Đồ Án KTTP3 Tank lên men

Đồ án Kĩ thuật thực phẩm BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ĐỒ ÁN KĨ THUẬT THỰC PHẨM Đề tài Thiết kế thiết bị lên men chính trong lên men bia n.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Tp Hồ Chí Minh, 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

LỜI MỞ ĐẦU

Trong kế hoạch và đào tạo đối với sinh viên năm ba, môn học Đồ án Kĩ thuật thực phẩm là

cơ hội tốt cho việc hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ thực phẩm.Bên cạnh đó, môn này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế

và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng

Đồ án chúng em nhận được là “Thiết kế thiết bị lên men bia, năng suất nhập liệu82m3/mẻ” Với số liệu ban đầu:

- Năng suất dịch nha trước lên men 82 m3/ mẻ

- Chất hòa tan ban đầu 12oPlato

- Nhiệt độ lên men chính 13oC

- Các thông số khác tự chọn

Vì Đồ án Kĩ thuật thực phẩm là để tài lớn đầu tiên mà một nhóm hai sinh viên đảm nhậnnên thiếu sót và hạn chế trong quá trình thực hiện là không tránh khỏi Do đó, chúng em rấtmong nhận được thêm góp ý, chỉ dẫn từ Thầy cô và bạn bè để củng cố và mở rộng kiến thứcchuyên môn

Chúng em chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu và ý nghĩa đề tài

Mục tiêu: Thiết kế thiết bị lên men bia với năng suất 82m3/mẻ

Ý nghĩa: Thiết kế thiết bị lên men bia phục vụ cho quá trình lên men bia đạt chấtlượng và hiệu quả tốt nhất.

1.2 Nguyên liệu

1.2.1 Malt

Malt dùng trong sản xuất bia với 2 mục đích, vừa là tác nhân đường hóa vừa lànguyên liệu Trong sản xuất bia chủ yếu là dùng Malt đại mạch vì:

 Đại mạch dễ điều khiển trong quá trình ươm mầm

 Đại mạch cho tỉ lệ enzyme cân đối thích hợp cho công nghệ sản xuất bia

 Vỏ đại mạch dai nên nghiền ít nát và tạo lớp trợ lọc rất xốp

 Malt đại mạch cho bia có hương vị đặc trưng hơn so với các loại malt khác

 Riêng đối với một số nước thì đại mạch dễ trồng hơn so với các loại lúa mạchkhác

1.2.2 Hoa houblon:

Hoa houblon là nguyên liệu cơ bản thứ 2 trong côn g nghệ sản xuất bia

Hoa houblon được sử dụng trong công nghệ sản xuất bia nhằm mục đích:

 Truyền mùi thơm và vị đắng cho bia

 Tăng khả năng tạo bọt và giữ bọt cho bia

 Tăng khả năng sát trùng cho bia

Do tính năng cực kì quan trọng như vậy nên hoa houblon là nguyên liệu không thểthay thế được trong công nghệ sản xuất bia

1.2.3 Nước

Trong bia thành phẩm hàm lượng nước chiếm từ 77-90% Với tỉ lệ như vậy, ta cóthể nói nước là một trong những nguyên liệu chính để sản xuất bia Trong nhà máy bianước được sử dụng để nấu bia và một số mục đích khác như xử lí nguyên liệu, trao đổinhiệt, vệ sinh thanh trùng thiết bị,

Những yêu cầu cơ bản của nước dùng để nấu bia:

 Nước nấu bia phải trong suốt, không màu, có vị dễ chịu, không có mùi vị lạ,

và không chứa các vi sinh vật gây bệnh Chuẩn độ E.Coli là 300ml và chỉ sốE.Coli là 3

 Nước nấu bia cần có độ cứng trung bình 5÷6 mg/l; có pH= 6.8÷7.3; độ oxihóa không vượt quá 1÷2 mg/l; hàm lượng cặn khô không vượt quá 600mg/l.Hàm lượng các kim loại:

• Sulfur 60÷80 mg/l và không vượt quá 250mg/l

1.2.4 Nấm men

Chủng nấm men được sử dụng là chủng nấm men chìm Thành phần hóa học của tếbào chứa khoảng 75% nước, protein 15 – 45%, cacbohydrates 25 – 35%, chất béo 4 –7%, chất vô cơ 8 – 9 %

