Các nguyên liệu chính để sản xuất bia

Bia được sản xuất từ các nguyên liệu chính là malt đại mạch, hoa houblon và nước. Để tiết kiệm nguồn đại mạch hoặc để sản xuất một vài loại bia thích hợp với thị hiếu của người tiêu dùng, phù hợp với từng khu vực, từng địa phương khác nhau thì bên cạnh malt đại mạch, có thể dùng thêm các nguyên liệu phụ như bột mì, bột gạo, bột ngô, thậm chí có thể dùng cả bột đậu tương đã tách béo. Tuy nhiên cho đến nay, bia trên toàn thế giới được sản xuất theo công thức chung sau đây:

BIA = MALT ĐẠI MẠCH + HOUBLON + NƯỚC

Đây là ba nguyên liệu chính để sản xuất bia. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay nguyên liệu chính để sản xuất bia phải nhập từ nước ngoài, đó là malt đại mạch và hoa houblon, nhiều năm nay ở Việt Nam đã nghiên cứu trồng cây đại mạch và hoa houblon ở một số vùng phía Bắc, Lâm Đồng nhưng năng suất rất thấp, chất lượng cả malt đại mạch lẫn hoa houblon đều chưa đạt yêu cầu. Hiện nay, Viện nghiên cứu cây trồng nước ta đang nghiên cứu để cải thiện năng suất lẫn chất lượng, để dần dần có thể tiến tới thay thế hoặc hạn chế nhập khẩu malt đại mạch và hoa houblon.

1. Nguyên liệu nước trong sản xuất bia

Trong sản xuất bia nước là một nguyên liệu không thể thay thế được. Nước chiếm khoảng (77÷90)% trong bia thành phẩm, để sản xuất 1 lít bia cần phải tiêu tốn khoảng 25 lít nước. Trên dây chuyền công nghệ chính, nước dùng trong quá trình nấu, pha loãng dung dịch đường để lên men, thậm chí nước còn là một chất tại lạnh trung gian có nhiều tính ưu việt cung cấp lạnh cho quá trình làm lạnh nhanh dịch lên men, cũng như các quá trình lên men,..., nước dùng làm sạch môi trường nhà máy công nghệ sản xuất bia, nước cung cấp cho nồi hơi, ngoài ra nước đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành vị của sản phẩm, nước dùng để uống, vì thế nước trở thành thành phần chính của dây chuyền công nghệ sản xuất bia.

Nước dùng trong công nghệ sản xuất bia đòi hỏi phải đạt những chỉ tiêu chất lượng quan trọng như: độ cứng, độ pH, hàm lượng khoáng chất và chỉ tiêu về vi sinh,....

Độ cứng của nước là hàm lượng muối canxi (Ca2+) và magiê (Mg2+) hòa tan, trong đó chỉ số hóa học đặc trưng cho độ cứng của nước là tổng hàm lượng tính bằng miligam – đương lượng các ion Ca2+ và Mg2+ trong 1 lít nước. Nước chứa dưới 1,5 mg – đương lượng Ca2+ và Mg2+/ 1 lít được coi là nước rất mềm; từ (1,5÷3) mg – đương lượng Ca2+ và Mg2+/ 1 lít được coi là nước mềm; từ (3÷6) mg – đương lượng Ca2+ và Mg2+/ 1 lít được coi là nước có độ cứng trung bình; từ (6÷10) mg đương lượng Ca2+ và Mg2+/1 lít được coi là nước cứng; lớn hơn 10 mg đương lượng Ca2+ và Mg2+/1 lít được coi là nước rất cứng.

Nước dùng cho sản xuất bia tốt nhất là nước rất mềm hoặc ít ra là nước mềm, thích hợp nhất là nước có độ cứng tạm thời khoảng 0,7 mg - đương lượng Ca2+ và Mg2+/1 lít, độ cứng vĩnh cửu khoảng (0,4 ÷0,7) mg – đương lượng Ca2+ và Mg2+/ 1 lít.

Nước dùng trong công nghệ sản xuất bia luôn phải được kiểm tra trước khi đưa vào sử dụng, nếu nước không đạt chất lượng thì nó là nguyên nhân gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng sản phẩm, đôi khi nó làm cho sản phẩm bị hư hoặc chứa nhiều độc tố do các sản phẩm phụ sinh ra. Nhất là khi nước đã nhiễm một lượng vi sinh vật lớn, chính các vi sinh vật này tham gia trong quá trình lên men tạo ra những sản phẩm ngoài ý muốn.

Nước dùng trong công nghệ sản xuất bia phải đạt được những chỉ tiêu hóa lý và vi sinh như ở bảng 1 bên dưới.

Nước dùng trong công nghệ sản xuất bia trước khi đưa vào sử dụng phải qua thiết bị xử lý nước riêng của nhà máy và được tiệt trùng, đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng.

2. Malt đại mạch

Đại mạch là một loại ngũ cốc, được chia làm hai nhóm: đại mạch mùa đông (gieo hạt mùa đông, thu hoạch vào mùa hè) và đại mạch mùa xuân (gieo hạt mùa xuân, thu hoạch vào mùa thu). Chu kỳ sinh trưởng của đạt mạch thông thường từ 100 đến 120 ngày.

Hạt đại mạch được cấu tạo từ ba bộ phận chính: vỏ, nội nhũ và phôi. Thành phần hóa học của hạt đại mạch tính theo hàm lượng chất khô, theo bảng 2 bên dưới.

