Stabisol - Nâng cao hiệu quả sản xuất trong quy trình công nghệ lọc bia
Thứ tư, 07 Tháng 7 2021 10:36
Stabisol
Silica sol là dung dịch keo của axit Silicic (SiO2) trong nước: nó có màu trắng đục và bao gồm các hạt không liên kết đặc biệt của axit silic vô định hình , có kích thước trong khoảng từ 5 đến 140nm (1nm = một phần triệu milimet). Bề mặt của các hạt được hydroxyl hóa: các hạt không có độ xốp bên trong và được tích điện âm. Vì lý do này, Silica sol được bảo vệ chống lại sự kết tụ và kết tủa. Nếu được bảo quản đúng cách ở điều kiện nhiệt độ khoảng 0°C, Silica sol ổn định được hơn 12 tháng. Ở dưới điểm đóng băng, Silica sol chuyển thành Silica gel  không tan trong nước.
Sơ đồ không gian hai chiều của hạt Silica keo hydroxyl hóa được thể hiện trong hình 1. Oxy thứ tư liên kết với Si ở vị trí trên hoặc dưới không gian 2 chiều.
 
alt
Hình 1. Sơ đồ không gian hai chiều của hạt silica keo hydroxyl hóa (Bergna, 1994)

Silica sol đã được sử dụng trong ngành công nghiệp đồ uống từ năm 1940. Năm 1983, Raible – người sáng lập ra Stabifix Brauerei – Technix KG (Đức), đã chứng minh khả năng sử dụng silica sol để cải thiện quá trình lọc bia. Kể từ đó, Raible đã giới thiệu Silica sol trong ngành sản xuất bia với thương hiệu Stabisol. Silica sol thường được sử dụng dưới dạng keo SiO2. Tại Stabifix, Silica sol được sản xuất từ dung dịch Natri Silicate, qua quá trình pha loãng bằng nước khử ion, dung dịch được làm lạnh và tiến hành trao đổi ion để tạo dạng Silica sol, sau đó được tiêu chuẩn hóa để tạo ra các sản phẩm Silica sol chất lượng cao. Hàm lượng SO2 của các dung dịch Silica sol, tùy thuộc vào diện tích bề mặt bên trong, nằm trong khoảng từ 15% đến 50% theo khối lượng. Sản phẩm thông dụng Stabisol  300, có hàm lượng SiO2 là 30%, với tỷ trọng 1,2 g/cm3 và diện tích bề mặt bên trong là 300 m2/g.

Tính chất ưu việt của Stabisol (silica sol)

Silica sol là một trong số ít vật liệu được chứng minh là phù hợp với Luật quy định an toàn thực phẩm, là chất hỗ trợ khi tiếp xúc với sản phẩm vì nó chỉ tác động về mặt vật lý trong bia và có thể hoàn toàn bị loại bỏ sau khi đã chắc chắn hình thành khối rắn trong phạm vi pH của dịch hèm và bia. Khi được đưa vào bia, Silica sol chuyển sang dạng gel của nó và gần như lập tức chuyển thành dạng hydrogel. Trong quá trình kết bông, mạng lưới  hình thành từ các phân tử SiO2 sẽ được gắn hoặc tạo phức ngay cả với các phần từ mịn nhất. Khi bổ sung Silica sol vào dịch bia đục chưa lọc, quá trình tạo phức luôn luôn diễn ra. Đục được hình thành, sau đó thúc đẩy quá trình kết bông và cuối cùng tạo cặn lắng xuống đáy. Trong quá trình keo tụ này, axit Silicic của sol được chuyển hóa định lượng thành axít hydrogel Silic không hòa tan. Vì hydrogel này được loại bỏ hoàn toàn khỏi bia, nên việc xử lý Silica sol trong dịch hèm và bia đáp ứng các yêu cầu theo quy định Reinheitsrideot của Đức, với điều kiện là sử dụng các sản phẩm Silica sol dạng tinh khiết.
 
alt
Hình 2. Các trạng thái silica gel (Bergna, 1994)
a. Dạng sol       b. Dạng gel      c. Kết bông và kết tủa

Lượng các chất chính được hấp phụ bởi Stabisol  (tính bằng mg trên mỗi gram SiO2) bao gồm: các chất hữu cơ = 39,8 mg (trong đó khoảng 86% là protein), glucose sau thủy phân = 0,75 mg, cacbonhydate tổng số = 1,7 mg. Rõ ràng là kết tủa silica-sol gây ra trong bia, trong mọi trường hợp, có tác dụng hấp phụ lên các chất giống như protein. Điều này được mong đợi, vì axít hydrogel silicic và dạng bột khô xerogel của nó, được biết đến là các chất ổn định bia, giúp hấp phụ protein trong gần 35 năm nay. Ngoài tác dụng chính của Silica sol, một lập luận khác khẳng định việc sử dụng sản phẩm này là do có khả năng loại bỏ được kết tủa tạo ra bởi chính Silica sol.

