Nghiên cứu, thiết kế và tự động hóa hệ thống thiết bị tách bia, thủy phân liên tục bã nấm men bia dưa thừa

Thu hồi lượng bia bị xả bỏ cùng với nấm men bằng phương pháp truyền thống hiệu suất không cao, giải pháp thu hồi lượng bia bị xả bỏ bằng máy ly tâm vòi phun Brux 510 và tận thu nguồn nấm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Kiều Văn Bình

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới

- Cô PGS.TS Quản Lê Hà Người đã trực tiếp hướng dẫn và dìu dắt em trong suốt

quá trình thực hiện đề tài

- Thầy TS.Đinh Văn Thành Trường Đại Học Công nghệ Đông Á

đã hướng dẫn tận tình cho em trong suốt quá trình viết và giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin trân thành cảm ơn Ban giám đốc công ty cổ phần bia Sài Gòn – Hà Nội, Ban giám đốc tập đoàn POLYCO, các Thầy Cô trong phòng thí nghiệm vi sinh thuộc khoa Công Nghệ Thực Phẩm Đặc biệt, xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 6 tháng 09 năm 2016

Học viên

Kiều Văn Bình

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU:……… ……1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2

1.1 Tổng quan nấm men bia 2

1.2 Lịch sử các phương pháp thu hồi bia 5

1.2.1 Phương pháp thu hồi trên thế giới 5

1.2.2 Phương pháp thu hồi tại Việt Nam 5

1.3 Một số thiết bị tách bia trên thế giới hiện nay 5

1.3.1.Máy ly tâm nằm ngang tốc độ cao (Sidecanter) 5

1.3.2 Máy ly tâm trục vít (Decanter) 7

1.3.3 Hệ thống lọc màng gốm 8

1.3.4.Máy ly tâm vòi phun Brux 510 của Alfalaval 9

1.4 Các hướng tận dụng nấm men bia 12

1.5 Các phương pháp thủy phân 13

1.5.1 Phương pháp hoá học 13

1.5.2 Phương pháp enzym 14

1.6 Ứng dụng của dịch thủy phân bã nấm men bia 16

1.6.1 Ứng dụng của dịch thủy phân nấm men làm chất điều vị 16

1.6.2 Sử dụng làm môi trường vi sinh vật 19

1.6.3 Bổ sung vào quá trình nấu bia 20

1.6.4 Sử dụng tạo ra một số sản phẩm chữa bệnh 20

1.7 Cơ sở thiết kế tự động hóa 21

1.7.1 Hệ thống SCADA trong nhà máy bia 21

1.7.2 Tổng quan về bộ điều khiển khả trình PLC 26

1.7.3 Một số hệ thống điều khiển tự động hiện nay 30

1.7.4 Hệ thống Braumat trong nhà máy bia 31

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 33

2.2 Nghiên cứu thiết kế và tự động hóa hệ thống tách bia trong nấm men bia 33

2.2.1 So sánh hiệu quả một số phương pháp tách bia từ men thừa 33

2.2.2 Sơ đồ hoạt động của hệ thống tách bia 37

2.2.3 Hệ thống tự động hóa tách bia bằng máy ly tâm Brux 510 39

2.2.4 Nguyên lý điều khiển máy tách ly tâm Brux : 40

2.2.5 Nguyên lý điều khiển sản phẩm đầu ra: 40

2.2.6 Chế độ Vệ Sinh ( CIP mode ) 40

2.3 Xác định điều kiện thủy phân bã nấm men bia bằng phương pháp liên tục 41

2.3.1 Vật liệu, thiết bị dụng cụ hóa chất và phương pháp nghiên cứu 41

2.3.2 Thiết bị, dụng cụ sử dụng 42

2.3.3 Phương pháp nghiên cứu 43

2.3.4 Quy trình thủy phân liên tục 46

2.3.5 Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất quá trình thủy phân liên tục protein bã men bia bằng Enzyme Flavourzyme 48

2.4 Nghiên cứu thiết kế thiết bị thủy phân bã nấm men bia bằng phương pháp liên tục 49

2.4.1 Cơ sở tính toán thiết kế 49

2.4.2 Tiêu chuẩn áp dụng tính toán thiết kế: 49

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 57

3.1 Nghiên cứu thiết kế và tự động hóa hệ thống tách bia trong bã nấm men bia dư thừa 57

3.2 Xác định điều kiện thủy phân bã nấm men bia bằng phương pháp liên tục 67

3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ E/S của ennzyme flavourzyme đến quá trình thủy phân liên tục potein bã men bia 67

3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân liên tục protein bã

men bia 68

3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân liên tục protein bã men bia 69

3.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân liên tục protein bã men bia 70

3.3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống thủy phân liên tục bã nấm men bia 71

Thiết bị thủy phân dạng ống chùm 71

PHỤ LỤC 76

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

KG : KieselGuhr - Bột trợ lọc

HG : High gravity -tỷ trọng cao/nồng độ cao

TCA : Trichloroacetic Acid

CIP : Cleaning- In -Place : Hệ thống tẩy rửa, vệ sinh khử trùng tại chỗ

YE : Yeast Extract : Dịch chiết nấm men

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Thành phần trong men bia ép 3

Bảng 1.2: Chất khô của men bia có thành phần nhƣ sau (%) 4

Bảng 1.3: Hàm lƣợng vitamin của nấm men bia sấy khô 4

Bảng 1.4: Thông tin dinh dƣỡng của Marmite loại 100g đƣợc sản xuất ở New

zealand 17

Bảng 1.5: Thông tin dinh dƣỡng Vegemite loại 5g đƣợc sản xuất tại Australia 19

Bảng 1.6: So sánh khả năng lập trình của các PLC SIMATIC S7-300 30

Bảng 2.1: Cơ sở so sánh dữ liệu thu hồi bia 33

Bảng 2.2: So sánh hệ thống thu hồi bia 33

Bảng 2.3: So sánh điện năng tiêu thụ, yêu cầu CIP và chi phí đầu tƣ ban đầu 35

Bảng 2.4: Một số chế phẩm enzyme protease 41

Bảng 2.5: Cơ sở tính toán thiết kế 49

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hình ảnh bã nấm men lấy từ nhà máy bia Sài Gòn- Hà Nội……….……3

Hình 1.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của máy ly tâm nằm ngang (Sidecanter) 6

