Mẫu 1a
..

MẪU BÌA LUẬN VĂN CĨ IN CHỮ NHŨ VÀNG Khổ 210 x 297 mm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ VĂN TRƯỜNG

VŨ VĂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ
HỆ THỐNG SẢN XUẤT BIA KHÔNG CỒN
KỸ THUẬT NHIỆT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT NHIỆT

2014B
Hà Nội – 2017


Mẫu 1b
MẪU TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ VĂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ

HỆ THỐNG SẢN XUẤT BIA KHÔNG CỒN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. ĐINH VĂN THÀNH

2. PGS.TS. TRẦN GIA MỸ

Hà Nội – 2017


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất tới hai thầy hướng dẫn TS.
Đinh Văn Thành và PGS.TS. Trần Gia Mỹ đã tận tình hướng dẫn tơi thực hiện và
hồn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến công ty TNHH Cơ nhiệt điện lạnh Bách
Khoa – POLYCO đã tạo điều kiện cho tơi tiếp cận thiết bị có quy mơ cơng nghiệp
cũng như hỗ trợ trong q trình chạy thử nghiệm thu, thu thập số liệu thí nghiệm
của đề tài. Cảm ơn GS.TS. Đinh Văn Thuận cùng các anh chị đồng nghiệp trong
công ty đã giúp đỡ tôi hiểu rõ về thiết bị cũng như thiết lập mô hình điều khiển, đặc
biệt là TS. Nguyễn Thị Thanh Ngọc với kiến thức quý báu về quá trình truyền nhiệt
chuyển khối, các yếu tố công nghệ tác động đến chất lượng bia thành phẩm.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ln bên tơi động viên, cổ vũ
tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp này.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2017

Học viên

Vũ Văn Trường

Học viên: Vũ Văn Trường

i


LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đinh Văn Thành
và PGS.TS. Trần Gia Mỹ.
Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài những tài liệu tham khảo đã liệt kê, tôi
cam đoan khơng sao chép các cơng trình nghiên cứu, sử dụng bất cứ tài liệu nào mà
chưa được liệt kê.
Nếu sai phạm, tơi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2017
Học viên

Vũ Văn Trường

Học viên: Vũ Văn Trường

ii


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẲT
AFB

Alcohol Free Beer


LAB

(Bia có độ cồn thấp)

(Bia không cồn)
ABV

Alcohol By Volume

Low Alcohol Beer

SCC

(Nồng độ cồn theo thể tích)

Spinning Cone Column
(Tháp tách chân khơng dạng
nón quay)

FFE

Falling Film Evaporator

RO

(Thiết bị bốc hơi màng rơi)
HEX

Heat Exchanger


Reverse Osmosis
(Thẩm thấu ngược)

PLC

(Thiết bị trao đổi nhiệt)

Programmable Logic
Controller
(Bộ điểu khiển có thể lập trình
được)

PHE

Plate Heat Exchanger

Aroma Các hợp chất hương thơm

(Thiết bị trao đổi nhiệt dạng

trong bia

tầm bản)
P&ID

Process and Instrument

Ts


Nhiệt độ sôi

hl

1 hl = 100 l = 0,1 m3

Diagram
(Sơ đồ công nghệ và thiết bị)
bar

1 bar = 105 Pa = 1.000 mbar
= 100 kPa

Học viên: Vũ Văn Trường

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phân loại các phương pháp sản xuất bia khơng cồn ........................... 10
Hình 1.2: Hệ thống sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia tại
CHLB Đức [28]................................................................................. 14
Hình 1.3: Hệ thống sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia tại
Đan Mạch [28] .................................................................................. 14
Hình 2.1: Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của thông số vận hành đến chất lượng
bia đầu ra ........................................................................................... 20
Hình 2.2: Phịng kiểm sốt chất lượng................................................................ 21
Hình 2.3: Cấu trúc phịng kiểm nghiệm sản phẩm và các tiêu chí đánh giá....... 21
Hình 2.4: Thiết bị phân tích bia của hãng Anton Paar model DMA 5000M...... 22
Hình 3.1: Hệ thống tách cồn sử dụng màng thẩm thấu....................................... 28