1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bia

Làm sạch Nghiền

Lọc và rửa bã Nấu

Houblon hóa Tách bã hoa

Lọc biaLên men Lắng trong và làm lạnh

Ổn định

Chiết rót và thanh trùng

Thành phẩm

HơiNước nóng Hoa houblon

Nấm men Nhân giống

1.4 Giải thích quy trình công nghệ

1.4.1 Nấu dịch đường

Mục đích: Chuyển các chất từ trạng thái không hòa tan sang trạng thái hòa tan nhờ

tác dụng của enzyme có sẵn trong malt

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu:

 Enzyme: Cường độ của các quá trình thủy phân nhờ xúc tác của các enzymekhi nấu bia phụ thuộc nhiều vào hàm lượng và hoạt tính của các enzyme cótrong malt

 Nồng độ cơ chất: Nồng độ của khối nấu càng lớn thì độ nhớt của hỗn hợpcàng tăng lên nên quá trình thủy phân xảy ra càng khó Do đó trong nấu bia,tốt nhất chỉ nên thực hiện các khối nấu có nồng độ 16% trở lên

 Nhiệt độ: Mỗi loại enzyme của malt có nhiệt độ tối thích khác nhau Trongquá trình nấu bia nên cần tạo điều kiện thuận lợi về nhiệt độ cho tất cả cácenzyme hoạt động

 pH của môi trường: Các enzyme khác nhau có pH tối thích khác nhau Trongquá trình nấu việc điều chỉnh pH qua nhiều mức khác nhau là rất khó, do đóchỉ cần giữ pH ở mức mà hầu hết các enzyme hoạt động được Giá trị pH củamôi trường phụ thuộc vào nguyên liệu và nước dùng để nấu bia

Hình 1 1 Thiết bị nấu dịch đường

Chú thích:

1. Ống hơi 5 Thành

1.4.2 Houblon hóa

Mục đích: Truyền cho bia mùi và vị của hoa houblon, làm cho dịch đường ổn định

về thành phần và có nồng độ thích hợp theo yêu cầu, làm keo tụ các protit, vô hoạt cácenzyme và thanh trùng dịch đường

Chú thích:

1. Cửa kính quan sát 4 Bộ phận gia nhiệt

2. Cửa cho hoa Houblon 5 Ống cấp dịch nha

1.4.3 Lắng trong và làm lạnh dịch lên men

Mục đích: Hạ nhiệt độ của dịch đến nhiệt độ lên men, tách cặn cho dịch đường, bảo

hòa oxy cho dịch lên men

Hình 1 3 Sơ đồ lắng trong và làm lạnh

1.4.4 Lên men dịch đường

Ở đây sử dụng phương pháp lên men dịch đường ở nồng độ cao, quá trình lên menchính và lên men phụ cùng được thực hiện trong một tank lên men

Các quá trình xảy ra:

Lên men bia là một quá trình phức tạp và dẫn tới nhiều biến đổi sâu sắc trong dịchđường Quá trình lên men bia được chia làm 2 giai đoạn: Lên men chính và lên menphụ Các quá trình cơ bản xảy ra trong quá trình lên men là:

 Quá trình sinh lí: Quá trình này được thể hiện bằng sự sinh sản của nấm men

và nó chỉ xảy ra trong thời kì đầu của quá trình lên men chính Lúc đó, trongdịch lên men xảy ra đồng thời sự sinh sản nấm men và sự lên men Sự sảnsinh của nấm men sẽ kết thúc trước khi lên men chính xong

 Quá trình sinh hóa: Quá trình sinh hóa cơ bản trong lên men là sự chuyển cácđường thành rượu và CO2 Sự chuyển hóa đường thành rượu và CO2 xảy ra

chủ yếu trong thời kì lên men chính, còn trong lên men phụ nó diễn ra chậmchạp với một hàm lượng đường nhỏ.

 Các quá trình hóa lí:

- Sự thay đổi độ chua và năng lực đệm: Trong giai đoạn lên men chính có sựthay đổi về độ chua định phân Sở dĩ có sự tăng đó là do sự tạo thành CO2 vàmột số acid hữu cơ trong quá trình lên men pH giảm mạnh từ 5.5 giảmxuống dưới 4.5 do sự phá vỡ hệ thống đệm trong dung dịch đường Trongthời kì lên men, một phần muối photphat bị nấm men hấp thụ, dó đó năng lựcđệm của hệ thống này giảm đi một cách nhanh chóng

- Sự thay đổi thế oxi hóa – khử và cường độ màu: Trong giai đoạn lên menchính, thế oxi hóa – khử của hệ thống cũng bị biến đổi đáng kể Vì trong quátrình lên men chính hàm lượng oxi chứa trong dịch lên men giảm dần và có

1.4.5 Quá trình lọc trong và bão hòa khí CO 2

Lọc trong bia

Trong quá trình lên men phụ và tàng trữ, bia đã được làm trong một cách tự nhiênnhưng chưa đạt đến mức độ cần thiết Bia còn đục là do sự có mặt của nấm men, các hạt

phân tán cơ học, các hạt dạng keo Tất cả các phân tử này nếu còn tồn tại trong bia sẽlàm giảm độ bền của nó Do đó bia cần làm trong trước khi rót chai.