Hình 1.3: Máy ly tâm Sedicanter S4E của Flottweg 6

Hình 1.4: Mô tả nguyên lý hoạt động của máy ly tâm trục vít (Decanter) 7

Hình 1.5: Máy ly tâm trục vít nằm ngang (Decanter) của Alfalaval 7

Hình 1.6: Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống lọc màng gốm 8

Hình 1.7: Máy lọc màng gốm của Pall 9

Hình 1.8: Mô tả nguyên lý hoạt động của máy ly tâm vòi phun BRUX 510 10

Hình 1.9: Máy ly tâm vòi phun BRUX 510 của Alfalaval 10

Hình 1.10: Sản phẩm Marmite sản xuất ở New zeland 17

Hình 1.11: Sản phẩm Vegemite Thông tin dinh dưỡng của vegemite loại 5g 18

Hình 1.12: Chế phẩm β - Glucan BETA GLUCAN 25: 21

Hình 1.13: Mô hình phân cấp chức năng điều khiển 22

Hình 1.14: Các thành phần phần mềm một hệ SCADA 25

Hình 1.15: Cấu trúc phần cứng PLC 27

Hình 1.16 Hình 16: Cấu trúc module CPU 27

Hình 1.17: Nguyên lý lập trình tuyến tính 28

Hình 1.18: Nguyên lý lập trình có cấu trúc 30

Hình 1.19: Giao diện Main Menu của phần mềm Braumat (thẻ Engineering Tool) 31

Hình 1.20: Giao diện Runtime trên Braumat 32

Hình 2.1: Sơ đồ P&ID của hệ thống tách bia 37

Hình 2.2: Nguyên lý Vortex của những vòi phun xoáy lốc 37

Hình 2.3: Hình ảnh thực hiện quá trình ly tâm 38

Hình 2.4: Hình ảnh Bia và men trước và sau thu hồi 38

Hình 2.5: Hệ thống tách bia bằng máy ly tâm BRUX 510 39

Hình 2.6: Nguyên lý điều khiển chất lượng đầu vào 39

Hình 2.7: Chế độ Vệ Sinh ( CIP mode ) 40

Hình 2.8: Sơ đồ P&ID hệ thống thủy phân bã nấm men bia Pilot 46

Hình 2.9: Hệ thống thủy phân bã nấm men bia pilot 47

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tách bia: 57

Hình 3.2: Giao diện điều khiển hệ thống tách bia: 57

Hình 3.3: Giao diện mô tả các thông số điều khiển hệ thống tách bia 58

Hình 3.4: Giao diện điều khiển hệ thống trữ Dịch Men, Men Đặc,và Bia sau khi tách: 60

Hình 3.5: Giao diện mô tả các thông số điều khiển hệ thống dịch men, trữ men 60

Hình 3.6: Giao diện mô tả các thông số điều khiển hệ thống nhận men, trữ men 61

Hình 3.7: Giao diện mô tả các thông số điều khiển hệ thống nhận bia, trữ bia 61

Hình 3.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ E/S đến hiệu suất quá trình thủy phân 67

Hình 3.9: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất quá trình thủy phân 68

Hình 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất quá trình thủy phân 69

Hình 3.11: Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến hiệu suất quá trình thủy phân 70 Hình 3.12: Sơ đồ P&ID tích hợp hệ thống thủy phân liên tục và hệ thống tách bia 71

MỞ ĐẦU

Theo báo cáo tổng kết của hiệp hội Bia – Rượu- tại đại hội lần thứ V 2020) tổ chức ngày 5/1/2016: Tổng sản lượng bia trong cả nước năm 2015 là 3.4 tỷ lít bia, tăng 40.7% so với năm 2010; Phấn đấu đến 2020 sản lượng bia ước tính đạt

(2016-4 tỷ đến (2016-4,25 tỷ lít bia/ năm [5] Theo sản lượng thống kê trên, lượng nấm men dư thừa từ các nhà máy bia là rất lớn Ước tính trung bình cứ 1000 lít bia thu được 20-

40 kg nấm men ướt, trong đó có tải trọng BOD 120.000-140.000 mg/l và COD 180.000 – 200.000 mg/l làm ô nhiễm môi trường rất lớn nếu không có biện pháp xử

lý tốt Hiện nay 40 - 70% lượng bia có thể thu hồi này đều phải xả bỏ cùng với lượng men thừa nấm men dư thừa từ các nhà máy bia chỉ một phần nhỏ được bán cho các hộ chăn nuôi gia súc sử dụng làm thức ăn trực tiếp.Việc hấp thụ hàm lượng protein rất khó khăn Thu hồi lượng bia bị xả bỏ cùng với nấm men bằng phương pháp truyền thống hiệu suất không cao, giải pháp thu hồi lượng bia bị xả bỏ bằng máy ly tâm vòi phun Brux 510 và tận thu nguồn nấm men bia bằng cách thủy phân, thu sản phẩm giàu axit amin là một trong những giải pháp có hiệu quả không những thu được sản phẩm có giá trị d ng trong thực phẩm đem lại hiệu quả kinh tế cao mà c n góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường Phương pháp thủy phân gián đoạn thường được sử dụng song hiệu quả quá trình thủy phân c n thấp Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất thủy phân nấm men, việc nghiên cứu thiết

kế hệ thống thủy phân liên tục được đặt ra trong đề tài nghiên cứu này là giải pháp tối ưu và hiệu quả

Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và tự động hoá hệ thống thiết bị tách bia, thủy phân liên tục bã nấm men bia dư thừa ’’

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu thiết kế và tự động hóa hệ thống tách bia trong bã nấm men bia dư thừa

- Xác định điều kiện thủy bã nấm men bia bằng phương pháp liên tục

- Nghiên cứu thiết kế thiết bị thủy phân bã nấm men bia bằng phương pháp liên tục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan nấm men bia

Nấm men bia là một phế phẩm của quy trình sản xuất bia, được nằm lại trong các

thùng lên men và các hầm chứa sau khi lên men chính và lên men phụ Saccharomyces thuộc họ Saccharomycetaceae, lớp Ascomycetes, ngành nấm Là vi

sinh vật có cấu tạo đơn bào, không di động, có khả năng sinh sản nhanh, sinh sản chủ yếu bằng phương pháp nảy chồi Sinh khối của chúng rất giàu protein, vitamin

và lipit Tế bào nấm men thuộc loại Eucaryot (nhân thật), có khả năng hô hấp yếm

khí tuỳ tiện, tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae rất giàu dinh dưỡng, nhất là

acid amin và protein Nấm men là một cá thể sống đơn bào có cấu tạo tương đối phức tạp và không có khả năng quang hợp So với vi khuẩn thì chúng có kích thước lớn hơn gấp nhiều lần Nấm men rất có ích đối với con người và được sử dụng rộng rãi để sản xuất bia, rượu vang, rượu cồn, thực phẩm và các hoạt chất sinh học khác Ngoài ra, nấm men còn có các ứng dụng quan trọng khác như việc

sử dụng các chủng nấm men biến đổi gen để sản xuất các loại protein, peptide Ví

dụ như: protein kháng virut interferon, huyết thanh d ng cho người, albumin, insulin và enzyme protease chymosin có tính axit được d ng để làm đông tụ sữa trong quá trình sản xuất phomat [1],[11],[15]

Nấm men có khả năng lên men các loại đường để tạo thành rượu trong điều kiện yếm khí, c n trong điều kiện hiếu khí thì chúng tạo thành sinh khối tế bào Vì thế, nấm men được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm để sản xuất rượu, bia, nước giải khát lên men, sản xuất men bánh mì, sản xuất protein sinh khối