Hình 3.2: Thiết bị hóa hơi màng mỏng có trục quay (Centritherm system)
loại có một tháp quay ........................................................................ 35
Hình 3.3: Tháp nón xoay (SCC) loại có nhiều nón ............................................ 36
Hình 3.4: Thiết bị bay hơi màng rơi (FFE) ......................................................... 37
Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ thống tách cồn.............................................................. 47
Hình 3.6: P&ID cơ bản của hệ thống .................................................................. 48
Hình 3.7: Sơ đồ khối tách cồn, ngưng tụ cồn ..................................................... 49
Hình 3.8: Sơ đồ khối thu hồi hương ................................................................... 49
Hình 3.9: Sơ đồ khối trao đổi nhiệt, khử khí, bốc hơi chân khơng và hồn thiện
sản phẩm............................................................................................ 50
Hình 3.10: Sơ đồ khối tách cồn........................................................................... 53
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý tháp tách cồn thu gọn ............................................. 54
Hình 3.12: Nhiệt độ sôi của nước và cồn tại các áp suất khác nhau................... 56
Hình 3.13: Nhiệt độ bia cấp vào tháp theo các áp suất làm việc trong tháp
khác nhau .......................................................................................... 57
Hình 3.14: Bảng cài đặt giá trị cho khâu sản xuất .............................................. 58
Hình 3.15: Quan hệ nhiệt độ trong các thí nghiệm ............................................. 60
Học viên: Vũ Văn Trường

iv


Hình 3.16: Biến thiên nồng độ cồn trong bia thành phẩm theo áp suất tách cồn
................................................................................................... 61
Hình 3.17: Xác định cơng thức gần đúng bằng hàm bậc nhất ............................ 62
Hình 3.18: Xác định công thức gần đúng bằng hàm số mũ ................................ 62
Hình 3.19: Tương quan nhiệt độ khi thay đổi áp suất hơi gia nhiệt ................... 65
Hình 3.20: Biến thiên nồng đồ cồn bia thành phẩm theo áp suất hơi gia nhiệt .. 67
Hình 3.21: Mơ phỏng biến thiên nồng độ cồn bia thành phẩm theo áp suất hơi
gia nhiệt ............................................................................................. 67

Hình 3.22: Các mơ-đun chính của hệ thống DEALC ......................................... 70
Hình 3.23: Các khối cơ bản trên thực tế của hệ thống DEALC ......................... 70
Hình 3.24: Biến thiên nồng độ cồn bia thành phẩm khi thay đổi áp suất
chưng cất ........................................................................................... 72
Hình 4.1: Sơ đồ khối cơng nghệ hệ thống sản xuất bia khơng cồn .................... 75
Hình 4.2: Sơ đồ khối điều khiển của hệ thống.................................................... 76
Hình 4.3: Điều khiển cho thơng số x1 ................................................................ 82
Hình 4.4: Điều khiển thơng số x2 ....................................................................... 82
Hình 4.5: Màn hình điều khiển của hệ thống ...................................................... 88
Hình 4.6: Màn hình cài đặt giá trị của hệ thống ................................................. 89
Hình 4.7: Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt H1, H2 .................................................... 91
Hình 4.8: Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt H3........................................................... 92
Hình 4.9: Mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm E2 và E4 ........................... 93
Hình 4.10: Kết quả tính hiệu quả kinh tế của dự án ........................................... 98

Học viên: Vũ Văn Trường

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Giá trị dinh dưỡng trong 356 g bia (1 lon) ........................................... 4
Bảng 3.1: So sánh chất lượng của bia không cồn được tạo ra bằng phương pháp sử
dụng màng lọc với bia ban đầu [5,22] . ............................................ 27
Bảng 3.2: So sánh đặc tính của bia ban đầu với bia tách cồn bằng phương pháp
tách cồn chân không .......................................................................... 33
Bảng 3.3: So sánh sự thay đổi các đặc tính của bia khơng cồn với các bia
có cồn tương ứng khi sản xuất bằng các phương pháp khác nhau ... 40
Bảng 3.4: Ưu và nhược điểm của phương pháp sản xuất bia không cồn bằng
nhiệt và màng RO.............................................................................. 44

