Phân tích thiết kế nhà máy sản xuất bia

Phân tích thiết kế nhà máy sản xuất bia

tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi

BỐ CỤC CHI TIẾT BẢN THIẾT KẾ

Phần này gồm các phần chính như sau:

1.1 Chọn địa điểm xây dựng nhà máy

1.2 Nguồn nguyên liệu: malt, nguyên liệu thay thế, nước, nấm men, sữa men, v.v

1.3 Nguồn điện

1.4 Giao thông vận tải

1.5 Vệ sinh môi trường, xử lýnước thải

1.6 Nguồn nhân lực

1.7 Thị trường tiêu thụ

Phần II- Chọn và thuyết minh dây chuyền sản xuất

2.1 Nguyên liệu (malt đại mạch, nguyên liệu thay thế, hoa Houblon, nước, nấm men, các chế phẩm enzyme, các nguyên liệu phụ trợ như axit, bột trợ lọc, chất tẩy rửa, vải lọc, v.v ): Trình bày rõ tác dụng, các tính chất và chỉ tiêu hoá lý, vi sinh và cảm quan 2.2 Sản phẩm: mô tả sản phầm (bao gồm các chỉ tiêu hoá lý, vi sinh và cảm quan)

2.3 Chọn quy trình công nghệ:

- Trình bày mục đích, điều kiện, chọn phương pháp và loại thiết bị cho từng công đoạn trong quy trình công nghệ và nêu lý do (ưu, nhược điểm của các phương pháp),

- Sơ đồ dây chuyền công nghệ

2.4 Thuyết minh quy trình công nghệ: trình bày cụ thể nguyên lý và các biến đổi sinh lý hoá của nguyên liệu, cách thực hiện và yêu cầu của từng bước trong quy trình công nghệ, bao gồm cả hệ thống vệ sinh (CIP) nhà xưởng và thiết bị

Phần III- Tính cân bằng sản phẩm

Có hai cách tính cân bằng sản phẩm:

Tính xuôi: Từ 100 kg nguyên liệu ban đầu → lượng bia sản xuất được

Tính ngược: Từ 1hl bia cần sản xuất → lượng nguyên liệu cần thiết

Các thông số ban đầu cần biết:

+ Độ ẩm nguyên liệu

+ Tỷ lệ nguyên liệu cần dùng

+ Độ hoà tan của nguyên liệu

+ Nồng độ dịch đường trước khi lên men

+ Tổn thất qua các công đoạn (Tuỳ theo từng công đoạn mà tổn thất có thể được tính theo lượng nguyên liệu, lượng chất khô lượng dịch hoặc sản phẩm)

Tổn thất qua các công đoạn: tùy thuộc vào năng suất, điều kiện, thiết bị và mức độ hiện đại

hóa của nhà máy Nghiền: 0,5-1% so với nguyên liệu

Nấu, đường hoá, lọc: 2-3 (1,75%) chất hoà tan

Nấu hoa 5-10% lượng dịch do nước bay hơi

Lên men chính & phụ 2-6%

Lọc bia& bão hoà CO2: 2-3%

A- TÍNH XUÔI: Tính cho 100 kg nguyên liệu ban đầu

Chọn tỷ lệ nguyên liệu: Ở Việt Nam, có thể chọn tỷ lệ nguyên liệu thay thế từ 0÷50% Trong ví

dụ dưới đây, tỷ lệ chọn là 70% malt và 30% gạo Đây là tỷ lệ thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất bia ở Việt Nam

1 Tính lượng chất hoà tan và bã

* Tính lượng chất chiết từ malt trong tổng số 100 kg nguyên liệu:

100 x 0,7 x 0,995 = 69,65 kg Lượng chất khô của malt là:

100 x 0,7 x 0,995 x 0,93 = 64,77 kg Lượng chất chiết từ malt có trong 100 kg nguyên liệu là:

* Tính lượng chất hoà tan còn lại có trong dịch đường sau giai đoạn nấu, đường hoá, lọc:

Chọn tổn thất chất hoà tan chung của quá trình nấu, đường hoá, lọc là 1,5% (thường là 1-2%) Lượng chất chiết còn lại trong dịch đường là: 71,31 × 0,985 = 70,24 kg

2- Tính lượng sản phẩm trung gian qua các giai đoạn

Khi đun hoa coi lượng chất khô hoà tan vào bằng lượng chất khô mất đi do vậy lượng

chất chiết sau đun hoa vẫn là 70,24 kg

Lượng dịch đường 10oS (sau khi đun hoa) là:

70,24 × 100 : 10 = 702,4 kg

Với dịch đường 10oS, ở 20oC có thể coi khối lượng riêng d 20/20 = 1,039 kg/l (tra bằng

phụ lục 1 trong tài liệu tham khảo "Các phương pháp phân tích ngành Công nghệ Lên men")

676,04 x 0,97 = 655,76 l

Lượng bia non sau khi lên men chính, phụ (tổn thất 4%):

655,76 x 0,96 = 629,53 l Lượng bia non sau khi lọc (tổn thất 1%):

629,53 x 0,99 = 623,24 l

Lượng bia sau khi bão hoà CO2 (tổn thất 0,5%):

623,24 x 0,995 = 620,12 l Lượng bia sau khi chiết (thành phẩm):

* Bia hơi (tổn thất 1,5%): 620,12 x 0,985 = 610,82 l

* Bia chai (tổn thất 4%): 620,12 x 0,96 = 595,32 l

3- Tính lượng men giống

Lượng men giống nuôi cấy tiếp vào trước khi lên men chính (10% so với lượng dịch đưa vào lên men) là:

655,76 x 0,1 = 65,58 l Lượng men sữa tiếp vào trước khi lên men chính (1% so với lượng dịch đưa vào lên men) là:

655,76 x 0,01 = 6,56 l

4- Tính lượng bã malt và gạo:

* Tính lượng bã khô của 100 kg nguyên liệu:

Tổng lượng chất khô của malt và gạo là:

64,77 + 25,97 = 90,74 kg Tổng lượng bã khô của 100 kg nguyên liệu là:

5- Tính lượng nước dùng trong quá trình nấu và rửa bã

* Quá trình hồ hoá tỷ lệ (Bột gạo + 10% malt lót): nước =1:5

Lượng nước cho vào nồi hồ hoá:

* Quá trình đường hoá tỷ lệ malt : nước = 1:5

Lượng nước cho vào nồi đường hoá:

(69,65-29,85 x 0,1) x 5 = 333,325 kg = 333,325 l

* Lượng nước có sẵn trong nguyên liệu ở nồi đường hoá là:

* Tính lượng nước rửa bã theo công thức sau:

V nước trước lọc + V nước rửa bã = V nước trong bã + V nước trong dịch đun hoa

Do vậy lượng nước rửa bã là:

77,36 + 702,4 –472,92 = 306,84 l

* Tổng lượng nước cho vào hai nồi nấu và đường hoá là:

164,175 + 333,325 = 497,5 l

6- Tính các nguyên liệu khác

* Lượng hoa houblon:

Thông thường trên thế giới, lượng hoa Houblon sử dụng được tính toán dựa trên chỉ số EBC của hoa Houblon (1 EBC = 1mg chất đắng) và chỉ số EBC yêu cầu của bia sản phẩm (đối với bia vàng: EBC = 4÷7)

Trong ví dụ này, từ 100kg nguyên liệu sản xuất được 592,32 lít bia chai (ví dụ yêu cầu EBC = 5 cho bia chai)

Vậy EBC cần thiết cho lượng bia chai nói trên là: 5 × 592,32 = 2961,6 EBC

Dựa trên chỉ số EBC của hoa Houblon sử dụng, ta có thể tính toán được lượng hoa cần dùng để đạt được chỉ số EBC trong bia như yêu cầu

Tuy nhiên, các nhà máy bia ở Việt Nam thường tính toán một cách đơn giản hơn là 2 g hoa cho 1 lít bia chai (hoặc 1g/l bia hơi)

