Nghiên cứu mô phỏng hệ thống thiết bị sản xuất bia không cồn

TÓM TẮT:

Bia không cồn hay bia có lượng cồn thấp đang được người sử dụng ngày càng ưa chuộng do có lợi cho sức khỏe và các yếu tố xã hội liên quan. Nghiên cứu đã thiết kế và mô phỏng hệ thống thiết bị sản xuất bia không cồn từ nguyên liệu bia truyền thống bằng phương pháp chưng chân không ở áp suất khác nhau: 60 mbar, 100 mbar, và 200 mbar. Các thông số cấu trúc và công nghệ của tháp được tính toán thiết kế như số đĩa lý thuyết, vị trí nạp liệu, chỉ số hồi lưu, lưu lượng và chất lượng sản phẩm đỉnh, đáy, lượng nhiệt sử dụng. Phần mềm Aspen plus đã được sử dụng để mô phỏng nhằm dự đoán chất lượng sản phẩm bia cuối cùng. Các kết quả cho thấy, việc áp dụng phương pháp sản xuất bia không cồn từ nguyên liệu bia truyền thống là khả thi, giữ được vị và chất lượng bia sau quá trình tách cồn.

Từ khóa: không cồn, bia, mô phỏng, chưng luyện chân không.

1. Đặt vấn đề

Bia không cồn được định nghĩa là mức độ cồn dao động từ 0.0% đến 0.5%. Hiện nay, trên thị trường có các thương hiệu lớn như Heineken 0.0 (độ cồn 0%), bia không cồn Sagota (độ cồn 0.5% và 0%), bia không cồn Hà Lan nhập khẩu Bavaria (độ cồn 0.0%), bia Tiệp nhập khẩu không cồn Steiger (độ cồn 0.1 - 0.5%), bia Tiệp không độ nhập khẩu Luxury (độ cồn 0.5%), bia Đức chay nhập khẩu Oettinger (độ cồn 0.5%), bia không độ Nga nhập khẩu Baltika (độ cồn 0.5%) có giá thành cao và được nhập khẩu về Việt Nam. Kể từ khi Luật Phòng chống tác hại của rượu, bia, Nghị định 100, áp dụng từ ngày 01/01/2020 phạt nặng người điều khiển phương tiện có nồng độ cồn trong máu và hơi thở, bia không cồn thực sự trở thành một sản phẩm được ưa chuộng và có tiềm năng phát triển. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các sản phẩm bia không cồn thường được nhập khẩu ở nước ngoài hoặc được sản xuất bởi các thương hiệu lớn có giá thành cao, chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế của người tiêu thụ ở Việt Nam.

Nghiên cứu đề cập tới các phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn trên thế giới và lựa chọn một phương pháp cụ thể phù hợp với trình độ công nghệ ở Việt Nam để triển khai thiết kế, mô phỏng các thông số công nghệ và thiết bị trong dây chuyền.

2. Tổng quan về công nghệ sản xuất bia không cồn

Một trong những vấn đề lớn nhất của các công nghệ sản xuất bia không cồn là sản phẩm cần phải có đặc điểm cảm quan gần giống các loại bia thông thường để đáp ứng nhu cầu thị trường. Các phương pháp sản xuất bia không cồn chủ yếu hạn chế sự hình thành cồn bằng cách lên men gián đoạn hoặc lên men không hoàn toàn. Một hướng khác để sản xuất bia không cồn là phát triển các phương pháp tách cồn từ nguyên liệu bia truyền thống [1,2,3].

Phương pháp lên men gián đoạn được thực hiện thông qua việc sử dụng phương pháp lên men một phần bằng cách loại bỏ các nấm men và do đó sẽ dừng quá trình lên men [4]. Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng hệ thống thiết bị giống như bia truyền thống, giúp hạn chế các khoản đầu tư mới. Tuy nhiên, nhược điểm là quá trình lên men không đủ để thu được bia không cồn, cũng như không thúc đẩy quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu thành bia. Phương pháp tiếp xúc men lạnh là quá trình lên men được thực hiện ở nhiệt độ thấp với thời gian lên men kéo dài [5]. Phương pháp này cũng giúp hạn chế quá trình hình thành cồn trong sản phẩm, tuy nhiên, các hợp chất hương vị bị giảm xuống, khiến cho chất lượng bia giảm so với bia truyền thống.