Bảng 2. Thành phần hóa học của hạt đại mạch

Trọng lượng trung bình của hạt đại mạch khoảng từ (40 ÷ 50) g/ 1000 hạt, kích thước hạt tương đối nhỏ, nó có hình dạng gần giống như hạt lúa.

Malt đại mạch là nguyên liệu chính để sản xuất bia, mált là sản phẩm được sản xuất từ hạt đại mạch, khi cho hạt đại mạch nẩy mầm trong những điều kiện nhân tạo sau đó loại bỏ mầm sấy khô sẽ thu được đại mạch, những hạt này sau đó được bảo quản.

Qua quá trình nẩy mầm một lượng lớn enzyme xuất hiện và tích tụ trong hạt đại mạch nẩy mầm. Trong đó chủ yếu là enzyme amilaza, proteaza, và một số các enzyme khác, những enzyme này rất hữu ít bởi vì nó tham gia vào quá trình xúc tác sinh học trong quá trình sản xuất bia. Chất lượng malt được quyết định bởi các giống đại mạch, các loại malt đại mạch khác nhau sẽ cho chất lượng bia khác nhau. Malt được dùng trong sản xuất bia là loại malt được sản xuất từ các đại mạch hạt to, vỏ mỏng, hàm lượng protein thấp, độ hòa tan cao không gây khó khăn trong quá trình xử lý. Quá trình đường hóa cũng như lọc bã làm cho bia có độ trong cao, bảo quản được lâu. Các enzyme trong malt đại mạch là những nhân tố thực hiện việc chuyển hóa các chất trong thành phần hạt đại mạch (tinh bột “polyglucoza”, protein, celuloza,...) thành nguyên liệu mà nấm men có thể sử dụng được để tạo ra bia (các loại đường, các axit amine tự do, các vitamine, chất khoáng đa vi lượng,...).

Các phương pháp làm hạt nẩy mầm và làm khô hạt khác nhau sẽ cho ra các nguyên liệu làm bia khác nhau và sản phẩm bia có chất lượng khác nhau. Thành phần hóa học chính của malt khô tính theo % chất khô (CK) cho trong bảng 3.

Bảng 3. Thành phần hóa học của malt khô

Đối với công nghệ sản xuất bia, malt có tỷ lệ hàm lượng
Gluxit/protein = (70÷75)%CK / (10÷14)%CK là tỷ lệ cân đối thích hợp nhất cho công nghệ nấu bia, ứng với tỷ lệ này bia sản phẩm có màu sắc, mùi vị đặc trưng. Malt dùng để sản xuất bia phải đạt các thông số kỹ thuật (hóa lý và vi sinh) như ở bảng 4.

Bảng 4. Các thông số kỹ thuật của malt dùng sản xuất bia

Malt phải luôn được giữ trong kho khô ráo thoáng mát để phòng chuột, mối và các loại côn trùng phá hoại. Thường xuyên đảo trộn malt và thổi không khí khô vào kho, nhiệt độ bảo quản malt nhỏ hơn hoặc bằng 30°C để tránh sự hoạt động của men và vi sinh vật làm tiêu hao các chất dinh dưỡng trong malt, làm giảm chất lượng malt, đồng thời đảm bảo hoạt lực của các hệ men nhất là amilaza và proteaza.

3. Hoa houblon

Sau malt đại mạch và nước thì hoa houblon là nguyên liệu chính thứ ba cũng không thể thiếu được trong công nghệ sản xuất bia, là nhân tố góp phần quan trọng tạo ra mùi vị đặc trưng của bia (mùi thêm thơm dễ chịu, có vị đắng chát nhẹ) tạo màu vàng cho bia, tạo bọt và giữ bền độ bọt. Ngoài ra hoa houblon còn được sử dụng như một chất bảo quản cho bia (sát trùng, tăng tính ổn định cho các thành phần bia,...), làm trong bia tạo được kết tủa protein (albumine) khi chúng chưa được thủy phân hết.

Continue Reading

Lịch sử phát triển và Bản chất quá trình sản xuất bia

Lịch sử phát triển

Bia đã được phát hiện tử 8000 năm trước ở xứ Mesoptamia là một trong những nơi xuất hiện nền văn minh sớm nhất của nhân loại. Dân dụ mục tình cờ phát hiện khi lúa dại được ủ sẽ bị vi sinh vật tự nhiên tác động tạo ra một dung dịch uống được, cùng với thời gian dung dịch này đã trở thành một thứ thức uống rất được yêu thích.

Đến 7000 năm trước Công Nguyên con người ở xứ Babylon đã tìm ra cách làm bia từ lúa mạch (hạt đại mạch) và lúa mì, vài năm sau đó người Ai Cập cổ đại, Ba Tư, các nước lân cận ở vùng Trung Đông châu Á rồi tràn xuống các nước phía Nam cũng đã tìm ra cách làm bia với vị thơm ngon đặc trưng của các vùng hoàn toàn khác nhau. Lúc này bia đã trở thành một thức uống thông dụng rất ưa thích ở thời đó. Một điều đáng chú ý đặc biệt là con người ở thời đó biết cách sử dụng nhiều loại cây có đa dạng để tạo ra các loại hương bia có mùi vị hết sức độc đáo. Cũng chính họ là người phát hiện ra nghệ thuật sử dụng các loại vi nấm mà ngày nay gọi là nấm men để tạo ra các loại bia khác nhau. Tuy biết cách làm ra được bia để uống như vậy nhưng chưa thể hình thành nên một cơ sở khoa học nào cho cách làm đó và các bí quyết công nghệ sản xuất bia ở thời đó cũng không được ghi chép lại một cách đầy đủ, chính vì vậy, hiện nay các nhà công nghệ sản xuất bia trên thế giới kết hợp với các nhà khảo cổ học đang nghiên cứu và khám phá để tìm ra các bí quyết về công nghệ sản xuất bia ở thời đó, năm 2003 một nhà công nghệ sản xuất bia Nhật Bản đã tìm cách tái sản xuất lại bia Ai Cập cổ đại với mùi vị đặc biệt thơm ngon, giá thành rất cao.