Hình 1.1: Hình ảnh bã nấm men lấy từ nhà máy bia Sài Gòn- Hà Nội

Đặc tính của nấm men

Nấm men bia là loại vi sinh vật đơn bào, không có khả năng di động Tế bào nấm

men có nhân thật, thuộc lớp Fungi, phân lớp Ascomycetes (phân lớp có khả năng tạo bào tử), họ Saccharomycetaceae Trong họ này, giống quan trọng có ứng dụng nhiều nhất là giống Saccharomyces Trong sản xuất bia thường dùng các chủng nấm men chìm thuộc loài S.carlsbergensis, có khi dùng các chủng nấm men nổi thuộc loài S.cerevisiae Tế bào nấm men có thành phần chính trong các chất khô bao gồm:

protein, gluxit, lipit, tro ( bảng 1.1)

Bảng 1.1: Thành phần trong men bia ép

thức ăn bổ sung đạm Nấm men có chứa các thành phần có tác dụng kích thích ăn ngon miệng (Vitamin B1, Lyzin, ) Thành phần và giá trị dinh dưỡng của bã nấm men bia phụ thuộc vào tỷ lệ nước, nguồn gốc sản xuất và thời gian bảo quản Nấm men bia dễ bị phân giải làm mất dinh dưỡng và tăng độ chua, cho nên người ta thường chỉ có thể cho gia súc ăn trong v ng 48 giờ Để kéo dài thời gian bảo quản người ta thường cho thêm muối ăn với tỷ lệ 1% Theo Uxta (dẫn liệu từ Densikow M.T., 1963), chất khô của men bia có thành phần như sau (%) xem bảng1 2

Bảng 1.2: Chất khô của men bia có thành phần như sau (%)

Men bia có chứa phức hợp vitamin nhóm B(B1, B3, B4, B7), Vitamin E, Vitamin

H, acid nicotinic (vitamin PP), acid panthonic, Biotin, inozit (xem bảng1.3)

Bảng 1.3: Hàm lượng vitamin của nấm men bia sấy khô

1.2 Lịch sử các phương pháp thu hồi bia

1.2.1 Phương pháp thu hồi trên thế giới

Thu hồi bia từ hỗ hợp men dư thừa đã được một số hãng như Alfalaval, flottweg, Pall nghiên cứu và đã được ứng dụng thành công ở một số nhà máy bia trên thế giới như Molson Coors, Heineken - Romania, ABInbev Mỹ, Efes Thổ Nhĩ

Kỳ, ABInbev Argentina, ABInbev Ukraine, Ginsber Trung Quốc, Carlsberg - Anh, Polar Venezuela Công nghệ thường được sử dụng đề tách bia là phương pháp tách ly tâm gồm có máy decanter, Sidecanter nằm ngang, phương pháp lọc màng hoặc phương pháp ly tâm đứng Các công nghệ truyền thống để thu hồi bia ví dụ như máy li tâm đĩa, màng lọc hoặc ép lọc, các phương pháp này năng suất từ 35 - 65%, [Alfalaval, Pall, Flottweg] và thường không ổn định về chất lượng, quy trình sản xuất, chi phí bảo trì cao

1.2.2 Phương pháp thu hồi tại Việt Nam

- Ở Việt Nam hiện nay chưa có công trình nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tách bia từ men dư thừa và hệ thống thủy phân liên tục Nấm men thừa thường được bán làm thức ăn gia súc

1.3 Một số thiết bị tách bia trên thế giới hiện nay

1.3.1 Máy ly tâm nằm ngang tốc độ cao (Sidecanter)

Nguyên lý hoạt động:

Máy Sedicanter là một máy li tâm nằm ngang tốc độ cao 6000G Nấm men được đưa vào thông qua ống tiếp liệu tại điểm có đường kính nhỏ nhất của buồng ly tâm và sau đó dần chuyển đến v ng có đường kính lớn nhất, tại lúc này trước khi thải ra khỏi máy li tâm, men bia khô được nén và xả ra ngoài Bia liên tục được

xả ra ngoài như một ống xả thông qua một cánh quạt điều chỉnh được

Hình 1.2: Mô tả nguyên lý hoạt động của máy ly tâm nằm ngang (Sidecanter)

Hiệu quả chiết tách của máy Sedicanter cao nhƣ là một máy li tâm đĩa Đồng thời, máy có thể thực hiện chiết tách tỉ lệ chất rắn đầu vào cao và đạt đƣợc độ khô cao

Hình 1.3: Máy ly tâm Sedicanter S4E của Flottweg

Máy li tâm hiệu suất cao Flottweg S i d ecanter này tổng hợp các lợi thế của máy decanter và máy li tâm đĩa truyền thống

* Ƣu điểm:

- Năng suất cao, chi phí điều hành và bảo dƣỡng thấp hơn

- D ễ vệ sinh và xử lý, bã bia thu đƣợc có độ khô cao, năng lƣợng tiêu thụ thấp và hấp thụ ôxy ở mức tối thiểu

* Nhƣợc điểm:

- Hiệu suất thu hồi chƣa đƣợc tối ƣu

- Khả năng ngăn ngừa sự xâm nhập của oxy chƣa cao

1.3.2 Máy ly tâm trục vít (Decanter)

Nguyên lý hoạt động: Một máy Decanter thông thường hoạt động với lực ly tâm khoảng 4000G để tách nấm men bia Men bia được nén chặt lên thành buồng ly tâm sau đó được đưa ra thông qua một “v ng khô’’trong buồng ly tâm ra khỏi máy

Hình 1.4: Mô tả nguyên lý hoạt động của máy ly tâm trục vít (Decanter)

Máy Decanter được nghiên cứu đặc biệt cho việc chiết tách các sản phẩm mềm, nhẹ như: nấm men, vi khuẩn, các protein, vân vân Các máy decanter và các máy li tâm thông thường đã gặp phải vấn đề để đạt được hiệu quả tối ưu trong việc chiết tách

Hình 1.5: Máy ly tâm trục vít nằm ngang (Decanter) của Alfalaval

 Ưu điểm:

- Nhanh chóng, quá trình tách diễn ra liên tục nên rất thích hợp cho các ngành công nghiệp chế biến sữa, nước ép trái cây và ngành công nghiệp đồ uống.v.v

 Nhược điểm:

- Hiệu suất chiết tách chưa cao

- Chi phí vận hành bảo trì cao

1.3.3 Hệ thống lọc màng gốm

Nguyên lý hoạt động

Phương pháp lọc tiếp tuyến (cross-flow): hỗn hợp men bia chuyển động cùng chiều với màng lọc (nhằm giảm tối đa lực ép cơ học tác động trực tiếp vào men, không phá vỡ tế bào men) Từ đó bia được nhẹ nhàng tách ra qua các mao dẫn của màng lọc ceramic

Hình 1.6: Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống lọc màng gốm

Hệ thống vận hành tuần hoàn liên tục (bao gồm cả công đoạn pha nước khử khí) cho đến khi thu hồi hết bia và độ khô men thải đạt 18 – 20%

*Ưu điểm:

- Chất lượng bia thu hồi cao

- Màng lọc 0.8µm loại bỏ hoàn toàn men và cặn tinh nên chất lượng bia thu hồi cao, độ đục thấp

*Nhược điểm:

- Chi phí vận hành cao

- Chi phí đầu tư ban đầu cao

- Yêu cầu kỹ thuật vận hành cao

- Chi phí bảo trì bảo dƣỡng cao

- Diện tích yêu cầu lắp đặt lớn

Hình 1.7: Máy lọc màng gốm của Pall

1.3.4 Máy ly tâm v i phun Brux 510 của Alfalaval

Nguyên lý hoạt động

BRUX 510 là máy ly tâm v i phun d ng để tách men thừa thành dòng bia và men cô đặc Sự ly tâm (lọc tách) giữa bia và men đƣợc tạo ra bởi sự khác nhau

tỷ trọng giữa tế bào men và bia trong trống lọc của máy ly tâm Hoạt động của

hệ thống thu hồi là liên tục khi men thừa qua máy ly tâm

Hình 1.8: Mô tả nguyên lý hoạt động của máy ly tâm vòi phun BRUX 510

Để đạt được thu hồi chiết xuất cao nhất có thể nâng năng suất của hệ thống bằng cách cho men qua máy ly tâm hai lần với bổ sung nước khử khí (bài khí) giữa hai lần lọc tách để rửa chiết xuất bia nhiều hơn từ men Chỉ trong lần cuối, hoạt động theo mẻ

Hình 1.9: Máy ly tâm vòi phun BRUX 510 của Alfalaval

- C ng máy ly tâm này được sử dụng cho men của bánh mì và cho nước lên men trong ngành công nghiệp dược phẩm trong nhiều năm điều này có nghĩa rằng sự tự phân của men không tăng lên do khả năng sống của men cao, hương vị bia không thay đổi

- Máy ly tâm BRUX 510 hoạt động ở tốc độ cao với lực ly tâm G xấp xỉ 15,000 G ở

7488 v ng/phút, do đó lọc trọng bia cao và men còn lại trong bia thu hồi là rất nhỏ

<100.000 tế bào/ml Trong khi đó máy ly tâm của các hãng khác hoạt động ở tốc

độ thấp với lực ly tâm G tối đa 10,000 G do vậy men còn lại trong bia thu hồi là cao 0.5 % V/V

- Máy ly tâm BRUX 510 với chuẩn hóa bia đầu vào, có thể hoạt động với dải lưu lượng rộng 20 - 60 hl/h, và tự động điều chỉnh độ đặc của dòng chảy vào, độ đặc của men bia sau khi pha loãng là 30 - 45 % V/V

- Máy ly tâm BRUX 510 với vòi phun Vortex: Sự lọc tách là liên tục và chỉ xả cặn trong quá trình CIP để khả năng làm sạch tốt hơn, làm cho xử lý men nhẹ

nhàng và men cô đặc đầu ra ổn định cao với nồng độ chất rắn 75 - 80 % V/V

Trong khi đó máy ly tâm ngang của các hãng khác với tối đa 25% men sống

- Sản lượng bia thu hồi tăng với lọc bia lần thứ hai như một lựa chọn

- Kết hợp vệ sinh, CIP trực tiếp và nhiễm ôxy thấp:

- Tất cả các bộ phận tiếp xúc chất lỏng làm bằng thép không gỉ chất lượng cao và được thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh cao nhất Các khoang chứa chất rắn được gia công ở thành của trống lọc, tránh sự tích tụ chất rắn không mong muốn và do

đó ngăn ngừa ô nhiễm vi khuẩn

- CIP trực tiếp – không yêu cầu thiết bị CIP chuyên dụng: Hệ thống CIP trung tâm được sử dụng để CIP máy ly tâm BRUX 510 và hệ thống Trong khi đó máy ly tâm của các hãng khác tổn thất trong quá trình CIP của máy ly tâm ngang là cao hơn nhiều tất cả chất lỏng trong quá trình CIP ở tốc độ thấp mất qua đường ra của chất rắn, một số máy ly tâm tốc độ cao cũng mất qua các vòi phun bọc ngoài

- Trống lọc được làm kín với môi trường bên ngoài bằng bộ làm kín bằng nước

mà cả khí CO2 vànước khử khí được điền vào Điều này loại bỏ nhiễm ôxy vào bia

ở đầu ra và giảm thiểu nhiễm ôxy trong máy ly tâm

- Vận hành dễ dàng, tiêu thụ điện và chi phí bảo dưỡng thấp:

- Mô đun BRUX 510 được cấu hình như một cụm hoàn chỉnh, dễ dàng lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng

- Tiêu thụ điện thấp (21 kW) và mô tơ điện của máy ly tâm được điều khiển bằng

bộ biến tần làm cho quá trình khởi động, vận hành trơn tru và ổn định

- Phụ tùng vật tư của máy ly tâm BRUX chỉ là những chi tiết hao m n như: gioăng làm kín, gioăng tr n (o-ring), v ng đệm, bộ làm kín cơ khí và v ng bi, v/v…

sử dụng Đến 1930, tại Nhật Bản, nấm men bia được cô đặc xuất hiện trên thị trường dưới dạng men khô Khi đó men được cô đặc không quá 400C, lúc đó men

sẽ chuyển hóa thành đường glucose Tuy nhiên sau đó người ta lại thấy rằng, so với men bia tươi hoặc men được sấy ở nhiệt độ thấp thì men bia được sấy ở nhiệt độ cao (trên 1000C) cho hiệu quả cao hơn về vitamin cũng như acid amin (Satake Kenji, 2002) Ở Châu Âu, từ nửa đầu thế kỷ 20 người Đức đã bắt đầu sử dụng nấm men như là một chất phụ gia thực phẩm Vào những năm 1950, ngành công nghiệp sản xuất men chiết xuất đã bắt đầu hình thành Đến 1974, sản phẩm men chiết xuất thương mại đầu tiên chứa 5’GMP – một nucleotide tự nhiên của RNA nấm men –

đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp (Eurasyp)

Hiện nay có hai phương pháp xử lý nấm men bia dư thừa là chế biến men khô và

men chiết xuất Khi d ng để chế biến thức ăn gia súc hay thức ăn cho nông thủy sản nấm men có thể không cần phải tinh chế mà chỉ cần để nguyên men tươi và sấy khô Nhưng khi d ng để chế biến ra những sản phẩm dành cho con người, nấm men cần thường phải tinh chế trước để tăng thêm hương vị

Sản xuất men khô

Mục đích của việc sấy khô men tươi

- Để men không bị biến dạng hoặc dễ hỏng

- Duy trì và bảo quản các thành phần của tế bào nấm men

- Giúp bảo quản lâu dài các đặc tính của men

- Giúp men trở nên dễ sử dụng

- Tăng cường tính hấp thụ tiêu hóa của men

- Tiêu diệt các vi khuẩn có hại

1.5 Các phương pháp thủy phân

Bản chất của quá trình thuỷ phân protein là sự thuỷ phân liên kết peptit Do liên kết peptit là liên kết mạnh, thuỷ phân xảy ra trong điều kiện có xúc tác Tác nhân xúc tác có thể là tác nhân hoá học hoặc tác nhân sinh học Các sản phẩm thuỷ phân chưa hoàn toàn thường hay bị đắng Sản phẩm bị đắng khi mức độ thuỷ phân đạt từ 4 – 40% Vị đắng liên quan tới các peptit chứa các axit amin kỵ nước