Hiệu quả sử dụng Stabisol (Silica sol) trong dịch hèm nóng của dịch đường hóa, làm tăng độ kết tủa nóng

Cách đơn giản nhất để sử dụng Stabisol, không cần thêm thiết bị, là xử lý với dịch hèm nóng. Các Stabisol được cho vào trong nồi hoa sau khi đun sôi hoặc định lượng vào dòng dịch hèm trước khi lắng xoáy. Trong trường hợp này, hoạt động sol keo tụ tương tự như cặn nóng; chỉ đơn thuần là sự gia tăng không đáng kể của kích thước cặn nóng hình nón được quan sát.

Silica kết tủa hấp phụ các phần tử lơ lửng từ dịch hèm hoặc bia và lắng xuống cùng với các chất trong cặn bã hoa hoặc đáy tank. Quá trình kết tủa xảy ra tương đối nhanh chóng, do đó sự lắng đọng trong bia lên tới 5 - 7m mỗi ngày, trong khi cặn bã hoa thông thường chỉ khoảng 0,5 m.
 
alt
 
Không nên đun sôi Silica sol với dịch hèm theo trật tự để tạo ra sự phân phối sâu hơn. Nếu không, quá trình keo tụ axit Silic sẽ bị phá vỡ, do đó làm phức tạp thêm sự phân tách của nó. Thông thường, bổ sung Stabisol với tỷ lệ 30-60 ml/hl dịch hèm nóng. Với tỷ trọng 1,2 g/cm3, điều này tương đương với 36 và 76g/hl Stabisol  hoặc 11 và 22 g SiO2.

Việc tách kết tủa là thuận lợi, do xuất hiện cùng với cặn nóng. Nếu một lượng nhỏ Silica sol vượt qua lắng xoáy, sẽ bị loại bỏ trong quá trình kết bông. Sự pha trộn của bã hạt với axit silic có chứa trong cặn nóng cũng xảy ra tương tự mà không gặp khó khăn gì, vì lượng SiO2 không liên quan đáng kể so với các chất khô của bã hoa houblong.

Raible và cộng sự đã thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của Silica sol đối với dịch hèm nóng. Tác giả  không tìm thấy sự khác biệt nào trong quá trình lên men, đồng thời quá trình lắng trong xảy ra nhanh hơn và khả năng lọc cũng nhanh hơn một cách rõ ràng trong các loại bia được xử lý với Silica sol.

 
Thông số Đối chứng Dịch hèm -STABISOL
Chênh lệch áp suất sau    
Lọc của 600 hl bia (bar) 0,7 0,5
Độ trong của dịch lọc (EBC) 0,3 0,2
Độ trong của bia đã đóng chai tại       
0°C/EBC
0,45 0,3
 
Bảng 1. Kết quả thử nghiệm: Chất lượng dịch lọc tại  nhà máy sản xuất Bia


Bảng 1 cho thấy kết quả lọc thử nghiệm tại một nhà máy. Bia được xử lý với Silica Sol đã cho thấy độ trong  cao  hơn so với bia chưa được xử lý, và khi theo dõi áp suất lọc sau thời gian lọc 2 giờ của cả hai loại bia cũng cho thấy áp suất lọc thấp hơn ở bia được xử lý với Silica sol. Ngay cả với bia chai và lon cũng đạt độ trong tốt hơn. Việc ứng dụng Silica sol trong sản xuất bia cũng đặc biệt được khuyến khích đối với công nghệ lên men nổi.