Ở Trung Quốc công nghệ sản xuất bia được ghi nhận trong các tài liệu cổ có từ những năm 2300 trước Công Nguyên. Trong thời gian này các nước La Mã, Hy Lạp cũng sản xuất được bia, cái tên bia là: “beer" xuất phát từ chữ “bibere” có nghĩa là uống trong tiếng La Tinh.

Trải qua hàng ngàn năm sản xuất bia và uống bia, cha ông chúng ta không ai biết được nhân tố nào, cơ sở khoa học nào đã làm nên điều kỳ diệu là chuyển hóa nguyên liệu thành sản phẩm. Mãi đến năm 1857, nhà khoa học người Pháp Luis Paster đã khám phá ra được bí mật này. Sau thời gian dài nghiên cứu, ông đã đi tới khẳng định: nấm men là vi sinh vật duy nhất mà hoạt động sống của chúng đã làm nên quá trình lên men bia. Nhưng Luis Paster và các học trò của ông vẫn chưa làm sáng tỏ được thực chất và hiện tượng, tuy nhiên ông đã xây dựng được nền tảng cơ sở khoa học ban đầu cho công nghệ này và sau nay ông đã đạt được giải thưởng Nobel về hóa – sinh vật học, nhờ các công trình nghiên cứu của ông mà ngành công nghệ vi sinh vật học ra đời.

Đến những năm cuối thế kỷ 19, một số nhà khoa học Đức và Nga mới chứng minh được rằng, nấm men tạo nên các enzyme và các enzyme này là những chất xúc tác sinh hóa đặc biệt để chuyển nguyên liệu thành sản phẩm, ngay cả trong trường hợp không có tế bào nấm men tồn tại trong môi trường vẫn có khả năng chuyển hóa đường thành rượu và CO2, đây là hai thành phần quan trọng nhất của bia. Từ đó cơ sở khoa học của công nghệ sản xuất bia mới hình thành và ra đời, dựa trên cơ sở đó các nhà khoa học cũng phát hiện và giải thích được rằng, khi đun dung dịch đường hóa với hoa Huplông rồi thực hiện quá trình lên men thì sản phẩm bia làm ra có mùi vị thơm ngon đặc trưng mà không có loại cây cỏ nào thay thế được.

Từ năm 1867 đến 1875 công nghệ làm bia phát triển mạnh ở Cộng hòa Zech & Slovakia (Tiệp Khắc), Đức, Anh, Pháp, Thụy Điển, Italia, Nga, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha,... và đã có một số nhà máy sản xuất bia ra đời, sản xuất theo hình thức công nghiệp và ngày nay nó đã duy trì và phát triển trở thành nhiều hãng bia nổi tiếng trên thế giới như: Carsberg, Heineken, Larser,

Từ năm 1790 đến 1919, các thương gia người Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Anh, Pháp, Italia,... đã giao du tới châu Mỹ và họ đã đem công nghệ làm bia tới lục địa này. Chỉ trong vòng một thời gian ngắn công nghệ làm bia đã phát triển rực rỡ ở Mỹ. Mỹ trở thành quốc gia đứng đầu thế giới cả về chất lượng và số lượng sản phẩm bia.

Ngày 18 tháng 10 năm 1919, một đạo luật có tên là Volstead ra đời cấm sản xuất và tiêu thụ các thức uống có chứa alcohol, lúc đó ngành công nghiệp sản xuất bia chụng lại, số lượng bia giảm xuống. Mãi đến ngày 05/12/1933 bản sửa đổi luật Volstead ra đời cho phép các khu vực tự ban hành và quản lý sản xuất và tiêu thụ bia, lúc này công nghệ sản xuất bia mới phát triển mạnh mẽ trở lại.

Đến nay, bia đã sản xuất và được tiêu thụ khắp nơi trên thế giới và Mỹ vẫn là nước có tầm ảnh hưởng lớn nhất về thói quen uống bia và tiêu thụ bia trên toàn thế giới.

Sản xuất bia thực chất là một quá trình sinh hóa – vi sinh, trong đó sự thuần khiết của chủng giống nấm men có ý nghĩa quyết định. Nấm men thuần khiết là những thế hệ nấm men sinh ra từ một tế bào. Trong thực tiễn sản xuất, giữ cho nấm men thuần khiết là việc làm không dễ, vì trong không khí, trong nước, trên bề mặt bàn ghế, dụng cụ, thiết bị, ngay cả trên quần áo, tay chân chúng ta, đều luôn luôn có một lượng vi sinh vật tạp chủng khá lớn, chúng sẵn sàng xâm  nhập vào môi trường cấy, vào nước nha để gây hư hỏng. Do đó, việc thường xuyên quan tâm tạo điều kiện vô trùng là rất quan trọng đối với sản xuất.

