Tính Toán Trong Nấu Dịch Nha

Độ hòa tan và khối lượng riêng:

Khối lượng riêng

Khối lượng riêng (hay còn được gọi là tỷ trọng) là đại lượng đo bằng thương số giữa khối lượng m và thể tích V của vật (hoặc chất) đó.

Khi gọi khối lượng riêng là D, ta có: {\displaystyle D={m \over V}}, có đơn vị là kg/m3, hoặc g/cm3.

Khối lượng riêng của chất lỏng phụ thuộc vào:

– Nhiệt độ.

– Nồng độ chất tan hay còn gọi là độ hòa tan.

Sự thay đổi khối lượng riêng theo nhiệt độ:

Khối lượng riêng của một chất thay đổi theo nhiệt độ. Cho nên khi nói đến tỷ trọng thì luôn kèm theo nhiệt độ. Ví dụ SG 1,050@ 15,50C. Khi không nói gì có nghĩa là theo nhiệt độ quy ước. Thông thường nhiệt độ quy ước này là 600F (15.5 0C), 640F (17.50C),và 680F (200C). Việc đọc kết quả trên dung cụ đo luôn phải hiệu chỉnh kết quả theo nhiệt độ (thường được gắn liền với dụng cụ đo).

Độ hòa tan:

Là lượng chất khô hòa tan trong dung môi. Trong ngành bia thường sử dụng các đơn vị Balling và Plato để thể hiện hàm lượng chất khô hòa tan trong dịch nha hoặc dịch bia.

Năm 1843, nhà hoá học Đức Karl Balling, đã giới thiệu bảng tính đo lượng hàm lượng chất tan trong bia (và sau đó cải thiện vào bởi Plato) cho Ủy ban đo lường Đức. Đây là bẳng thể hiện tương quan tỉ trọng với phần trăm khối lượng tan trong dung dịch. Cả hai bảng tính toán sự tương quan đều được xây dựng trên cùng giải pháp pha đường mía vào nước. Mỗi dung dịch chứa tỉ lệ phần trăm khối lượng khác nhau và cân đong thể tích và khối lượng của dung dịch để xác định tỷ trọng. Bảng của Plato có chút chính xác hơn của Balling, nhưng với mục tiêu tính toán trong thực tế thì sự khác biệt không đáng kể.

Định nghĩa dịch nha (wort) có 10 độ Plato (hoặc Balling) là nếu bằng cách nào đó (VD như cô đặc) để thu được 100% chất khô, thì khối lượng chất khô đó (là đường) đó sẽ là 10% của tổng khối lượng.
Tuy nhiên, đối với dịch nha trong sản xuất bia thì chỉ có một phần nhỏ của chất tan là đường mía phần còn lại là đường Maltose, glucose, Fructose,… Đây không phải là một vấn đề nghiêm trọng vì đường mía (rất phổ biến để sử dụng làm nền tảng phân tích) có sự gia tăng tỉ trọng lớn hơn các đường khác nên sử dụng công thức được xây dựng với thực nghiệm đường mía sẽ không gây bất lợi về tính toán cho thực tế. Nếu sử dụng loại đường nhẹ hơn để xây dựng thì sẽ xảy ra mâu thuẩn vì khi đó hiệu suất thu hồi sẽ cao hơn 100%.
Cả 2 đơn vị Balling và Plato đều thể hiện khối lượng chất tan trong 100ml dung dịch được đo ở 20oC.
Bảng tra quy đổi giữa độ hòa tan với khối lượng riêng của dịch nha:

Công thức quy đổi từ độ Plato (balling) sang khối lượng riêng (tỷ trọng):

(theo ASBC)

Công thức tính nhanh tỷ trọng D = 1 + Plato x 0,004 (theo Kunze)

Công thức quy đổi từ tỷ trọng sang độ Plato (hay Balling):

https://sites.google.com/site/librarybeers/nau-dich-nha/density%20to%20plato.png(theo ASBC)

 

Tỷ lệ bay hơi trong quá trình đun sôi

Cách tính dựa trên thể tích:

Trong đó:
V1: thể tích trước đun sôi và V2: thể tích sau đun sôi.

Cách tính dựa trên độ hòa tan:

TTrong đó: P1: độ hòa tan (Balling) trước sôi, P2 là độ hòa tan (balling) sau sôi.

Ưu điểm – nhược điểm:

Trong thực tế sản xuất thì việc xác định thể tích tại nồi đun sôi mắc phải những khó khăn nhất định, ví dụ như:

– Căn cứ theo thước đo đặt trong nồi thì sai lệch của thước đo ở các nhà máy là khác nhau nên kết quả tỉ lệ bay hơi trên thực tế sẽ khác nhau ở các nhà máy.

– Căn cứ theo đầu dò dung tích với nguyên lý đo chiều cao cột nước thủy tĩnh rồi nội suy ra thể tích thì: đầu dò có sự sai lệch do nước nha luôn chuyển động trong quá trình đun sôi và hình dạng nồi đun sôi với đáy nón, thân trụ nên hàm nội suy sẽ không tuyến tính.

– Ngoài ra, việc căn cứ theo thể tích còn vướng phải vấn đề là thể tích V1, V2 phải được xác định cùng 1 nhiệt độ và không xác định được dung tích nước nha nằm trong bộ đốt ngoài, đường ống tuần hoàn,…

Đo bằng độ hòa tan (hay thước đo tỷ trọng kế) thì sẽ dễ dàng thực hiện hơn và đồng nhất hơn giữa các nhà máy khác nhau trong cùng hệ thống.

Sự chênh lệch giữa 2 phương pháp:

Sự sai lệch của 2 phương pháp phụ thuộc vào:
– Tỷ lệ bay hơi, và
– Độ hòa tan của dịch nha
Mức độ dao động sẽ là %Bay hơi (theo V) sẽ lớn hơn %Bay hơi (theo P) từ 0,1 – 0,3%.

