Blog

Sự quan tâm của nhà sản xuất bia đến công nghệ lên men liên tục giảm xuống từ đầu những năm 1970. Đây là giai đoạn ngành công nghiệp bia phát triển bùng nổ tại Hoa Kỳ, Châu Âu, Nga. Mà công nghệ lên men liên tục lại chưa chứng minh được khả năng thương mại hóa đại trà, các nhà sản xuất bia chuyển sự chú ý sang tank lên men theo mẻ dung tích lớn và lên men độ đường cao. Vấn đề được đưa ra trong giai đoạn này là giải pháp rút ngắn thời gian lên men và thời gian khử VDK, thời gian ủ trong bia. 

Từ cuối những năm 1970, trước sức ép của việc cắt giảm chi phí sản xuất, chi phí năng lượng, các ý tưởng sản xuất bia liên tục lại được các nhà nghiên cứu triển khai tiếp tục. “Bình phản ứng cố định nấm men” được đề xuất với các ưu điểm sau:

• Tốc độ lên men rất nhanh vì mật độ nấm men trong bình phản ứng cao. Đồng nghĩa với lưu lượng dòng bia đi qua bình phản ứng sẽ nhanh hơn mà không có hiện tượng rửa trôi nấm men như hệ thống lên men thường.
• Hiệu suất chuyển hóa đường thành cồn cao vì nấm men bị hạn chế tăng trưởng sinh khối.
• Thể tích bình phản ứng nhỏ khi xem xét trên 1 đơn vị lưu lượng bia đi qua. Thời gian lắp đặt nhanh chóng.
• Giảm nguy cơ nhiễm vi sinh, vì với mật độ nấm men cao, các vi khuẩn khác khó cạnh tranh sinh tồn trong điều kiện này.
• Hoạt động sinh tổng hợp của nấm men cố định cao hơn so với nấm men thường.
• Không quá khắt khe khi lựa chọn chủng loại nấm men.
• Giảm nhu cầu hệ thống nhân men.
• Vận hành đơn giản
• Dễ dàng tách men ra khỏi bia.
• Sản phẩm đồng nhất
• Thiết kế dạng module cho phép linh động trong việc mở rộng công suất cũng như loại bia.

Bên cạnh đó, bình phản ứng cố định nấm men cũng có những nhược điểm, đặc biệt là khi ứng dụng trong quá trình lên men chính. Dịch nha cần phải được lọc trong để loại bỏ cặn nóng và cánh hoa bia trước khi đưa vào bình phản ứng vì nếu không sẽ làm tắt (nghẹt) giá thể. Lưu lượng dịch nha cần phải ổn định vì thế đòi hỏi phải cần 1 bồn đệm vô trùng. Quá trình lên men chính sẽ sinh nhiều bong bóng CO2, khí này có nguy cơ kẹt lại và làm vỡ cấu trúc chất mang trong bình phản ứng. Đối với các nhà máy bia đang có sẵn các tank lên men truyền thống thì rất khó chuyển sang sử dụng bình phản ứng cố định nấm men. Hiện tại, thì bình phản ứng cố định nấm men thích hợp cho quy trình khử VDK (sau quá trình lên men chính) vì không sinh ra CO2, dịch bia tương đối trong và thiết bị có thể kết hợp với tank CCT hiện hữu. Ứng dụng tiếp theo là để sản xuất bia độ cồn thấp, và không cồn.

Nấm men cố định là nấm men bị “nhốt” trong/trên có giá thể/chất mang. Hiện nay, có 3 phương pháp chính để cố định nấm men:

• Phương pháp kết lắng-keo tụ.
• Nấm men bị kết dính trong ma trận polyme hoặc trên bề mặt vật liệu rắn.
• Nấm men bị nhốt trong lỗ rỗng của chất mang hoặc nhốt trong các lớp màng lọc.

Có 4 kiểu bình phản ứng:

1. Bình phản ứng cố định chất mang.
2. Bình phản ứng tầng sôi (chất mang chuyển động lơ lửng trong bình.
3. Bình phản ứng tuần hoàn trung tâm bởi khí.
4. Bình phản ứng tuần hoàn.

1. Ứng dụng sản xuất bia không cồn

Thiết kế hệ thống được giới thiệu bởi Van Dieren (1995) và Mieth (1995), sử dụng chất cố định nấm men là DEAE-Cellulose.

