SẢN XUẤT BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA SẢN PHẨM BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP Quá trình sản xuất bia không cồn hay có nồng độ cồn thấp đã có một lịch sử lâu dài khoảng gần 100 năm. Sự quảng bá và phân phối những sản phẩm này đã phát triển rất mạnh xuyên suốt những thập kỉ qua. Bia với nồng độ cồn thấp được sản xuất đầu tiên ở quy mô công nghiệp từ cuộc chiến tranh thế giới lần nhất, là kết quả của sự thiếu nguyên liệu thô và do luật cấm nấu và bán rượu của Mỹ từ năm 1919 đến năm1933. Ngày nay những sản phẩm này ngày càng phát triển, do sự thay đổi thị hiếu, người tiêu dùng càng càng quan tâm hơn đến vấn đề sức khỏe, mong muốn làm giảm nồng độ cồn trong khi lái xe và có một niềm tin mạnh mẽ hơn về lợi ích của những sản phẩm đồ uống ít cồn. Những sản phẩm này không những được tiêu thụ trong nước mà còn được xuất khẩu với số lượng lớn đến những đất nước theo đạo hồi, nơi mà đồ uống chứa cồn bị cấm. Những điều trên làm gia tăng thị trường của những sản phẩm bia không cồn và bia có nồng độ cồn thấp. Ngày nay thị trường của những sản phẩm này đang chịu một sức ép rất lớn từ những sản phẩm như nước ngọt không cồn hay “alcopops “ loại sản phẩm cồn trộn lẫn với dịch trích của một vài loại trái cây. Tuy nhiên sự cạnh tranh này đã dẫn đến sự xuất hiện ngày càng nhiều các sản phẩm bia có nồng độ cồn thấp nhưng vẫn giữ được những mùi vị thơm ngon như bia có độ cồn thông thường. 1.2 PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP: Quy định về nồng độ cồn trong những sản phẩm bia không cồn hay có nồng độ cồn thấp thay đổi đa dạng từ quốc gia này sang quốc gia khác. Ở Mỹ đồ uống với nồng độ cồn khoảng 0.5% thì được xem là đồ uống không cồn theo quy định của bộ luật Volstead. Nhờ đó sự xuất hiện của các sản phẩm này khá đa dạng. Theo bộ luật về rựợu bia( 52007) ở Mỹ thì quy định : • Bia không cồn (No alcoholalcohol free beer) có nồng độ cồn không quá 0.05%(vv). • Bia được giảm nồng độ cồn (Dealcoholised beer) có nồng độ cồn từ 0.05% nhưng không quá 0.5%(vv) • Bia nồng độ cồn thấp ( Low alcohol beer) nồng độ cồn không quá 1.2% Ở Châu Âu sản phẩm được gọi là bia không cồn , khi nồng độ cồn của nó không được quá 0.5% Mặc dù được dán nhãn là sản phẩm bia không cồn, tuy nhiên nó vẫn chứa một lượng nhỏ cồn. Do đó, những sản phẩm này thì bị cấm để bán cho lứa tuổi vị thành niên Theo sự phát triển của dòng sản phẩm này đồ uống bia không cồn thường có 3 nhóm chính : • Near beer • Light beer • Small beer

1.TỔNG QUAN VỀ BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP 8

1.2 PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP 9

1.2.1 Near beer 10

1.2.2 Light beer 10

1.2.3 Small beer 10

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP 2.1 NGUYÊN TẮC LÀM GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA 12

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BIA CÓ NỒNG ĐỘ CỒN THẤP 12

2.3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA CÓ NỒNG ĐỘ CỒN THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 12

2.3.1 Các phương pháp 12

2.3.2 Phương pháp điều khiển quá trình nấu 12

2.3.3 Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bởi việc thay thế một lượng malt dung dịch tinh bột được hidro hóa(hydrogenates starch hydrolyzate) 16

2.3.4 Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp điều khiển quá trình lên men 18

2.4 QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ 20

2.4.1 Nguyên tắc 20

2.4.2 Quy trình 21

2.5 SO SÁNH HAI QUY TRÌNH 21

3 PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ

3.1.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ 23

MUC LỤC GVHD:PGS.TS.Lê VănViệtMẫn

Thầy:Huỳnh Trung Việt 3.1.1.Vacuum distillation 23

3.1.2.Vacuum evaporation 23

3.1.3.Dialysis 24

3.1.4 Reverse osmosis 24

3.2.GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG MÀNG MEMBRANE THẨM THẤU NGƯỢC (REVERSE OSMOSIS 25

3.2.1.Nguyên tắc 25

3.2.2.Thiết bị 25

3.2.3.Phương pháp thực hiện 26

3.2.4.Các yếu tố ảnh hưởng 27

3.2.6.Kết luận 36

3.3 GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG CÁCH KẾT HỢP 3 LOẠI MÀNG MEMBRANE VI LỌC, LỌC NANO, VÀ THẨM THẤU NGƯỢC 36

3.3.1Quy trình sản xuất 36

3.3.2 Các thông số vận hành 38

3.4 GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG MÀNG MEMBRANE PERVAPORATION 39

3.4.1 Nguyên tắc 39

3.4.2 Màng membrane pervaporation 40

3.4.3.Quy trình thực hiện 42

3.4.4 Thông số vận hành 43

3.4.5.Các yếu tố ảnh hưởng 43

3.4.6 Ưu nhược điểm 46

3.4.7 Kết luận 46

3.5.GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG MÀNG THẨM TÁCH DIALYSIS 46

3.5.1.Nguyên tắc 46

3.5.2.Phương pháp thực hiện 47

3.5.3.Các yếu tố ảnh hưởng 48

3.5.5.Ưu nhược điểm 52

3.6 GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG PHƯƠNG PHÁP OSMOSIS DISTILLATION 52

3.6.1.Nguyên tắc 52

3.6.2.Thiết bị 54

3.6.3 Phương pháp thực hiện 55

3.6.4 Các thông số vận hành 56

3.6.5.Các yếu tố ảnh hưởng 56

3.6.6 Kết luận 57

4 SẢN PHẨM 59

4.1.MỘT SỐ SẢN PHẨM LIGHT BEER 59

4.2.MỘT SỐ SẢN PHẨM NO-ALCOHOLIC BEER 61

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH GVHD:PGS.TS.Lê Văn ViệtMẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

Hình 2.1:Quy trình công nghệ giảm xuất bia nồng độ cồn thấp bằng

phương pháp nấu ở nhiệt độ cao từ nguồn nguyên liệu là 100 % malt 13

Hình 2.2 : Sơ đồ nấu bia theo phương pháp nhiệt độ cao có sử dụng

thế liệu 14

Hình 2.3 : Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp

thay thế malt bằng một lượng (hydrogenates starch hydrolyzate) 17

Hình 2.4: Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp

lên men lạnh 19

Hình 2.5: Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp

vật lý 21

Hình 3.1: Cấu tạo của màng membrane thẩm thấu ngược (RO) 26

Hình 3.2: Mô hình cho quá trình khử cồn trong bia bằng việc sử dụng

màng membrane thẩm thấu ngược 27

Hình 3.3: Sự giảm nồng độ cồn theo thời gian trong màng membrane thẩm thấu

ngược ở nhiệt độ 580C, áp suất 40 bar, tốc độ dòng nhập liệu 71min-1 28

Hình 3.4 : Lưu lượng dòng permeate theo sự chênh lệch áp suất ở 50oC

và tốc độ dòng nhập liệu là 7 l /phút trong màng membrane reverse

osmosis 32

Hình 3.5: Sự khử cồn và các hợp chất mùi vị trong bia theo sự chênh

lệch áp suất ở nhiệt độ 500C và tốc độ dòng nhập liệu 7l/phút trong

màng membrane reverse osmosis 33

Hình 3.6: Lưu lượng của dòng permeate theo nhiệt độ ở áp suất 40 bar và

tốc độ dòng nhập liệu 7l/phút trong màng membrane reverse osmosis 34

Hình 3.7:Sự giữ lại ethanol và các hợp chất thơm trong dòng retentate

ở 400C và tốc độ dòng nhập liệu là 7l/phút trong màng membrane

reverse osmosis 34

Hình 3.8: Lưu lượng dòng permeate phụ thuộc vào tốc độ dòng nhập liệu ở

50C áp suất 40bar trong màng membrane reverse osmosis 35

Hình 3.9(A) Nồng độ của ethanol và các hợp chất thơm trong dòng permeate

(B)Sự giữ lại ethanol và các hợp chất thơm trong dòng retentate tại 500C và áp

suất 40bar trong màng membrane reverse osmosis 35

Hình 3.10: Sơ đồ thiết bị của quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp sử