Do đó trong ví dụ này, lượng hoa cần thiết là: 2 × 592,32 = 1184,64 g = 1,15 kg

Ta sử dụng hoa cao và hoa viên với tỉ lệ 50:50, biết rằng 1kg hoa viên tương đương với 1,3kg hoa cánh Vậy lượng hoa viên cần dùng là:

1,15 × 0,5 / 1,3 = 0,4423 kg = 442,3 g

1kg hoa cao tương đương với 6kg hoa cánh Vậy lượng hoa cao sử dụng là

1,15 × 0,5 / 6 = 0,0958 kg = 95,8 g

* Lượng chế phẩm enzym (Phụ thuộc từng loại chế phẩm)

Chế phẩm enzyme Termamyl 120L được dùng với tỉ lệ 0,1 % so với lượng nguyên liệu thay thế Vậy lượng Termamyl cần dùng là:

Cứ 100 lít bia cho 2 lít sữa men W=85%

Cứ 100kg nguyên liệu (sản xuất ra 592,32 lít bia) sẽ cho lượng sữa men là:

592,32 × 2 : 100 = 11,845 lít Trong đó một phần (6,56 lít) được tái sử dụng làm men giống

Vậy lượng sữa men dùng làm thức ăn gia súc là: 11,845 – 6,56 = 5,285 lít

681,34 x 0,1 = 68,13 kg Coi toàn bộ lượng đường lên men là maltoza, hiệu suất lên men trong quá trình lên men chính là 50-60% (lấy 55%), lượng CO2 thu được là:

68,13 x 0,55 x 176/342 = 19,28 kg Lượng CO2 hoà tan trong bia là (2-3g CO2 / 1 l bia non)

629,53 x 2 = 1259,06 g = 1,25 kg

Lượng CO2 thoát ra là:

19,28 - 1,25 = 18,03 kg Lượng CO2 thu hồi thường chỉ đạt 60-80 % (lấy 70 %):

18,03 x 0,7 = 12,62 kg

ở 20oC, 1 atm thì 1 m3 CO2 cân nặng 1,832 kg→ Thể tích CO2 bay ra là

12,62: 1,832 = 6,89 m3Lượng CO2 cần bão hoà thêm để đạt 3,5g/l bia sau bão hoà là:

3,5 x 620,12 - 2 x 623,24 = 923,94 g = 0,93 kg

Thể tích CO2 cần bão hoà thêm (ở 20oC) là:

0,93: 1,832 = 0,51 m 3

B TÍNH NGƯỢC- Cho 100 l bia hơi, nồng độ dịch đường: 10S

1 Tính lượng bia và dịch đường qua các giai đoạn

*Quá trình chiết bia tổn thất 1,5%

Lượng bia đã bão hoà CO2 là:

100 : (1-0,015) = 100: 0,985 = 101,52 l

* Quá trình sục CO2 tổn thất 0,5-1%

Lượng bia sau khi lọc là:

101,52 : (1-0,005) = 101,52: 0,995 = 102,03 l

* Quá trình lọc bia tổn hao 1-2%

Lượng bia trước khi lọc là:

102,03 : (1-0,01) = 102,03 : 0,99 = 103,06 l

* Quá trình lên men chính và phụ trong 1 thùng tổn hao 2-4%

Lượng dịch đường đưa vào lên men là:

103,06 : (1-0,04) = 103,06 : 0,96 = 107,36 l

* Quá trình lắng trong và lạnh nhanh tổn hao chung 1-3%

Lượng dịch đường đưa vào làm lạnh là:

107,36 : (1-0,03) = 107,36 : 0,97 = 110,68 l

* Khi làm lạnh thể tích dịch đường co 4-8%

Thể tích dịch đường ở 100oC trước khi lắng & làm lạnh là:

110,68 : (1-0,04) = 110,68 : 0,96 = 115,29 l

* Dịch đường 10% ở 20oC có khối lượng riêng d=1,039 kg/l

Khối lượng dịch đường sau quá trình đun hoa (ở 20oC) là:

110,68 x 1,039 = 115 kg

* Lượng chất chiết có trong dịch đường 10% đó là:

115 x 0,1 = 11,5 kg

* Quá trình nấu, lọc tổn hao chất chiết 1,5%

Lượng chất chiết cần thiết là:

11,5:(1-0,015) = 11,5:0,985 = 11,675 kg

2 Tính nguyên liệu

Gọi lượng malt cần dùng là M, lượng chất chiết thu được từ M kg malt là:

M x 0,995 x 0,93 x 0,76 = 0,703M Lượng gạo cần dùng là M x 0,3/0,7, lượng chất chiết thu được từ gạo là

Mx 0,3/0,7 x 0,995 x 0,87 x 0,85 = 0, 315 M Tổng lượng chất chiết là 0,703M + 0,315 M = 1,018M

4,90 0,195 10,75 1,08

Sản phẩm trung gian

Dịch sau đường hóa

Dịch nóng (sau đun hoa)

92,38 115,22 107,44 103,17 102,14

100 97,56

15,93 0,30 0,29 0,88 3,00 0,083

Lượng nước công nghệ

Nước dùng cho nấu

Nước rửa bã

l

l

497,5 306,84

81,54 50,35

PHẦN IV- Tính và chọn một số thiết bị

PHÂN XƯỞNG NẤU

Theo kế hoạch sản xuất của nhà máy mà dựa vào tính cân bằng sản phẩm trên cơ sở tháng sản xuất cao nhất của năm để tính khối lượng nguyên liệu cần dùng để có thể chọn được thiết bị thích hợp cho từng khâu

Như vậy theo kế hoạch thì tháng sản xuất cao nhất là 1.000.000 lít Mỗi tháng sản xuất

25 ngày, vậy mỗi ngày sản xuất 1.000.000/25 = 40.000 lít

Mỗi ngày nấu 4 mẻ, do đó mỗi mẻ sản xuất được 40.000/4 = 10.000 lít

Lượng nguyên liệu dùng cho sản xuất bia 1 mẻ là:

Lượng malt : 1147 kg Lượng gạo : 492 kg Lượng hoa houblon: 19,5 kg

Lượng nước rửa bã: 5035 lít

Lượng nước dùng cho nấu đường hoá, rửa bã: 13.189 lít

Lượng men giống: 1075 lít

1 Cân nguyên liệu

Lượng malt sản xuất trong ngày cao nhất là:

2 Máy nghiền malt:

Nếu nghiền ẩm thì tính năng suất cho từng mẻ, còn nghiền khô thi cho mỗi ngày

Lượng malt tối đa cho một ngày sản xuất là 4588 kg

Thời gian làm việc của máy là 4h/1ca, ngày làm việc 2 ca Thời gian nghiền mỗi mẻ là 2 giờ

Hệ số sử dụng máy là 0,7 Vậy lượng malt cần nghiền trong 1 giờ là:

3 Máy nghiền gạo:

Lượng gạo tối đa cho một ngày sản xuất là 1968 kg

Thời gian làm việc của máy là 4h/1ca, ngày làm việc 2 ca Mỗi ca sản xuất 2 mẻ Hệ số sử dụng máy là 0,7.Vậy lượng gạo cần nghiền trong 1 giờ là:

- Số lượng máy: 1 chiếc

4 Chọn hệ thống vận chuyển nguyên liệu

Tổng lượng nguyên liệu cần vận chuyển trong 1 ngày là: 6556 kg Gầu tải mỗi ngày làm việc 4

mẻ, mỗi mẻ làm việc 1 giờ Hệ số sử dụng của thiết bị là 0.7

Lượng malt dùng trong 1 ngày lớn hơn nhiều so với lượng gạo nên ta tính năng suất gầu tải theo lượng malt cần vận chuyển