Continue Reading

Tìm hiểu sâu về các phương pháp sản xuất đá khô (đá CO2)

Công nghệ sản xuất các sản phẩm CO2 rất đa dạng và phong phú, các công nghệ này thường tạo ra các sản phẩm như: khí CO2 tinh khiết, lỏng CO2, rắn CO2 (gọi là đá khô – đá CO2). Các sản phẩm này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như lỏng CO2 ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghệ hóa học, khí CO2 và lỏng CO2 còn ứng dụng trong phòng cháy chữa cháy, v.v, đá khô ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm như công nghệ chế biến lạnh, công nghệ bảo quản lạnh, Trong bài viết này hãy cùng tìm hiểu kỹ về công nghệ sản xuất đá khô hiện nay ở Việt nam nói riêng và trên thế giới nói chung. Đá khô thường được sản xuất theo các chu trình thoát nhiệt ở bên trong (biến đổi nội năng bằng cách biến đổi trạng thái) bằng các cách sau.

Cách 1: Cho CO2 lỏng bay hơi từ các bề mặt tự do và dẫn hơi đi, tạo một lớp ở bề mặt của nó, khi bay hơi chậm thì được khối đá chắc hơn, khi bay hơi nhanh thì tạo lớp tuyết CO2 xốp, sau đó ép thành từng bánh có khối lượng riêng khác nhau tuỳ thuộc vào lực ép.

Cách 2: Tiết lưu lỏng CO2 ở trạng thái bằng hoặc cao hơn điểm ba một ít để tạo thành tuyết, sau đó ép thành bánh.

Cách 3: Cho bay chậm CO2 lỏng ở trạng thái có áp suất cao hơn điểm ba, cho thăng hoa một phần CO2 rắn vừa mới tạo thành và dẫn hơi tạo thành xuống phía dưới qua các mao quản của khối xốp.

Nói chung, chu trình sản xuất đá khô không có gì khác chu trình làm việc của tác nhân lạnh trong đường ống (NH3, freon, v.v), nén khí CO2 đến áp suất cao (60÷70) at sau đó ngưng tụ, rồi quá lạnh CO2 lỏng. Tiết lưu CO2 lỏng một hay nhiều cấp để đến áp suất P0< Pk (áp suất ngưng tụ) thì thu được tuyết CO2 xốp, rồi đem ép thành bánh, thổi, vv. Điểm khác biệt so với chu trình tác nhân lạnh thường là ở chỗ nó không phải chu trình kín mà là chu trình hở. Khí CO2 luôn nạp vào một cách liên tục và đá khô thu nhận một cách liên tục.

Trong kỹ thuật sản xuất đá khô thông thường cần phải hóa lỏng khí CO2 sau đó mới thực hiện quá trình hóa rắn CO2 từ lỏng CO2. Khí CO2 được hóa lỏng nhờ các thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước hoặc bằng các môi chất lạnh sôi trong thiết bị bay hơi của tầng trên trong hệ thống máy lạnh ghép tầng (Cascade). Khi dùng nước làm mát cho thiết bị ngưng tụ, thì phải nén CO2 tới áp lực cao khoảng từ (60÷70) kg/cm² để có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nước làm mát, vì CO2 có nhiệt độ tới hạn thấp (trạng thái điểm tới hạn có nhiệt độ tth = 31°C, áp suất tới han Pth= 73,5 bar). Như vậy, để có áp suất này, thì thường thực hiện trong hệ thống nén hơi ba cấp nên.

Nếu như khi nhiệt độ của nước làm mát cao (lớn hơn 24°C) thì không thể dùng nước làm mát được. Ở nhiệt độ CO2 cao hơn nhiệt độ tới hạn cũng như không thể hóa lỏng CO2 bằng cách nén trong hệ thống máy nén hơi ba cấp nén. Trong trường hợp này để hóa lỏng khí CO2 thì cần phải sử dụng hệ thống máy lạnh ghép tầng, trong đó thiết bị ngưng tụ CO2 ở tầng dưới cũng chính là thiết bị bay hơi của hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh NH3 hay freon ở tầng trên (bởi vì lúc này nhiệt độ ngưng tụ của CO2 nhỏ hơn nhiều so với nhiệt độ của CO2 cần ngưng tụ).

Hiện nay, muốn sản xuất đá khô thì phải chuyển đổi CO2 từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng, sau đó chuyển trạng thái lỏng CO2 thành đá khô (trạng thái rắn). Thông thường sử dụng hai phương pháp cơ bản sau.

Phương pháp 1: Tiết lưu CO2 lỏng đến áp suất điểm ba và nén liên tục tuyết CO2 thành từng khối đá khô, phương pháp này thực hiện trong chu trình áp suất cao ba cấp nén.

Phương pháp 2: Tiết lưu CO2 lỏng đến áp suất khí quyển và nén chặt thành khối băng trong quá trình đông cứng, phương pháp này thực hiện trong chu trình áp suất trung bình của hệ thống máy lạnh ghép tầng. 

Tùy theo điều kiện hay mục đích yêu cầu mà có thể sản xuất đá khô theo một trong hai phương pháp trên, tuy nhiên nếu sản xuất theo chu trình cao áp thì thiết bị phải đảm bảo độ an toàn cao. Nhất là đối với thiết bị ngưng tụ, bởi vì áp suất ở thiết bị ngưng tụ đạt tới từ

Sản xuất đá khô theo chu trình áp suất cao

1. Sơ đồ hệ thống thiết bị

2. Đồ thị chu trình nhiệt động của hệ thống

Chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh sản xuất đá khô cao áp

3. Nguyên lý làm việc

Thực chất nguyên lý làm việc của hệ thống sản xuất đá khô ở chu trình cao áp hay áp suất trung bình hoàn toàn giống như hệ thống lạnh sử dụng môi chất lạnh (NH3, freon,...), nó chỉ khác là hệ thống sản xuất đá khô là hệ thống hở còn hệ thống lạnh là hệ thống kín.