dụng kết hợp 3 loại màng membrane vi lọc, lọc nano,và thẩm thấu ngược 37

Hình 3.11: (a) Sử dụng bình ngưng tụ và hệ thống bơm chân không

(b) Sử dụng khí trơ 39

Hình 3.12: Sự vận chuyển chất qua màng membrane pervaporation 40

Hinh 3.13:Sư thấm lọc của một số hợp chất trong đồ uống xuyên qua màng

membrane hydropholic, và hydrophilic 41

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý giảm nồng độ cồn trong bia bằng màng

hidrophilic 42

Hình 3.15: Sơ đồ khử cồn trong bia bằng màng membrane pervaporation 42

Hình3.16: Mối quan hệ giữa lưu lượng vận chuyển qua màng của ethanol

và nước phụ thuộc vào nồng độ của ethanol trong dòng nhập liệu khi sử dụng

màng membrane pervaporation 44

Hình 3.17: Mối quan hệ giữa hệ số tách ethanol vào nồng độ của nó trong

dòng nhập liệu khi sử dụng màng membrane pervaporation 44

Hình 3.18: Mối quan hệ giữ lưu lượng của các hợp chất thơm vào nồng độ

ethanol trong dòng nhập liệu khi sử dụng màng membrane pervaporation 45

Hình 3.19: Sơ đồ thiết bị khử cồn trong bia bằng màng dialysis 45

Hình 3.20: Ảnh hưởng của lưu lượng bia qua màng lên tốc độ chảy của cồn và

các chất hòa tan trong bia.quá trình được thực hiện tại áp suất vận hành 4 bar

và sự chênh lệch áp suất giữa hai bên màng membrane là 0 bar 46

Hình 3.21: Ảnh hưởng của lưu lượng bia qua màng lên hệ số vận chuyển khối

của cồn và các chất hòa tan trong bia.Quá trình được thực hiện tại áp suất vận

hành 4 bar và sự chênh lệch áp suất giữa hai bên màng membrane là 0 bar 47

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH GVHD:PGS.TS.Lê Văn ViệtMẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

Hình 3.22: Mối quan hệ giữa khả năng khả năng dịch chuyển ethanol và các

chất hòa tan trong bia xuyên qua màng membrane với lưu lượng của bia đi qua

màng membrane dialysis 48

Hình 3.23: Khả năng thấm qua màng membrane cho alcohol và các chất hòa

tan trong bia cho màng membrane có kích thước lần lượt là 8µm và 11µm.Áp

suất vận hành 2 bar và áp suất vận chuyển qua màng là 0bar 49

Hình 3.24: Mối quan hệ giữ khả năng dịch chuyển ethanol và các chất hòa tan

trong bia xuyên qua màng membrane với sự chênh lệch áp suất giữa hai bề mặt

của màng membrane ở diều kiện áp suất vận hành là 1bar và lưu lượng của bia

là 500 ml/phút 49

Hình 3.25: Động lực của quá trình vận chuyển chất xuyên qua màng membrane

Osmosis Distillation 53

Hình 3.26: Quan hệ giữa áp suất hơi vào nồng độ ethanol 54

Hình 3.27 : Màng membrane contactor trong quá trình khử cồn trong bia bằng

phương pháp Osmosis Distillation 55

Hình 3.28: Sơ đồ thiết bị quá trình khủ cồn trong bia bằng phương pháp

Osmosis Distillation 56

Hình3.29: Tốc dộ chảy của ethanol phụ thuộc vào tỉ số Qf/QS và sự giảm nồng

độ ethanol giữa dòng vào và dòng ra với sự biến đổi của tỉ số Qf/QS 57

Hình 4.1: Các sản phẩm Light beer trên thế giới 58

Hình 4.2: Các sản phẩm No-alcoholic beer trên thế giới 62

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thành phần các hợp chất tạo nên mùi vị trong bia 28

Bảng 3.2: Tính chất của mỗi loại màng membrane 29

Bảng 3.3: Ảnh hưởng các chế độ vận hành khác nhau đến khả năng khử cồn,

giữ lại các hợp chất thơm và lưu lượng qua màng của các hợp chất trong bia30

Bảng3.4: So sánh khả năng ứng dụng của màng màng SEPA 97 cellulose

acetate membrane của hãng Hopkins,MN với màng Thin-film Composite trong

khả năng ứng dụng để giảm nồng độ cồn trong bia 31

Bảng 3.5: Hệ số phân riêng cho các phân tử alcohol và các chất hòa tan trong

bia xuyên qua màng membrane với có bề dày lần lượt là 8µm và 11µm Áp

suất vận hành 2 bar và áp suất vận chuyển qua màng là 0bar 50

Bảng 3.6: So sánh thành phần của bia ban đầu và bia sau quá trình khử cồn52

Bảng 4.1 Tên thương hiệu một số sản phẩm light beer trên thế giới với nồng

độ cồn và lượng calorie tương ứng 59

Bảng 4.2 Tên thương hiệu một số sản phẩm No-alcoholic beer trên thế giới

với nồng độ cồn và lượng calorie tương ứng 61

CHƯƠNG1:TỔNG QUAN GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA SẢN PHẨM BIA NỒNG ĐỘ CỒN

THẤP

Quá trình sản xuất bia không cồn hay có nồng độ cồn thấp đã có một lịch sử lâu

dài khoảng gần 100 năm Sự quảng bá và phân phối những sản phẩm này đã

phát triển rất mạnh xuyên suốt những thập kỉ qua Bia với nồng độ cồn thấp

được sản xuất đầu tiên ở quy mô công nghiệp từ cuộc chiến tranh thế giới lần

nhất, là kết quả của sự thiếu nguyên liệu thô và do luật cấm nấu và bán rượu

của Mỹ từ năm 1919 đến năm1933 Ngày nay những sản phẩm này ngày càng

phát triển, do sự thay đổi thị hiếu, người tiêu dùng càng càng quan tâm hơn đến

vấn đề sức khỏe, mong muốn làm giảm nồng độ cồn trong khi lái xe và có một

niềm tin mạnh mẽ hơn về lợi ích của những sản phẩm đồ uống ít cồn Những

sản phẩm này không những được tiêu thụ trong nước mà còn được xuất khẩu

với số lượng lớn đến những đất nước theo đạo hồi, nơi mà đồ uống chứa cồn bị

cấm Những điều trên làm gia tăng thị trường của những sản phẩm bia không

cồn và bia có nồng độ cồn thấp Ngày nay thị trường của những sản phẩm này

đang chịu một sức ép rất lớn từ những sản phẩm như nước ngọt không cồn hay

“alcopops “ loại sản phẩm cồn trộn lẫn với dịch trích của một vài loại trái cây

Tuy nhiên sự cạnh tranh này đã dẫn đến sự xuất hiện ngày càng nhiều các sản

phẩm bia có nồng độ cồn thấp nhưng vẫn giữ được những mùi vị thơm ngon

như bia có độ cồn thông thường

1.2 PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP:

Quy định về nồng độ cồn trong những sản phẩm bia không cồn hay có nồng độ

cồn thấp thay đổi đa dạng từ quốc gia này sang quốc gia khác

Ở Mỹ đồ uống với nồng độ cồn khoảng 0.5% thì được xem là đồ uống

không cồn theo quy định của bộ luật Volstead Nhờ đó sự xuất hiện của

các sản phẩm này khá đa dạng

Theo bộ luật về rựợu bia( 5/2007) ở Mỹ thì quy định :

• Bia không cồn (No alcohol/alcohol free beer) có nồng độ cồn

không quá 0.05%(v/v)

• Bia được giảm nồng độ cồn (Dealcoholised beer) có nồng độ cồn

từ 0.05% nhưng không quá 0.5%(v/v)

