Khóa luận Thiết kế nhà máy bia năng suất 50 triệu lít/năm từ nấu và lên men bia nồng độ cao 14oBx, sử dụng 50% nguyên liệu thay thế, trong đó 25% là đại mạch Việt Nam và 25% là đường

Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 1 MSSV: 504301019 MỤC LỤC MỤC LỤC............................................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... 3 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 4 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGÀNH BIA .........................................8 1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới ........................................ 8 2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia tại Việt Nam ....................................... 9 3. Tình hình sản xuất bia nồng độ cao trên thế giới và ở Việt Nam........... 12 CHƯƠNG 1: LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT CHO NHÀ MÁY BIA XÂY DỰNG ................................................................ 16 1.1. Ưu điểm của bia nồng độ cao ................................................................. 16 1.2. Ưu điểm của việc sử dụng đường và đại mạch trong sản xuất bia ......... 17 1.3. Địa điểm xây dựng nhà máy ................................................................... 18 CHƯƠNG 2: CHỌN VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT ............................................................................ 21 2.1. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm.................................................................. 21 2.2. Nguyên liệu sản xuất bia......................................................................... 22 2.3. Lựa chọn dây chuyền công nghệ............................................................. 35 2.4. Thuyết minh dây chuyền sản xuất .......................................................... 37 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG SẢN PHẨM.................................. 61 3.1. Các thông số ban đầu .............................................................................. 61 3.2. Tính toán lượng bia từ 100kg nguyên liệu ban đầu ................................ 62 3.3. Lập kế hoạch sản xuất ............................................................................. 69 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ ....................................... 74 4.1. Phân xưởng nấu......................................................................................... 74 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 2 MSSV: 504301019 4.2. Phân xưởng lên men.................................................................................. 89 4.3. Hệ thống thiết bị phân xưởng hoàn thiện................................................ 100 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG...................................................... 104 5.1. Thiết kế bố trí tổng mặt bằng .................................................................. 104 5.2. Tính toán các hạ mục công trình............................................................. 105 CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN HƠI – NƯỚC - ĐIỆN – LẠNH...................... 114 6.1. Tính toán hơi cho nhà máy...................................................................... 114 6.2. Tính toán nước cho nhà máy................................................................... 121 6.3. Tính toán điện tiêu thụ cho nhà máy....................................................... 126 6.4. Tính toán lạnh cho nhà máy.................................................................... 139 CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN CIP VÀ VỆ SINH AN TOÀN......................... 145 7.1. Hệ thống CIP trong phân xưởng nấu ...................................................... 145 7.2. Hệ thống CIP trong phân xưởng lên men ............................................... 