Bảng 3.5: Lựa chọn công suất hệ tách cồn ......................................................... 46
Bảng 3.6: Kết quả phân tích bia khơng cồn [32] ................................................ 52
Bảng 3.7: Chi phí vận hành của hệ thống 2,000 lít/ giờ ..................................... 52
Bảng 3.8: Yêu cầu của hệ thống ......................................................................... 52
Bảng 3.9: Nhiệt độ sôi của nước và cồn tại các áp suất khác nhau .................... 55
Bảng 3.10: Nhiệt độ sơi ở áp suất khí quyển của các cấu tử thơm trong bia [46] ..
................................................................................................... 57
Bảng 3.11. Giá trị biến khảo sát trong thí nghiệm .............................................. 59
Bảng 3.12. Quan hệ nhiệt độ hoạt động với áp suất chưng cất .......................... 59
Bảng 3.13: Nồng độ cồn bia thành phẩm ứng với các áp suất tách cồn khác nhau
(y1) ................................................................................................... 60
Bảng 3.14: Cảm nhận cảm quan của bia thành phẩm (y2) ................................. 61
Bảng 3.15: Tương quan các nhiệt độ khi thay đổi áp suất hơi cấp ..................... 65
Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm 2 ........................................................................ 66
Bảng 3.17: Giá trị thực nghiệm cho chất lượng bia tốt ...................................... 69
Bảng 3.18: Hàm lượng aroma trong bia trước và sau khi tách cồn .................... 73
Bảng 3.19: Các thông số của bia qua các giai đoạn trong hệ khử cồn ............... 73
Bảng 4.1: Điều khiển hòa trộn CO2 và trao đổi nhiệt ........................................ 76
Bảng 4.2: Điều khiển khối khử khí và thu hồi CO2 ........................................... 77
Học viên: Vũ Văn Trường

vi


Bảng 4.3: Điều khiển khối tách cồn, ngưng tụ cồn............................................. 78
Bảng 4.4: Quy trình điều khiển van .................................................................... 80
Bảng 4.5: Lựa chọn bơm ..................................................................................... 83
Bảng 4.6: Lựa chọn van ...................................................................................... 84
Bảng 4.7: Lựa chọn sensor.................................................................................. 84
Bảng 4.8: Cân bằng sản phẩm hệ thống sản xuất bia không cồn........................ 90

Bảng 4.9: Tính tốn cơng suất thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản ............................ 92
Bảng 4.10: Tính tốn cơng suất thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm....................... 94
Bảng 4.11: Tiêu thụ năng lượng của hệ thống .................................................... 95
Bảng 4.12: So sánh tiêu thụ năng lượng với hệ thống khác ............................... 96
Bảng 4.13: Hiệu quả tiết kiệm năng lượng ......................................................... 97

Học viên: Vũ Văn Trường

vii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

..................................................................................................... 1

Lý do thực hiện đề tài ....................................................................................... 1
Cấu trúc của luận văn ........................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN .......................................................................... 4
1.1. Tổng quan về bia không cồn ..................................................................... 4
1.1.1. Giới thiệu chung về bia ......................................................................... 4
1.1.2. Bia không cồn ........................................................................................ 5
1.2. Thị trường tiêu thụ .................................................................................... 8
1.2.1. Trên thế giới .......................................................................................... 8
1.2.2. Tiềm năng tiêu thụ bia không cồn ở Việt Nam ..................................... 8
1.3. Các phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn trên thế giới .......... 9
1.3.1. Phương pháp hạn chế sự tạo thành đường có khả năng lên men trong q
trình đường hóa ................................................................................................... 10
1.3.2. Phương pháp hạn chế sự tạo thành cồn trong quá trình lên men ........ 10
1.3.3. Phương pháp loại bỏ cồn từ dịch bia sau q trình lên men hồn tồn11

1.3.4. Phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia
trên Thế giới

................................................................................................... 14

1.4. Lựa chọn công nghệ và công suất đầu tư sản xuất bia không cồn phù hợp tại
Việt Nam

................................................................................................... 15