Vậy năng suất của gầu tải tính theo từng mẻ là: 1156/0,7 = 1652 kg/h

Dựa vào thể tích thực của nồi ta chọn nồi hồ hoá là thiết bị hai vỏ, thân hình trụ, đường kính D, chiều cao H, đáy và nắp hình chỏm cầu có chiều cao h1, h2 Thùng được chế tạo bằng thép không gỉ

2 2

12

3 D

62

2 2

22

2000 + 50 × 2 = 2100 mm

Gọi H1 là chiều cao phần hai vỏ: H1 = 0,8H = 0,8 × 1200 = 960 mm

Vậy thể tích thực của nồi hồ hóa chọn như trên là:

Vhồ hóa = 0,613D3 = 0,613×23 = 4,904 m 3

Thông thường, cánh khuấy có đường kính khoảng 0,7-0,8D (trong ví dụ này có thể chọn đường kính cánh khuấy tương đương 0,7D là 1400mm), số vòng quay là 30 vòng/phút, động cơ cánh khuấy là 8 Kw Diện tích bề mặt truyền nhiệt lấy bằng 0,5 m2/ m3 dịch

Vậy ta có diện tích truyền nhiệt là: F = 3,023 x 0,5 = 1,512 m2

6 Chọn nồi đường hoá:

Lượng dịch cháo bơm sang nồi đường hoá là: 3232,44 kg

Lượng malt sử dụng cho một mẻ nấu lớn nhất là: 1147 kg

Lượng malt lót là 10% so với gạo là 49,2 kg

Khối lượng hỗn hợp cho vào đường hoá là:

Thể tích của nồi được tính theo công thức sau:

2 2

1 3 2

D

62

2 2

2 3 2

D h

Vt = 0,613 D3 = 11,33 m3

→ D = 2,64 m Chọn D = 2700 mm

Vậy nồi đường hoá có kích thước sau:

D = 2700 mm, H = 1620 mm, h1 = 540 mm, h2 = 405 mm, bề dày δ = 5 mm Phần vỏ dày 50 mm Vậy đường kính ngoài của nồi là:

2700 + 50 × 2 = 2800 mm

Gọi H1 là chiều cao phần hai vỏ: H1 = 0,8H = 0,8 × 1620 = 1296mm

Vậy thể tích thực của nồi đường hóa chọn như trên là:

Vđường hóa = 0,613D3 = 0,613×(2,7)3 = 12,07 m 3

Thông thường, cánh khuấy có đường kính khoảng 0,7-0,8D (trong ví dụ này có thể chọn đường kính cánh khuấy tương đương 0,8D là 2160mm), số vòng quay là 30 vòng/phút, động cơ cánh khuấy là 9,5 Kw Diện tích bề mặt truyền nhiệt lấy bằng 0,5 m2/ m3 dịch

Vậy diện tích truyền nhiệt là: F = 9,06 x 0,5 = 4,53 m2

h2 2

1

h1

7 Tính và chọn thiết bị lọc

Thể tích bã thu được tùy thuộc vào nguyên liệu sử dụng (tỷ lệ malt/nguyên liệu thay thế) và loại thiết bị lọc Khi dùng thùng lọc thì bã sẽ chứa nhiều nước (W = 80÷85%) hơn so với khi dùng thiết bị lọc khung bản (W = 80%)

Khối lượng bã tạo thành là: 97,15 × (1147 + 492) /100 hay 15,93 × 100 = 1593 kg

a Thùng lọc

Khi dùng thùng lọc thì 1 kg bã (W = 80÷85%) sẽ chiếm thể tích 1,25 ÷ 1,35 lít (chọn 1,35 lít) Vậy thể tích lượng bã cần lọc Vbã sẽ là: Vbã = 1593 × 1,35 = 2150,55 lít = 2,15 m3

Muốn quá trình lọc xảy ra bình thường thì chiều cao của nước bã (h) phải vào khoảng 0,3÷0,5 m Chọn h = 0,4 m

Diện tích đáy thùng lọc sẽ là:

S = 2,15/ 0,4 = 5,4 m2 Vậy đường kính của thùng lọc là:

4,5

Hệ số đổ đầy của thùng chỉ bằng 70% Do đó chiều cao thực phần trụ của thùng kể cả khoảng cách giữa đáy và sàng lọc ( thường là 10 - 15 mm)

Hthực = 1,70/ 0,7 + 0,015 = 2,44 m Chọn Hthực = 2,5 m

Chọn thiết bị là nồi 2 vỏ, thân hình trụ, đáy bằng, bên trong có cánh khuấy với số vòng quay 6 vòng/ phút, đường kính d = 2160 mm (thông thường đường kính cánh khuấy khoảng 0,7-0,8D, trong ví dụ này chọn 0,8D), động cơ cánh khuấy 3kW

Số lượng vòi cần thiết để đưa dịch lọc ra là: z = S/1,25 = 5,4/1,25 = 4,32 → Chọn 5 vòi Đặc tính kỹ thuật của thùng lọc:

Diện tích đáy lọc S = 5,4 m2 Đường kính thùng lọc D = 2700 mm

= 14,3 m 3

b Máy lọc khung bản

Máy lọc khung bản cổ điển có khung và bản làm bằng kim loại Kích thước khung thay đổi từ

400 x 400 x 70 (mm) đến 1600 x 1600 x 70 (mm) Số lượng khung bản có thể thay đổi từ 10 đến 60 phụ thuộc lượng bã lọc Từ những năm 1980 trở lại đây khung bản bằng nhựa đã được

sử dụng thay thế cho khung bản bằng kim loại, và số khung thường được chọn ít hơn 40 cái Trên thực tế, kích thước và số lượng khung bản cần thiết được tính toán dựa trên năng suất lọc cần thiết của nhà máy

Máy lọc khung bản cho bã khô hơn so với thùng lọc (W=80%) và 1 kg bã sẽ chiếm thể tích 1,2 lít Vậy với khối lượng bã tạo thành là 1593 kg, thể tích bã cần lọc sẽ là:

Vbã = 1593 × 1,2 = 1911,6 lít = 1,91 m3

Thể tích dịch đường cần lọc là Vdđ = 9,2m3, lượng bã ẩm là Vbã = 1,91 m3

Thời gian lọc từ 1÷1,5 giờ (chọn 1 giờ), hệ số sử dụng của máy lọc khung bản là 0,7

Do đó năng suất lọc cần thiết của thiết bị lọc là:

NS =

HS

t×dđV

= 9,2/(1x0,7) = 13,14 m3/h Chọn máy lọc khung bản có năng suất 15m3/h, chọn khung có kích thước 1200×1200×70 (mm) Thể tích 1 khung là: Vkhung = 1,2 × 1,2 × 0,07 = 0,1008 m3

Do đó số khung cần dùng là: Vbã : Vkhung = 1,91: 0,1008 = 18,95 → cần 19 khung

Số bản ít hơn số khung là 1, vậy số bản là 18 bản

8 Tính và chọn nồi nấu hoa

a- Nồi 2 vỏ

Tổng lượng dịch đường đi vào nồi nấu hoa trong một mẻ là: 9,2 m3

Hệ số đổ đầy rất thấp (70%) vì khi sôi ở nhiệt độ cao dịch sẽ bị bồng lên Vậy thể tích thực của nồi là: Vt = 9,2/ 0,7 = 13,1 m3

Dựa vào thể tích thực của nồi ta chọn nồi nấu hoa là thiết bị hai vỏ, thân hình trụ, đường kính

D, chiều cao H, đáy và nắp hình chỏm cầu có chiều cao h1, h2 Thùng được chế tạo bằng thép không gỉ, có chiều dày δ = 10 mm, có đường ống thoát hơi đường kính d, bên trong có cánh khuấy

H = 0,6D, h1 = 0,2D, h2 = 0,15D

Thể tích của nồi được tính theo công thức sau:

Vt = Vtrụ + Vđáy + Vđỉnh

2

3 6

2

3 6

4

2 2

2 2

2 2

1 1 2

Vt = 0,613 D3 = 13,1m3

→ D = 2,78 m Chọn D = 2800 mm