Bão hòa khí CO 2

Bia sau khi lọc là một chất lỏng bão hòa CO2, khi chuyển bia từ thùng lên men phụ

đi lọc và vào thùng chứa thì khả năng giữ CO2 của bia bị giảm Để khôi phục lại sự bãohòa CO2 ban đầu của bia thì sau khi lọc được đưa vào thùng chứa và giữ ở nhiệt độ 0.5-

1oC, dưới áp suất của CO2 trong thời gian 4÷12h Để tránh không khí xâm nhập thì nêndùng CO2 để đưa bia vào hoặc giải phóng bia khỏi thùng chứa

1.4.6 Hoàn thiện sản phẩm

Bia sau một thời gian tàng trữ được bơm sang phân xưởng chiết chai để nạp vào cácchai Chai đựng bia được làm từ các loại thủy tinh chất lượng cao có màu nâu hay màuxanh nhạt để ngăn cản các tia bức xạ mặt trời chiếu vào gây cho bia có mùi lạ, đồngthời làm mất màu bia

1.5 Phương pháp lên men

Bảng 1.1: So sánh các phương pháp lên men

Lên men cổ điển Lên men hiện đại Len men liên tục

Ưu điểm Đơn giản, có từ lâu

đời

Giảm tổn thất, chiphí đầu tư

Rút ngắn thời gian

Giảm chi phíRút ngắn thời gian

Nhược điểm Thời gian lên men

dài

Dễ dẫn đến sựnhiễm khuẩn hàng

loạt

Để tiết kiện chi phí và thời gian, giảm tổn thất lên men nên sẽ chọn phương pháplên men hiện đại hay còn gọi là lên men một pha

Lên men một pha được thực hiện trong nhiều loại thiết bị có hình dạng khác nhau

Sự điều chỉnh nhiệt độ lên men nhờ vào các áo lạnh có trong thiết bị

1.6 Thiết bị lên men

Để lên men dịch đường, trong công nghiệp sản xuất bia người ta sử dụng các loạithùng dạng hở hoặc dạng kín, được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau

Kim loại là loại vật liệu đa năng dùng để chế tạo nhiều loại thiết bị, trong đó cóthiết bị lên men cho các ngành sản xuất các sản phẩm lên men Các kim loại thông dụngtrong công nghiệp sản xuất bia là thép không gỉ, thép thường CT3 , đồng, nhôm và nhiềuloại kim loại khác Thép thường CT3 có thể dùng để chế tạo thùng cho lên men chính vàlên men phụ Để tránh sự ăn mòn, gây cho bia có mùi tanh, thì thép thường CT3 phảiphủ các vật liệu tráng như trên

1.6.1 Cấu tạo

Tank lên men có cấu tạo thân trụ, hai vỏ, có lớp bảo ôn cách nhiệt, trong vùngkhông gian giữa hai vỏ có áo lạnh gồm hai khoang, khoang trên và khoang dưới Tácnhân lạnh là glycol được đưa vào hai khoang qua hệ thống đường ống

Hình 1 5 Tank lên men

1.6.2 Nguyên lí hoạt động

Dịch nha sau khi được sục O2 được đưa vào tank từ dưới lên qua đường ống Chấttải lạnh được đưa vào ba khoang Glycol lạnh đi vào trong áo lạnh duy trì nhiệt độ lênmen cho tank, sau khi trao đổi nhiệt glycol ra ngoài Sau khi thu, tháo men, bia noncũng được lấy ra ngoài và tiến hành vệ sinh tank bằng hệ thống CIP chuẩn bị cho mẻnấu tiếp theo

1.7 Thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt là thiết bị được sử dụng để trao đổi nhiệt giữa một hay nhiềuchất tải nhiệt, giữa bề mặt rắn và chất lỏng ở nhiệt độ khác Trong các ứng dụng, thiết bịtrao đổi nhiệt có thể dùng để làm nóng – lạnh hoặc bay hơi – ngưng tụ, thu hồi nhiệt, Hầu hết các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng vách ngăn nhằm tránh hòa lẫn hoặc dò rỉ.Một số thiết bị truyền nhiệt trong thực phẩm: Thiết bị truyền nhiệt hai vỏ, thiết bịtrao đổi nhiệt ống chùm, thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, thiết bị truyền nhiệt tấm

bản, Trong công nghệ sản xuất bia, thiết bị truyền nhiệt hai vỏ được sử dụng trongthiết bị lên men bia.

