1 Vai trò quan trọng của nước cho sản xuất Bia

Trong quy trình công nghệ sản xuất Bia. Nước đóng vai trò vô cùng quan trọng, nước chiếm 95% trong sản phẩm bia. Nước là chất xúc tác quá trình trao đổi chất, thực hiện các phản ứng động học, hóa học, lý học và vi sinh trong dây chuyền sản xuất bia và đồ uống nói chung.   

Đặc biệt trong qui mô sản xuất, nước được sử dụng để sinh nhiệt và phân phối nhiệt lượng cũng như phối hợp hòa tan chất tẩy rửa vệ sinh  thiết bị và môi trường. Sơ đồ sử dụng nước (Hình 1).

Hình 1. Nước sử dụng trong các phân xưởng trong nhà máy bia

     Bảng 1. Các Đặc tính chính của nước cho một nhà máy sản xuất bia

Nước sử dụng trong sản xuất bia bao gồm:

• Nước chế biến: được dùng phối chế trong quy trình công nghệ.
• Nước sản xuất –để làm sạch phân xưởng, tẩy rửa các thiết bị chiết bia
• Nước dùng dịch vụ công nghiệp- dùng để tạo hơi cho nồi hơi, trong tác nhân lạnh để làm lạnh và  để vệ sinh môi trường.

2.  Nguồn nước và phương pháp xử lý

Quá trình cung cấp nhiều nước là cần thiết với nhà máy sản xuất bia, đó là tại sao, trước đây, nhà máy bia được xây dựng ở những địa điểm có nguồn nước riêng của họ. Những nguồn nước này được sử dụng là nguồn nước giếng khoan, trong khi một số nhà máy khác dựa vào nguồn nước cung cấp của địa phương.

Nguồn nước tự nhiên nguyên bản sẽ ảnh hưởng tới chất lượng của bia và điều này dẫn đến nhiều công ty nổi tiếng với bia đặc trưng của họ. Ví dụ là Burton-on-Trent có độ đắng cao, Pilsen  có bia lager tốt hơn. Chất lượng của nước sẽ ảnh hưởng tới chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế của sản phẩm.

Nguồn nước có thể từ dưới giếng hay ở bề mặt như một bể chứa.

Nước giếng khoan: (Hình 2)

Hình 2 . Hình ảnh của  tạo nguồn nước giếng khoan

Nước bề mặt: (Hình 3)

Hình 3. Hình ảnh của tạo nguồn nước bề mặt

3. Các đặc tính cơ bản và yêu cầu của nước cung cấp cho sản xuất Bia.

Các nguồn nước cung cấp sẽ ảnh hưởng tới các đặc tính của nước

Bảng 2. Các tiêu chuẩn đặc trưng chính và yêu cầu với  nguồn nước cấp cho sản xuất bia

4. Các phương pháp tiền xử lý nước.

        Bảng 4. Một số chỉ tiêu chất lượng chủ yếu của nước và phương pháp xử lý 

Quá trình khử khoáng bằng Ion hóa (loại bỏ các muối)

Trong hệ thống trao đổi ion thường thấy trong nhà máy bia. Những cột này gồm các nhựa đặc biệt có thể trao đổi các ion ít gây hại. Những nhựa này có thể tái chế lại khi hết, chúng thường được rửa sạch bằng axit vô cơ.

Trong  sơ đồ minh họa hình 4. các muối carbonate bị loại bỏ bởi các cột trao đổi và CO₂ được hình thành. Nó bị loại bỏ khí qua tháp khử khí.

        Hình 4. Sơ đồ quá trình khử Ion hóa (loại bỏ các muối) bằng cột trao đổi ion.

Các phương pháp xử lí sơ bộ ban đầu:

• Lọc cát loại bỏ chất rắn.
• Lọc qua than loại bỏ chất gây mùi khoa chịu ví dụ như clo.
• Các cột trao đổi ion để khử muối khoáng hay  khử độ kiềm của nước.
• Lọc bằng màng siêu lọc hay thẩm thấu để loại bỏ phần lớn chất gây ô nhiễm bao gồm cả vi khuẩn.
• Loại sắt và mangan bằng bộ lọc BIRM.

5. Phương pháp khử trùng nước. 

Phương pháp khử trùng nước phụ thuộc vào độ ô nhiễm và quá trình sử dụng nước tiếp theo Nếu nước bị ô nhiễm nặng cần lọc và tiếp theo là quá trình xử lí nhiệt.

Nếu nước dùng cho các công đoạn nấu bia bình thường, quá trình khử trùng cần bổ sung một chất khử trùng như khí clo, hypoclorit hay ClO₂.

