Kỹ thuật xử lý nước sử dụng cho công nghệ sản xuất Bia

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).

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

Đặc tính của nước	Chỉ tiêu
Cảm quan	Sạch và không màu, không mùi lạ
Độ tinh khiết	Không bẩn
Hàm lượng muối khoáng và vi lượng	Có hàm lượng khoáng vi lượng theo tiêu chuẩn
Chỉ tiêu vi sinh	Không nhiễm vi sinh vật
Độ an toàn	Phải là nước uống được

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.

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

Nguồn nước	Hàm lượng muối khoáng	Hàm lượng vi sinh	Khả năng cung ứng
Giếng khoan	Có lượng khoáng hòa tan nhiều trong các địa tầng nơi mà nước đi qua	Có thể thấp bởi nước có thể được lọc qua các địa tầng đá	Rất tốt có thể dùng trong thời gian dài.
Nước bề mặt	Có thể thấp trừ khi các hóa chất nông nghiệp được tẩy rửa chảy xuống.	Có thể cao bởi nhiễm tạp từ đất nông nghiệp	Có thể biến đổi đặc biệt trong mùa khô hạn.
Nguồn nước công cộng	Phụ thuộc vào nguồn nước là giếng khoan hay nước bề mặt.	Có thể thấp nhờ quá trình xử lý của cơ sở xử địa phương	Rất tốt bởi đây là hệ thống của nhà nước điều hành

Các phương pháp tiền xử lý nước.

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

Chỉ tiêu chất lượng	Xử lý
Cảm quan sạch và không màu	Quá trình lọc thường dùng lọc cát hay quá tình kết bông.
Khả năng uống được không nhiễm bẩn	Quá trình lọc thường dùng lọc qua than hoạt tính, hay lọc qua than
Hàm lượng muối khoáng và kim loại có để đáp ứng cho quá trình nấu bia và các quá trình khác.	Các muối carbonate bị loại bỏ nhờ quá trình đun sôi hay quá trình khử ion hóa . Khi thiếu các muối có thể được thêm vào thùng chứa nước hay trong các quá trình. Ví dụ canxi clorua có thể được thêm vào quá trình nấu bia.
Không bị nhiễm tạp VSV vì nó ảnh hưởng tới chất lượng bia và người sử dụng bia.	Khử trùng bởi tia tia (UV), quá trình lọc vô trùng, thanh trùng theo phương pháp Pasteur hay bổ sung chất khử trùng.
Luôn sẵn nước	Nguồn nước có thể bị thay đổi nên có nước dự trữ

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.

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.

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

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

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

Nguồn nước sử dụng	Yêu cầu chất lượng	Xử lý
Quá trình nấu bia. Nước được dùng để phối trộn với malt, hoa, cho công đoạn nấu	Nước chứa các muối cần thiết để đảm bảo điều kiện tối ưu cho enzym hoạt động hiệu quả	Các muối ví dụ canxi sunphat, canxi clorua hay các muối NaCl có thể được bổ sung vào tank chứa nước hay quá trình nấu bia.
Nước rửa bã malt Nước được dùng để tráng dịch chiết còn sót lại ở vỏ malt	Nước không hòa tan các thành phần không mong muốn trong vỏ malt.	Có thể được điều chỉnh độ pH
Quá trình dịch hóa, đường hóa Nước được dùng để điều chỉnh nồng độ dịch đường.	Nước không nhiễm các vi sinh vật không mong muốn.	Nước có thể lấy từ tank nước nóng và được làm lạnh thông qua thiết bị làm lạnh dịch đường
Bổ sung trong lên men và tàng trữ Nước được dùng để phối trộn và bổ sung làm vật liệu lắng, lọc	Nước không nhiễm các vi sinh vật không mong muốn. Với những giai đoạn cuối nước không chứa oxy hòa tan	khử trùng nước khử oxy nước
Bổ sung trong quá trình lọc. Nước dùng để trộn và thêm vào chất trợ lọc	Nước không nhiễm các vi sinh vật không mong muốn. Với những giai đoạn cuối nước không chứa oxy hòa tan	khử trùng nước. khử oxy nước
Phân tán trong quá trình lọc. Nước dùng để điều chỉnh nồng độ thích hợp trong bia nông độ cao	Nước không nhiễm các vi sinh vật không mong muốn. Với những giai đoạn cuối nước không chứa oxy hòa tan	khử trùng nước. khử oxy nước
Phun trong quá trình chiết bia Nước dùng để phun vào chai đẩy CO₂	Nước không nhiễm các vi sinh vật không mong muốn. Với những giai đoạn cuối nước không chứa oxy hòa tan	khử trùng nước. khử oxy nước

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

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

Hệ thống xử lý	Tác động xử lý	Hiệu quả xử lí
Hệ thống CIP	Hình thành các cặn trong hệ thống phân phối của CIP và quả cầu phun do có sự tồn tại của các muối carbonate trong nước. Chất tẩy hư hại bởi sự tồn tại của các muối carbonate.	Quá trình loại bỏ các muối carbonate Lựa chọn chất tẩy rửa tốt nhất với loại nước sử dụng
Rửa chai, bom, keg	Hình thành các cặn ở đầu phun chất tẩy rưa. Quá trình làm hỏng chất tẩy bởi sự tồn tại của các carbonate.	Quá trình loại bỏ các muối carbonate. Lựa chọn chất tẩy rửa hiệu quả
Tráng sạch nhà máy và bao bì sau khi tẩy rửa	Tránh Sản phẩm hay nhà máy tái nhiễm độc do vi sinh vật.	Quá trình khử trùng nước
Khử trùng Pasteur bằng kiểu Hầm Tunel	Hình thành các cặn bẩn ở đầu phun nước của hầm khử trùng Pasteur do sự tồn tại của các muối carbonate Hình thành nấm mốc trong thiết bị khử trùng Pasteur kiểu hầm Tunel do nhiếm tạp VSV. Rỉ sét nắp chai do nước.	Quá trình loại bỏ các carbonate. Loại bỏ mốc, kìm hãm hình thành rỉ sét bằng bổ sung thêm vào nước một số hóa chất thích hợp

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 CO₂hay N₂vào 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 CO₂để đuổi oxy tại cột tiếp xúc hai pha lỏng-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.

Việc duy trì áp lực nước cấp thông qua bơm với biến tần được điều khiển chạy tự động theo tín hiệu từ đầu dò áp trên đường cấp.