• Bia nồng độ cồn thấp ( Low alcohol beer) nồng độ cồn không quá

1.2%

Ở Châu Âu sản phẩm được gọi là bia không cồn , khi nồng độ cồn của

nó không được quá 0.5%

Mặc dù được dán nhãn là sản phẩm bia không cồn, tuy nhiên nó vẫn chứa một

lượng nhỏ cồn Do đó, những sản phẩm này thì bị cấm để bán cho lứa tuổi vị

CHƯƠNG1:TỔNG QUAN GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

1.2.1 Near beer:

Neer beer là nhóm đầu tiên của sản phẩm đồ uống ít cồn hay không cồn ( nồng

độ cồn khoảng 0.05% hay nhỏ hơn) Sản phẩm này thì đã được sản xuất và

buôn bán trong giai đoạn cấm nấu và bán rượu bia của Mỹ (1919-1933) Neer

Beer thì không thể được dán nhãn là bia, mà nó thường được xem là loại đồ

uống ngũ cốc

Phần lớn các sản phẩm Neer beer được sản xuất theo quá trình lên men chìm ở

nhiệt độ 7-120C sau đó qua quá trình lên men phụ ở nhiệt độ 0-40C nên tạo

thành bia có hương vị khô và lạnh

Sản phẩm Neer Beer phổ biến nhất với tên thương hiệu là Bevo của hãng

(Anheuser-Busch), Pabst của hãng Pablo, Miller của hãng Vivo và Schlitz của

hãng Famo Năm 1921 sản lượng Neer beer lên tới 300 triệu gallon

Nhiều nhà phê bình thực phẩm đã nhận xét rằng Neer beer là một loại đồ uống

nhạt nhẽo, như là “nước cháo loãng” Tuy nhiên ngày nay sản phẩm neer beer

đang được cải tiến nhiều hơn để đáp ứng thị hiếu của người tiêu dùng cho sản

phẩm này

1.2.2 Light beer

Light beer là sản phẩm bia đã được giảm nồng độ cồn và hàm lượng calorie

thích hợp với những người mong muốn làm giảm hàm lượng cồn và lượng

năng lượng trong cơ thể.Những sản phẩm này thì thường có mùi vị nhạt hơn so

với sản phẩm bia truyền thống

Light beer với nồng độ cồn thấp, cho phép người tiêu thụ có thể uống nhiều bia

hơn mà không bị say Light beer thường có nồng độ cồ từ 2.2-3.2%

1.2.3 Small beer

Small beer là bia có nồng độ cồn rất thấp, đôi lúc không qua quá trình lọc và nó

thường đặc như là cháo yến mạch Sản phẩm này thì được ưa thích bởi người

trung cổ ở châu âu và thuộc địa ở Bắc Mỹ Thường thì sản phẩm này được

dùng trong bữa sáng Trước khi có hệ thống xử lý nước thì bệnh dịch tả và

bệnh lây qua nước uống là nguyên nhân chính gây ra sự chết chóc Bởi vì cồn

là một chất độc đối với những vi khuẩn này cũng như quá trình nấu bia xảy ra ở

nhiệt độ sôi của nước do đó bia thay nước là một cách hữu hiệu để giảm bệnh

dịch.Trước kia small beer thường được sản xuất ở nhà cho trẻ em và người

giúp việc

Small beer được sản xuất theo quá trình lên men nổi ở nhiệt độ 15-230C

Ngày nay sản phẩm small beer thì đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp dẫn

đầu là hãng Anchor Brewing Company.Tuy nhiên những sản phẩm này thường

có màu sáng và vị đắng nhạt hơn so với các sản phẩm bia không cồn khác

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GVHD:PGS.TS.Lê Việt VănMẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

2.1 NGUYÊN TẮC LÀM GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA

Bia là sản phẩm đồ uống có cồn phổ biến nhất trên thế giới Sản lượng tiêu thụ hằng năm chiếm khoảng 120tỉ lít/ năm.Chất lượng của bia được tạo thành từ những hợp chất mùi và vị đặc trưng trong bia.Về phương diện cảm quan, hàm lượng cồn có tác động mạnh mẽ đến chất lượng của loại đồ uống này,ảnh hưởng đến vị chua, một sự thay đổi nhỏ thành phần hữu cơ trong sản phẩm sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của sản phẩm.Vì vậy người ta muốn sản xuất một loại sản phẩm có nồng độ cồn thấp nhưng vẫn giữ được những thành phần đặc trưng

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BIA CÓ NỒNG ĐỘ CỒN THẤP

Công nghệ sản xuất bia có nồng độ cồn thấp có thể được chia làm hai phương pháp: giảm nồng độ cồn trong bia bằng phương pháp hóa học và giảm nồng độ cồn trong bia bằng phương pháp vật lý.Mỗi phương pháp thì có những ưu nhược điểm riêng và tạo ra những sản phẩm bia không cồn có nồng độ cồn đa dạng

2.3 QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA CÓ NỒNG ĐỘ CỒN THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC

Mục đích của việc điều khiển quá trình lên men để sản xuất ra một lượng ethanol thấp Điều này được thực hiện bằng các phương pháp như là dừng hoạt tính của nấm men trước khi quá trình lên men kết thúc, dùng một loại nấm men đặc biệt, điều khiển nhiệt độ lên men, hay điều khiển thời gian tiếp xúc giữa nấm men với dịch nha Quá trình lên men có thể được dừng sớm hơn bởi việc tách nấm men ra khỏi dịch nha, bởi quá trình lọc, bằng phương pháp ly tâm, hay dùng thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng để cung cấp sự sốc nhiệt để giết những tế bào nấm men Những phương pháp này khó khăn trong khi thực hiện

ở quy mô công nghiệp Và sản phẩm tạo ra bằng phương pháp này phải được giữ tại nhiệt độ -10C trong vòng 10 ngày để sản phẩm tạo thành có mùi vị thích hợp

2.3.2 Phương pháp điều khiển quá trình nấu:

Nguyên tắc:

Nếu ta điều khiển quá trình nấu để tạo ra một dịch nha có khả năng lên men thấp thì ta sẽ tạo ra được sản phẩm bia có nồng độ cồn thấp.Tuy nhiên phương pháp này làm cho sản phẩm tạo thành có mùi “worty” và có một vị ngọt giả tạo Để làm giảm mùi “worty” này, ta sẽ giảm một lượng malt trong quá trình nghiền và thay thế nó bằng một tinh bột Quá trình nấu sẽ được thực hiện ở nhiệt độ cao khoảng 70-80oC, nguyên tắc chính của phương pháp này là làm giảm khả năng tạo ra các đường lên men trong quá trình nấu bằng cách giới hạn hoạt tính đường hóa của enzyme β-amylase Enzyme β-amylase thì kém chịu

nhiệt hơn so với enzyme α-amylase, trên 800C thì β-amylase thì mất hoạt tính trong khi α-amylase thì không bị ảnh hưởng Phương pháp này sản xuất ra một dịch nha có tỉ lệ của detrin/ đường cao Giá trị pH của dịch nha thì cũng được

hạ thấp bằng cách thêm vào một lượng axit phosphoric và sulphuric Nếu chỉ dựa vào phương pháp này để sản xuất ra sản phẩm bia với nồng độ cồn thấp thì

ít khi thành công và do đó nó phải được kết hợp với việc điều khiển quá trình lên men để sản xuất ra sản phẩm với nồng độ cồn nhỏ hơn 1%

Quy trình công nghệ sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp nấu ở nhiệt độ cao:

Hình 2.1 : Quy trình công nghệ sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp nấu tại nhiệt độ cao từ nguồn nguyên liệu là 100 % malt

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GVHD:PGS.TS.Lê Việt VănMẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

Giải thích quy trình:

Quá trình nấu:

Mục đích chính của quá trình nấu

• Trích ly các chất chiết từ malt đại mạch và thế liệu vào nước

• Thủy phân một số chất phân tử lượng lớn thành các chất có phân thử lượng nhỏ cho nấm men sử dụng

Để giảm nồng độ ethanol sau quá trình lên men và tạo thành một dịch nha có khả năng lên men kém, trong quá trình nấu ta phải hạn chế hoạt tính của enzyme đường hóa β-amylase.Phương pháp tiêu biểu nhất là tiến hành quá trình nấu tại nhiệt độ cao (780-800C)