Nguyên lý làm việc ở chu trình cao áp như sau: khí CO2 tinh sạch ở bồn chứa ở trạng thái 0 sẽ kết hợp với CO2 ở trạng thái 15 bão hòa khô (nằm trên đường x=1) tạo ra khí CO2 ở trạng thái 1 có nhiệt độ dao động khoảng 250°C, được MN-C1 hút về, nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 2 có áp suất Ptg2 = (7÷9)kg/cm², sau đó đưa về TBLM-SB1 để làm giảm nhiệt độ chuyển từ trạng thái 2 sang trạng thái 2, tại đây nó sẽ kết hợp với CO2 ở trạng thái 12 bão hòa khô ở BGT-2 tạo ra trạng thái 3 có nhiệt độ dao động khoảng 250°C trước khi MN-C2 hút về. MN-C2 hút khí CO2 về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 4 có áp suất Ptg1 = (25÷30)kg/cm², sau đó đưa về TBLM-SB2 để làm giảm nhiệt độ chuyển từ trạng thái 4 sang trạng thái 4, tại đây nó sẽ kết hợp với CO2 ở trạng thái 9 bão hòa khô ở BTG-1 tạo ra trạng thái 5 trước khi MN-C3 hút về. MN-C3 hút khí CO2 về nén đoạn nhiệt hay đa biến lên trạng thái 6 có áp suất Pk = (60÷70)kg/cm² được đưa về TBTN, tại đây nó được nước làm mát thải nhiệt ra ngoài môi trường, thực hiện quá trình ngưng tụ đăng áp (Pk = const) 6-7 chuyển đổi pha từ pha hơi quá nhiệt sang pha lỏng, do cấu tạo TBNT lớn hơn một chút, vì vậy khi CO2 lỏng ra khỏi thiết bị ngưng tụ nó được quá lạnh ở trạng thái 7 có nhiệt độ dao động khoảng 250°C, lỏng CO2 ở trạng thái 7 được dẫn tới VTL-1 tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đăng entalpi (h = const) 7-8 vào BTG-1 đồng thời làm giảm áp suất từ Pk xuống Ptg1 và làm giảm nhiệt độ. CO2 sau khi tiết lưu vào BTG-1 ở trạng thái 8 năm trong vùng hơi ẩm bão hòa với pha lông nhiều hơn pha hơi, pha hơi tách ra nằm ở phần trên BTG-1 chuyện về trạng thái 9 (hơi bão hòa khô x =1), hơi bão hòa này có nhiệt độ thấp và có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi TBLM-SB2, còn phá lỏng được tách ra ở phần dưới đáy BTG-1 chuyển về trạng thái 10 (bão hòa lỏng x = 0). CO2 lỏng ở trạng thái 10 được dẫn đến VTL-2, tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đăng entalpi (h = const) 10-11 vào BTG-2 đồng thời làm giảm áp suất từ Ptg1 xuống Ptg2 kéo theo nhiệt độ giảm. CO2 sau khi tiết lưu vào BTG-2 ở trạng thái 11 nằm trong vùng hơi ấm bão hòa với pha lỏng nhiều hơn pha hơi, pha hơi tách ra nằm ở phần trên BTG-2 chuyển về trạng thái 12 (hơi bão hòa khô x =1), hơi bão hòa này có nhiệt độ thấp và có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt sau khi ra khỏi TBLM-SB1, còn pha lỏng được tách ra ở phần dưới đáy BTG-2 chuyển về trạng thái 13 (bão hòa lỏng x = 0). CO2 lỏng ở trạng thái 13 được dẫn tới VTL-3, tại đây nó thực hiện quá trình tiết lưu đăng entalpi (h= const) 13-14 vào buồng đá khô đồng thời làm giảm áp suất từ Ptg1 xuống P0 thấp hơn điểm ba (bằng áp suất khí quyển là tốt) kéo theo nhiệt độ giảm rất sâu, CO2 sau khi tiết lưu vào buồng đá khô ở trạng thái 14 năm trong vùng hơi ẩm bão hòa, thấp hơn trạng thái điểm ba và có nhiệt độ rất thấp nên lỏng và hơi CO2 sau VTL-3 được hóa đá tạo thành đã khô chuyển về trạng thái 16 nằm trong vùng rắn, phần hơi còn lại chưa được hóa đá chuyển về trạng thái 15 (hơi bão hòa khô x=1), hơi bão hòa này có nhiệt độ thấp và có nhiệm vụ làm mát hơi quá nhiệt CO2 chứa trong bồn. Sau đó thực hiện một chu trình mới tiếp theo.

Vì tiết lưu lần 3 xảy ra quá trình hóa đá lỏng và hơi CO2 nên cấu tạo VTL-3 sẽ khác so với tiết lưu thông thường. Cấu tạo VTL-3 và buồng đá khô như hình dưới.

Khoang hơi chính là không gian giữa hai vỏ (5) thông với đường hút vào của máy nén áp suất thấp (3). Khoang trong của VTL-3 và buồng đá khô (4) chứa lỏng CO2 ở áp lực (7÷9) bar vào từ BTG-2 (bình trung gian hai) qua van (1). Phần dưới của vách trong có các cửa (7), cửa của VTL-3 (van tiết lưu 3) thông hai vỏ với nhau. Trong quá trình nạp lòng qua van (1), các cửa van này đóng kín. Đường cân bằng hơi có van (2) để đảm bảo lòng không quá đẩy buồng đã khô. Sau khi nạp lỏng vào buồng thì đóng van (2) lại và mở cửa van tiết lưu (7) để tiết lưu lỏng đến áp suất khí quyền. Như vậy, có một lượng đá khô tạo thành và lượng còn lại sẽ hóa hơi trong khoang (5) được máy nén áp suất thấp hút về qua ống (3), đồng thời kết hợp với khí CO2 mới cấp vào để sản xuất nước đã khô.