Nếu nước chỉ sử dụng cho những giai đoạn sau như pha loãng bia nồng độ cao nên khử trùng bằng tia đèn UV hoặc quá trình lọc vô trùng 

6.  Nước sử dụng cho thành phẩm

 6.1 Nước thành phẩm sử dụng trong quá trình nấu (đường hóa – dịch hóa nguyên liệu, lên men, lọc, tàng trữ, hoàn thiện sản phẩm).

Các muối hòa tan và vi lượng trong nước ảnh hưởng tới hương vị của bia, độ cân bằng pH của quá trình và sản phẩm cuối, chúng cung cấp nhiều khoáng vi lượng cho nấm men phát triển.

Các tác dụng chính của muối và vi lượng trong nguồn nước:

• Các muối Sulphat giảm độ pH của dịch và khiến bia khô.
• Các muối Canxi là cần thiết cho nấm men và độ ổn định của bia.
• Các muối carbonate tăng độ pH và hình thành cặn nóng.
• Sắt khiến bia có vị kim loại và gây hại cho người dùng.
• Các nitrat chỉ ra sự nhiễm tạp của nước bề mặt hay ô nhiễm nước thải
• Magie và kẽm là nguyên tố khoáng cần thiết cho nấm men

Nước thành phẩm dùng trong các quá trình sản xuất hình 5 và bảng 5

Hình 5. Nước thành phẩm sử dụng trong các quá trình sản xuất bia .

Bảng 5.Yêu cầu chất lượng của nước sau xử lý

6.2. Quá trình khử oxy trong nước.

Nước sử dụng cho sản xuất bia nồng độ cao, để pha bia tới nồng độ xác định.

Nước được sử dụng để pha bia tới nồng độ xác định cần thiết được trình bày hình 6. Nước không nhiễm các vi sinh vật và nước không chứa oxy hòa tan .

Phân xưởng khử oxy trong nước được thiết kế với nước bổ sung như sau

                              Hình 6. Sơ đồ khử khí của nước

Phân xưởng được minh họa có những đặc điểm.

Một hệ thống lọc để đảm bảo rằng tia khử trùng UV có hiệu quả .

• Một hệ thống khử oxy làm việc bởi quá trình sục nước thông qua khí trơ (carbon dioxid hay nitrogen) nơi mà oxy trong nước bị thay thế bởi khí trơ.
• Quá trình khử trùng tia UV (quá trình khử trùng với Cl có thể nhiễm bẩn nước)
• Điều chỉnh nhiệt độ (nước được bổ sung vào bia ở nhiệt độ thấp).

Hệ thống khác có thể loại bỏ oxy bằng nước nóng. Nước khử trùng được đun nóng hay lọc qua màng siêu lọc

6.3. Nước phục vụ cho quá trình vệ sinh, tẩy rửa thiết bị.

Nước sản xuất là nước dùng để:

• Vệ sinh nhà máy bia.
• Tẩy rửa két, bom, lon,... trước khi chiết bia.
• Đun nóng đến nhiệt độ cần khử trùng. ví dụ: hầm thanh trùng Pasteur.

Nước sản xuất có các yêu cầu khác nhau với mỗi công đoạn công nghệ. (bảng 6).

            Bảng 6. Yêu cầu Nước  phục vụ cho quá trình sản xuất

6.4. Nước phục vụ hệ thống nồi hơi và làm lạnh.

Nước dùng trong dịch vụ công nghiệp là nước dùng trong quá trình tạo hơi ở nồi hơi,trong tháp làm lạnh như là một phân của phân xưởng lạnh và  dùng làm vệ sinh nói chung...

Nước nồi hơi: Các yêu cầu chủ yếu cho nước cho nồi hơi là không lắng  cặn trên bề mặt  đốt nóng và không ăn mòn nhà xưởng. Do đó, loại bỏ các muối carbonate là cần thiết, quá trình khử khóang ( qua cột trao đổi ion).  Để tránh ăn mòn chất bổ trợ cần dùng để loại oxy khỏi nước và điều chỉnh độ pH

Tháp làm lạnh:  Nước sử dụng cho tháp làm lạnh dễ bị hư do sự phát triển của vi khuẩn. Đó là nguồn VSV gây bệnh  tới con người một cách thông qua các giọt nước hình thành trong nhà máy. Hệ thống phải được duy trì trong điều kiện sạch và chất diệt khuẩn được dùng hay kiểm soát các vi sinh vật điều khiển qua phương pháp điện tử.