Vị đắng chỉ ảnh hưởng đến tính chất cảm quan, không ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng Ngày nay tế bào nấm men có thể được phá vỡ bằng phương pháp hóa học, phương pháp sử dụng enzyme hay cho nấm men tự phân trong môi trường nước Tuy nhiên người ta nhận thấy khi thủy phân liên tục có bổ sung Enzyme sẽ đạt được hiệu quả thủy phân cao hơn [18], [19]

1.5.1 Phương pháp hoá học

1.5.1.1 Thuỷ phân bằng axit

Nguyên tắc: Dùng HCl nồng độ 6 – 10 N, nhiệt độ 100 – 1800C, thời gian thuỷ

phân 24 – 72 giờ Nếu gia tăng áp suất sẽ giảm được thời gian Sau thuỷ phân, axit trong dịch thuỷ phân được trung hoà bằng NaOH hoặc Na2CO3 [18]

Ưu điểm: Rẻ tiền, nhanh và hiệu suất thuỷ phân cao từ 85 – 90 %, sản

phẩm giàu axit amin và dễ bảo quản

Nhược điểm:

- Do nhiệt độ cao và nồng độ axit đặc, một số axit amin bị phá huỷ trong quá trình thuỷ phân Tryptophan bị phá huỷ hoàn toàn, các axit amin chứa lưu huỳnh bị mất 10 – 30 % Các axit amin chứa nhóm – OH bị phân huỷ một phần như Thr, Ser, Met, Cys

- Chí phí năng lượng và thiết bị cao do phải chịu nhiệt và chống axit ăn mòn, việc sử dụng HCl đặc độc hại và ô nhiễm môi trường

- Khi nồng độ HCl cao và nhiệt độ cao thường xảy ra phản ứng giữa Cl2 hoặc HCl có trong chất béo tế bào nấm men sinh độc tố monochloropropanol và dichloropropanol là tác nhân gây ung thư

- Hàm lượng muối cao do quá trình trung hoà bằng NaOH Người ta cũng có thể thuỷ phân nấm men bằng axit H2SO4, thuỷ phân bằng axit này thì dịch sau thuỷ phân được trung hoà bằng vôi, kết tủa CaSO4 tạo thành được lọc ra Dịch lọc

sẽ có hàm lượng muối thấp hơn so với thuỷ phân bằng HCl Tuy nhiên vị của dịch thuỷ phân bằng H2SO4 thường kém hơn dịch thuỷ phân bằng HCl

1.5.1.2 Thuỷ phân bằng kiềm

Nguyên tắc: Dùng kiềm 4-8 N, nhiệt độ 100-1100C, thời gian 24-36 giờ

Ưu điểm: Thuỷ phân bằng phương pháp này bảo toàn được tryptophan

Nhược điểm: Xảy ra hiện tượng racemic hoá nên sản phẩm thuỷ phân là

hỗn hợp racemic D, L – amino axit, làm giảm giá trị dinh dưỡng Ngoài ra, còn xảy ra quá trình oxy hoá một số axit amin khác Kiềm xúc tác cho phản ứng tạo lysinoalanine làm giảm lysine trong dịch thuỷ phân Vì vậy, trong sản xuất thực phẩm ít khi dùng phương pháp thuỷ phân bằng kiềm [18], [19]

1.5.2 Phương pháp enzym

1.5.2.1 Phương pháp tự phân nấm men

Nguyên tắc là nấm men được hoà với nước theo tỉ lệ thích hợp, giữ ở nhiệt độ thích hợp cho hệ enzym protease có sẵn trong tế bào nấm men hoạt động phân

huỷ các thành phần của tế bào Dịch thuỷ phân rất giàu axit amin, peptit, vitamin nhóm B và các hydratcacbon

1.5.2.2 Phương pháp thuỷ phân có bổ sung enzym protease

Nguyên tắc là sử dụng chế phẩm enzym protease thuỷ phân protein của nấm men trong điều kiện thích hợp cho enzym hoạt động để tạo thành các dạng đạm khác nhau Phương pháp này về bản chất giống phương pháp tự phân, chỉ khác là phương pháp tự phân sử dụng enzym protease có sẵn trong tế bào nấm men, còn phương pháp bổ sung thêm enzym protease thì protein nấm men được kết hợp thuỷ phân từ protease có sẵn trong tế bào nấm men và chế phẩm enzym bổ sung vào với mục đích tăng hiệu suất thuỷ phân [18], [19]

* Ưu điểm:

Phương pháp enzym có ưu điểm là điều kiện thuỷ phân ôn hoà, hoàn toàn không sử dụng hoá chất, không làm biến đổi thành phần axit amin ban đầu nên an toàn cho người sử dụng và giữ được giá trị dinh dưỡng

* Nhược điểm:

Hiệu suất thuỷ phân tối đa của phương pháp chỉ đạt 70% Sự thuỷ phân hạn chế do tác dụng của enzym nhất là các endoprotease từ vi khuẩn làm giải phóng ra các peptit kị nước có đính các gốc leucin và phenylalanin nên sản phẩm thuỷ phân

từ protease thường có vị đắng Tuy nhiên việc loại bỏ vị đắng hoàn toàn có thể giải

quyết được khi sử dụng phản ứng plastin hoặc serine proteinase của Bacillus subtilis vì protease này đặc hiệu ở vị trí axit amin thơm hoặc axit amin kỵ nước

Vì vậy chúng có khả năng làm giảm vị đắng của dịch thuỷ phân Trong thời điểm hiện nay khi mà báo chí trong và ngoài nước đề cập rất nhiều đến một số chất độc trong thực phẩm trong đó có monochloropropanol và dichloropropanol, monochloropropanediol là những chất gây ung thư, rất độc hại cho con người hình thành từ quá trình thuỷ phân protein bằng phương pháp axit đặc thì việc sản xuất ra sản phẩm thuỷ phân protein an toàn và giàu giá trị dinh dưỡng bằng phương pháp enzym, và dễ tiêu hoá không chứa D-aminoacid như thuỷ phân protein bằng kiềm là rất cần thiết

1.5.2.3 Phương pháp thuỷ phân enzym kết hợp với axit:

Có thể thực hiện thuỷ phân bằng axit trước rồi sau đó mới thuỷ phân bằng enzym hoặc thuỷ phân trước bằng enzym rồi mới thuỷ phân bằng axit [18], [19]

* Ưu điểm :

Việc kết hợp sử dụng enzym protease và axit xúc tác quá trình thuỷ phân có ưu điểm là giảm thiểu hoá chất độc hại, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, rút ngắn thời gian sản xuất, nhưng vẫn có khả năng sinh ra độc tố