Đá khô được tạo thành đầu tiên ở trong cửa van tiết lưu và sau đó ở trong khoang (4). Quá trình tiết lưu được tiếp tục qua khe hở giữa các tinh thể đá khô đã được tạo thành và quá trình tiếp diễn trong toàn bộ thể tích khoang trong. Khi đã hóa đả toàn bộ lỏng thì van (1) bắt đầu mở. Như vậy, dưới tác dụng của áp suất trong BTG-2, các tinh thể đã bị dồn nén lại thành một khối và long chứa đẩy vào khoang bị hụt thể tích do CO2 đông cứng lại.

Cuối quá trình làm đá, toàn bộ không gian trong chứa đầy đá khô và van (1) đóng kín lại, nhưng hơi vẫn tiếp tục được hút về máy nên nên áp suất trong buồng giảm.

Continue Reading

Nguồn nguyên liệu để sản xuất đá khô

Hiện nay nguồn nguyên liệu CO₂ rất đa dạng và phong phú như: nguồn khí thải trong các phản ứng sinh – hóa thực phẩm, nguồn khí thải do sản xuất công nghiệp... Đây là nguồn khí thải có khối lượng rất lớn. Hầu hết toàn bộ sản xuất công nghiệp sử dụng năng lượng và nguyên liệu hữu cơ để phục vụ cho sản xuất đều sản sinh ra khí CO₂.

1. Nguồn CO₂ của quá trình lên men rượu bia

Trong công nghệ sản xuất rượu, bia lượng phế liệu là CO₂ rất lớn. Quá trình sinh – hóa khi lên men rượu, bia từ gluxit (đường) đều thải ra khí CO₂.

Phương trình phản ứng sinh – hóa của quá trình lên men có thể viết như sau.

C6H12O6 -> 2 C₂H5OH + 2 CO₂ + Q

Theo phương trình phản ứng trên thì cứ 180kg gluxit đã đường hóa cho lên men rượu, bia nếu hiệu suất phản ứng đạt 100% thì thu được 92kg Etylic và 88kg CO₂, thực tế khi sản xuất thì hiệu suất phản ứng chi đạt từ (85 ÷ 90)%, tức là 180kg gluxít đã đường hóa cho lên men rượu, bia thì thu được từ (78,2 ÷82,8)kg Etylic và từ (74,8 ÷79,2)kg CO₂. Điều đó cho thấy cứ 1kg gluxit đã đường hóa khi lên men rượu, bia sẽ thu được từ (0,415÷0,44)kg CO₂, có nghĩa là lượng CO₂ thu được trong quá trình lên men của các nhà máy sản xuất bia, rượu là rất lớn. Thông thường quá trình lên men ở trong các nhà máy sản xuất rượu, bia được thực hiện trong các bồn kín có dung tích từ (180÷200)m, thời gian thực hiện quá trình lên men khoảng (40÷60)giờ, ở giai đoạn lên men sơ bộ thì lượng CO₂ thải ra từ từ, ở giai đoạn lên men chính thì lượng CO₂ thải rất nhiều, còn đối với thiết bị lên men liên tục thì lượng CO₂ thải ra với tốc độ đều đặn.

Ở giai đoạn đầu CO₂ thu được chứa rất nhiều hàm lượng không khí nên được xả ra ngoài, ở giai đoạn lên men chính thì áp suất (100÷150)mm cột nước, CO₂, khí được theo đường ống qua hệ thống hấp phụ các tạp chất như: dầu, aldehyt, axetic, glyxerin, các hợp chất vòng bay hơi vv. bằng than hoạt tính, silicagen và sau đó qua hệ thống làm sạch bằng hóa chất để oxy hóa các hợp chất và tách những sản phẩm oxy hóa ra. Có thể thu được lượng CO2 cực lớn trong công nghệ sản xuất cồn từ xellulose.

2. Nguồn CO₂ từ tổng hợp NH3

Trong công nghệ sản xuất phân bón như: NH4NO3, (NH4)₂SO4, (NH₂)CO và cũng như sản xuất môi chất lạnh NH3 thì nguồn CO₂ phế liệu thu được từ công nghệ này là rất lớn. Cứ 1 tấn NH3 tổng hợp thu được 2,5 tấn CO₂. Trong lò phản ứng có nhiệt độ cao, hỗn hợp khí CO, N₂, hơi nước (H₂O) đi qua có chất xúc tác. Ở giai đoạn đầu phản ứng xảy ra:

CO+ H₂O = H₂ + CO₂

Hỗn hợp khí tạo thành CO₂, CO, H₂, N₂, NH3, hơi nước đi qua tháp rửa có áp suất từ (16-28) at, CO₂ được tách ra khỏi hỗn hợp nitơ – hydro. Hỗn hợp khí còn lại đi qua tuabin nước giảm áp tới áp suất thường nên hỗn hợp khi được tách ra, trong đó có tới (85÷98)% thể tích là CO₂. Hỗn hợp còn chứa N₂, H₂, CO và khoảng (2÷4) g/m H₂S (chính hỗn hợp này làm cho đá có mùi hôi khó chịu). Hỗn hợp khí được tách tạp chất, H₂S được tách trong thiết bị hấp thụ, sau đó qua tháp có than hoạt tính và tập trung vào bình chứa CO₂, từ bình này khí CO₂ đi vào hệ thống lạnh ba cấp nén. Để tăng hiệu quả thu hồi CO₂, và giảm áp suất dãn nở, thiết bị ngưng tụ CO₂ được giải nhiệt bằng sự bay hơi NH3 của một hệ thống lạnh phụ trợ (hệ thống lạnh ghép tầng - Cascade). Những khi không ngưng trong thiết bị ngưng tụ CO₂ này sẽ được thải ra ngoài, còn CO₂ lỏng tiếp tục chuyển sang CO₂ rắn.