 Stabisol cải thiện độ trong của dịch bia trong tank tàng trữ

Một quy trình thực nghiệm khác, đã được áp dụng thường xuyên trong một số nhà máy sản xuất bia, là việc ứng dụng Stabisol vào bia đã hoàn thiện công đoạn lên men. Sommer đã công bố kết quả và phương pháp thực nghiệm này. Với việc bổ sung Stabisol liều lượng 50 ml/hl bia ở cuối quá trình lên men và đã được làm lạnh đến 0°C chuẩn bị cho quá trình chuyển dịch lọc. Kết quả cho thấy, độ trong đạt được nhanh chóng trong quá trình tàng trữ và điều quan trọng hơn nữa là giúp tối ưu hóa khả năng lọc tinh (Hình 3).
 
 alt
                    Hình 3. Profile áp suất ở bộ lọc kieselguhr có bổ sung và đối chứng

Việc sử dụng Stabisol trong quá trình chuyển dịch có hiệu quả lớn nhất nếu quá trình lên men đã kết thúc và nhiệt độ gần đạt tới điểm đóng băng. Trong trường hợp này, phần lớn các phân tử hình thành đục đã không bị hòa tan. Cùng với các chất gây cản trở quá trình lọc, chúng được hấp phụ bởi Silica sol và lắng xuống đáy tank. Theo Mika (2018), khi phân tích các số liệu thu thập được từ 75 mẫu trong phòng thí nghiệm đã cho thấy sử dụng Silica gel giúp cải thiện rõ độ trong của dịch bia trong tank tàng trữ. Độ đục trung bình của các mẫu bia được xử lý bằng Silica sol với 40 ml/hl đạt khoảng12 EBC, trong khi các mẫu được bảo quản thông thường là gần 40 EBC, và các mẫu không được bảo quản độ đục lên tới 100 EBC. Mối quan hệ giữa sự phát triển cưỡng bức của các hạt lơ lửng và quá trình kết lắng của các mẫu bia được cải thiện chứng minh phù hợp theo định luật Stoke.
 
alt

Nếu sau quá trình chuyển dịch, bia cần tàng trữ ở nhiệt độ cao hơn, nên sử dụng Silica sol ở giai đoạn làm lạnh. Cách tốt nhất để thực hiện điều này là bơm chuyển bia hai lần, để quá trình phối trộn sâu hơn. Phương pháp khác là có thể bơm Silica sol  pha loãng với nước (tỷ lệ 1: 1 hoặc 1: 3) qua CIP vào tank và sau đó bơm CO2 từ đầu nón tank. Nhìn chung quan trọng nhất là tạo ra hỗn hợp bia với Silica sol một cách cẩn thận.

Kết quả thực nghiệm:

Sử dụng Stabisol trong tank tàng trữ làm tăng hiệu suất lọc.

Bảng 2 chỉ ra kết quả của một nghiên cứu thực nghiệm. Các mẫu bia đối chứng (không bổ sung Stabisol) được lọc với 50 và 100 g/hl đất lọc mịn. Thể tích dịch lọc cụ thể được xác định lần lượt là 6,1 và 5,9 hl/m2.h và độ trong là 0,7 và 0,95 EBC. Các mẫu bia có bổ sung thêm 50 ml Stabisol  cùng với 100 hoặc 50 g/hl đất lọc mịn cho thấy khả năng lọc tốt hơn với độ chênh lệch 0,4 hl/m2.h. Tuy nhiên, điều quan trọng là độ trong rõ rệt đã được quan sát thấy ở đây. Các mẫu có bổ sung Stabisol  có độ đục chỉ 0,3 đơn vị EBC. Ngoài ra, các mẫu có bổ sung hỗn hợp của Stabisol với trợ lọc mịn và trợ lọc thô cho thấy hiệu quả cao, cải thiện thể tích dịch lọc và đảm bảo độ trong tốt hơn.

Khả năng lọc bia cao hơn được quan sát rõ khi so sánh kết quả của mẫu bia đối chứng được xử lý với 100 g/hl trợ lọc mịn so với mẫu bia được xử lý với hỗn hợp Stabisol và 50 g/hl đất lọc. Để dịch lọc đạt được cùng một độ trong, cần có 100 g/hl bột trợ lọc đối với mẫu cho bia đối chứng. Nhưng đối với bia có bổ sung Stabisol, chỉ cần một hỗn hợp gồm 25 g/hl đất lọc mịn và 25 g/hl đất lọc thô là đạt yêu cầu. Ngoài việc giảm đáng kể lượng trợ lọc, bằng cách sử dụng Stabisol giúp làm tăng thể tích dịch lọc, cụ thể tăng từ 6,1 đến 10,0 hl/m2.h. Trong trường hợp này, Stabisol làm tăng khả năng lọc lên khoảng 70%, trong khi lượng nguyên liệu trợ lọc giảm hơn 25%.
 