Đối với quá trình nấu bia có sử dụng phế liệu thì thì phương pháp nấu tại nhiệt

độ cao được thực hiện như sau

Hình 2.2:Sơ đồ nấu bia theo phương pháp nhiệt độ cáo có sử dụng thế liệu

Nguyên liệu malt đại mạch và nước (main mash) được đưa và bồn nấu ở nhiệt

độ 460C (1150F) trong khoảng 15 phút [1]

Cùng lúc đó , một lượng malt đại mạch , ngũ cốc (bắp, gạo) và nước thì được đưa vào một nồi nấu khác (tỉ lệ của malt chiếm khoảng 35% và ngũ cốc khoảng 65%)(cooker mash).Hỗn hợp này được giữ ở nhiệt độ phòng khoảng 20 phút và sau đó được gia nhiệt đến nhiêt độ nhiệt độ sôi 2120F (1000C) trong khoảng 30 phút, và được giữ tại nhiệt độ này trong khoảng 10-30 phút.[2]

Hỗn hợp [2] sau đó được làm lạnh về nhiệt độ 1720F(780C) (trên nhiệt độ mà enzym β-amylase hoạt động và dưới nhiệt độ enzyme α-amylase bị mất hoạt tính),quá trình làm lạnh được thực hiện trong 10 phút Trong khi hỗn hợp thứ [2] được gia nhiệt ,đun sôi và làm lạnh thì hỗn hợp thứ [1] thì được giữ tại nhiệt

độ 1150F(460C) Khi hỗn hợp thứ [2] đến nhiệt độ 1720F(780C), thì hỗn hợp thứ[1] sẽ được bơm một cách chậm chạp vào bồn chứa hỗn hợp [2], để nhiệt độ

của hỗn hợp [1] tăng lên đến nhiệt độ của hỗn hợp[2] một cách mau chóng thì

bộ phận gia nhiệt cho hỗn hợp [2] luôn được duy trì Nhân tố quyết định đến quá trình này là nâng nhiệt độ của hỗn hợp[1] chứa một lượng enzym α- amylase và β-amylase từ nhiệt độ 1150F-1600F(460C -710C), một cách nhanh chóng để ngăn chặn sự hình thành những đường có khả năng lên men nhờ hoạt tính của enzym β-amylase, và nó cũng tăng nhanh chóng nhiệt độ của hỗn hợp[2] lên 1720F(780C) để tránh sự tạo thành những đường có khả năng lên men từ hoạt tính của các enzym khác trong malt

Quá trình làm lạnh hỗn hợp[2] đến 1720F(780C) trước khi cho hỗn hợp thứ [1] vào, do đó không làm mất đi hoạt tính của enzym α-amylase (khi nhiệt độ 800C thì enzyme này bị mất hoạt tính)

Ngoài ra ta có thể thay hỗn hợp [2] bằng nước nóng, trong quá trình sản xuất bia từ nguyên liệu là malt không có phế liệu Nước được duy trì tại nhiệt độ

1720F(780C), và hỗn hợp[1] cũng được bơm vào và được gia nhiệt lên trên nhiệt độ hoạt động của enzyme β-amylase

Hỗn hợp [1] sau khi được bơm toàn bộ vào hỗn hợp[2] thì sẽ được giữ trong khoảng 25 phút ở nhiệt độ 1720F , quá trình kết thúc có sự chuyển hóa tinh bột thành đường và các dextrin Dịch nha sau quá trình nấu có 40-46% RDF(real degree of fermentation) Dịch nha này sau khi lên men bia có nồng độ ethanol dưới 2%

Nước được sử dụng trong quá trình có pH khoảng 4.5 Vì enzyme α-amylase trong malt thì thường có hoạt tính thấp do đó ta thường bổ sung thêm chế phẩm enzyme thương mại từ vi sinh vật (Bacillus subtilis).Lượng enzyme này cho vào khoảng 0.1-0.2% khối lượng malt.Quá trình nấu với α-amylase được thực hiện trong thời gian 30 phút Trong quá trình nấu để giảm độ nhớt ta bổ sung thêm enzyme hemicellulase Độ nhớt của hỗn hợp sau quá trình nấu là 50-

Chuyển hóa đường thành ethanol, cacbon dioxyde, cùng các phụ phẩm

Quá trình lên men được thực hiện với nấm men Saccharomyces cerevisiae

được thực hiện tại nhiệt độ 100C trong 2- 8 ngày

Quá trình lên men phụ :

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GVHD:PGS.TS.Lê Việt VănMẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt Bia sau quá trinh lên men được phối trộn với dịch trích hoa houblon và màu malt để tạo vị đắng và màu sắc cho bia

Quá trình tàng trữ:

Mục đích :ổn định mùi vị cho bia

Quá trình chiết chai lon:

Rót bia:theo nguyên tắc đẳng áp

Thanh trùng:

Mục đích : Bảo quản

Thiết bị thanh trùng Tunel (5 vùng):tại 62-650C trong 20-30 phút

Thiết bị thanh trùng bản mỏng: tại 70-720C trong 30s

Bia được thực hiện theo phương pháp này có nồng độ cồn dưới 2%

2.3.3 Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bởi việc thay thế một lượng malt dung dịch tinh bột được hidro hóa(hydrogenates starch hydrolyzate)

Nguyên tắc:

Bia có nồng độ cồn thấp được thực hiện theo phương pháp này trong khía cạnh một phần malt thì được thay thế bằng dung dịch tinh bột được hidro hóa (hydrogenates starch hydrolyzate).Lượng tinh bột (hydrogenates starch hydrolyzate) này được thêm vào trước quá trình nấu dịch nha với hoa houblon Lượng tinh bột (hydrogenates starch hydrolyzate) thường ở dạng syrup với 6- 85% khối lượng chất khô, được sản xuất bằng cách hidro hóa dung dịch tinh bột có mức độ thủy phân (chỉ số DE) từ 15-50 và số lượng thêm vào chiếm khoảng 0.1-2% khối lượng sản phẩm bia cuối cùng

Do lượng dung dịch tinh bột được hidro hóa này không có khả năng tạo ra ethanol trong quá trình lên men, và việc giảm lượng malt trong quá trình nấu ban đầu sẽ làm giảm hàm lượng đường có khả năng lên men.Do đó trong quá trình lên men sản phẩm tạo thành sẽ có nồng độ ethanol thấp

Khi ta dùng dung dịch tinh bột được hidro hóa là dung dịch sorbitol (thành phần DP1 chiếm 84%, DP2 10,5%,DP3 3%) và chỉ số DE của dung dịch tinh bột trước khi được hidro hóa là 90 thì sản phẩm bia tạo thành có vị ngọt giả tạo , do đó không đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng

Để bia nồng độ cồn thấp tạo thành có mùi vị tốt, dung dịch tinh bột được hidro hóa dạng thương mại được sử dụng và thường có thành phần tính theo % khối lượng chất khô như sau:

% khôi lượng chất khô của DP1 (độ polyme hóa ) là 0.5%-16%

% khôi lượng chất khô của DP2 (độ polyme hóa ) là 1% -35%

% khôi lượng chất khô của DP>20 (độ polyme hóa ) < 20%

Và dung dịch tinh bột thủy phân trước khi được hidro hóa có chỉ số DE trong khoảng 15-50

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GVHD:PGS.TS.Lê Việt VănMẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

Các thông số thực hiện:

Khi sử dụng quy trình này ta sẽ làm giảm lượng malt sử dụng và thay thế nó bằng lượng tinh bột (hydrogenates starch hydrolyzate).Để tạo ra sản phẩm cuối cùng với lượng tinh bột (hydrogenates starch hydrolyzate) khoảng 0.1-2% khối lượng thì lượng malt được thay thế khoảng 20%

Quá trình nấu 100% malt thì được thực hiện theo phương pháp ngâm qua 3 giai đoạn 500C ở 30 phút,680C ở 30 phút và 750C ở 30 phút

Quá trình lọc bã malt thì được thực hiện ở 750C

Trước khi quá trình đun sôi với hoa houblon kết thúc khoảng 20 phút thì một lượng hydrogenates starch hydrolyzate được thêm

