Blog

1. Sai số tự thân trong đo lường, biến động chất lượng của Nguyên Vật Liệu và dự báo sản lượng

Quy trình sản xuất liên tục là tập hợp nhiều công đoạn liên hoàn, nối tiếp với đầu vào của công đoạn này là thành phẩm của công đoạn trước đó. Đây như là một “sợi xích” kết nối từ Nguyên Vật Liệu đến thành phẩm đầu ra. Trong sản xuất, mỗi mắt xích đều phải chịu “lực căng” giống nhau và một mắt xích bị “đứt” sẽ dẫn đến gián đoạn toàn bộ chu trình sản xuất. 

Không như khi sản xuất theo mẻ, dịch hèm tại nồi đường hóa có thể đợi nồi lọc khởi động. Trong sản xuất liên tục để đảm bảo tính đồng bộ thì công đoạn sau cần phải khởi động trước và ở trạng thái đợi. Vì vậy, tính chính xác, tính sẵn sàng trong vận hành đòi hỏi cực kỳ cao để đảm bảo hiệu quả của toàn bộ chuỗi thiết bị. 

Mỗi một phụ tùng, thiết bị đều có sai số tự thân, tự nhiên nhất định. Sai số của thiết bị sẽ ảnh hưởng đến tính chất của bán thành phẩm và tác động tiếp đến công đoạn sau. Ví dụ, nhiệt độ đường hóa bị lệch so với mong muốn thì là thay đổi hoạt động enzym, làm thay đổi thành phần đường trong dịch nha. Những thay đổi này sẽ tác động đến hoạt động của nấm men trong quá trình lên men. Khó khăn hơn chính là malt, gạo, hoa bia là những sản phẩm nông nghiệp với tính bất ổn, bất dự đoán lớn hơn. Tập hợp tất cả thì sự thiếu chính xác về mặt kỹ thuật là hiển nhiên, và sự thành công của công nghệ liên tục phụ thuộc vào khả năng sự báo sự bất ổn này để đảm bảo đồng nhất chất lượng.

Thực tế hiện nay, các nhà máy bia thường không sản xuất liên tục và thường sản xuất nhiều loại SKU thì câu hỏi đặt ra là “công nghệ liên tục có đáp ứng được các điều kiện này không?”. Như những phân tích về công nghệ ở trên thì rất khó để “công nghệ sản xuất liên tục” có được sự linh hoạt như sản xuất theo mẻ. Mỗi khi chuyển đổi sản phẩm thì phải đợi cả chu trình kết thúc, tiến hành vệ sinh công nghiệp. 

    II. Hiện tượng khuếch đại sai số trong sản xuất liên tục

Công nghiệp sản xuất bia là phức tạp đòi hỏi nhiều loại thiết bị, với thời gian sản xuất kéo dài tối thiểu 12 ngày (bao gồm nấu 1 ngày, lên men 10 ngày, lọc chiết 1 ngày). Các quá trình công nghệ phức tạp điều hiện diện trong sản xuất bia như:

• Quá trình vật lý: xay nghiền, gia nhiệt, bay hơi, khuấy trộn,..
• Quá trình hóa học: phản ứng Maillard, caramel, tủa protein, CIP,…
• Quá trình hóa lý: hòa tan CO2, hấp phụ, hấp thụ,…
• Quá trình hóa sinh: hoạt động của ezym trong đường hóa, dịch bia lên men.
• Quá trình sinh học: nấm men, vi sinh vật …

Mỗi một quá trình công nghệ như liệt kê ở trên lại có nhiều thông số tác động, ảnh hưởng. Mỗi thông số được đo lường, kiểm soát bằng 1 loại đầu dò (sensor) và hiển nhiên, các loại đầu dò đều có sai số tự thân và sai số môi trường. Việc hiệu chuẩn, hiệu chỉnh chỉ là đưa thiết bị về giá trị đúng nhất ở điều kiện hiện tại chứ không phải là đúng tuyệt đối trong mọi điều kiện. VD: việc hiệu chuẩn đầu dò nhiệt độ PT100 được thực hiện trong bể điều nhiệt tĩnh, và so sánh với thiết bị được “mặc định” là chuẩn, nhưng trong thực tế dịch nha hay dịch bia luôn chuyển động (khuấy, hoặc di chuyển trong ống) nên giá trị trong sản xuất sẽ là gần đúng trong mức độ chấp nhận nào đó.