3. Nguồn CO₂ từ cacbonat thiên nhiên

Những muối cacbonat trong tự nhiên CaCO3, MgCO3, có rất nhiều ở núi đá vôi với hàm lượng rất lớn và chứa nhiều CO₂, đá vôi, Mramor, phấn ... là những hợp chất CaCO3 có chứa tới 44% CO₂, đá vôi mangan chứa tới 52% CO₂. Hiện nay trong công nghiệp thực hiện phản ứng phân hủy nhân tạo hợp chất CaCO3, thiên nhiên để thu nhận với CaO, ximăng, mangan, Phân hủy nhiệt những cacbonat trong lò nung sẽ thu nhận CO₂. Phương trình phản ứng xảy ra như sau.

CaCO3 => CaO + CO₂

MgCO3 -> MgO + CO₂

Khói từ các lò hầm với chứa 40% thể tích CO₂, là các nguồn nguyên liệu tương đối tốt cho công nghiệp sản xuất CO₂ và cũng là nguồn CO₂ cho công nghiệp sản xuất đá khô. Công nghệ lạnh CO₂ này cũng tương tự như ở CO₂ từ khỏi lò, nhưng ở đây do hàm lượng CO₂ nhiều hơn nên hệ thống thiết bị làm sạch gọn gàng hơn.

Continue Reading

Lịch sự phát triển và cơ sở khoa học công nghệ sản xuất đá khô

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ ĐÁ KHÔ

Công nghệ sản xuất nước đá khô có lịch sử phát triển bắt đầu những năm cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nói chung còn rất trẻ.

Năm 1761 ÷ 1764 giáo sư Black trong những lần thí nghiệm nhiệt – lạnh đã tìm ra lý thuyết về nhiệt ẩn đông đặc của pha lỏng sang pha rắn và ẩn nhiệt bốc hơi từ pha rắn sang pha hơi. Dựa vào lý thuyết này con người biết làm lạnh bằng cách cho chất lỏng bay hơi hoặc cho chất rắn hóa hơi (gọi là thăng hoa), quá trình bay hơi là quá trình thu nhiệt và vật bị bay hơi sẽ bị mất nhiệt và trở nên lạnh đi (hay giảm nhiệt độ xuống).

Tiếp theo là một phát hiện quan trọng vào năm 1780 khi hai nhà khoa học Clouet và Monge lần đầu tiên hóa lỏng khí SO2. Từ năm 1781 Clouet bắt đầu nghiên cứu hiện tượng hóa lỏng chất khí một cách có hệ thống. Bắt đầu hình thành nên cơ sở lý thuyết khoa học hóa lỏng, hóa rắn của chất khí.

Vào những năm đầu thế kỷ thứ 19, ngành kỹ thuật phát triển một cách mạnh mẽ tạo tiền đề cho ngành công nghệ sản xuất đá khô phát triển sau này.

Năm 1823 Faraday bắt đầu công bố các công trình về hóa lỏng khí SO2, CO2, N2O, C2H2, NH3 và HCl..., Đến năm 1845 ông đã hóa lỏng được hầu hết các loại khí nhưng vẫn bó tay trước các loại khí N2, O2, CH4, CO, NO và H2. Người ta cho rằng các loại khí này không thể hóa lỏng được, chỉ luôn luôn ở thể khí nên gọi là khí “vĩnh cửu- permenant, lý do là vì Natleret nhà khoa học của Áo đã nén chúng tới một áp lực cực lớn, 3600 atm, mà vẫn không hóa lỏng được. Mãi tới năm 1869, Andrew, một nhà khoa học người Anh giải thích được điểm tới hạn của khí hóa lỏng và nhờ đó Cailletet (Pháp) hóa lỏng được khí O2 và N2. Năm 1877 Dewar (Anh) hóa lỏng được khí H2, năm 1898 Linde (Đức) hóa lỏng O2 và N2 và tách bằng chưng cất, tiếp theo đó K.Onnes (Hà Lan) hóa lỏng được Heli. Và công nghệ sản xuất đá khô bắt đầu từ đây, nói chung công nghệ sản xuất đá khô được phát hiện khi các nhà khoa học đi tìm cách để chưng cất dầu mỏ.

Năm 1926, Tập đoàn Nhiệt lạnh Danfoss đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống sản xuất nước đá khô và được trưng bày ở hội chợ thương mại ở Munich (Đức).

Năm 1929, Tập đoàn Carrier cũng đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống này và chuyển giao công nghệ cho nhiều nước trên thế giới. Cho đến nay nhiều nước trên thế giới, trong đó có cả Việt Nam, đã thiết kế chế tạo được hệ thống này.