* Nhược điểm :

Yêu cầu công nghệ để loại bỏ hoàn toàn axit ra khỏi sản phẩm chi phí cao

Chi phí vận hành lớn

1.6 Ứng dụng của dịch thủy phân bã nấm men bia

1.6.1 Ứng dụng của dịch thủy phân nấm men làm chất điều vị

Sử dụng một lượng nhỏ dịch thuỷ phân nấm men vào một số thực phẩm như súp, nước xốt, trứng, snack, bánh quy,…sẽ góp phần tích cực vào việc tăng giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng cho sản phẩm Đây là kết quả của các axit amin và các peptide phân tử lượng thấp trong dịch thuỷ phân nấm men

Sản xuất một số sản phẩm truyền thống Dịch thuỷ phân nấm men giàu axit amin đặc biệt là các axit amin không thay thế, vitamin nhóm B, khoáng,… được sử dụng

để tạo rất nhiều sản phẩm thơm ngon, bổ dưỡng như vegemite, marmite, oxo, cenovis, recipe,… MARMITE: Sản phẩm này có xuất xứ từ nước Anh, thành phần chính của Marmite là YE Sản phẩm dính, có dạng sệt, màu nâu, vị mạnh, cực kỳ mặn, có vị thịt Mùi vị của nó được so sánh với nước tương (xì dầu) Ngoài ra, marmite còn có một sản phẩm tương tự ở New Zealand, Úc Marmite là món ăn truyền thống ở Anh, được ăn với bánh mỳ, bánh bích quy Các nhà hàng Trung Quốc, Singapore sử dụng marmite trong các món xào thịt lợn để làm tăng vị ngọt cho thức ăn Nó cũng được cho vào cháo yến để bổ sung hương thơm cho cháo

Hình 1.10: Sản phẩm Marmite sản xuất ở New zeland

Bảng 1.4: Thông tin dinh dưỡng của Marmite loại 100g được sản xuất ở New

Hình 1.11: Sản phẩm Vegemite Thông tin dinh dưỡng của vegemite loại 5g

Bảng 1.5: Thông tin dinh dưỡng Vegemite loại 5g được sản xuất tại Australia

1.6.2 Sử dụng làm môi trường vi sinh vật

- Chiết lấy phần trong từ dịch thuỷ phân nấm men, bỏ cặn, trung hoà và đun sôi Từ dịch men thuỷ phân ta có thể pha thành môi trường thạch - nước men - đường (nước men được thêm 0.5 % muối ăn, 1- 2 % glucoza và 2 % thạch) pH 6,8 Thanh trùng

ở 0.5at trong 30 phút Có thể thay glucoza bằng 5 % sacaroza, pH = 6.0 – 6.5 Dịch men thuỷ phân có thể cô đặc thành cao men, đem d ng dần để pha môi trường với

tư cách là nguồn nitơ hữu cơ (peptone, peptid, axit amin, nucleotide,…) và nguồn vitamin đặc biệt là vitamin nhóm B Thành phần môi trường để nuôi cấy nấm mốc Aspergillus oryzae sinh tổng hợp protease là môi trường lỏng có các thành phần

như sau: dextrin 2.5 g, bột đậu nành 5g, saccharose 3 g, Na2CO3 0.9 g, NaHCO3 0.3 g, Na3PO4 0.3 g, chất chiết nấm men 0.1 g, đong vừa đủ 100ml nước Môi trường này thích hợp cho nấm mốc phát triển và sinh tổng hợp protease

1.6.3 Bổ sung vào quá trình nấu bia

Chất chiết nấm men được xem là nguồn nitơ tốt nhất bổ sung vào dịch nha trong sản xuất bia với kỹ thuật lên men nồng độ cao đối với dịch nha 220 pt, hàm lượng chất chiết nấm men cần bổ sung là 40 mg/lit Làm giảm thời gian lên men, nồng độ cồn trong bia non tăng lên

1.6.4 Sử dụng tạo ra một số sản phẩm chữa bệnh

Thuốc ống uống BIOFIL: Đây là sản phẩm của công ty cổ phần Dược - Vật tư Y tế Thanh Hoá, đi từ nguyên liệu sinh khối nấm men bia Qua quá trình lắng lọc tinh chế, thuỷ phân axit kiềm với men đặc hiệu, áp dụng công nghệ mới tạo sản phẩm ống uống BIOFIL 10 ml đóng hộp 10 ống và hộp 20 ống Là thuốc bổ dưỡng giàu axit amin và vitamin nhóm B Với giá bán bằng 30% thuốc nước ngoài cùng loại Ngoài các thành phần có giá trị trong dịch chiết nấm men như đã nêu ở trên thì phần bã rắn không bị thuỷ phân bao gồm chủ yếu là thành tế bào cũng có rất nhiều ứng dụng

- β–glucan là hỗn hợp sinh học tự nhiên bao gồm β 1-3, 1- 6 glucan và manna oligosaccharide được chiết suất từ thành tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae β–glucan giúp kích thích hệ thống miễn dịch tự nhiên, tăng cường hoạt động của các đại thực bào và kích thích tiết nhiều cytokines (chất hoạt hoá tế bào) nhằm tiêu diệt các mầm bệnh xâm nhấp từ bên ngoài Vì vậy, β-glucan đã được ứng dụng để bào chế các loại thuốc chữa vết thương, thuốc chống u bướu β–glucan giúp giảm hệ

số chuyển đổi thức ăn, kích thích tiêu hoá, phòng các bệnh đường ruột, nhiễm trùng

do vi khuẩn, virut, làm giảm cholesterol trong máu β–glucan là giải pháp thay thế kháng sinh trong phòng trị bệnh vật nuôi an toàn và hiệu quả β– glucan chịu được nhiệt độ 1200C nên có thể dùng làm thức ăn ép viên [6, 8, 9] Hiện nay, trên thị trường có một số sản phẩm: BETA CLUCAN 25, BETA GLUCAN 40

Hình 1.12: Chế phẩm β - Glucan BETA GLUCAN 25:

Trong 1kg sản phẩm chứa 25 % β–glucan 1 – 3, 1 – 6 BETA GLUCAN 40: Trong 1kg sản phẩm chứa 40 % β–glucan 1 – 3, 1 – 6 - Mannan–oligo-saccharide (MOS) (đại diện là chế phẩm Bio–Mos) cũng được chiết từ thành tế bào nấm men

có tác dụng chống bệnh ỉa chảy ở lợn cai sữa MOS có khả năng thu hút và loại thải

ra ngoài phần lớn các vi khuẩn đường ruột có hại như E.coli, Salmonella, các độc tố

nấm như Aflatoxin Vì vậy, sử dụng Bio-Mos sẽ ngăn chặn sự định vị của mầm bệnh, tăng cường hệ thống phòng thủ của cơ thể, giúp vật nuôi tăng trọng nhanh Thực phẩm bổ sung B complex (100 viên) 205.700 vnd Mỗi viên cung cấp đầy đủ

