Quy Trình Sản Xuất bia

Sản xuất bia có thể được bắt đầu cách đây hơn 9.000 năm, một số nghiên cứu khảo cổ khác lại cho rằng bia có thể được phát minh ra các đây 28.000 năm tại Ai Cập cổ đại. Quá trình sản xuất bia là sự kết hợp của 3 quá trình công nghệ sinh hóa khác nhau:

  • Quá trình nẩy mầm: sự hình thành enzym trong hạt đại mạch và chuyển hóa một phần các hợp chất cao phân tử thành các hợp chất đơn giản hơn.
  • Quá trình đường hóa: các enzym thực hiện quá trình thủy phân để chuyển hóa tinh bột thành đường, protein thành axit amin,…
  • Quá trình lên men: đường được nấm men chuyển hóa thành cồn, CO2, và các hợp chất phụ khác.

Các quá trình công nghệ này chính là các công đoạn trong sản xuất bia, đã được duy trì hàng ngàn năm qua. Sự tiến hóa của ngành bia chủ yếu tập trung vào sự phát minh ra việc sử dụng Hoa Bia, phân lập và định danh nấm men, các hệ thống làm lạnh, đun nóng trong quá trình sản xuất.

Nguyên vật liệu sản xuất bia

Theo quy định trong luật Reinheitsgebot thì nguyên liệu dùng sản xuất bia tại nước Đức thì chỉ bao gồm nước, mạch nha (đại mạch hoặc tiểu mạch đã ương mầm) và hoa bia, và nấm men (được bổ sung vào năm 1857). Luật này hiện tại vẫn còn được áp dung tại Đức và đối với các quốc gia khác thì nguyên liệu sản xuất bia còn có thêm các loại thế liệu khác nha gạo, lúa mì, tinh bột ngô, sắn, đường,…

Cùng với nguyên liệu chính thì ngành sản xuất bia ngày nay còn sử dụng nhiều phụ liệu, chất hỗ trợ sản xuất như các loại enzym, khoáng chất,… để nâng cao hiệu quả sản xuất. Các chất hỗ trợ sản xuất này sẽ khắc phục được những biến động về chất lượng của Malt, Hoa bia, nước, nấm men.

Đường hóa và lọc dịch đường

 

Quá trình nấu bia bắt đầu bằng việc nguyên vật liệu (malt, hoặc các dạng thế liệu khác) được nghiền nhuyễn. Các nhiều loại thiết bị nghiền khác nhau như nghiền khô, nghiền ẩm, nghiền ướt,… Mục đích chính của việc nghiền là làm vỡ nội nhũ hạt thành bột để quá trình hòa tan được dễ dàng. Bột nguyên liệu được hòa với nước ở nhiệt độ từ 40 – 65oC tùy thuộc vào loại bia.

Quá trình đường hóa sử dụng hơi nóng để nâng nhiệt lên các điểm dừng để thực hiện quá trình công nghệ. Tùy theo kích thước nồi nấu mà mức tiêu thụ nhiệt có sự thay đổi. Hiện nay, hầu hết các hệ thống nấu sử dụng hơi nóng bão hòa có áp suất khoảng 3,5bar để gia nhiệt nồi nấu.

Các hợp chất cao phân tử chuyển hóa thành các chất tan và hòa vào dịch nha. Vỏ trấu và các chất không tan được tách ra khỏi tại thiết bị lọc dịch hèm (có thể là máy lọc khung bản hoặc thiết bị lọc nồi). Dịch nha (hay dịch đường ngọt) được tiếp tục công đoạn đun sôi.

Đun sôi dịch nha

Nồi đun sôi dịch nha có nhiều thiết kế khác nhau, và hiện tại nồi đun sôi dịch nha được thiết kế sử dụng hơi nước bão hòa để gia nhiệt. Tỷ lệ bay hơi của dịch nha vào khoảng 4,5 – 10% thể tích ban đầu. Tiêu tốn nhiệt của quá trình đun sôi chiếm khoảng 30% tổng lượng nhiệt cung cấp cho nhà máy bia. Và đây là nơi tiêu thụ nhiệt cao nhất. Ước lượng tỷ lệ sử dụng nhiệt ở các bộ phận tại nhà máy:

Lắng trong và làm lạnh

Dịch nha sau quá trình đun sôi hình thành rất nhiều cặn nóng và có cả cánh hoa houblon. Nồi lắng xoáy được thiết kế có dạng đáy phẳng sử dụng “hiệu ứng lá trà” do Einstein phát hiện để tách cặn ra khỏi dịch nha. Dịch nha sau khi được lắng trong sẽ qua quá trình giải nhiệt nhanh để hạ nhiệt độ từ ~100oC về nhiệt độ lên men. Nước ban đầu được hạ nhiệt từ nhiệt độ môi trường (~30oC) về 2oC. Nước 2oC này được trao đổi nhiệt với dịch nha tại thiết bị trao đổi nhiệt khung bản, nhiệt độ của nước sau trao đổi nhiệt đạt > 80oC. Nước nóng này sau đó được đưa về bồn nước nóng để sử dụng cho các mục đích khác trong nhà nấu. Hầu như toàn bộ nhiệt lượng nằng trong dịch nha đã được thu hồi thông qua hệ thống làm lạnh nhanh. Nước 2oC được sản xuất bằng cách trao đổi nhiệt với glycol. Như vậy, điện năng là nguồn năng lượng để sản xuất nước 2oC.