alt
Bảng 2. Hiệu quả của silica sol trong tank tàng trữ làm tăng hiệu suất lọc

 
Cải thiện độ trong của dịch lọc trong sản xuất bia thành phẩm

Các quan sát chỉ ra rằng bia đã lọc không thể đạt được trong tuyệt đối, ngay cả khi được xử lý với những loại bột trợ lọc mịn nhất. Nếu không làm tăng áp suất, dịch lọc không đạt được độ trong hơn 1-2 EBC, thông thường chỉ từ 3-4 EBC. Trong các thử nghiệm này, sử dụng Stabisol với liều lượng 5-10 ml/hl cùng với định lượng đất trợ lọc giúp giải quyết vấn đề. Theo phương pháp này, đám mây mù mịn của Silica gel được hình thành tạo ra một lớp bánh lọc chặt chẽ hơn. Do đó, độ trong có thể đạt tới 0,3-0,5 EBC và áp suất tăng 0,2-0,4 bar/h. Các thông số cho thấy mức độ tối ưu của phương pháp mới được chỉ ra trong Bảng 3. Điều cần lưu ý, quan trọng nhất là tạo ra hỗn hợp bia với Silica sol một cách tốt nhất. Do đó, không nên cho Stabisol vào tank trước khi đổ đầy tank.
 
alt
           Bảng 3. Hiệu quả của silica sol đối với độ trong của dịch lọc bia
              
 
Liên quan đến quá trình lắng trong, người ta hy vọng sẽ giảm được độ đục thông qua việc hình thành các cặn lắng, tùy thuộc vào mật độ và kích thước phân tử hạt cũng như mật độ và độ nhớt của dịch lọc bia.
 
alt
 
Cơ chế của quá trình gelatin hóa silica sol trong bia rất đa dạng và phong phú cho phép tạo ra các phương pháp ứng dụng silica sol khác nhau. Silica sol tạo phức với các hạt siêu mịn có tác dụng giảm độ đục của dịch lọc và quá trình lọc. Kỹ thuật sử dụng silica sol trong tank  tàng trữ đã được chứng minh là thành công, thường bổ sung ở giai đoạn nấu cho việc định lượng được thực hiện dễ dàng. Ngoài ra việc đánh giá khả năng lọc và các cặn lắng của các loại bia trong tank tàng trữ có độ đục cao từ cặn hoa houblong được thực hiện ngày càng tăng. Vấn đề mới này trở thành quan trọng do ngày nay nhu cầu phát triển sản xuất các loại bia đặc biệt có sử dụng hoa houblong tạo hương mạnh. Giải pháp bổ sung Stabisol vào dây chuyền bia đã cung cấp cho các nhà sản xuất thêm một lựa chọn quy trình phù hợp với các biến động về chất lượng nguyên liệu và các thông số quy trình công nghệ cũng như đáp ứng nhu cầu về số lượng, chất lượng sản phẩm bia cao cấp.

 
The mechanism of silica sol gelatinisation in beer is fascinating and permits miscellaneous application methods. Silica sol induces complexing of ultrafine particles and almost always results in a reduction in haze in filter feed and filtrate. Should addition of silica sol to the storage tank have proved successful, addition is often shifted to the brewhouse as dosing is easier. In addition, assessments of sedimentation and filterability of storage tank beers exhibiting extreme hazes from hop residues are currently increasingly being carried out. This new problem seems to be getting more and more important due to increased production of special beers with strong Aroma hop. Silica sol addition as a process option provides brewers with an additional possibility of reacting to fluctuating raw material qualities technological process parameters and hight quality and quantity beer product requirements


Jan Mika Unting – Stabifix Brauerei-Technik KG, Germany
Lê Viết Thắng, Trần Trung Kiên, Vũ Ngọc Thư, Nguyễn Thị Làn - Vinabeco

Nguồn: Công ty Cổ phần Công nghệ Bia Rượu NGK Việt Nam
 Biên tập: PGS. TS Trương Thị Hòa   
 




   





 




Liên kết website

Hỗ trợ trực tuyến

My status
  Hội đồng Biên tập:
Chủ tịch: PGS. TS Nguyễn Văn Việt - Chủ tịch VBA
Các ủy viên:
GS. TS Đinh Văn Thuận
Nhà sử học Dương Trung Quốc

Phó Tổng biên tập phụ trách:
 
Nhà báo Nguyễn Văn Chương