Dịch nha có độ lên men thấp (RDF) được đun sôi kỹ và hạn chế sự hòa tan oxy. Trước khi cấp vào hệ thống, dịch nha được điều chỉnh pH bởi axit lactic trước khi vào bồn đệm. Dịch nha cũng cần phải được lọc để không gây tắc chất mang trong bình phản ứng, sau đó, đi qua hệ thống làm lạnh về nhiệt độ lên men. Chủng nấm men được sử dụng là Lactobacillus amylovorus để không tạo thành cồn.

Sơ đồ nguyên lý bình cố định nấm men sản xuất bia không cồn

Bình phản ứng có dung tích 1,5m3 với 1,0m3 chất mang có khối lượng khoảng 400kg. Hệ thống này được thiết kê module hóa với 1 dãy có bình phản ứng ghép nối song song để tăng công suất hệ thống. Chính nhờ thiết kế này mà một số bình phản ứng có thể sản xuất trong khi một số khác đang ở chế độ CIP/hoàn nguyên.  NaOH 2% và nhiệt độ 80oC được sử dụng để hoàn nguyên bình phản ứng, sau đó, chất mang được trung hòa bằng nước Carbonate. Trước khi đưa vào sản xuất lại, bình phản ứng cần thực hiện quy trình cấy men lên chất mang như sau:

• Men thuần chủng được cấy vào dịch nha 12oC và thực hiện tuần hoàn, sục khí liên tục 12 giờ.
•  Nấm men bắt đầu tăng trưởng sinh khối đến mật độ 50 triệu tế bào/g chất mang.
• Bắt đầu thực hiện bước đính tế bào vào chất mang: hạ nhiệt độ dịch tuần hoàn về 4oC, lưu lượng tuần hoàn 5hl/h. Hạn chế tối đa sự xâm nhập của oxy, điều kiện yếm khí nghiêm ngặt.
• Từ từ nâng lưu lượng tuần hoàn lên 20hl/h và tiếp tục hạ nhiệt độ về 0-1oC.
• Kết thúc bước này khi mật độ tế bào đạt 100 triệu tế bào/gr chất tan.
• Dòng dịch nha được đưa vào từ trên xuống Bình phản ứng.
• Khi này, bình phản ứng bắt đầu quá trình sản xuất với công suất 20hl/h.

Bình phản ứng cố định nấm men

Điều kiện làm việc ở nhiệt độ thấp sẽ hạn chế sự tăng sinh khối của nấm men, tuy nhiên lưu lượng bia đia qua vẫn giảm dần vì sự gia tăng sinh khối. Khi độ suy giảm lưu lượng đến giới hạn nhất định thì bình phản ứng phải nhưng sản xuất để bắt đầu CIP, hoàn nguyên và cấy men trở lại.

           2. Ứng dụng cho khử VDK

Hệ thống khử VDK liên tục được đưa vào sản xuất công nghiệp tại nhà máy bia Sinebrychoff – Helsinki, Phần Lan năm 1990. Một nhà máy bia hoàn toàn mới được xây dựng trong năm 1993 (Pajunen & Gronqvist, 1994) có công suất 100 triệu lít/năm sử dụng hệ thống khử VDK liên tục với dịch bia non từ tank lên men theo mẻ. Hệ thống khử VDK liên tục cố định nấm men sử dụng chất mang là DEAE-Cellulose (Spezyme GDCB). Dịch bia non từ tank lên men truyền thống được làm trong trước bằng máy ly tâm để giảm mật độ men về <0,5 triệu tế bào/ml. Ngoài ra, dịch bia non trong sẽ hạn chế sự tự phân của nấm men và hạn chế rủi ro gây nghẹt bình phản ứng. 

Sơ đồ nguyên lý sử dụng bình phản ứng cố định nấm men để khử VDK

Bia non sau ly tâm được đưa qua thiết bị nâng nhiệt lên 90oC trong 7 phút để chuyển hóa hoàn toàn α-acetolactate thành diacetyl. Hệ thống cần duy trình điều kiện yếm khí để tránh oxy hóa các hợp chất trong bia và α-acetolactate cũng sẽ chuyển thành aceton. Ngoài ra, nhiệt độ cao còn ý nghĩa tiêu diệt vi sinh vật, hạn chế sự nhiễm vi sinh vào bình phản ứng. Nhiệt độ cũng làm phân hủy các enzym protease giúp giảm ảnh hưởng đến độ bền bọt của bia. Mặc dù nhiệt độ cao có làm tăng hàm lượng Carbonyls, Fufural, và phenyl ethanal nhưng bia thành phẩm không cảm nhận được sự thay đổi mùi và vị.