Trong sản xuất liên tục, sai số đo lường của công đoạn này sẽ thể hiện trong tính chất của bán thành phẩm và truyền tiếp theo cho công đoạn sau. Điều này khác hoàn toàn với sản xuất theo mẻ, khi mẻ nấu số 1 có thể phối trộn với mẻ nấu số 3 và tank lên men CCT5 có thể phối trộn với CCT10 để trung hòa sai số. Còn sản xuất liên tục tuần tự thì sẽ có hiện tượng khuếch đại sai số và tích lũy sai số dẫn đến sự bất ổn định của thành phẩm cuối cùng. 

Giả sử chất lượng bia thành phẩm là hàm y = f(x) với x là các biến độc lập tham gia vào quy trình sản xuất từ nguyên vật liệu, xay nghiền, nấu, lên men, lọc, chiết.

Mỗi biến (tham số) đều có sai số X1= x1±∆x1 , X2= x2±∆x2, Xn= xn±∆xn

Thành phẩm cuối cũng sẽ được biểu diễn bằng hàm:

Y= Y±∆y với

Có thể sai số Δx rất nhỏ nhưng Δy của bia thành phẩm sẽ rất lớn và kết quả là sự không ổn định về chỉ tiêu hóa lý, vi sinh và cảm quan.

Hình vẽ trên mô tả sai số trong sản xuất gián đoạn như sau:

• Yêu cầu kỹ thuật của bán thành phẩm (Dịch nha, bia lên men phụ, bia trong, bia thành phẩm) là cố định.
• Thực tế các mẻ nấu 1, 2, 3, 4 có chỉ tiêu chất lượng dao động quanh giá trị mong muốn của yêu cầu kỹ thuật. Các mẻ nấu được phối trộn với nhau để trung bình các chỉ tiêu chất lượng và đạt Yêu cầu kỹ thuật mong muốn.
• Tiếp theo, các tank lên men 5, 6, 7, 8 cũng có các chỉ tiêu thực tế dao động quanh giá trị mong muốn. Các tank này cũng được phối trộn, xử lý để đạt yêu cầu kỹ thuật.
• Tương tự như lọc và chiết bia thì bia thành phẩm sẽ có chỉ tiêu chất lượng ổn định trong khoảng giá trị mong muốn.
• Điểm nổi bật trong sản xuất theo mẻ là khả năng phối trộn trong sản xuất để đưa trung bình giá trị gần giá trị mong muốn. 

Trong sản xuất liên tục tuần tự thì khả năng phối trộn các mẻ, các tank không có. Vì cơ bản là không có khái niệm “mẻ” và “tank” trong liên tục. Nguyên liệu liên tục được nạp vào hệ thống nấu và liên tục ra dịch nha để vào hệ thống lên men. Vì vậy, khi xảy ra sự dao động thì người vận hành (máy tính điều khiển) sẽ điều chỉnh các thông số (nhiệt độ, áp suất, nồng độ,…) để đưa dịch nha tiếp theo về gần giá trị mong muốn. Và “phần dịch nha” trước đó vẫn tiếp tục đến công đoạn tiếp theo. Như vậy, trung bình giá trị trong sản xuất liên tục là trung bình động (Moving average), tích lũy theo thời gian sản xuất.

Như hình trên, 3 phân đoạn sẽ đi liên tục trong hệ thống, sai số của phân đoạn 1 tại nồi đường hóa sẽ truyền đi và tích lũy cùng sai số của các công đoạn sau và tổng sai số ngày càng lớn khi đến bia thành phẩm. Các phân đoạn 1, 2, 3 không được phối trộn với nhau để trung bình sai số.

Hiện tượng khuếch đại và tích lũy sai số là vấn đề lớn trong công nghệ sản xuất liên tục. Nhà nghiên cứu công nghệ – thiết bị cũng đã có những bước tiến nhất định để khắc phục nhược điểm này bằng việc sử dụng các giải pháp công nghệ thông tin 4.0 như Dữ liệu lớn (Big Data), kiểm soát liên tục theo thời gian thực (realtime data) và trí tuệ nhân tạo để dự tính, dự báo dao động chất lượng ở khâu tiếp theo nhằm điều chỉnh ngay bước hiện tại.