Thiết bị truyền nhiệt hai vỏ gồm:

 Gồm vỏ trong và vỏ ngoài lắp ghép với nhau

 Trong vỏ áo là không không gian dành cho chất tải nhiệt hoặc tải lạnh

Nguyên lý làm việc:

 Thực hành qua bề mặt của vỏ trong bị bao bởi vỏ ngoài

 Chất tải nhiệt ở không gian giữa hai vỏ cấp nhiệt cho dung dịch ở trong vỏtrong

 Có thể lắp cánh khuấy cho dung dịch ở trong vỏ trong

 Quá trình làm việc: có thể liên tục hoặc gián đoạn

1.8 Chất tải lạnh

Chất tải lạnh là chất trung gian tải lạnh từ máy và thiết bị lạnh đến hộ tiêu thụ lạnh.Chất tải lạnh còn được gọi là chất tải lạnh thứ cấp hay môi chất lạnh thứ cấp (secondaryrefrigerant) để phân biệt với môi chất lạnh sơ cấp (primary refrigerant) làm môi chấttuần hoàn trong máy lạnh

Bảng 2.1: So sánh các chất tải lạnh

Nước Dung dịch nước muối vô

cơ

Chất tải lạnh gốc Glycol

Ưu điểm Có sẵn, rẻ tiền Rẻ tiền, dể kiếm nhất, an

toàn, không cháy nổ không

Nhiệt độ đôngđặc thấp hơn nhiều

độc hại.

so với các dungdịch muối vô cơ

Nhiệt độ sôi cao,

có tác dụng làm hạđiểm đông đặc củanước

Giảm ăn mònthiết bị

An toàn cháy nổ

Nhược

điểm

Điểm đôngcao nên chỉdùng cho nhiệt

độ trên 0oC

Chứa nhiềutạp chất gây ănmòn các kimloại trong hệthống làmlạnh

Điểm đông đặc có thể chỉ

là -21.2oC nên chỉ sử dụngcho nhiệt độ đến -15oC

Ăn mòn mạnh kim loạichế tạo máy

Trong quá trình sản xuất bia, dung dịch chất tải lạnh có nồng độ 30-50% thể tíchtrong nước được làm lạnh của các thùng chứa bia và thùng ủ men bia để làm lạnh Dungdịch chất tải lạnh gốc glycol có độ độc rất thấp

 Làm lạnh các tank lên men và tank thành phẩm: sử dụng dung dịch glycol cónhiệt độ thấp khoảng -5 ÷ -8oC

 Làm lạnh nhanh nước 1oC: nước được làm lạnh nhờ glycol đến khoảng 1oCqua thiết bị làm lạnh nhanh kiểu tấm bản

 Làm lạnh nhanh dịch đường sau hệ thống nấu: sử dụng glycol có nhiệt độ thấpkhoảng -8 oC để hạ nhiệt độ dịch đường từ 20oC xuống 8oC

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÊN MEN 2.1 Cân bằng vật chất

2.1.1 Tính khối lượng chất khô trước và sau lên men

Lượng dịch trước khi lên men là 82 m3= 82000 (l), có chất hòa tan 12oPlato có khối

lượng riêng 1,046 kg/l ( bảng I.86, sổ tay QTTB tập 1).

- Khối lượng dịch trước khi lên men là: Gd=V.d= 82000.1,046= 85772 (kg)

- Khối lượng chất khô trong dịch đường trước khi lên men:

G1 = 85772

Dịch đường ban đầu 12oPlato, giả sử sau quá trình lên men chỉ còn 4,3oPlato, sựgiảm bớt này bằng:

(12 - 4,3) ( 100/10) = 77%

→ Chỉ số này có ý nghĩa là nấm men chỉ sử dụng 77% chất khô

Lượng chất khô ban đầu là 10292,64 kg

Như vậy, nấm men sử dụng 10292,64 0,77 = 7925,33 kg chất khô

- Khối lượng chất khô trong dịch đường sau khi lên men là:

( PGS.TS Hoàng Đình Hòa (2002) Công nghệ sản xuất Malt và Bia, Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.)