Hiệu suất thu hồi hop:

Hiệu suất thu hồi hop (hoa bia) hay còn gọi là hiệu suất đồng phân hóa. Trong đó, thành phần Alpha Axit đồng phân hóa thành Iso Alpha Axit.
Theo hình trên thì độ tan của Iso Alpha Axit là 120mg/l gấp 40 lần so với độ tan của Alpha Axit. Vì vậy, khi alpha axit bị đồng phân hóa càng nhiều thì lượng iso alpha axit hòa tan trong dịch nha càng nhiều. Đây là lý do mà nhiều nhà làm bia gọi hiệu suất đồng phân hóa chính là hiệu suất thu hồi chất đắng.
Hiện nay, các nhà làm bia trên thế giới đã nghiên cứu và giới thiệu nhiều công thức tính hiệu suất thu hồi chất đắng, nhưng chưa có công thức nào được cho là đúng. Vì hiệu suất thu hồi chất đắng phụ thuộc rất nhiều yếu tố như:
– Chủng loại hoa bia.
– Thời gian đun sôi.
– Nhiệt độ đun sôi.
– Cường độ đun sôi.
– Cấu tạo nồi đun sôi.
– Loại (dạng) hoa bia sử dụng. VD: viên, cao, hay cánh hoa.
-….
Sau đây là các công thức tính hiệu suất thu hồi đã được nhiều nơi sử dụng, mà đa phần được áp dụng trong sản xuất bia thủ công.

Công thức chung

Dựa trên kết quả tính toán theo các công thức dưới đây mà hiệu suất thu hồi hoa bia có thể dao động trong khoảng +/- 10% tùy thuộc vào loại hop sử dụng là hoa nguyên cánh (Whole leaf) hay hoa viên (Pallet), hop cao thì có hiệu suất thu hồi cao hơn.
Các yếu tố hiệu chỉnh nhằm loại bỏ ảnh hưởng của độ hòa tan dịch nha trong quá trình đun sôi là estimated boil gravity = ((final volume x (final gravity – 1)) / estimated boil volume) + 1
Có nhiều công thức tính ước lượng độ đắng, mỗi công thức lại cho kết quả có sự khác nhau. Nên kinh nghiệm thường là tính trung bình cộng các kết quả của các công thức
Average IBU’s = (Tinseth + Rager + Garetz + Daniels) / 4
Sau đây, là các công thức tính cụ thể

Công thức Tinseth’s IBU

IBUs = % hiệu suất thu hồi chất đắng * Hàm lượng alpha axit bổ sung (mg/l)
Công thức Tenseth’s tương đối đơn giản, với:
Hàm lượng alpha axit bổ sung (mg/l) = hàm lượng alpha axit trong hoa bia (%) * Khối lượng hoa bia / thể tích dịch nha
Hiệu suất thu hồi chất đắng = Bigness Factor * Boil Time Factor
Bigness factor = 1.65 * 0.000125^(Tỷ trọng dịch nha – 1)
Boil Time factor = (1 – e^(-0.04 * thời gian (phút)) )/4.15
Lưu ý: e = 2.71828

Công thức Rager IBU

IBU = (Khối lượng hoa bia * %Hiệu suất thu hồi chất đắng * % hàm lượng Alpha) / (thể tích dịch nha* (1 + GA))
Công thức Ragers có sử dụng hệ số hiệu chỉnh Gravity Adjustment factor (GA) cho phù hợp hơn với trường hợp nấu dịch nha độ đường cao (cao hơn 1.050kg/l), khi tỷ trọng =< 1,050 kg/l thì GA = 0,
GA = (Tỷ trọng dịch nha sau đun sôi – 1.050) / 0.2
%Hiệu suất thu hồi chất đắng = 18.11 + (13.86 * hyptan[(Phút – 31.32) / 18.27] )

Công thức Garetz IBU

Theo Garetz, Có nhiều hệ số hiệu chỉnh kết hợp (‘combined adjustements’ (CA)) được đưa ra khi tính độ đắng bia được chính xác hơn. Đó là GF: hiệu chỉnh tỷ trọng (Gravity Factor), HF: hiệu chỉnh hoa bia (hopping factor) và TF hiệu chỉnh nhiệt độ (temperature factor).
Trong tính toán thì quy tắt tính toán các hệ số trên tương tượng như tính toán hệ số hiệu chỉnh tỷ trọng (estimated Boil Gravity).
Quá trình tính toán theo công thức Garetz như sau:
IBU = (%hiệu suất thu hồi đắng * %hàm lượng alpha * khối lượng hoa bia / (thể tích dịch nha * CA)

Hiệu suất thu hồi đắng % = 7.2994 + (15.0746 * tanh((phút – 21.86) / 24.71))

CA = GF * HF * TF

Để tính CA như công thức trên, chúng ta cần tính CF

CF = thể tích kết thúc đun sôi / thể tích trước đun sôi

Sau đó, ta tiếp tục tính BG

BG = (CF * (tỷ trọng trước đun sôi – 1)) + 1

GF = (BG – 1.050)/.2 +1

HF = ((CF * Độ đắng mong muốn)/260) + 1

TF = ((Độ cao mực dịch trong nồi đun sôi) / 550) * 0.02) + 1

Công thức Daniels IBU

Được giới thiệu bởi Ray Daniels (Tác giả quyển sách Designing Great Beers), Daniels không đưa ra một công thức tính toán cụ thể độ đắng của bia mà ông đưa ra hiệu suất thu hồi chất đắng dựa trên thời gian đun sôi như sau:

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG APP “BEER IS EASY”