Bia được lên men chính tại nhiệt độ 80C trong 6-8 ngày

Quá trình lên men phụ được thực hiện tại 00C trong 8-10 ngày

Bia được sản xuất theo phương pháp này có nồng độ cồn khoảng 2-3% thích hợp để sản xuất các sản phẩm light beer

2.3.4 Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp điều khiển quá trình lên men:

Quá trình lên men có thể được điều khiển bằng hai phương pháp: sử dụng một loại nấm men đặc biệt và thực hiện quá trình lên men lạnh

Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp sử dụng nấm men đặc biệt

Sự lên men có thể được điều khiển bởi một số loài nấm men đặc biệt như

Saccharomycodes ludwigii , loài nấm men này chỉ lên men các đường như glucose, fructose và sucrose chiếm khoảng 15% hàm lượng carbohydrate trong dịch nha Do đó sản phẩm bia tạo thành có nồng độ cồn nhỏ hơn 0.5% nhưng chứa nồng độ cao của maltose và maltotriose, nhưng vị ngọt của maltose và maltosedetrin thì thấp hơn so với glucose và succore, do đó sản phẩm bia tạo thành thường không quá ngọt Nhiệt độ lên men thường thấp và tránh sự tiếp xúc của oxi trong suốt quá trình lên men để hạn chế sự tạo thành diacetyl

Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp lên men lạnh”cold contact”

Nguyên tắc:

Nguyên tắc chính của phương pháp này là thực hiện quá trình lên men tại nhiệt

độ thấp và thời gian dài, tại nhiệt độ thấp có thể ức chế khả năng sinh tổng hợp ethanol của nấm men và do đó tạo thành bia có nồng độ cồn thấp

Đây phương thức đặc biệt để kiểm soát qua trình lên men cho phép ta sản xuất

ra sản phẩm bia có nồng độ cồn dưới 0.05% Phương pháp này được mô tả bởi Schur (1983) Dịch nha sau quá trình nấu sẽ được làm lạnh dưới nhiệt độ (00C-

20C) và được tiếp xúc với nấm men trong khoảng 48h, quá trình này tạo ra một sản phẩm bia không cồn, có hàm lượng CO2 giảm Tuy nhiên khi ứng dụng phương pháp này sẽ tạo cho sản phẩm có mùi “worty” là kết quả của quá trình lên men hạn chế

Những vấn đề trên có thể được hạn chế bởi quá trình lên men liên tục bằng nấm men cố định.Phương pháp này đã được nghiên cứu (Mensour et al., 1997) , nấm men được cố định trên DEAE cellulose.Axit lactic thì được thêm vào dịch nha trước quá trình lên men để làm giảm pH xuống 4 và hạn chế sự phát triển

của vi khuẩn Dịch nha sau khi được xử lý thì sẽ được bơm qua một reactor tại nhiệt độ -10C Dưới điều kiện này nấm men chuyển hóa tốt nhất đường glucose

Do đó maltose và maltotriose thì không dễ dàng được lên men Sản phẩm có nồng độ cồn nhỏ hơn 0.1% hàm lượng các hợp chất cacbonyl thì thấp nhưng giữ lại được các hợp chất ester, do đó bia tạo thành có mùi vị tốt hơn

Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp nấu malt ở nhiệt độ cao

O 2 vô trùng

Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP GVHD:PGS.TS.Lê Việt VănMẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

Giải thích quy trình:

Quy trình nấu:

Trong quy trình này quá trình nấu thì được thực hiên tại nhiệt độ cao Ta điều khiển quá trình nấu để thu được dịch nha có 12-160P Khi dịch nha có độ Plato thấp hơn 12 thì ảnh hưởng đến sự giảm nồng độ aldehhyde được tạo thành trong quá trình lên men lạnh và tiêu hao một lượng nước lớn hơn

Acid citric được bổ sung trong quá trình nấu nhằm tạo ra một dịch nha có pH bằng 4.5,và tạo môi trường tốt cho nấm men hoạt động Ngoài ra việc bổ sung acid citric nhằm giảm độ ngọt của sản phẩm bia không cồn Lượng acid citric cho vào đủ để làm giảm hàm lượng aldehyde trong dịch nha sau quá trình lên men, lượng acid cho vào khoảng 0.15-0.35 g/l

Quá trình lên men chính

Trong phương pháp này dịch nha thường được lên men ở nhiệt độ thấp Quá trình lên men được thực hiện tại nhiệt độ 0-30C trong thời gian 16-24 h.Trong quá trình lên men thì người ta thường sục khí CO2, mục đích của quá trình này

là để loại hết những khí O2 còn sót lại trong hỗn hợp và tạo mội trường tiếp xúc tốt hơn giữa dịch nha và nấm men

Lượng nấm men cho vào khoàng 40-80 triệu tế bào /ml,

Quá trình lên men phụ:

Sau quá trình lên men chính, một lượng nấm men được tách ra khỏi dịch nha bằng phương pháp ly tâm, để lượng nấm men trong quá trình lên men phụ khoảng 0.5-2 triệu tế bào /ml Lượng tế bào còn sót lại trong quá trình lên men phụ tiếp tục làm giảm lượng aldehyde trong dịch nha Nhưng nếu trong quá trình lên men phụ, ta giữ lại toàn bộ lượng nấm men thì sẽ làm gia tăng nguy cơ tạo diacetyl trong sản phẩm và làm giảm mùi vị sản phẩm

Quá trình lên men phụ được thực hiện tại -10C

2.4 QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIA NỒNG ĐỘ CỒN THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ

2.4.1 Nguyên tắc:

Quy trình sản xuất bia có nồng độ cồn thấp theo phương pháp vật lý thì tương

tự như quy trình sản xuất bia truyền thống Sau quá trình lên men ta sẽ thực hiện quá trình khử cồn (sẽ nói rõ hơn trong chương3)

2.4.2 Quy trình:

Hình 2.5: Quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng phương pháp vật

lý 2.5 SO SÁNH HAI QUY TRÌNH

Mỗi quy trình thì có những yêu nhược điểm riêng Đối với phương pháp giảm nồng độ cồn bằng phương pháp hóa học thì có thể tạo ra một sản phẩm đồ uống không cồn có nồng độ ethanol thấp hơn 0.05% , tuy nhiên quá trình vận hành khá phức tạp và sản phẩm tạo thành thường có mùi “worty” không đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng

Đối với phương pháp giảm nồng độ cồn bằng phương pháp vật lý , tuy có nhiều ưu điểm hơn nhưng chỉ tạo ra được sản phẩm có nồng độ cồn khoảng 0.5%, và đòi hỏi một thiết bị chuyên dụng và đắt tiền

Tạp chất

Bã

Malt đại mạch/ phế liệu

Tách tạp chất

Nghiền

Nấu dịch nha

Lọc Đun sôi với hoa houblon Tách bã houblon

Xử lý làm trong bia

trùng Nhân giống

CO 2

Chai lon

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

3.1.TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP LÀM GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ:

Phương pháp chính để thực hiện quá trình này là sử dụng kĩ thuật tách ethanol trong bia bằng màng membrane Có nhiều loại màng membrane được sử dụng với các thông số công nghệ khác nhau Ở Mỹ, người ta thường ứng dụng màng thẩm thấu ngược (reverse osmosis) và spinning cone column (SCC) ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên, khi sử dụng màng thẩm thấu ngược, một phần cồn trong đồ uống sẽ được khử cùng với nước, do đó đòi hỏi phải thêm quá trình làm loãng sản phẩm sau khi khử cồn Còn phương pháp SCC được vận hành ở nhiệt độ trung bình (26-35oC), nhưng nó gồm hai quá trình làm cho thời gian sản xuất dài và chi phí cao

Các phương pháp khác như dùng zeolit hay dùng dịch trích siêu tới hạn, đang được nghiên cứu và chưa được áp dụng rộng rãi trên quy mô công nghiệp.Các dạng màng membrane như là osmotic distillation, vacuum distillation, pervaporation và dialysis(màng thẩm tách) cũng có khả năng làm giảm nồng độ cồn trong bia.Trong đó kĩ thuật membrane osmotic distillation thì triển vọng nhất vì làm giảm nồng độ cồn trong sản phẩm nhưng không làm thành đổi thành phần hữu cơ của sản phẩm