6.5 Sản xuất nước khử khí (deairation water-DA)

Việc sản xuất nước khử khí (hàm lượng oxy thấp) trong nhà máy bia bắt đầu khi việc nấu bia nồng độ cao trở nên phổ biển. Tuy nhiên, ngày nay, nước khử khí không chỉ được dùng để pha bia mà còn được dùng trong các bước khác của quy trình công nghệ có tiếp xúc với sản phẩm như pha bia, tách men, bài không khí ra khỏi thiết bị lọc, chiết... nhằm tránh oxy thâm nhập, gây hại cho bia.

Có nhiều phương pháp khác nhau để loại bỏ không khí mà mục tiêu chính là tách oxy ra khỏi nước như đã đun nóng, hút chân không, sục khí khác như CO₂ hay N₂ vào thế chỗ... và tốt nhất là kết hợp các phương pháp trên với nhau. Khi tăng nhiệt độ hoặc giảm áp suất, trên bề mặt chất lỏng sẽ làm giảm hàm lượng bão hòa của các chất khí trong chất lỏng đó. Tương tự, việc sục thêm các chất khí khác vào làm hàm lượng bão hòa của chất khí ban đầu giảm đi.

Đa số các hệ thống khử khí đều thiết kế trên cơ sở kết hợp một vài trong các nguyên lý. Cấu tạo và hoạt động của một hệ thống khử khí sử dụng nhiệt và CO₂ để đuổi oxy tại cột tiếp xúc hai pha lỏng-khí

 Hình 7  Sơ đồ hệ thống sản xuất nước khử khí

• Nguyên lý của hệ thống này là kết hợp việc dùng khi CO₂ và gia nhiệt để đuổi  không khí (trong đó có oxy) ra khỏi nước. Đồng thời, phương pháp này còn có tác dụng thanh trùng nước.
• Bộ phận chính của hệ thống này là tháp khử khí có cấu tạo như tháp chưng cất tách pha lỏng-khí chứa các mâm, hạt đệm có hình sao hoặc hình yên ngựa, bùi nhùi... làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa hai pha lỏng-khí. Thông thường, hệ thống

khử khí sử dụng bùi nhùi thép không rỉ để việc CIP được dễ dàng hơn. Ngoài ra, hệ thống còn có các bộ phận khác như: thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm bản gồm ba phân đoạn riêng biệt, bơm cấp nước, trạm cấp CO₂, cấp hơi nóng, tank chứa... Nước sau khi được năng nhiệt lên 70-80C (bằng hơi nóng ở phân đoạn gia nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt) được đưa tới quả cầu phun trên đỉnh tháp để phân tán đều trên bề mặt của khối chất đệm trong ruột tháp. Khi CO₂, thổi từ dưới lên trên sẽ hòa tan, thể chỗ và đuổi oxy ra khỏi nước. Nước sau khi ra khỏi tháp được hạ nhiệt thông qua việc trao đổi nhiệt với nước đầu vào ở phân đoạn giữa của thiết bị trao đổi nhiệt. Tiếp theo, nước được làm lạnh bằng glycol đến 1-2⁰C, Nước phải tuần hoàn cho đến khi đạt nồng độ oxy < 0,02 mg/1 mới được đưa về tank chứa.

• Trong quá trình vận hành, giám sát chất lượng và việc điều chính hàm lượng CO₂, sục vào tháp khử thích hợp. Tùy vào chất lượng nước đầu vào mà quy định tần suất CIP hệ thống. Quy định tối thiểu 3 tháng cần làm sạch hệ thống, đặc biệt là khi hàm lượng oxy có dấu hiệu tăng lên.

Hệ thống cấp nước cho sản xuất bia

Hệ thống cấp nước trong nhà máy bia phục vụ sản xuất, nấu bia bao gồm chủ yếu là các thiết bị chủ yếu:

• Tank chứa nước nhiệt độ thường (theo nhiệt độ môi trường),
• Tank nước lạnh 2°C (ice water) với bộ giải nhiệt làm lạnh cấp nước cho việc ở nhiệt dịch nha,
• Tank nước nóng 80⁰C với bộ gia nhiệt sử dụng hơi nóng.

                            Sơ đồ hệ thống cấp nước trong nhà máy bia  

• Nguồn tài liệu: 

1/ Sản xuất bia lý thuyết và thực hành – Master of Science (Ing.) Trần Công Tước (2016)

2/ Công nghệ sản xuất bia và  Nước giải khát: GS.TS Nguyễn Thị Hiền và các CTV – ĐHBK Hà nội – Nhà xuất bản lao động (2016).

GS.TS: Nguyễn Thị Hiền; PGS.TS: Trương Thị Hòa