Lên men chính, ủ chín bia, và tàng trữ

Dịch nha sau khi làm lạnh, cấy men, sục khí sẽ được đưa vào tank lên men. Tại đây, nấm men chuyển hóa đường thành khí CO2 và cồn. Bên cạnh đó, nấm men cũng tạo ra vô số các hợp chất tạo mùi thơm cho bia. Quá trình lên men là quá trình tỏ nhiệt. Nên glycol phải được cấp liên tục để duy trì nhiệt độ ổ định trong quá trình lên men. Theo tác giả Kunze thì 1kg chất tan được lên men sẽ tỏa ra 587KJ.

Quá trình lên men chính tạo ra nhiều loại hợp chất phụ trong đó có các hợp chất không mong muốn như Aldehyde, high Alcohol, diacetyl,… Bia sau đó qua quá trình khử (loại bỏ) các hợp chất này – đây là quá trình ủ chín bia nhằm làm giảm các hợp chất này về giá trị mong muốn.

Cuối cùng, bia được hạ nhiệt về < 0oC để đưa về quá trình tàng trữ. Tại đây, các loại cặn sẽ dần lắng xuống đáy bồn lên men, bia trở nên trong hơn, bão hòa CO2 tốt hơn.

Toàn bộ năng lượng sử dụng trong quá trình lên men là nhiệt lạnh, được cung cấp bởi hệ thống sản xuất lạnh – glycol và sử dụng điện.

Lọc bia

Là quá trình làm trong dịch bia hay là quá trình tách các cặn ra khỏi bia, làm cho bia trở nên trong, sáng hơn. Để quá trình lọc hiệu quả thì bia cần được hạ nhiệt về -1 – 0oC để hình thành các cặn lạnh. Đây là dạng phức chất protein-polyphenol, và sau đó được loại ra khỏi bia.

Chi tiết….

Đóng gói, thanh trùng và hoàn thiện sản phẩm

Để đến được tay người tiêu dùng, bia cần phải được đóng gói bằng cách chiết chai, chiết lon nhôm, chiết chai PET hoặc chiết vào keg. Mỗi kiểu đóng gói có tác động khác nhau đến chất lượng bia và thời gian bảo quản.

  • Chiết keg: đây có thể là hình thức có thể được ra đời sớm nhất. Ban đầu, các nhà sản xuất bia (đa phần là các xưởng bia nhỏ) sử dụng các loại keg làm bằng gỗ, và hiện nay đã được chuyển sang sử dụng keg bằng inox để đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Bia chiết trong keg có hạn sử dụng ngắn, thường thì 3-5 ngày (có thể lên đến 7 ngày). Ngày nay, đối với các nhà máy quy mô công nghiệp có hệ thống thiết bị đảm bào vệ vinh an toàn thực phẩm và bia chiết keg được thanh trùng nhanh (Flash Pasteurization) thì keg bia có thể bảo quản lên tới 1-3 tháng.
  • Chiết chai thủy tinh: đây là giải pháp phổ biến nhất hiện nay trên toàn thế giới, có rất nhiều kiểu chai thủy tinh khác nhau từ màu sắc đến hình dạng, ngay cả chai sứ cũng được phân loại vào nhóm này. Việc sử dụng chai thủy tinh vừa đem lại giá trị kinh tế vì có thể tái sử dụng lại chai và không tác động nhiều đến môi trường. Chất lượng bia dựng trong chai thủy tinh phụ thuộc vào màu sắc vì bia rất nhạy cảm với ánh sáng nên màu sắc thông dụng nhất thường là màu nâu. Các họp chất iso alpha axit bị tác động của tia UV để tạo thành mùi “chồn hôi” (lighstruck). Tuy nhiên, hiện nay các dòng bia “light” hay bia bền ánh sáng được sản xuất dựa sản phẩm “hoa bia khử”. Đây là hợp chất iso alpha axit đã được dihydro hóa để trở nên bền với ánh sáng. Tuy nhiên, sử dụng “hop khử” chỉ đảm bảo về yếu tố bền ánh sáng của iso alpha axit, còn các hợp chất khác như ester, keton, aldehyde,… vẫn bị tác động của ánh sáng và biến đổi nhanh chóng. Vì thế, bia “light” vẫn cần được bảo quản trong điều kiện hạn chế chiếu sáng để đảm bảo chất lượng tốt nhất.
  • Chiết lon nhôm: đây là giải pháp có chi phí cao nhất vì giá thành vỏ lon, nắp lon cao. Lon nhôm chỉ sử dụng một lần, mặc dùng có thể được thu hồi lại nhưng nguyên liệu nhôm này chỉ dùng cho các ngành khác. Bia đựng trong lon nhôm được bảo vệ tốt nhất về sự thẩm thấu khí, tác động của ánh sáng, và các rủi ro liên quan đến sự phơi nhiễm,…
  • Chai PET: đây là giải pháp mới nhất hiện nay, trong các lần hội chợ triển lãm thiết bị ngành bia Drinktec2013, Drinktec2107, thì xuất hiện rất nhiều nhà cung cấp thiết bị, nguyên liệu cho sử dụng chai PET trong sản xuất bia. Chai PET dùng trong sản xuất bia là dạng đa lớp (Multi layer) có chức năng chống thấm khí, chống ánh sáng, bền hóa bề mặt,… Sử dụng chai PET giải quyết được khó khăn của các dạng bao bì trên như giá thành rẻ (khi so với lon), trọng lượng nhẹ (khi so với chai), không cần phải thu hồi (khi so với keg cho các trường hợp chuyên chở xa).