặc được lựa chọn với tiêu chuẩn cao Brandy được sản xuất trên quy mô công nghiệp thường không đạt được chất lượng cảm quan như các loại brandy cao cấp, tuy nhiên vẫn đáp ứng được cơ bản những công dụng của brandy và có chất lượng rất đồng đều Chất lượng của brandy công nghiệp được đánh giá trên nhiều thông số như độ rượu, thời gian ủ trong thùng gỗ sồi, hàm lượng chất khô hòa tan, pH, màu, hàm lượng tannin, … nhưng đánh giá cảm quan mùi vị vẫn không thể thiếu Các chỉ tiêu chất lượng của brandy rất khác nhau giữa các nhà sản xuất và quy định về độ cồn cũng như thời gian ủ với gỗ sồi của brandy cũng khác nhau giữa các quốc gia

2.2 Quy trình sản xuất brandy công nghiệp

Dưới đây là sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất rượu brandy ở quy mô công nghiệp

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình sản xuất rượu brandy công nghiệp

Trái cây được rửa với nước bằng hệ thống bể rửa sục khí có băng tải Mục đích của quá trình này là để loại bỏ những bụi bẩn, sỏi cát, lá cây hay những vật chất khác không mong muốn

Hình 2.3 Hệ thống bể nước rửa trái cây có sục khí kèm băng tải

Nghiền

Trước khi nghiền, những loại quả có hạt cứng và lớn như đào, mơ, mận cần phải được bỏ hạt để không làm tắc nghẽn gây hư hỏng máy nghiền

Trái cây sau khi rửa và được bỏ hạt nếu cần được nghiền nhuyễn để quá trình ép sau đó được diễn ra có hiệu quả Những loại quả mềm mọng như nho, anh đào được nghiền bằng máy nghiền trục vít, còn những loại quả to và cứng như táo, lê thì có thể được nghiền bằng máy nghiền búa để đảm bảo quả được nhuyễn đều

Hình 2.4 Một mẫu máy nghiền trái cây dùng trong công nghiệp

Ép lấy dịch

Dịch quả từ quả sau nghiền được ép để loại bỏ bã và lấy dịch ép, chính là nguyên liệu cho quá trình tiếp theo Trước khi ép, quả đã được nghiền có thể được xử lí với pectinase nếu cần thiết để làm tăng hiệu suất của quá trình ép

Máy ép băng chuyền có thể được dùng để ép lấy dịch quả Trên máy ép băng chuyền, quả được nghiền được trải thành một lớp trên bằng chuyền, độ dày của lớp này thường nhỏ hơn 2 cm và có thể được điều chỉnh để đạt được hiệu quả ép cao nhất Sau

đó, một băng chuyền khác được ép lên lớp quả này, lúc này lớp quả được kẹp giữa 2 lớp bằng chuyền Quả cùng 2 lớp bằng chuyền được lăn qua hệ thống các trục xoay một cách rất chặt và căng để ép dịch quả ra khỏi bã, dịch bã thấm qua những lỗ nhỏ trên 2 lớp bằng chuyền và chảy xuống máng hứng và chảy vào bể thu dịch quả Máy ép băng chuyền sẽ gặp trục trặc nếu hạt của đào, mận hay mơ không được loại bỏ trước đó và vướng vào máy ép

Hình 2.5 Sơ đồ máy ép băng chuyền

Lên men

Dịch quả sau khi được ép được lên men trong bồn lên men có vỏ áo điều nhiệt Tùy vào loại quả và chất lượng mong muốn của brandy mà các loại nấm men khác nhau được sử dụng Nhiệt độ của bồn lên men được điều chỉnh để tối ưu cho từng loại nấm men được chọn để sản xuất các loại brandy khác nhau, có thể ấm khoảng 30oC hoặc mát dưới 15oC Thời gian lên men thường rơi vào khoảng 1 tuần đến 10 ngày, số ít trường hợp có thể kéo dài đến 1 tháng