Một trong những phương pháp sản xuất bia không cồn là tách cồn trong bia truyền thống. Các phương pháp này có thể kể đến là phương pháp xử lý nhiệt, phương pháp chiết và phương pháp lọc màng. Phương pháp bốc hơi chân không là phương pháp sử dụng thiết bị bốc hơi màng mỏng ở nhiệt độ khoảng 37 đến 60^oC ở áp suất từ 60 đến 200 mbar [6]. Thiết bị bốc hơi màng mỏng bao gồm các ống gia nhiệt đặt thẳng đứng, bia truyền thống được gia nhiệt đến 45^oC trong điều kiện chân không. Dòng chảy màng trên các ống gia nhiệt, cồn bay hơi và được tách vào thiết bị ngưng tụ. Bia tiếp tục được đưa đến thiết bị bốc hơi thứ 2 và cuối cùng được xử lý đến nồng độ cồn khoảng 0.05% thể tích. Nhược điểm của phương pháp là chi phí năng lượng cao, quá trình tác động nhiệt dẫn đến phân hủy các chất nhạy cảm với nhiệt độ và hương dễ bay hơi làm mất vị bia. Phương pháp chưng chân không là phương pháp sử dụng tháp chưng luyện làm việc ở áp suất chân không. Nồng độ cồn trong bia có thể giảm xuống khoảng 0.05% thể tích. Việc sử dụng chân không giúp cho quá trình làm việc ở nhiệt độ thấp. Chưng cất trong thiết bị chưng có cơ cấu ly tâm là quá trình bia tạo thành màng mỏng trên bề mặt các đĩa ly tâm được gia nhiệt. Cồn bay hơi và được thu lại trong thiết bị ngưng. Nhiệt độ làm việc trong khoảng từ 30 đến 34^oC. Thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn (< 10 s) trên một đĩa nên quá trình được lặp lại nhiều lần trên các đĩa ly tâm từ cao xuống thấp. Nồng độ cồn đạt được trong bia vào khoảng 0.05% thể tích. Phương pháp chiết xuất là phương pháp sử dụng dung môi không hòa tan trong nước nhưng độ hòa tan cao trong cồn. Quá trình chiết xuất sử dụng quá trình chiết CO₂ siêu tới hạn. Khi đó, cồn được hòa tan trong dung môi và được tách ra ngoài khỏi bia. Phương pháp này có ưu điểm thực hiện ở nhiệt độ thường tránh được sự tác dụng của nhiệt gây ảnh hưởng tới chất lượng của bia. Các phương pháp màng được sử dụng trong các quá trình sản xuất bia không cồn bao gồm lọc nano, thẩm thấu ngược, thẩm tách [7,8]. Ưu điểm của các phương pháp này là tiến hành ở nhiệt độ thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, ít hoặc không sử dụng phụ gia hóa học giúp giảm chi phí vận hành cũng như chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là năng suất lọc không cao.

Ở Việt Nam, do nền công nghiệp cơ khí chế tạo chưa phát triển mạnh, do đó, phương pháp phù hợp là phương pháp tách cồn bằng thiết bị chưng ở áp suất chân không có thiết bị thu hồi hương. Quá trình làm việc ở nhiệt độ thấp, áp suất thấp nên bia không bị biến đổi tính chất hóa học và vẫn giữ được hương vị thơm ngon giống với bia truyền thống. Hình 1 mô tả dây chuyền sản xuất bia không cồn bằng phương pháp chưng ở áp suất chân không có thiết bị thu hồi hương [3].

Nguyên liệu bia truyền thống theo dòng: (1) đi vào thiết bị trao đổi nhiệt kiểu tấm; (2) được gia nhiệt lên đến nhiệt độ 45^oC, sau đó, được đưa đến thiết bị tách hương; (3) do áp suất đột ngột giảm. Khi đó, các thành phần thơm dễ bay hơi của bia sẽ được thu hồi trước khi đi vào thiết bị chưng. Phần hương này sau đó được ngưng tụ lại và được đưa đến thiết bị phối trộn hương: (5) với bia sau khi đã loại bỏ cồn trong bia. Trong thiết bị chưng chân không tách cồn; (4), cồn được loại bỏ khỏi bia ở nhiệt độ khoảng 40^oC được dẫn tới thiết bị ngưng tụ; (6). Sau đó, tiếp tục làm lạnh đến nhiệt độ khoảng 1^oC rồi đưa tới thiết bị phối hương.