147 7.3. Vệ sinh và an toàn lao động.................................................................... 149 7.4. Bảo hộ và an toàn lao động..................................................................... 151 CHƯƠNG 8: MÔI TRƯỜNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ .................... 153 8.1. Các yếu tố chính trong nhà máy bia ảnh hưởng tới môi trường ............. 153 8.2. Tổng quan về xử lý nước thải ................................................................. 157 8.3. Phương án xử lý nước thải cho nhà máy bia........................................... 158 CHƯƠNG 9: TÍNH TOÁN KINH TẾ .......................................................... 164 9.1. Mục đích và ý nghĩa................................................................................ 164 9.2. Nội dung phần tính toán kinh tế.............................................................. 164 9.3. Đánh giá các chỉ tiêu và hiệu quả ........................................................... 171 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 174 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 175 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 177 Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 3 MSSV: 504301019 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ sinh học – Môi trường trường Đại học dân lập Phương Đông đã tạo điều kiện cho em được học tập và nghiên cứu trong một môi trường học tập khoa học, giúp cho em có những kiến thức vững vàng trước khi bước vào đời. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của cô giáo GS.TS Nguyễn Thị Hiền – cô là người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo cho em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Đồng thời em cũng xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình em và bạn bè những người luôn đứng sau giúp đỡ, chia sẻ với em những khó khăn và thuận lợi trong thời gian qua. Đề tài tốt nghiệp của em là “Thiết kế nhà máy bia năng suất 50 triệu lít/năm, từ nấu và lên men bia nồng độ cao 14oBx, sử dụng 50% nguyên liệu thay thế, trong đó 25% là đại mạch Việt Nam và 25% là đường”. Đây là bản đồ án có khối lượng công việc tương đối lớn, nhưng do thời gian thực hiện còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn bè để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 17 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện Trần Thị Thu Hà Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 4 MSSV: 504301019 MỞ ĐẦU Bia là loại nước giải khát có truyền thống lâu đời, có giá trị dinh dưỡng cao và có độ cồn thấp, mùi vị thơm, ngon và bổ dưỡng. Công nghệ sản xuất bia khá đặc biệt, bởi vậy nó mang lại cho người uống một cảm giác rất sảng khoái và hấp dẫn. Trong bia có chứa hệ enzym phong phú và đặc biệt là enzym kích thích cho sự tiêu hóa. Vì vậy uống bia với một lượng thích hợp không những có lợi cho sức khỏe, ăn cơm ngon, dễ tiêu hóa, mà còn giảm được sự mệt mỏi sau một ngày làm việc mệt nhọc. Khi đời sống kinh tế xã hội phát triển, nhu cầu tiêu thụ bia của con người ngày càng tăng, thậm trí đã trở thành loại nước giải khát không thể thiếu hàng ngày đối với mỗi người dân phương Tây. So với những loại nước giải khát khác, bia có chứa một lượng cồn thấp (3 – 8o) và nhờ có CO2 giữ được trong bia nên tạo nhiều bọt khi rót, bọt là đặc tính ưu việt của bia, là yếu tố để phân biệt bia với những loại nước giải khát khác. Về mặt dinh dưỡng, một lít bia có chất lượng trung bình tương đương với 25 gram thịt bò hoặc 150 gram bánh mỳ loại một, hoặc tương đương với nhiệt lượng là 500 kcal, bằng 2/3 năng lượng được cung cấp từ cùng một thể tích sữa. Ngoài ra, trong bia còn chứa vitamin B1, B2, B5, B6, rất nhiều vitamin PP và các axit amin cần thiết cho cơ thể, các chất khoáng và nguyên tố vi lượng khác. Chính vì vậy từ lâu bia đã trở thành thứ đồ uống quen thuộc được rất nhiều người ưa thích. Trong những năm gần đây, nhu cầu uống bia của con người ngày một tăng nhanh, cùng với