CHƯƠNG 2 - CÁC NHIỆM VỤ THỰC NGHIỆM ................................... 18
2.1. Lựa chọn công nghệ ................................................................................ 18
2.2. Xác định ảnh hưởng của các thông số vận hành đến chất lượng bia không
cồn thành phẩm ................................................................................................... 18
2.2.1. Xác định nhiệm vụ thực nghiệm ......................................................... 18
2.2.2. Kiểm tra chất lượng sản phẩm............................................................. 20
2.3. Điều khiển, định mức tiêu hao năng lượng, hiệu quả kinh tế................. 22
CHƯƠNG 3 - CÔNG NGHỆ VÀ THÔNG SỐ VẬN HÀNH .................... 24
Học viên: Vũ Văn Trường

viii


3.1. Đánh giá lựa chọn phương pháp sản xuất bia khơng cồn và phân tích các
thơng số cơng nghệ ............................................................................................. 24
3.1.1. Các phương pháp tách cồn sử dụng màng lọc ..................................... 25
3.1.2. Phương pháp tách cồn sử dụng nhiệt................................................... 30
3.1.3. Đặc tính cảm quan và phục hồi mùi hương cho bia khơng cồn .......... 39
3.1.4. Đánh giá chi phí các phương pháp sản xuất bia không cồn ................ 42
3.1.5. Kết luận................................................................................................ 44

3.2. Thuyết minh công nghệ .......................................................................... 46
3.2.1. Nguyên lý hoạt động ........................................................................... 46
3.2.2. Ưu điểm của hệ thống.......................................................................... 51
3.2.3. Quá trình chưng cất, tách cồn .............................................................. 53
3.3. Khảo sát thơng số vận hành thực tế ........................................................ 55
3.3.1. Thí nghiệm 1: Xác định ảnh hưởng của áp suất tách cồn đến nồng độ
cồn và hương vị bia thành phẩm ..................................................................... 59
3.3.2. Thí nghiệm 2: Xác định ảnh hưởng của áp suất hơi cấp gia nhiệt đến
nồng độ cồn và hương vị bia thành phẩm ....................................................... 64
3.3.3. Kết luận................................................................................................ 69
3.3.4. Kết quả thực nghiệm khác ................................................................... 70
CHƯƠNG 4 - THIẾT BỊ VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ ................................ 75
4.1. Thiết lập mô hình điều khiển, lựa chọn thiết bị điều khiển phù hợp ...... 75
4.1.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển ........................................................ 75
4.1.2. Cấu trúc khối chức năng ...................................................................... 76
4.1.3. Quy trình điều khiển bơm.................................................................... 79
4.1.4. Quy trình điều khiển van ..................................................................... 79
4.1.5. Lựa chọn thiết bị, sensor ..................................................................... 83
4.1.6. Phần cứng và giao diện người dùng .................................................... 85
4.2. Thiết bị sản xuất, cân bằng năng lượng .................................................. 90
4.2.1. Thiết bị trao đổi nhiệt, sử dụng năng lượng ........................................ 90
4.2.2. Tiêu thụ năng lượng............................................................................. 95
Học viên: Vũ Văn Trường

ix


4.3. Hiệu quả kinh tế của việc đầu tư hệ thống sản xuất bia không cồn ....... 97
4.3.1. Đầu tư ban đầu ..................................................................................... 97
4.3.2. Thời gian hoàn vốn .............................................................................. 98

CHƯƠNG 5 - CÁC KẾT QUẢ THU ĐƯỢC VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
TIẾP THEO

................................................................................................... 99

5.1. Kết quả chính .......................................................................................... 99
5.2. Hướng nghiên tiếp theo ........................................................................ 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 101
PHỤ LỤC

................................................................................................. 104

Học viên: Vũ Văn Trường

x


MỞ ĐẦU
Lý do thực hiện đề tài
Bia không cồn là loại bia có nồng độ cồn thấp, tùy theo tiêu chuẩn của từng
nước mà nồng độ cồn của bia là khác nhau. Trước đây, bia không cồn được nhập
khẩu vào Việt Nam có giá thành khá cao, hương vị khơng phù hợp với người
tiêu dùng. Chính vì vậy trong những năm gần đây, có nhiều cơng ty và tổ chức
bắt đầu nghiên cứu về sản phẩm bia không cồn. Ở Việt Nam, hệ thống sản xuất
bia không cồn đầu tiên tại nhà máy bia Sài Gịn - Hồng Quỳnh đi vào hoạt
động từ năm 2014 với công suất 1.000 l/giờ, nồng độ cồn 0,5%, đặc biệt giá
thành chỉ tương đương với bia truyền thống. Nhà máy thứ hai áp dụng là Sài
Gịn – Phủ Lý, trực thuộc Tổng cơng ty Bia – Rượu – Nước giải khát Sài Gịn
(SABECO), có cơng suất 100 triệu lít/ năm. Năm 2015, nhà máy bia đã quyết
định đầu tư dây chuyền sản xuất bia khơng cồn có cơng suất 1.000 l/giờ, độ cồn