3. Phương pháp nghiên cứu

Thành phần của bia sử dụng trong nghiên cứu này được trình bày trong Bảng 1 trên cơ sở các số liệu của nghiên cứu [9].

Bảng 1: Thành phần chính của bia truyền thống [9]

Nhóm este đóng vai trò quan trọng trong hương vị và mùi thơm của bia. Đặc biệt là hợp chất Ethyl acetate và Isomyl acetate. Nó ảnh hưởng rất lớn tới hương vị của bia. Một trong những yếu tố quan trọng giúp quá trình mô phỏng có kết quả tin cậy là việc lựa chọn đúng mô hình nhiệt động. Nghiên cứu chỉ ra rằng các mô hình như Wilson, NRTL và UNIQUAC hoàn toàn có khả năng mô tả chính xác hệ thống. Trong nghiên cứu này, lựa chọn mô hình nhiệt động Wilson để mô phỏng quá trình. Sơ đồ sản xuất bia không cồn bằng phương pháp chưng chân không có thiết bị thu hồi hương được mô phỏng bằng phần mềm như trong Hình 2.

Dòng S1 là dòng nguyên liệu được cấp vào có thành phần trình bày như trong Bảng 1. Năng suất là 500 L/h. Sau đó, qua thiết bị gia nhiệt B1 nâng nhiệt độ lên 45^oC, rồi vào thiết bị tách B2 để tách hương. Cồn và nước sẽ được đưa vào thiết bị chưng chân không B4 nhằm tách cồn. Sản phẩm bia không cồn theo đường S6 hòa trộn với dòng tách hương S4 được dòng sản phẩm cuối cùng S7.

Các thông số cấu trúc và các thông số công nghệ của tháp chưng chân không được tính toán bằng phương pháp ngắn (shortcut method). Trong đó, phương trình Underwood được sử dụng để tính toán chỉ số hồi lưu nhỏ nhất, phương trình Fenske được dùng để tính toán số bậc cần thiết và phương trình Gilliland được sử dụng để xác định vị trí cấp liệu. Sau đó, các thông số này được đưa vào phần mềm để mô phỏng dựa trên các điều kiện công nghệ khác nhau.

4. Kết quả và thảo luận

Bảng 2 đưa ra kết quả tính toán thông số cấu trúc và thông số công nghệ của tháp chưng chân không làm việc ở các điều kiện áp suất chân không ở 60 mbar, 100 mbar và 200 mbar.

Từ kết quả Bảng 2 có thể thấy rằng, áp suất làm việc tăng từ 60 mbar, 100 mbar và 200 mbar thì chỉ số hồi lưu thực tế giảm dần, đồng nghĩa với việc năng lượng sử dụng cho tháp tương ứng tăng dần.

Bảng 2. Thông số cấu trúc và công nghệ của tháp chưng chân không

Áp suất làm việc của tháp không ảnh hưởng tới cấu trúc của tháp khi số bậc thực tế bằng 5 và vị trí cấp liệu ở vị trí bậc 4. Do đó, khi tính toán thiết kế tháp, có thể thiết kế 5 bậc và vị trí cấp liệu là 4 nhưng có thể vận hành ở những điều kiện áp suất khác nhau sẽ không ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm. Như trong Bảng 2, hàm lượng cồn trong sản phẩm (% w) vẫn đảm bảo ở 0.0014%w đạt yêu cầu của bia không cồn.

Tuy nhiên, nhiệt độ đỉnh tháp và đáy tháp ở áp suất 60 mbar là 22.64^oC và 36.04^oC nên có thể thấy rằng, bia sẽ không chịu tác động về nhiệt trong quá trình tinh chế loại bỏ cồn, giúp cho bia sẽ không bị thay đổi hương và vị cho sản phẩm cuối cùng. Ngược lại, khi tháp làm việc ở áp suất 200 mbar, nhiệt độ đỉnh và đáy tháp tăng lên 44.92 ^oC và 59.92^oC, có thể làm cho các cấu tử dễ phân hủy vì nhiệt và do đó khiến hương và vị của sản phẩm bia cuối cùng thay đổi.