7 loại vitamin B từ tự nhiên (B1, B2, B3, B5, B6, axit folic và B12) cần thiết cho cả phụ nữ và nam giới Tất cả được chiết xuất từ nấm men Tuy thành phần của các axit amin trong protein nấm men không cân đối và có giá trị sinh học như axit amin

từ protein động vật, nhưng giá trị dinh dưỡng của nó cũng gần giống protein động vật Sử dụng dịch thuỷ phân nấm men sẽ góp phần bổ sung các axit amin không thay thế bị thiếu hụt trong thức ăn hàng ngày như lizin, metionin,…Ngoài ra, các vitamin nhóm B, các hydratcacbon, các chất kích thích sinh trưởng,…làm vật nuôi lớn rất nhanh

1.7 Cơ sở thiết kế tự động hóa

1.7.1 Hệ thống SCADA trong nhà máy bia

1.7.1.1 Chức năng và nhiệm vụ cơ bản của hệ SCADA

Hệ thống SCADA hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy tín hiệu từ các cơ cấu cảm biến được gắn trên các thiết bị công tắc hoặc trên dây chuyền sản xuất gửi về cho

máy tính (thực hiện phần thu thập dữ liệu) Máy tính xử lý, kiểm tra trạng thái hoạt động của hệ thống, các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm đã được cài sẵn trong bộ nhớ Đồng thời, máy tính sẽ hiển thị lại những thông tin kỹ thuật của hệ thống trên màn hình, cho phép tự động giám sát và điều khiển hệ thống và phát ra tín hiệu điều khiển đến máy công tác tạo nên vòng tín hiệu kín (thực hiện chức năng giám sát và điều khiển)

Việc điều khiển giám sát ở đây bao hàm hai ý nghĩa:

 Con người theo dõi và điều khiển

 Máy tính giám sát và điều khiển

Đối với các hệ thống sản suất tự động trước đây, việc kiểm tra giám sát hoàn toàn

do con người đảm trách So với máy tính, tốc độ xử lý của con người rất chậm và dễ nhầm lẫn Việc tính toán điều khiển của máy tính sẽ tránh được những hậu quả trên Những sai sót nhỏ, thường xuyên gặp phải sẽ được máy tính giám sát và xử lý theo chương trình đã được cài đặt Đối với những sự cố lớn, máy tính sẽ báo cho người theo dõi biết và tạm dừng hoạt động của hệ thống để chờ quyết định của người điều hành

Hình 1.13: Mô hình phân cấp chức năng điều khiển

 Cấp chấp hành

Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường,

truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh (smart devices)

có thể đảm nhận việc xử lý và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

 Cấp điều khiển

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lý các thông tin theo thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cấp chấp hành Khi c n điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay…Trong một hệ thống điều khiển tự động, máy tính thực hiện những nhiệm vụ đó

Do đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lý thông tin, nên khái niệm cấp xử

lý (process level) cũng hay được sử dụng Tuy nhiên, khái niệm này không được chính xác vì trong các hệ thống tự động hoá hiện đại, việc xử lý thông tin không phải là độc quyền ở cấp này Như đã nêu trên, các thiết bị thông minh ở cấp cảm biến/chấp hành cũng có thể đảm nhận một phần việc này Ngoài ra, việc thực hiện các chức năng ở bất kỳ cấp nào bên trên đều mang bản chất là xử lý thông tin Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng hay được gọi chung là cấp trường (field level) chính vì các bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật

 Cấp điều hành quá trình

Điều hành quá trình tức là điều khiển và vận hành một quá trình kỹ thuật Khi đa

số các chức năng như đo lường điều khiển, điều chỉnh, bảo trì hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của các cấp điều hành quá trình là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển khởi động/dừng và điều khiển theo công thức (ví dụ như trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều hành quá

trình thường không đ i hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt có giao diện mạng ngoài các máy tính điều hành

Hiện nay, do nhu cầu tự động hoá tổng thể ở các cấp điều hành sản xuất và quản

lý công ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết trong mô hình chức năng trở nên cần thiết Cũng vì thế, ranh giới giữa cấp điều hành quá trình và điều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất gọi chung là cấp điều hành

Tóm lại, các chức năng điều khiển giám sát của một hệ SCADA:

• Giám sát vận hành

• Điều khiển vận hành

• Báo cáo và báo động

• Điều khiển cao cấp

• Quản lý và lưu trữ dữ liệu quá trình

1.7.1.2 Các thành phần chức năng cơ bản

Xét một cách tổng quát, một hệ SCADA bao gồm các thành phần chức năng liệt

kê dưới đây

 Phần cứng:

 Thiết bị thu thập dữ liệu: PLC, RTU, PC, I/O, các đầu đo thông minh

Hệ thống truyền thông: Mạng truyền thông, các bộ dồn kênh/phân kênh, modem, các bộ thu phát

 Trạm quản lý dữ liệu: Máy chủ (PC, workstation), các bộ tập trung dữ liệu (Data concentrator, PLC, PC)

 Trạm vận hành (Operator Station)

 Phần mềm:

Hình 1.14: Các thành phần phần mềm một hệ SCADA

 Cơ sở dữ liệu quá trình: Có chức năng quản lý, lưu dữ các dữ liệu quá trình, dữ liệu, tình trạng hệ thống, quá khứ, dữ liệu cảnh báo, vận hành Về cơ bản giống các hệ thống cơ sở dữ liệu thông thường, tức là thường được xây dựng trên cơ sở một thương phẩm như SQL Server, Sybase, Informix, Tuy nhiên, cơ sở dữ liệu này phải có những tính năng đặc biệt như: tần suất cập nhật cao, mang tính tuần hoàn; có tính năng thời gian thực; quản lý hiệu quả cơ sở dữ liệu lớn liên tục rất nhanh

 Giao diện người – máy

 Giao diện vào/ra (phần mềm giao diện quá trình), dưới dạng các I/O – Drivers, I/O – Servers (DDE, OPC…)

 Hệ thống cảnh báo báo động

 Lập báo cáo tự động

 Điều khiển cao cấp: Điều khiển mẻ, điều khiển trình tự, điều khiển công thức, điều khiển chuyên gia…

Các thành phần nói trên đã được tích hợp trong một hệ điều khiển phân tán Vì vậy, việc xây dựng các chức năng SCADA ở đây đơn giản hơn nhiều so với trong các hệ khác Việc phát triển một hệ SCADA dựa trên việc phát triển hệ thống phần mềm

có thể phát triển theo hai hướng:

 Lập trình:

Sử dụng các ngôn ngữ bậc cao (C++, Java, Visual Basic, Delphi)

 Có sự tham gia của một complier

 Khả năng thực hiện ít hạn chế

 Đ i hỏi trình độ chuyên sâu

 Kém hiệu quả nên chỉ thích hợp với các hệ thống qui mô nhỏ, ít thay đổi

 Cấu hình (cofigurating):