Hình 2.6 Các bể bồn lên men rượu trong một nhà máy

Lọc

Dịch quả sau lên men chứa nhiều sinh khối của nấm men, phần sinh khối này và bất kì phần thịt quả nào còn sót lại cần phải được lọc bỏ để các thiết bị chưng cất có thể hoạt động hiệu quả mà không cần bảo trì nhiều

Thiết bị lọc khung bản với màng lọc microfiltration thể hiện sự hiệu quả trong quá trình này Dịch sau lên men được bơm đầy vào các khung được bọc màng lọc, xếp xen kẽ giữa các tấm bản, các khung và các tấm bản này sau đó được ép chặt với nhau, dịch lọc sạch thoát ra trong khi những vật chất không mong muốn được giữ lại bên trong khung màng lọc

Hình 2.6 Thiết bị lọc khung bản

Chưng cất

Chưng cất là một quá trình quan trọng trong quy trình sản xuất brandy, quá trình chưng cất giúp thu được dung dịch ethanol với nồng độ cao cùng với những hợp chất hữu

cơ tạo nên mùi vị đặc trưng cho brandy Hệ thống chưng cất trong công nghiệp hiện đại gồm 1 tháp rectifier (tháp gia nhiệt – làm mát) và 1 tháp analyzer (tháp chưng cất)

Các thiết bị trong hệ thống chưng cất rượu brandy được làm hoàn toàn bằng đồng hoặc bằng thép không gỉ với một số chi tiết bằng đồng Trong sản xuất rượu, ion đồng được biết tới với tác dụng loại bỏ một số hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh gây ra những hương vị không mong muốn ở brandy như mùi trứng ung, mùi bắp cải Các hợp chất hữu

cơ chứa đồng không bay hơi nên không xuất hiện trong sản phẩm cuối cùng Một số nhà

sản xuất không sử dụng những chi tiết kim loại đồng trong bể đun mà bổ sung muối đồng (II) sulfat vào dịch sau lên men, cũng là một cách sử dụng ion đồng để loại bỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh

Dịch sau lên men được đưa vào tháp rectifier từ đỉnh tháp Bên trong tháp rectifier, dịch sau lên men được dẫn trong một đường ống xoắn hoặc gấp khúc nhiều để tăng thời gian trao đổi nhiệt Hơi nóng từ tháp analyzer được dẫn sang tháp rectifier và vào tháp rectifier từ dưới đáy Khi hơi bay lên cao, hơi trao đổi nhiệt với dịch lên men là làm nóng dịch Khi đã đi tới đáy tháp rectifier, dịch lên men được bơm sang tháp analyzer ở vị trí mâm cao nhất và chạy xuống dưới đáy tháp qua từng mâm

Ở đáy tháp analyzer, hơi nước nóng được dẫn vào, trao đổi nhiệt với dòng dịch sau lên men làm ethanol và các cấu tử tạo hương vị cho brandy bay hơi Hơi nước bị mất nhiệt, ngưng tụ lại và được dẫn ra ngoài theo đường ống ở dưới đáy tháp analyzer Hơi ethanol cùng các cấu tử khác được dẫn ra khỏi tháp analyzer ở đỉnh và được dẫn vào tháp rectifier ở đáy, và đây chính là nguồn hơi nóng được dùng để gia nhiệt dịch sau lên men ban đầu

Khi phần lỏng và phần hơi tiếp xúc với nhau, xảy ra sự trao đổi nhiệt và sự chuyển pha: nhiệt độ phần lỏng nóng lên làm các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần lỏng bay hơi, đồng thời nhiệt độ phần hơi giảm đi làm các chất có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần hơi ngưng tụ lại Khi đó, càng lên cao trên tháp, càng có nhiều cấu tử dễ bay hơi, càng xuống dưới đáy tháp, càng có nhiều cấu tử khó bay hơi Thiết kế của hệ thống chung cất ở những nhà máy khác nhau có thể khác nhau những vẫn có cùng mục đích là