0,5%, đáp ứng thị trường bia không cồn tại miền Bắc. Hệ thống bia không cồn
này phù hợp với các nhiều nhà máy bia hiện tại. Có nhiều phương pháp tách cồn
khỏi bia khác nhau, mỗi phương án đều có ưu nhược điểm riêng. Khi lựa chọn
công nghệ tách cồn cần cân nhắc giữa các yếu tố như nồng độ cồn trong bia sau
khi tách, đặc tính cảm quan, hương vị của bia thành phẩm, chi phí đầu tư, chi
phí năng lượng và chi phí vận hành, bảo dưỡng. Từ đó, đề tài “Nghiên cứu,
thiết kế công nghệ và thiết bị hệ thống sản xuất bia không cồn” đã được lựa
chọn và thực hiện nhằm làm rõ các yêu cầu trên.
Cấu trúc của luận văn
Dưới đây là cấu trúc của luận văn và các vấn đề mà luận văn sẽ làm rõ:
Chương 1: Tổng quan
- Giới thiệu tổng quan về bia không cồn:
Xuất xứ của bia không cồn, quy định về nồng độ cồn cho phép để bia
được gọi là không cồn theo luật pháp trên thế giới và tại Việt Nam.

Học viên: Vũ Văn Trường

1


- Lợi ích với sức khỏe, tình hình sản xuất, tiêu thụ bia không cồn trên thế
giới và tại Việt Nam. Xu hướng uống lành mạnh và tiềm năng phát triển
của bia không cồn.
- Khái quát các phương pháp sản xuất bia khơng cồn trên trong cơng nghiệp
và đang thí nghiệm, các phương pháp được sử dụng tại các nước tiên tiến.
- Phân tích, lựa chọn cơng nghệ phù hợp cho Việt Nam, lựa chọn công suất
phù hợp.
Chương 2: Các nhiệm vụ thực nghiệm
Phần này sẽ giới thiệu về các nhiệm vụ thực nghiệm và phương pháp thực
hiện các nhiệm vụ đó. Chương 3, 4 sẽ trình bày cụ thể về thực nghiệm, tính tốn

và kết quả đạt được của mỗi nhiệm vụ. Cụ thể như sau:
- Bằng cách tìm hiểu các nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất bia khơng cồn,
đánh giá các phương pháp tìm ra phương pháp tốt nhất. Tìm dải hoạt động
phù hợp của phương pháp đó.
- Tiến hành thực nghiệm trên hệ thống sản xuất bia không cồn, xác định
ảnh hưởng của các thông số vận hành đến chất lượng bia thành phẩm, từ
đó xây dựng mối tương quan bằng hàm số gần đúng dự đốn chất lượng
sản phẩm khi thay đổi thơng số; đề xuất dải làm việc phù hợp cho hệ
thống.
- Xây dựng mơ hình điều khiển, lựa chọn thiết bị, tính tốn định mức tiêu
thụ năng lượng, hiệu quả kinh tế cho hệ thống sản xuất bia không cồn đã
thực nghiệm.
Chương 3: Công nghệ và thông số vận hành
Nghiên cứu, so sánh để lựa chọn ra công nghệ áp dụng :
- Phân tích cơng nghệ sản xuất bằng cách tách cồn từ bia thành phẩm đã lên
men hoàn toàn, so sánh lựa chọn phương án tối ưu hơn.
- Tìm ra dải thơng số hoạt động phù hợp của phương pháp, tối ưu cho việc
loại bỏ cồn mà vẫn giữ được mùi hương của bia ban đầu.