 Sử dụng một công cụ SCADA chuyên dụng

 Sử dụng các ký hiệu đồ họa và script để xây dựng cấu hình

 Sử dụng các phần tử đồ họa đối thoại để đặt các tham số

 Không cần compiler nên hiệu quả cao, dễ thực hiện

1.7.2 Tổng quan về bộ điều khiển khả trình PLC

Bộ điều khiển lập trình (Programmable Logic Controller), gọi tắt là PLC, là bộ điều khiển cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình để trao đổi thông tin với các PLC khác hoặc với máy tính Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FB hoặc FC) và được thực hiện lặp theo chu kỳ của v ng quét (scan)

PLC chủ yếu bao gồm module CPU, các bộ xử lý và bộ nhớ chương trình, các module xuất/nhập (I/O module), hệ thống bus và khối nguồn cấp điện

Hệ thống tuyến (System bus): là tuyến để truyền các tín hiệu, gồm nhiều đường tín

hiệu song song :

 Tuyến địa chỉ (address bus) : chọn địa chỉ trên các khối khác nhau

 Tuyến dữ liệu (data bus) : mang dữ liệu (thí dụ từ IM tới OM)

 Tuyến điều khiển (control bus) : chuyển, truyền các tín hiệu định thì và điều

khiển để đồng bộ các hoạt động trong PLC

 Module CPU

Hình 1.16: Cấu trúc module CPU

Module CPU là loại module có chứa bộ vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm, cổng truyền thông và có thể có một vài cổng vào ra số Các cổng vào ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào ra onboard

Trong họ PLC S7-300 có nhiều loại module CPU khác nhau Chúng được đặt tên theo bộ vi xử lý có trong nó như module CPU312, module CPU314, module CPU315 Những module cùng sử dụng một loại bộ vi xử lý, nhưng khác nhau về cổng vào/ra onboard cũng như các khối hàm đặc biệt được tích hợp sẵn trong thư viện của hệ điều hành phục vụ việc sử dụng các cổng vào ra onboard này sẽ được

phân biệt với nhau trong tên gọi bằng thêm cụm từ IFM (Intergrated Function Module) Chẳng hạn module CPU312 IFM, module CPU314 Ngoài ra còn có loại

module với hai cổng truyền thông như module CPU315-DP

 Lập trình tuyến tính (liner)

Toàn bộ chương trình điều khiển nằm trong một khối trong bộ nhớ Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không phức tạp Khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà CPU luôn quét và thực hiện các lệnh trong

nó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại từ lệnh đầu tiên

Vòng quét

OB1

Hình 1.17: Nguyên lý lập trình tuyến tính

Lệnh 1 Lệnh 2

………

Lệnh cuối cùng

 Lập trình có cấu trúc (structured)

Trong PLC Siemens S7 tổ chức theo các khối mà có thể lập trình được với từng nhiệm vụ riêng Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp PLC S7-300 có 4 loại khối cơ bản:

 Khối tổ chức OB (Organization Block): Khối tổ chức và quản lý chương trình

điều khiển

 Khối hàm chức năng FB (Function Block): Là loại khối FC đặc biệt có khả

năng trao đổi một lượng dữ liệu với các khối chương trình khác Các dữ liệu này phải được tổ chức thành khối dữ liệu riêng có tên gọi là Data Block

 Khối hàm (Function) : Khối chương trình với những chức năng riêng giống như

một chương trình con hoặc một hàm

 Khối dữ liệu (Data Block): Khối chứa các dữ liệu cần thiết để thực hiện chương

trình Các tham số khối do ta tự đặt

Ngoài ra còn có các khối hệ thống như: SFB, SFC, SDB Toàn bộ các khối chương trình con được quản lý một cách thống nhất bởi khối OB1 Chương trình trong các khối được liên kết với nhau bằng các lệnh gọi khối, chuyển khối Từng nhiệm vụ điều khiển con có thể được chia thành những nhiệm vụ nhỏ và cụ thể hơn nữa, do đó một khối chương trình con cũng có thể được gọi từ một khối chương trình con khác Nhưng tránh không bao giờ một khối chương trình con lại gọi đến chính nó.Khi thực hiện lệnh gọi một khối con, hệ điều hành sẽ:

Chuyển khối con được gọi từ vùng Load memory vào vùng Word memory Cấp phát cho khối con một phần bộ nhớ trong Word memory để làm local block Cấu trúc local block được quy định khi soạn thảo các khối

Truyền các tham trị từ khối mẹ cho biến hình thức IN, IN-OUT của local block Sau khi khối con thực hiện xong nhiệm vụ và ghi kết quả dưới dạng tham trị đầu ra cho biến OUT, IN-OUT của local block, hệ điều hành sẽ chuyển các tham trị này cho khối mẹ và giải phóng khối con cùng local block ra khỏi word memory

Hình 1.18: Nguyên lý lập trình có cấu trúc

Số các lệnh gọi lồng nhau phụ thuộc vào từng chủng loại module CPU mà ta sử dụng Nếu số lần gọi khối lồng nhau mà vượt quá con số giới hạn cho phép, PLC sẽ

tự chuyển sang chế độ STOP và set cờ báo lỗi

Ta có bảng so sánh khả năng lập trình của các PLC SIMATIC S7-300 như sau:

Bảng 1.6: So sánh khả năng lập trình của các PLC SIMATIC S7-300

1.7.3 Một số hệ thống điều khiển tự động hiện nay

Hệ thống điều khiển tự động hóa nổi tiếng trên thế giới hiện nay gồm có 2 hệ thống điều khiển tự động hóa Rockwell của mỹ, và hệ thống điều khiển tự động Siemens của cộng h a liên bang Đức Việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thành công trong nhà máy bia ứng dụng và phát triển phần mềm chuyên dụng Braumat của hãng Siemens cộng h a liên bang Đức, phần mềm Rockwell của Mỹ trong ngành Bia đánh dấu một bước tiến trong ngành tự động hóa Việt Nam, nó phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh hội nhập của Việt Nam hiện nay

1.7.4 Hệ thống Braumat trong nhà máy bia

Hình 1.19: Giao diện Main Menu của phần mềm Braumat ( thẻ Engineering Tool)

Braumat là tên nhãn sản phẩm cho hệ thống tự động trong ngành công nghiệp sản xuất bia của hãng Siemens Braumat là phần mềm được xây dựng và được tích hợp những tính năng điều khiển áp dụng cho các ứng dụng điều khiển theo mẻ, đối tượng là các nhà máy Bia Braumat được xây dựng trên nền tảng của chuẩn S88 (IEC 61512-1)

- Hệ thống phần cứng và mạng dựa trên Simatic S7- 400, các trạm thu thập dữ liệu

và điều khiển phân tán ET200M và mạng Profibus DP, Industrial Ethernet (IE)

- Hệ thống phần mềm được xây dựng trên môi trường làm việc Windows theo cấu trúc mạng Client – Server Phần mềm được cấu trúc thành nhiều phần khác nhau với cộng cụ Engineering là Simatic manager (Step 7) Braumat quản lý các đối tượng điều khiển riêng lẻ được gọi là các ICM (Individual Control Module), các ICM hoạt động theo từng loại đối tượng mình cài đặt và nó tuân theo chuẩn S88