- Trong giai đoạn lên men 77% chất chiết chuyển hóa, lượng CO2 tạo thành là: .= = 3874,60 (kg)

- Giả sử quá trình lên men tổn hao thể tích dịch lên men là 5% thì thể tích bia non: 82000.0,95= 77900(l)

- Lượng CO2 hòa tan trong bia non 2,5g/l, ứng với 77900(l) bia non là:

2,5.77900 = 194750(g) =194,75 (kg)

- Lượng CO2 thoát ra là: 3874,60 −194,75 = 3679,85 (kg)

Ở 20oC, 1atm, khối lượng riêng của CO2 1,832kg/m3, vậy thể tích khí CO2 thoát ralà: V= = = 2008,65 (m3)

2.1.3 Tính lượng Ethanol tạo thành:

Lượng Ethanol tạo thành là: = = 7291,31(kg)

2.1.4 Lượng men giống cần cho qua trình lên men

Lượng men giống cho vào lên men chiếm 10% khối lượng dịch lên men:

= 8200 (l)

2.2 Cân bằng năng lượng

2.2.1 Lượng nhiệt lạnh cần cung cấp cho giai đoạn lên men chính

Lượng lạnh cung cấp để bù vào lượng nhiệt sinh ra do quá trình lên men:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 23,73 kcal

( PGS.TS Hoàng Đình Hòa (2002) Công nghệ sản xuất Malt và Bia, Nhà xuất bản

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.)

Cứ 180g đường lên men thì tỏa ra một lượng nhiệt là 23,73 kcal Vậy lượng nhiệttỏa ra khi lên men 7925,33 kg đường là:

Lượng dịch đường đi lên men ứng với 1 tank lên men là 82000 ( lít)

Dịch đường đi lên men có nồng độ chất khô là 12oPlato, có khối lượng riêng 1,046

F: diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2)

k: hệ số cách nhiệt qua lớp cách nhiệt (W/m2.K)

tn: nhiệt độ bên ngoài thùng lên men (30oC)

tt: nhiệt độ lên men chính (13 oC)

Diện tích hình trụ:

Diện tích nắp:

Diện tích đáy nón:

)(1,4630cos

243,3)

0864,0.2745,3.(

30cos)

2.(

Như vậy, diện tích bề mặt truyền nhiệt là 151,97 (m2)

Diện tích của khoang lạnh hình trụ : Fglycol = 2.(Π.D.h) = 2.(3,14.3,745.5,115) =120,3 (m2)

Tương tự ở đáy tank: Fglycol = F3 = 46,1 = 23,05 ( m2)

Vậy tổng diện tích áo lạnh: Ftổng = 120,3 + 23,05 = 143,35 (m2)

)./(275,025

1024,0

0864,0

11

1

2 2

2 1

1 1

K m W

+

=+++

=

αλ

δλ

δα

Trong đó: 1, 2: hệ số truyền nhiệt đối lưu ( W/m2.K)

λ1: hệ số dẫn nhiệt của PU = 0,022-0,035 ( W/m.K)

λ2: hệ số dẫn nhiệt của thép ( W/m.K)

1: Phần có dịch Glycol lạnh công suất lớn nên = 0

2: Hệ số truyền nhiệt đối lưu của không khí = 25 ( W/m2.K)

Các lớp bọc tôn có bề dày và hệ số dẫn nhiệt quá lớn nên có thể bỏ qua

Chọn nhiệt độ glycol vào là -5oC, nhiệt độ glycol ra là 1oC → tglycol tb = -2oC

Qtt1 = Q11 + Q12

Trong đó: Q11: lượng nhiệt tổn thất qua vỏ áo

Q12: lượng nhiệt tổn thất qua các bao che còn lại

Ta có: Q11 = k.Flạnh.∆t1 = 0,275.143,35.[ 30-(-2)] = 1261,48 ( W) = 1084,68 ( kcal/h)

Q12 = k.(F-Flạnh).∆t2 = 0,275.( 151,97 - 143,35).(30-13) = 40,29 (W) = 34,64 (kcal/h)

→ Qtt1 = 1084,68 + 34,64 = 1119,32 ( kcal/h) = 26863,68( kcal/ngày)