Tiếp theo, bia được làm lạnh xuống 15oC để đi qua bình phản ứng cố định nấm men. Hệ thống với 4 bình phản ứng, tổng dung tích là 7m3, thời gian phản ứng là 2 giờ. Tại đây Diacetyl bị chuyển hóa thành aceton và 2,3 – butanediol, Carbonyl cũng được khử về hàm lượng mong muốn.  Ngoài ra, bia cũng không ghi nhận sự thay đổi hàm lượng ester và cồn bậc cao. Bia sau đó được làm lạnh xuống -1,5oC để đưa đi lọc trong và chiết. Mỗi bình phản ứng có thể hoạt động liên tục từ 2-4 tháng rồi thực hiện quá trình hoàn nguyên bằng NaOH 2% nhiệt độ 80oC, và cấy lại nấm men trước khi hoạt động.

            3. Ứng dụng cho lên men chính

Mặc dù có nhiều nghiên cứu và thử nghiệm trên pilot nhưng đến nay vẫn chưa có hệ thống cố định nấm men được sử dụng quy mô công nghiệp của quá trình lên men chính. Năm 1994, Yamauchi đã báo cáo một pilot lên men liên tục sử dụng công nghệ cố định nấm men như mô tả ở hình dưới. Bồn đầu tiên là bồn khuấy hiếu khí dung tích 200hl, hệ số chứa đầy 50% để chống trào bọt. Nấm men được cấy sẵn trong bồn, dịch nha được châm liên tục từ trên xuống theo thành bồn. Lưu lượng châm dịch nha được điều khiển tự động dựa vào độ hòa tan của bia trong bồn và lưu lượng cấp cho công đoạn sau. Trong điều kiện khuấy trộn hiếu khí, nấm men sẽ hấp thụ nhanh amino axit, pH giảm nhanh và cồn bậc cao được sinh ra nhiều.

Sơ đồ nguyên lý Sử dụng bình phản ứng cố định nấm men để lên men chính

Bia non được đưa qua máy ly tâm để loại bỏ tế bào nấm men về mức dưới 1 triệu tế bào/ml. Dịch bia sau đó được cấp vào 2 bồn phản ứng liên hoàn có thể tích chất mang là 10m3, với chất mang làm bằng Ceramic. Do quá trình lên men chính sinh ra nhiệt lượng lớn, nên lắp thêm các ống làm lạnh bên trong cùng với áo lạnh bên ngoài để duy trì nhiệt độ 8oC. Độ hòa tan biểu kiến của dịch nha được hạ từ 8oP xuống 2,5oP. Cồn và các hợp chất phụ cũng được tạo thành từ quá trình lên men trong bình phản ứng.

Giai đoạn thứ 3 là quá trình khử VDK giống như mô tả ở phần trên. Dịch bia non được nâng nhiệt lên 60-80oC và giữ nhiệt từ 23-60 phút để chuyển hóa α-acetolactate thành diacetyl và aceton, và được làm lạnh về 0oC.

Tổng thời gian bia đi trong hệ thống từ 3-4 ngày, trong đó:

• Thời gian tại bồn hiếu khí là 20-24h, 
• Trong 2 bồn phản ứng lên men chính 24 – 48h.
• Bồn khử VDK là 24h.

Năm 1997, Andries đã giới thiệu mô hình hệ thống lên men liên tục sử dụng bình phản ứng dạng tuần hoàn. Nấm men được cố định trong chất mang Silicon cartribe. Dịch nha được vào được tuần hoàn qua lớp Silicon Cartribe để lên men giai đoạn đầu. Sau đó, dịch bia non được đưa qua bình thân trụ đáy côn để tiếp tục lên men. Do được khuấy trộn tốt bằng cách tuần hoàn liên tục, nên dịch bia được lên men mạnh và đồng đều hơn. Các bình phản ứng có các bộ phận làm lạnh để giữ ổn định nhiệt độ lên men. Hệ thống này đã thử nghiệm 6 tháng ở quy mô bán công nghệ để đánh giá.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống lên men cố định nấm men