Bảng 3. Kết quả so sánh giữa thành phần ban đầu và thành phần cuối của sản phẩm bia không cồn

Bảng 3 cho kết quả thành phần bia không cồn trong dòng S7. Có thể thấy rằng, thành phần của hương là rất nhỏ so với các thành phần như nước và cồn. Tuy nhiên, theo các phân tích của các bài báo khoa học, chỉ cần một thay đổi rất nhỏ thành phần của hương cũng khiến cho vị bia và hương bia thay đổi rất nhiều. Điều này có thể giải thích vì sao thành phần của S6 và S7 gần như giống nhau.

Hình 3 và Hình 4 mô tả thành phần các cấu tử và nhiệt độ dọc theo chiều cao của tháp chưng chân không. Tại bậc 1 của tháp chưng luyện, thành phần của nước - cồn là 0.6 - 0.4 tại nhiệt độ khoảng 24^oC. Trong khi đó, tại bậc 5 của tháp chưng luyện, thành phần của cồn là không đáng kể ở nhiệt độ khoảng 35^oC.

5. Kết luận

Mô phỏng quá trình sản xuất bia không cồn bằng phương pháp chân không có hệ thống tách hương cho thấy sản phẩm cuối cùng có thành phần hương và vị chấp nhận được và đạt tiêu chuẩn của bia không cồn. Cấu trúc tháp ở các điều kiện đã kiểm tra ở áp suất 60 mbar, 100 mbar, 200 mbar là không thay đổi và không ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm bia cuối cùng (hàm lượng cồn là như nhau). Nghiên cứu chỉ ra áp suất làm việc ở 60 mbar nên được sử dụng trong tính toán thiết kế chuyển quy mô công nghiệp với quá trình công nghệ ở nhiệt độ làm việc thấp giúp vị bia, hương bia tốt nhất.

 TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Wolfgang Kunze. (1999). Technology and brewing and malting, VLB Berlin, Germany.
2. Margarida Catarino, Adelio Mendes. (2011). Non-alcoholic beer - A new industrial process. Separation and purification technology, 79, 342-351.
3. Carlos Muller et al. (2020). Processes for alcohol - free beer production: A review. Food Science and Technology, Campinas, 40(2), 273-281.
4. Van Iersel et al. (2000). Influence of yeast immobilization on fermentation and aldehyde reduction during the production of alcohol-free beer. Enzyme and Microbial Technology, 26(8), 602–607.
5. Pilarski, D. W., & Gerogiorgis, D. I. (2019). Process and modeling of cold contact fermentation for alcohol-free beer production: review. Journal of Food Engineering, 109804.
6. Tomas Branyik et al. (2012). A review of methods of low alcohol and alcohol-free beer production. Journal of food engineering, 108(4), 493-506.
7. M. Catarino et al. (2007). Alcohol removal from beer by reverse osmosis. Sep. Sci. Technol, 42(13), 3011-3027.
8. Liguori, L et al. (2015). Production and characterization of alcohol-free beer by membrane process. Food and Bioproducts Processing, 94, 158-168.
9. Andrés-Iglesias et al., (2015). Simulation and flavor compound analysis of dealcoholized beer via one-step vacuum distillation. Food Research International, 76, 751-760.

Conceptual design and simulation of vacuum distillation system to produce free-alcohol beer

Ph.D Nguyen Trung Dung

 Ph.D Ta Hong Duc^*

School of Chemical Engineering, Hanoi University of Science and Technology

ABSTRACT:

Free-alcohol or low-alcohol beer becomes more popular thanks to its health benefits and related social aspects. In this study, the free-alcohol beer production was designed and simulated from traditional beer by using the vacuum distillation at different pressure values: 60 mbar, 100 mbar, and 200 mbar. The number of theoretical plates, feeding position, reflux ratio, flow rate and composition at the top and bottom products, and the energy of used were established. The finished beer production quality was predicted by applying Aspen plus program. The results show that the vacuum distillation column is useable to produce free-alcohol beer from traditional beer as a raw material. The free-alcohol beer made from this production method has the same taste and quality as the traditional beer.

Keywords: free-alcohol, beer, simulation, vacuum distillation.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 17, tháng 7 năm 2021]