Từ những vấn đề đã được đề cập ở trên ta có các phương pháp làm giảm nồng

độ cồn trong bia như sau

o Sử dụng phương pháp vacuum distillation

o Sử dụng phương phápvacuum evaporation

o Sử dụng spinning cone column (SCC)

o Sử dụng kĩ thuật membrane osmotic distillation

Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng và tạo ra những sản phẩm bia

có nồng độ cồn và mùi vị đặc trưng

3.1.1.Vacuum distillation

Trong phương pháp này, bia cần khử cồn thì được gia nhiệt đến 500C trong một thiết bị trao đổi nhiệt bản mỏng, và sau đó được đi khử ester trong môi trường chân không cao Những hợp chất dễ bay hơi trong bia thì sẽ được thu lại và đưa vào trong một bể chứa Bia đã được khử ester sau đó sẽ được tách cồn trong một cột chân không tại 400C và được đưa qua bể chứa, sau đó bia sẽ được phối trộn với những hợp chất dễ bay hơi được tách ra từ quá trình khử ester Phương pháp này dùng để sản xuất bia với mùi vị nhẹ nhưng ít được dùng bởi

vì chất lượng của sản phẩm không cao

3.1.2.Vacuum evaporation

Đây là phương pháp (Attenborough, 1988; Narziss et al., 1992; Regan, 1990)

đã được nghiên cứu để hạn chế những bất lợi của phương pháp vacuum

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt distillation Nhiệt độ và thời gian tiến hành thấp hơn so với phương pháp trên nhờ đó sẽ tạo ra một sản phẩm bia không cồn với chất lượng tốt hơn Tiến trình được mô tả bởi hãng Alfa-Laval trong việc sử dụng thiết bị bay hơi ly tâm Bia thì được bơm lên trên bề mặt trong của thiết bị trao đổi nhiệt hình nón và bên trên có một lớp màng với bề dày (0.1mm) Bia được xử lý trong khoảng 0.5-1s

và nhiệt độ từ 30-400C Bia nồng độ cồn thấp thì được thu tại bề mặt ngoài của thiết bị trao đổi nhiệt.Chính nhờ phương pháp này mà những hợp chất thơm được giữ lại trong bia và tạo ra một sản phẩm bia chất lượng tốt hơn so với phương pháp vacuum distillation Ethanol và hơi nước được bay hơi đi qua trung tâm của thiết bị trao đổi nhiệt hình nón và đến thiết bị ngưng tụ.Tiến trình này được thực hiện trong thời gian rất ngắn khoảng vài giây và được lặp lại nhiều lần để có thể sản xuất ra bia với nồng dộ cồn <0.5%

Một hệ thống của hãng APV tận dụng hiệu quả của việc sử dụng 3 thiết bị bay hơi hơi dạng màng Nhiệt độ tối đa của bia khoảng 400C và thời gian xử lý từ 3-5 phút Thiết bị này thì được xử dụng rộng rãi và có thể lên tới năng suất 200hl/h Bia được gia nhiệt trong hệ thống ba thiết bị bay hơi và hơi cồn trong mỗi thiết bị thì được thu lại trong một bình (pressure reduction vessel) và sau

đó được ngưng tụ trong bình ngưng (spray condenser) Sau quá trình này bia thu được có nồng độ cồn khoảng 0.3% và được làm lạnh Bia rời khỏi thiết bị

có nhiệt độ khoảng 10C

3.1.3.Dialysis

Trong phương pháp này,nồng độ cồn được giảm bởi việc bơm bia xuyên qua một màng membrane tại áp suất khoảng 2 bar Màng membrane thường ở dạng ống với thành mỏng và được bịt kín ở 2 đầu Bia thì được bơm một cách đều đặn xuyên qua màng membrane và chất thẩm tách thường là nước thì xuyên qua màng membrane tại vị trí đối diện Tốc độ của sự thẩm tách thì phụ thuộc

sự chênh lệch nồng độ và kích thước của phân tử Cân bằng thì được đạt tới khi nồng độ tại hai bề mặt của màng membrane thì bằng nhau Sau đó ethanol trong chất thẩm tách sẽ được tách ra bởi sự chưng cất liên tục Quá trình này được thực hiện tại nhiệt độ 1-60C do đó sản phẩm thu được sẽ đạt chất lượng tốt Tuy nhiên quá trình này làm mất đi một vài các hợp chất ester do nó được loại đi cùng với cồn Để khắc phục quá trình này chất thẩm tách chứa cồn thì được đưa xuyên qua cột tái tạo để dịch chuyển cồn Những hợp chất không phải là cồn như ester sẽ được thu lại và đưa vào sản phẩm Tiến trình thực hiện hơi phức tạp nhưng đang được ứng dụng để sản xuất rãi rộng rãi trên toàn thế giới

3.1.4 Reverse osmosis:

Quá trình này dùng để lọc cồn tại áp suất khoảng 30-60 bar sử dụng màng membrane Màng membrane được làm từ cellulose acetate, nylon hay những polymers, cho phép những phân tử nhỏ như nước và cồn đi qua và giữ lại những phân tử lớn.Áp suất cao là một động lực để nước và cồn chống lại áp suất thấm lọc tự nhiện của bia để xuyên qua màng membrane Những hợp chất mùi và vị thì hầu như được giữ trong bia sau quá trình khử cồn Tuy nhiên trong một vài hệ thống thì hỗn hợp nước và cồn trong dòng permeate thì thường được tinh cất lại, và những hợp chất không phải là cồn thì được bổ

sung vào sản phẩm Áp suất vận hành cao thường làm cho bia có nhiệt độ cao,

do đó để nhiệt độ của bia không quá 150C thì thiết bị phải có hệ thống làm lạnh

3.2 GIẢM NỒNG ĐỘ CỒN TRONG BIA BẰNG MÀNG MEMBRANE THẨM THẤU NGƯỢC (REVERSE OSMOSIS)

3.2.1.Nguyên tắc:

Trong tiến trình sử dụng màng membrane thẩm thấu ngược, bia với nồng độ cồn cao sẽ được chảy qua màng, một phần sẽ xuyên qua màng và phần còn lại

sẽ được giữ trên bề mặt của màng

Hiện tượng này chỉ xảy ra khi áp lực của dòng lưu lượng xuyên qua màng lớn hơn áp lực từ phía dòng permeate.Và với nguyên tắc đó, cồn và nước trong đồ uống sẽ thắng được áp lực từ phía dòng permeate của màng membrane và xuyên qua màng tạo thành dòng (permeate) và những thành phần có phân tử lượng lớn hơn như những hợp chất mùi và vị sẽ được giữ lại trong dòng (retentate)

Những mùi thơm trong bia bao gồm một nhóm lớn những hợp chất hữu cơ dễ bay hơi(VOCs) chiếm nồng độ thấp (khoảng vài ppm),nhưng ảnh hưởng rất lớn tới mùi và vị của bia Những hợp chất mùi có trong bia thuộc về các nhóm chức khác nhau như rượu, ester, aldehydes, lactones, carboxyl acids, phenols.Mỗi nhóm thì quyết định một mùi tiêu biểu.Ví dụ như cồn là một nhóm mùi chính trong bia (trong đó ethnol chiếm số lượng cao nhất ),ester tạo

ra mùi ngọt và thoang thoảng mùi trái cây, trong khi đó aldehydes tạo ra một mùi tươi mát cho bia

Phương pháp RO có nhiều thuận lợi khi so sánh với phương pháp khử cồn khác RO đòi hỏi chi phí năng lượng thấp hơn so với quá trình chưng cất và được vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp trong khoảng (1-50C), do đó chất lượng của bia có nồng độ cồn thấp tương tự như bia bình thường Bên cạnh những thuận lợi, RO là một tiến trình linh hoạt có thể khử cồn từ những sản phẩm bia có nồng độ cồn khác nhau và tạo ra những sản phẩm với nồng độ cồn

đa dạng Ngoài ra màng RO còn có ứng dụng trong việc thu hồi và lọc ethanol

từ bia cũng như quá trình cô đặc nước trái cây Tuy nhiên màng RO không thích hợp để tạo ra sản phẩm có nồng độ cồn nhỏ hơn 0.45%