II. CƠ SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ĐÁ KHÔ

Đá khô là tên gọi của CO2 (khí cacbonic) ở thể rắn, loại đá này thường được dùng trong công nghệ chế biến và bảo quản nguyên liệu, sản phẩm thực phẩm. Ngoài ra đá khô còn dùng trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác như: y học, công nghệ tế bào, công nghệ bảo quản gen, công nghệ enzyme, v.v.

1. Tính chất hóa – lý của khí cacbonic (CO2)

Giản đồ trạng thái pha của khí CO2 trên đồ thị P–t ở hình 1 có thể cho thấy rõ, khí cacbonic trong tự nhiên luôn có thể tồn tại ở trạng thái của ba pha khí – lỏng – rắn tuỳ theo từng điều kiện áp suất P và nhiệt độ khác nhau. Ở trên giản độ P-t chia ra làm ba miền, miền AOD CO2 luôn tồn tại ở thể khí, miền DOB CO2, luôn tồn tại ở thể lỏng, miền BOA CO2 luôn tồn tại ở thể rắn.

Hình 1. Giản đồ trạng thái pha P-t của CO2

Điểm O gọi là điểm ba, tại đó tồn tại đồng thời một lúc ba thể rắn lỏng – khí, đối với CO2 thì áp suất và nhiệt độ của điểm ba tương đối cao O (P = 5,36 bar = 5,28 atm = 5,47 kg/cm² = 5,47 at; t = -56,6°C), tại điểm này CO2 tồn tại ở ba thể rắn – lỏng – khí.

Điểm K gọi là điểm tới hạn, tại đó không còn phân biệt giữa pha lỏng và hơi (hơi quá nhiệt), đối với CO2 thì áp suất và nhiệt độ của điểm tới hạn tương đối thấp K (P = 73,5 bar; t=31°C).

Ở điều kiện áp suất khí quyển (nhỏ hơn áp suất điểm ba) và nhiệt độ bình thường thì CO2 luôn tồn tại ở thể khí, còn ở áp suất khí quyển thì tuỳ theo nhiệt độ mà nó có thể tồn tại ở trạng thái rắn hay trạng thái khí, ở điều kiện áp suất khí quyển CO2 rắn chỉ có thể chuyển trực tiếp sang trạng thái khí mà không qua giai đoạn hóa lỏng và đó chính là quá trình thăng hoa, vì vậy gọi CO2 là “băng khô” hay “đá khô”. Và CO2 từ trạng thái khí chuyển sang thể rắn, quá trình đó gọi là quá trình hóa đá.

Trên đồ thị cho ta thấy có thể sản xuất đá khô theo hai hướng cơ bản sau đây.

(1) – có thể chuyển CO2 ở trạng thái khí sang trạng thái lỏng, sau đó tiếp tục làm lạnh đưa CO2 từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (gọi là làm lạnh ngưng tụ đông đặc), theo hướng này thì áp suất trong quá trình chuyển trạng thái có giá trị trên trạng thái điểm ba.

(2) – có thể chuyển CO2 ở trạng thái khí trực tiếp sang trạng thái rắn (gọi là hóa tuyết), theo hướng này thì áp suất và nhiệt độ của quá trình hóa tuyết phải có giá trị nằm dưới điểm ba. Như vậy điểm ba tạm gọi là điểm ngăn cách của hai hướng.

Ở áp suất khí quyển (khoảng 1 bar) đá khô thăng hoa ở nhiệt độ -78,9°C. Khi áp suất giảm thì nhiệt độ thăng hoa cũng giảm theo. Ẩn nhiệt thăng hoa theo nhiệt độ được biểu diễn theo phương trình sau.

Lt = L0 - 0,2409.T + 0,0014957.T² - 0,00000431.T³, kcal/kg

Với: L0 = 158,96 kcal/kg. (6.1)

Ở P=1 at thì Lt = 136,89 kcal/kg (trong điều kiện hỗn hợp khí cân bằng bên trên là 100% khí CO2).

CO2 là khí nặng hơn không khí. Ở điều kiện tiêu chuẩn (áp suất 760mmHg và nhiệt độ 0°C) khối lượng riêng của CO2 là khoảng 1,877kg/m, tức là nặng hơn không khí 1,529 lần. Khi hóa rắn, thể tích của lỏng CO2 giảm xuống khoảng 28% so với thể tích ban đầu, ngược lại với nước khi nước đóng băng thì thể tích lại tăng lên 9%, CO2 rắn trong suốt và có khối lượng riêng 1560kg/m, tuy nhiên trong điều kiện công nghiệp nó có màu trắng đục và xốp hơn do lẫn tạp chất nên khối lượng riêng của nó khoảng (1300-1500)kg/m³. Nói chung, CO2 rắn phụ thuộc vào phương pháp tinh sạch CO2 và phương pháp sản xuất đá CO2.

Nhiệt dung riêng của đá khô trong khoảng nhiệt độ (-57÷110)°C có thể xác định theo phương trình sau đây:

C = 1,676 - 0,00997.T - 0,0000524.T², kcal/(kg.K) và ở mật độ ρ=1400kg/m có C = 1,383 kJ/kg.K). (6.2)

CO2 không có hại đối với con người và động thực vật nhưng nó có khả năng gây ô nhiễm môi trường, ở nồng độ cao nó ảnh hưởng đến các lớp khí quyển bảo vệ trái đất. Nó là nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ của trái đất làm cho trái đất ấm lên, như vậy cần phải thu nhận CO2 và xử lý các khí thải công nghiệp, tận dụng các khí thải này theo các chiều hướng có lợi hơn.

Continue Reading