để phân tách những thành phần dễ bay hơi và khó bay hơi có trong dịch sau lên men

Phần dung dịch thu được ở đỉnh tháp rectifier được gọi là “head” Phần head chứa nồng độ ethanol cao nhất, chứa ít nước nhất và chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi nhất, tuy nhiên trong số những cấu tử dễ bay hơi này có chứa nhiều chất mang những hương vị

không mong muốn trong brandy, nên head không được thu nhận Head có thể được bơm ngược trở lại (hoàn lưu) vào tháp rectifier để tiếp tục tham gia quá trình chưng cất

Phần dung dịch thu được ở đáy tháp chưng cất được gọi là “tail”, chủ yếu chứa nước, rất ít ethanol và các cấu tử tạo hương nên tail cũng không được thu nhận mà được bơm trở vào tháp analyzer để giúp ổn định nhiệt độ, sau đó cũng được dẫn ra ngoài ở đáy

Sản phẩm thu nhận từ tháp chưng cất là phân đoạn lỏng lấy từ một hoặc một số mâm trên tháp chưng cất, nơi mà ở đó dung dịch thu được có độ cồn cao (khoảng 70 độ hoặc cao hơn) và chứa phong phú các cấu tử tạo hương vị đặc trưng của nguyên liệu trái cây ban đầu

Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống chưng cất rượu brandy

Loại tháp chưng cất phù hợp để sản xuất rượu là tháp mâm chóp (bubble cap) vì lưu lượng hơi trong tháp tương đối ít khi so sánh với những ứng dụng công nghiệp khác

vì nhiệt độ chưng cất rượu tương đối thấp Khi lưu lượng hơi thấp, các tháp mâm lỗ hoặc mâm van cho phần lỏng chảy xuống quá nhanh và ít tiếp xúc với phần hơi bay lên nên đạt hiệu quả chưng cất không cao Trái lại, với tháp mâm chóp, chất lỏng được giữ trên mâm

và ngập phần dưới của chóp, phần hơi từ dưới muốn bay lên trên buộc phải thổi qua các rãnh ở phần dưới của chóp, đảm bảo luôn có rất nhiều tiếp xúc giữa phần lỏng và phần hơi

Ủ trong thùng gỗ sồi

Những phân đoạn rượu lỏng lấy từ tháp chưng cất được bơm vào các thùng gỗ sồi

và được ủ trong thời gian dài Khi ủ, bên trong rượu và thùng xảy ra những biến đổi:

- Những cấu tử mang hương vị đặc trưng cho gỗ sồi được chiết vào rượu Có nhiều cấu tử trong gỗ sồi nhưng quan trọng có thể kể đến là các tannins và vanillin

- Những cấu tử có trong rượu và trong gỗ sồi được oxi hóa tạo thành những cấu tử mang những hương vị khác, làm tăng sự phong phú trong hương vị của brandy

- Những cấu tử phản ứng với nhau tạo thành những hợp chất hữu cơ mới, đem lại thêm nhiều tầng hương vị mới cho brandy

Với những nhà sản xuất brandy cao cấp, thời gian ủ brandy trong thùng gỗ sồi phải

là vài năm, thậm chí vài chục năm, nhưng với sản xuất công nghiệp thì quãng thời gian dài như vậy là phi thực tế Nên trong công nghiệp, nhiều phương pháp vật lí và hóa học

đã được thí nghiệm và áp dụng để làm giảm thời gian ủ trong khi vẫn đảm bảo phần lớn những mục đích mà quá trình ủ mang lại Ví dụ như việc xử lí gỗ sồi bằng kiềm loãng trong 2 ngày, kết hợp với việc chủ động bổ sung oxy vào thùng rượu trong khi ủ giúp brandy ủ trong từ 6 tới 8 tháng có giá trị cảm quan tương đương khi được ủ trong từ 3 tới

5 năm