3.2.2.Thiết bị :

Cấu tạo:

Thiết bị RO là một hệ thống cuộn xoắn được mô tả như hình vẽ.Thiết bị gồm hai ống hình trụ cùng trục, cùng chiều cao nhưng có đường kính khác nhau và được đặt lồng vào nhau.Cả hai được chế tạo bằng thép không rỉ.Ống hình trụ nhỏ được đục lỗ trên thân và là nơi tập trung các cấu tử của dòng permeate.Khoảng không gian được giới hạn bởi mặt ngoài thân trụ nhỏ và mặt trong thân trụ lớn là hai tấm membrane hình chữ nhật cuộn lại theo hình xoắn

ốc (bề mặt hoạt động của hai membrane này quay ngược nhau) cách nhau bởi một tấm đệm.Vật liệu phổ biến thường dùng làm miếng đệm là polypropylen

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

Hình 3.1: Cấu tạo của màng membrane thẩm thấu ngược (RO)

Màng membrane trong thiết bị RO được sử dụng hầu hết trong quá trình khử cồn trong đồ uống là cellulose acetate(CA) và polyamide,được sản xuất bởi Alfa Laval (Thụy Điển) và Centec(Đức),loại màng này có thể cho nước và ethanol đi qua và đồng thời giữ lại các hợp chất có phân tử lượng lớn như protein, polyphenol, đường, chất đắng và hợp chất màu

và ethanol thấm xuyên qua màng membrane nhờ thắng được áp lực thấm lọc của màng và được thu nhận vào thiết bị (4) Tốc độ của dòng permeate thì được

đo bằng cách sử dụng một xilanh và đồng hồ bấm giờ Những chất có phân tử lượng lớn như những hợp chất mùi và vị trong bia thì được giữ lại trên màng

Áp lực của dòng nhập liệu được đo bằng áp kế (11)và tốc độ của dòng retentate được điều chỉnh bằng van(8).Thiết bị (10) là cảm ứng đo nhiệt độ của dòng nhập liệu và của màng membrane.Van(9) dùng để điều chỉnh tốc độ của dòng nước lạnh.Nước và ethanol được khử trong quá trình RO thì được chứa vào thiết bị (4).Thể tích của bia trong bể (1) luôn được duy trì ở một thể tích nhất định bằng cách thêm nước đã được loại khí và khử ion liên tục mỗi giờ Chính nhờ sự giữ lại được những hợp chất không có khả năng thấm qua màng membrane như protein, polyphenol, đường không lên men, chất đắng, hợp chất màu với hàm lượng nhất định, và việc làm giảm nồng độ ethanol một cách liên tục, làm cho quá trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp bằng màng membrane thẩm thấu ngược đạt hiệu quả cao

Hình 3.2:Mô hình cho quá trình khử cồn trong bia bằng việc sử dụng màng membrane thẩm thấu ngược

(1) Bể nhập liệu, (2) bơm li tâm,(3)màng membrane,(4)bể chứa dòng permeate,(5)Thiết bị trao đổi nhiệt,(6) lưu lượng kế kiểu phao,(7)Van, (8)Van , (9) van màng chắn,(10) cảm ứng nhiệt độ,(11) áp kế

 9 hợp chất mùi

 4 loại rượu như: ethanol, propanol, isobutanol, isoamyl alcohol

 2 loại ester:ethyl acetate, isoamyl acetate

 1 aldehyde: acetaldehyde

 1 hợp chất sufur: dimethyl sulphide

Hỗn hợp các chất này được đưa qua hệ thống như hình 3.2, ta thu được kết quả chỉ có cồn và hợp chất ester thì xuyên qua màng , nằm ở dòng permeate, còn những hợp chất mùi quan trọng trong bia thì được giữ lại trong dòng retentate Thành phần của những hợp chất này thì được thể hiện ở bảng 3.1

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn

Thầy:Huỳnh Trung Việt

Bảng 3.1:Thành phần các hợp chất tạo nên mùi vị trong bia

Hợp chất Cấu trúc Phân tử

lương (g/mol)

Nhiệt

độ sôi

Beer threshold (ppm)

Nồng độ trong bia (ppm)

Mùi tiêu biểu

7.5-13.8 8.6-56.6 27-122 8.2-47.6 0.8-6.6

Cồn Cồn Cồn

Cồn, mùi chuối

Mùi trái cây

Mùi chuối

Khả năng giảm nồng độ cồn trong bia bằng màng membrane thẩm

thấu ngược:

Hình 3.3: Sự giảm nồng độ cồn theo thời gian khi xử lý bia bằng màng

nhập liệu 71min-1

Khi sử dụng màng membrane thẩm thấu ngược để lọc cồn trong bia tạo ra một

sản phẩm bia không cồn có nồng độ ethanol nhỏ nhất là khoảng 0.45%

Sự giảm nồng độ ethanol trong quá trình lọc cồn tuân theo quy luật hàm số mũ

Lưu lượng dòng permeate được duy trì tại giá trị 5.06.10-4 g.s-1.cm-2 trong suốt

quá trình Ngoài ra để giữ áp suất thấm lọc trong bia luôn ở một giá trị nhất

định, ta thêm nước đã được khử khí và loại ion vào bể nhập liệu

Khả năng làm giảm nồng độ cồn trong bia với các dạng màng

membrane khác nhau:

Có nhiều loại màng membrane thích hợp cho quá trình khử cồn từ bia, vật

liệu thường dùng để làm dạng màng này thường là cellulose acetate,

polyamide, thin-film composite

Màng membrane tốt nhất là màng có lưu lượng dòng permeate cao nhất,

nồng độ ethanol trong dòng retentate nhỏ nhất, và có khả năng giữ lại

những hợp chất mùi và vị trong bia.Người ta thấy rằng màng membrane tốt

nhất cho quá trình này là DSS-CA995P,

Ngòai ra còn có một nghiên cứu về việc sử dụng màng thin-film mang lại

hiệu quả cao cho quy trình sản xuất bia nồng độ cồn thấp

Màng membrane DSS-CA995P của hãng Alfa-Laval

Vật liệu làm màng :cellulose acetate.Tính chất của màng DSS-CA995P được

giới thiệu trong bảng 3.2

Bảng 3.2: Tính chất của mỗi loại màng membrane:

Nhiệt độ tối đa(0C)

Polyamide Polyamide Polyamide

Polyamide composite fiberglass Polyamide composite fiberglass

200

Không công bố Không công bố Không công bố Không công bố Không công bố

50

41 41 41 41 41

30

45 45 45 45 45

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn

Thầy:Huỳnh Trung Việt

Bảng 3.3 : Ảnh hưởng các chế độ vận hành khác nhau đến khả năng khử

cồn, giữ lại các hợp chất thơm và lưu lượng qua màng của các hợp chất

g.s-1.cm2

5.28 5.27 5.28 5.27 5.26 5.26 5.26 5.28 5.26 5.25 5.26

5.09 4.87 4.72 4.75 4.74 4.81 4.88 4.89 4.92 4.74 4.79

3.67 7.59 10.6 9.87 9.89 5.86 7.58 7.13 6.29 9.89 9.11

1.26 2.11 2.99 3.1 2.95 3.38 3.77 4.30 4.85 2.88 2.81

5.11 8.17 11.23 11.7 11.12 12.93 14.66 16.77 19.02 10.86 10.7

1.87 2.88 4.00 4.15 3.87 4.79 5.5 6.36 7.41 3.94 4.04

0.98 1.41 1.96 20.5 1.87 2.38 2.86 3.43 4.07 1.89 1.92

6.76 9.88 13.79 14.45 13.21 16.82 20.18 24.03 28.45 13.31 13.57

1.87 3.25 4.51 4.89 4.64 5.39 6.14 6.92 7.84 4.55 4.55

0.10 0.19 0.26 0.3 0.28 0.33 0.4 0.45 0.48 0.28 0.28

Pf : Áp suất của dòng nhập liệu,T: nhiệt độ,Qf : tốc độ dòng nhập liệu,C0,E :