sự phát triển của ngành công nghệ sinh học, công nghệ sản xuất bia đã có những bước tiến nhảy vọt. Nhiều cải tiến về công nghệ đã được áp dụng vào sản xuất bia, đã nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Ngày nay ngành sản xuất bia Việt Nam cũng như các nhà máy bia liên doanh hay các hãng bia nước ngoài Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 5 MSSV: 504301019 luôn không ngừng mở rộng, cải tiến, xây dựng các nhà máy mới phù hợp và nâng cao chất lượng nhằm đáp ứng nhu cầu chung, với xu hướng cạnh tranh và chiếm lĩnh thị trường. Sản xuất bia nồng độ cao trong nhiều năm qua đã được nhiều nhà máy bia trên thế giới áp dụng như một phương tiện nhằm tối ưu hóa sản lượng của nhà máy hiện có. Việc lên men dịch đường ở nồng độ chất khô ban đầu cao làm tăng hiệu quả sử dụng thiết bị nấu và lên men, tăng công suất nhà máy bia lên 15 – 25% mà không cần đầu tư thêm thiết bị và nhân lực. Trước đây theo phương pháp truyền thống, bia được sản xuất từ dịch đường ban đầu có nồng độ chất khô từ 10 – 12oBx, quá trình lên men tạo ra bia có hàm lượng cồn 4 – 5oV. Ngày nay sản xuất bia có nồng độ chất khô cao 14oBx đã trở thành phổ biến và được áp dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới như: Mehico, các nước Nam Mỹ, Nam Phi... vì nó mang lại hiệu quả kinh tế, nhất là các nhà máy bia đã phát huy hết công suất dưới điều kiện sản xuất sẵn có hoặc là các nhà máy nằm trong khu vực do đặc điểm thời tiết mà mức tiêu thụ bia giữa các mùa không cân đối nhằm nâng cao sản lượng, tiết kiệm được nguồn vốn đầu tư. Sản xuất bia bằng phương pháp lên men nồng độ cao không những có lợi về mặt kinh tế mà còn tạo cho sản phẩm có những ưu điểm như: − Nâng cao tính ổn định vật lý, hương bền, bia có vị êm dịu. − Dễ dàng cho việc đa dạng hóa sản phẩm. Hơn nữa với nhịp độ phát triển kinh tế của cả nước, ngành sản xuất bia của Việt Nam trong những năm gần đây có những bước phát triển nhanh chóng. Malt đại mạch là nguyên liệu chính trong sản xuất bia. Đến nay nước ta vẫn phải nhập gần 100% malt từ nước ngoài. Chi phí ngoại tệ trung bình mỗi năm khoảng 50 triệu USD. Chi phí này sẽ tiếp tục tăng theo sản lượng bia trong những năm tới. Vì vậy việc tăng cường sử dụng nguồn nguyên liệu thay thế không những mang lại hiệu quả kinh tế trong việc giảm nguồn chi phí ngoại tệ mà còn giúp thêm một số công nghệ mới, tạo các sản phẩm mới giúp làm tăng sản lượng của các dây chuyền sản xuất bia, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 6 MSSV: 504301019 Ở Việt Nam, việc nghiên cứu sử dụng nguyên liệu thay thế malt đại mạch trong sản xuất bia đã được quan tâm từ vài chục năm nay ở Viện nghiên cứu Rượu – Bia – Nước giải khát, Viện Công nghệ thực phẩm, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và một số đơn vị khác và đã đạt được nhiều kết quả tốt. Việc dùng gạo làm nguyên liệu thay thế, một phần malt trong sản xuất bia đã được sử dụng ở hầu hết các nhà máy bia trong cả nước, với tỷ lệ thay thế khoảng 15 – 30%. Tuy nhiên, việc thay thế với tỷ lệ cao hơn mới chỉ dừng ở quy mô thí nghiệm, chưa triển khai vào thực tế. Việc sử dụng nguyên liệu thay thế là đại mạch và đường hiện nay chưa được ứng dụng rộng rãi. Do đại mạch chưa qua quá trình ươm mầm, sấy nên giá trị của nó giảm hơn rất nhiều so với malt. Vì vậy việc sử dụng đại mạch làm nguồn nguyên liệu thay thế malt cần được nghiên cứu và đưa vào sản xuất. Đường là một nguyên liệu có thể thay thế malt trong sản xuất bia. Với ưu điểm lớn là tạo ra một dịch đường có nồng độ cao và như một chất có vai trò pha loãng nitơ nó giúp cho bia có độ bền cao hơn. Việc dùng đường trong sản xuất bia ở nước ta còn rất nhiều hạn chế, trong khi nguồn nguyên liệu này rất sẵn có và rẻ tiền. Từ những yếu tố trên em tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế nhà máy bia năng suất 50 triệu lít/năm từ nấu và lên men bia nồng độ cao 14oBx, sử dụng 50% nguyên liệu thay thế, trong đó 25% là đại mạch Việt Nam và 25% là đường”. Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 7 MSSV: 504301019 NỘI DUNG THỰC HIỆN BAO GỒM I. Xây dựng cơ sở lý thuyết: Chương 1: Lập luận kinh tế kỹ thuật Chương 2: Chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ Chương 3: Tính toán cân bằng sản phẩm. Chương 4: Tính toán và chọn thiết bị. Chương 5: Tính toán xây dựng. Chương 6: Tính toán hơi – điện – nước. Chương 7: Tính toán CIP, vệ sinh và an toàn. Chương 8: Môi trường và phương pháp xử lý. Chương 9: Tính toán kinh tế. II. Các bản vẽ: 1.Sơ đồ dây chuyền sản xuất. 2.Mặt bằng, mặt cắt phân xưởng nấu bia. 3.Mặt bằng, mặt cắt phân xưởng lên men. 4.Mặt bằng, mặt cắt phân xưởng hoàn thiện. 5.Tổng bình đồ nhà máy. Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 8 MSSV: 504301019 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGÀNH BIA 1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia trên thế giới [1] Đối với các nước có nền công nghiệp phát triển, đời sống kinh tế cao thì bia được sử dụng như một thứ nước giải khát thông dụng. HIện nay trên thế giới có trên 25 nước sản xuất bia với sản lượng trên 100 tỷ lít/năm, trong đó, Mỹ, Đức, mỗi nước sản xuất trên dưới 10 tỷ lít/năm, Trung Quốc 7 tỷ lít/năm... Thống kê bình quân mức tiêu thụ hiện nay ở một số nước công nghiệp tiến tiến trong năm 2004 như sau: Cộng hòa Czech hơn 150 lít/người/năm, Đức 115 lít/người/năm, Úc khoảng 110 lít/người/năm... Tổng lượng tiêu thụ trên thế giới năm 2003 khoảng 144,296 triệu kl, năm 2004 khoảng 150,392 triệu kl (tăng 4,2%). Lượng bia tiêu thụ tăng hầu khắp các vùng, ngoại trừ vùng Địa Trung Hải, đẩy lượng tiêu thụ trên toàn thế giới tăng lên. Nhưng lượng tăng đáng kể nhất là Trung Quốc, Thái Lan, Philipin với tốc độ tăng đến 11,2%. Biểu đồ phân chia lượng bia tiêu thụ theo vùng (2004) (Nguồn từ Kirin news – Nhật Bản) Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 9 MSSV: 504301019 Châu Á là một trong những khu vực có lượng bia tiêu thụ đang tăng nhanh, các nhà nghiên cứu thị trường bia của thế giới nhận định rằng Châu Á đang dần giữ vị trí dẫn đầu về tiêu thụ bia trên thế giới. Trong khi sản xuất bia ở Châu Âu có giảm, thì ở Châu Á, trước kia nhiều nước có mức tiêu thụ trên đầu người thấp, đến nay đã tăng bình quân 6,5%/năm. Thái Lan có mức tăng bình quân cao nhất 26,5%/năm, tiếp đến là Philipin 22,2%/năm, Malaysia 21,7%/năm, Indonesia 17,7%/năm. Đây là những nước có tốc độ tăng nhanh trong khu vực. Các nước xung quanh ta như Singapore đạt 18 lit/người/năm, Philipin đạt 20 lít/người/năm... (theo số liệu của Viện rượu - bia - nước giải khát Việt Nam). Công nghiệp bia của Trung Quốc phát triển là nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy sự tăng trưởng của ngành công nghiệp bia Châu Á. Từ năm 1980 đến năm 1990 sản lượng bia tăng từ 69,8 triệu lít lên 1230 triệu lít, tức là tăng 17 lần. Thời kỳ từ 1981 đến 1987, mức tăng trưởng trên 20% (theo số liệu của Viện rượu - bia - nước giải khát Việt Nam). Đến năm 2004, tổng lượng bia tiêu thụ ở Trung Quốc là 28.640 triệu lít, xếp thứ hạng đầu tiên trên thế giới. Tổng lượng bia tiêu thụ của các nước khu vực Châu Á trong năm 2004 đạt 43.147 triệu lít, tăng 11,2% so với năm 2003. Do thị trường bia trên thế giới đang phát triển một cách năng động, các hãng bia sử dụng các chiến lược kinh doanh khác nhau. Tại Mỹ và Châu Âu, do thị trường bia đã ổn định, chiến lược kinh doanh bia là dành thị phần giảm chi phí sản xuất. Ngược lại, tại Trung Quốc là nơi thị trường đang tăng trưởng (nhất là đối với các loại bia chất lượng cao) chiến lược là phát triển sản xuất, tăng sản lượng và nâng cao chất lượng. 2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bia ở Việt Nam [1] Bia được đưa vào Việt Nam từ năm 1890 cùng với sự có mặt của Nhà máy Bia Sài Gòn và Nhà máy Bia Hà Nội, như vậy ngành bia Việt Nam đã có lịch sử trên 100 năm. Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 10 MSSV: 504301019 a. Tình hình sản xuất bia trong nước Năm năm trở lại đây, do tác động của nhiều yếu tố như tốc độ tăng trưởng GDP, tốc độ tăng dân số, tốc độ đô thị hóa, tốc độ đầu tư... mà ngành công nghiệp bia đã phát triển với tốc độ tăng trưởng cao. Chẳng hạn như năm 2003, sản lượng bia đạt 1290 triệu lít, tăng 20,7% so với năm 2002, đạt 79% so với công suất thiết kế, tiêu thụ bình quân đầu người đạt 16 lít/năm, nộp ngân sách nhà nước khoảng 3650 tỷ đồng. b. Số lượng cơ sở sản xuất Số lượng cơ sở sản xuất giảm xuống so với những năm cuối thập niên 1990, đến năm 2003 chỉ còn 326 cơ sở sản xuất so với 469 cơ sở tính từ năm 1998. Điều này là do yêu cầu về chất lượng bia, về mức độ vệ sinh an toàn thực phẩm ngày càng cao, đồng thời do sự xuất hiện của nhiều doanh nghiệp bia lớn có thiết bị hiện đại, công nghệ tiên tiến... nên có sự cạnh tranh gay gắt, nhiều cơ sở sản xuất quy mô nhỏ, chất lượng thấp không đủ khả năng cạnh tranh đã phá sản hoặc chuyển sang sản xuất sản phẩm khác. Trong các cơ sở sản xuất bia đó, có Sabeco chiếm năng suất trên 200 triệu lít/năm, Habeco năng suất trên 100 triệu lít/năm, 15 nhà máy bia có năng suất trên 15 triệu lít/năm và khoảng 165 cơ sở sản xuất có năng lực dưới 1 triệu lít/năm. Hai tổng công ty Bia – Rượu – Nước giải khát Hà Nội và Sài Gòn là hai đơn vị đóng góp tích cực và giữ vai trò chủ đạo trong ngành bia. Theo báo cáo của các tỉnh thành phố trực thuộc trung ương và của hai tổng công ty, riêng năm 2003, doanh thu của ngành Bia Rượu Nước giải khát đạt 16.497 tỷ đồng, nộp ngân sách nhà nước 5000 tỷ đồng, tạo điều kiện việc làm và thu nhập ổn định cho trên 20.000 lao động. Sản lượng bia tiêu thụ toàn quốc đạt 1290 triệu lít, đạt 78,8% công suất thiết kế, trong đó Habeco và Sabeco đạt 472,28 triệu lít (chiếm 36,61% toàn ngành bia). Hai tổng công ty đã phát huy hết năng suất, phải gia công tại một số địa phương nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng. Khãa luËn tèt nghiÖp Khoa CNSH & MT TrÇn ThÞ Thu Hµ 11 MSSV: 504301019 Nếu xét theo địa phương, năng lực sản xuất bia chủ yếu tập trung vào các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh chiếm 23,2% tổng năng lực sản xuất bia toàn quốc, thành phố Hà Nội chiếm 13,44%, thành phố Hải Phòng chiếm 7,47%. Các nhà máy bia được phân bố trên 49 tỉnh thành của cả nước, trong đó có 24 tỉnh thành có sản lượng trên 20 triệu lít/năm. Đến nay còn một số tỉnh thành chưa có nhà máy bia như: An Giang, Bạc Liêu, Bến Tre, Đồng Tháp... c. Thương hiệu bia Những thương hiệu bia sản xuất tại Việt Nam đang chiếm ưu thế, đứng vững trên thị trường và có khả năng tiếp tục phát triển mạnh trong quá trình hội nhập, đó là: Sài Gòn, Sài Gòn special, 333, Hà Nội, Heineken, Tiger, Halida... Lượng bia thuộc các thương hiệu này đạt 713,8 triệu lít chiếm 55,24% thị phần tiêu thụ. Mảng thị trường bia cao cấp cũng đã xuất hiện một số loại bia nhập khẩu và các nhà hàng bia tươi (tại Hà Nội, cũng như thành phố Hồ Chí Minh có trên 10 nhà hàng bia tươi) với sản lượng nhỏ nhưng đang ngày càng được ưa chuộng. d. Trình độ công nghệ và thiết bị Các nhà máy bia có công suất trên 100 triệu lít/năm đều có hệ thống thiết bị hiện đại, tiên tiến, nhập khẩu từ các nước có nền công nghiệp sản xuất bia phát triển mạnh như: Đức, Đan Mạch... Các nhà máy bia có công suất trên 20 triệu lít/năm cho đến nay đã đầu tư chiều sâu, đổi mới thiết bị, tiếp thu trình độ công nghệ tiên tiến vào sản xuất. e. Nguyên liệu cho ngành bia Năm 2003, kim ngạch nhập khẩu nguyên liệu cho ngành sản xuất bia (chủ yếu là malt và hoa houblon) khoảng 76 triệu USD. Tổng công ty Habeco đã thử nghiệm trồng thử đại mạch ở một số nơi nhưng chưa có kết quả do sự không phù hợp về thổ nhưỡng và về khí hậu. Hiện tại đã có một nhà máy sản xuất malt đại mạch với công suất trên 50.000 tấn/năm và có khả năng mở rộng lên 100.000 tấn/năm (trích dẫn từ báo cáo tổng kết hoạt động nhiệm kỳ II từ 3/2001 đến 3/2005 của Hiệp hội Rượu Bia Nước giải khát Việt Nam). Khãa luËn tèt n