nồng độ ethanol trong bia ban đầu,Cp,E :nồng độ của ethanol trong dòng

Đây là loại màng được làm từ polyamide, polysulfone được đặt lên một lớp

thin-film, nhờ đặc điểm này mà màng có thể chịu được áp suất lên tới 900 psi

và nhiệt độ vận hành từ 20C-90C

Màng thin-film composite có một lớp chống đỡ lỗ nhỏ , được làm từ polymer

của 4,4'-isopropylidene diphenol và 4,4'-dihydroxydiphenol sulfone hay từ một

nhựa thông của hãng Union Carbide với tên thương mại Bakelite P-3500

Lớp chống đỡ của màng thin-film thì được chuẩn bị bằng cách làm phân hủy

nhựa thông (từ 1-5%) khối lượng trong DMF(dimethyl formamide) tại nhiệt độ

1000C.Một lớp film có chiều dày 5 mils thì được trải dài trên một tấm thủy

tinh.Tấm thủy tinh này sau đó được nhúng chìm trong nước hay trong dung

dịch DMF 2%.Một lớp film được hoàn thành có chiều dày khoảng 2 mils

Màng Thin- film Compositte ZF-99 có thể vận hành ở áp suất 500-900psi

Người ta thấy rằng màng Thin- film Compositte ZF-99 rất phù hợp cho quá

trình sản xuất bia với nồng độ cồn thấp vì nó có khả năng giữ lại những hợp

chất tạo nên mùi vị đặc trưng cho bia khi so sánh với màng SEPA 97 cellulose acetate membrane của hãng Hopkins,MN)

Bảng 3.4:So sánh khả năng ứng dụng của màng màng SEPA 97 cellulose acetate membrane của hãng Hopkins,MN với màng Thin-film Composite trong khả năng ứng dụng để giảm nồng độ cồn trong bia

Từ bảng trên ta thấy trừ acetaldehyde, chỉ có một lượng nhỏ hợp chất dễ bay hơi xuất hiện trong dòng permeate khi dùng màng membrane ZF-99 Khi sử dụng màng membrane cellulose acetate ta thấy rằng một lượng lớn các chất như acetaldehyde, isoamyl alcohol, xuất hiện trong dòng premeate,do đó sản phẩm bia tạo thành sẽ giảm chất lượng Ngoài ra từ sản phẩm bia có 3.7% ethanol được xử lý bằng màng membrane ZF-99 với diện tích bề mặt 1.73 m2

có thể tạo ra sản phẩm với nồng độ cồn từ 1.25%-1.85% Từ đó ta kết luận rằng màng membrane ZF-99 thích hợp cho quá trình sản xuất bia với nồng độ cồn thấp

Ảnh hưởng của áp suất đến khả năng tách cồn trong bia:

Bảng 3.3 và hình 3.4 cho ta thấy lưu lượng của dòng permeate gia tăng theo đường thẳng với sự chênh lệch áp suất Kết quả này thì phù hợp với thuyết vận chuyển khuyếch tán của dung dịch Thuyết này nói rằng: khi ta sử dụng 1 màng membrane phù hợp thì lưu lượng của nước bằng xấp xỉ với lưu lượng của dòng permeate và được mô tả bằng phương trình:

Trong đó

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

 Với A : hệ số ( solvent permeance factor)

 ∆P: sự chênh lệch giữa áp lực dòng vào (do bơm) và áp lực từ phía permeate trong thiết bị membrane

 ∆π :sự chênh lệch áp lực thẩm thấu trong dòng ra permeate và áp lực thẩm thấu trong dòng nguyên liệu vào

 mp : khối lượng của dòng permeate

 a: khu vực màng membrane chịu ảnh hưởng

 t thời gia thấm qua màng

 Lưu lượng dòng permeate bằng 0 khi sự chênh lệch áp lực thẩm thấu bằng với sự chênh lệch áp suất xuyên qua màng.Từ độ dốc của hình 3.5

độ của các hợp chất trong bia Có mối quan hệ giữa lưu lượng của các dòng chất thơm trong bia với sự chênh lệch áp suất suất , mặc dù sự gia tăng này thì

dễ nhận thấy cho các hợp chất ester hơn là cồn Ta thấy lưu lượng của dòng isoamyl acetate và ethyl acetate gia tăng 185% và 150% theo thứ tự tăng áp suất từ 20 bar đến 40 bar (chế độ 7,9), trong khi sự gia tăng của cồn là 122%, 115%, 104%, và 99% cho ethanol,propanol, amyl alcohols, and isobutanol, theo thứ tự ( chế độ 7,9)

Hình 3.5: Sự khử cồn và các hợp chất mùi vị trong bia theo sự chênh lệch

áp suất ở nhiệt độ 50C và tốc độ dòng nhập liệu 7l/phút ( ethanol, propanol, isobutanol, amyl alcohols, ethyl acetate, isoamyl acetate)

Hình 3.5: Biểu diễn sự ảnh hưởng của sự chênh lệch áp suất trên sự khử cồn và hợp chất mùi Đối với ethanol và các loại rượu cao rằng khi sự chênh lệch áp suất tăng thì sự loại bỏ những hợp chất thơm cũng tăng, cũng giống như sự tăng lưu lượng của dòng permeate Mặc dù ethanol thì thấm được qua màng membrane , nhưng lưu lượng của nó thì tương đối nhỏ hơn khi so sánh với lưu lương của nước (tăng139% từ áp suất 20 tới 40 bar, hình 3.4) Do đó làm giảm

nồng độ của các hợp chất mùi và vị trong dòng permeate

Hình3.6 ta thấy rằng khi tăng áp suất từ 20-40 bar thì gia năng khả năng khử cồn nhưng làm giảm đi nồng độ của các hợp chất ester trong dòng permeate.Do

đó ta nên vận hành ở 40 bar, kết quả làm tăng lượng các hợp chất thơm trong dòng retentate

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Bảng 3.3 và hình 3.6 cho ta thấy ảnh hưởng của nhiệt độ lên lưu lượng của dòng permeate thì tuân theo quy luật mũ Bảng 3.3 cho ta thấy lưu lượng của ethanol và hợp chất thơm cũng gia tăng theo nhiệt độ Sự gia tăng lưu lượng của hợp chất thơm phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của hợp chất, với isobutanol và amyl alcohols bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi nhiệt độ Lưu lượng của những hợp chất này tăng 105% và 106% theo thứ tự khi nhiệt độ tăng từ

50C-200C.Những hợp chất khác tăng 68%, 85%, 68%, và 72%, theo thứ tự cho ethanol, propanol, ethyl acetate, và isoamyl acetate

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ GVHD:PGS.TS.Lê Văn Việt Mẫn Thầy:Huỳnh Trung Việt

Hình 3.6: Lưu lượng của dòng permeate theo nhiệt độ ở áp suất40 bar và tốc độ dòng nhập liệu 7l/phút

Hình3.7:Sự giữ lại ethanol và các hợp chất thơm trong dòng retentate ở

400C và tốc độ dòng nhập liệu là 7l/phút ( ethanol, propanol, isobutanol, amyl alcohols, ethyl acetate, isoamyl acetate)

Hình 3.7: cho ta thấy ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự xuất hiện thành phần các hợp chất mùi và vị của bia trong dòng permeate Nhiệt độ càng tăng thì thành phần các hợp chất thơm trong dòng permaete càng nhiều, và chất lượng của sản phẩm càng kém, do đó ta nên thực hiện quá trình khử cồn ở nhiệt độ 50C

Ảnh hưởng của tốc độ dòng nhập liệu:

Nhiều thí nghiệm để khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ dòng nhập liệu đến hiệu quả khử cồn bằng màng membrane Tốc độ dòng nhập liệu được thay đổi từ 2- 7l/phút Từ bảng 3.3 và hình3.8 ta có thể kết luận rằng lưu lượng dòng permeate gia tăng với tốc độ của dòng nhập liệu Bảng3.3 chỉ ra rằng lưu lượng của ethanol thì bị ảnh hưởng nhiều nhất vào tốc độ của dòng nhập liệu Khi tốc

độ dòng nhập liệu tăng từ 2-7l/phút thì lưu lượng của dòng permeate và ethanol tăng lên 7.2%, 6.1% theo thứ tự, trong khi sự gia tăng lưu lượng của các hợp chất thơm thì nhỏ hơn 3%