Học viên: Vũ Văn Trường

2


- Đánh giá cảm quan sản phẩm của mỗi phương pháp, phương pháp cải
thiện mùi hương, so sánh chi phí sản xuất.
Thuyết minh cơng nghệ, thực nghiệm để tìm ra dải làm việc phù hợp:
- Thuyết minh công nghệ của hệ thống
- Bằng thực nghiệm, khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số vận hành đến
nồng độ cồn và chất lượng cảm quan của sản phẩm. Từ đó, luận văn xây

dựng mối quan hệ bằng hàm số giữa thông số làm việc đến nồng độ cồn,
cho phép người vận hành có thể điều chỉnh ở nhiều chế độ hoạt động khác
nhau, đề xuất dải làm việc phù hợp.
Chương 4: Thiết bị và hiệu quả kinh tế
- Xuất phát từ bài tốn cơng nghệ, đề xuất mơ hình điều khiển.
- Cân bằng sản phẩm, tính tốn tiêu thụ năng lượng cho hệ thống.
- Lựa chọn thiết bị phù hợp, bản vẽ cơ khí của một số thiết bị.
- Hiệu quả kinh tế của dự án.
Chương 5: Các kết chính thu được và hướng nghiên cứu tiếp theo
- Các kết quả chính của luận văn
- Hướng nghiên cứu tiếp theo

Học viên: Vũ Văn Trường

3


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về bia không cồn
1.1.1. Giới thiệu chung về bia
Bia là loại đồ uống có cồn lâu đời và được sử dụng phổ biến nhất chỉ sau
nước và trà. Bia được lên men ở nhiệt độ thấp từ các loại hạt ngũ cốc, phổ biến
nhất trên thế giới là đại mạch, lúa mì, gạo, ngơ. Khi lên men, lượng đường có
trong dịch nấu bia sẽ chuyển hóa thành cồn (ethanol) và CO2. Các loại bia hiện
nay thường được nấu với hoa húp-lông (hops) nhằm bổ sung vị đắng, mùi vị,
tăng độ bền bọt, đồng thời cũng là một chất bảo quản tự nhiên [45].
Ngày nay bia đã trở nên phổ biến trên thế giới, quy mô sản xuất đa dạng từ
các công ty bia đa quốc gia đến các nhà máy bia địa phương và hệ thống nấu bia
nhỏ phục vụ trong quán bar, nhà hàng. Nồng độ cồn trong bia phổ biến nhất từ
4% đến 6% ABV, mặc dù có thể dao động từ 0,5% đến 20%, thậm chí có nhà

bia cịn tạo ra bia có nồng độ cồn 40% hoặc cao hơn [45]. Bia là thức uống tạo
nên nền ẩm thực của nhiều quốc gia, hoạt động truyền thống như lễ hội bia. Bia
thành phẩm thường đóng trong chai, lon hoặc bia tươi được chứa trong kếch
(keg) có hạn sử dụng ngắn hơn. Loại ngũ cốc sử dụng sẽ quyết định màu của
bia, từ vàng nhạt đến màu đen, phổ biến nhất vẫn là màu vàng hổ phách.
Thành phần lớn nhất của bia là nước, bên cạnh tác dụng giải khát bia cịn
chứa vitamin B6, một lượng khống chất cần thiết như canxi, natri, magiê,
photpho, giá trị dinh dưỡng được thể hiện trong bảng dưới đây [35]:
Bảng 1.1: Giá trị dinh dưỡng trong 356 g bia (1 lon)
Đại lượng

STT

Giá trị

Đơn vị

% khẩu phần
hàng ngày

1

Năng lượng

2

153

kcal


8%

Tổng lượng chất béo

0

g

0%

3

Tổng choresterol

0

mg

0%

4

Natri

14

mg

1%


5

Tổng Carbohydrate

13

g

4%

Học viên: Vũ Văn Trường

4


1.1.2. Bia khơng cồn
a. Lịch sử và quy định
Bia có độ cồn thấp hay còn gọi là light beer, small beer, small ale, near beer,
bia không cồn là loại bia có nồng độ cồn thấp hoặc hồn tồn khơng chứa cồn,
vẫn giữ được hương vị của bia thông thường mà khơng gây say.
Việc sản xuất bia có hàm lượng cồn thấp có những lý do lịch sử khác nhau
trong thế kỷ vừa qua. Ví dụ, trong Thế chiến thứ hai (1939-1945), sự thiếu hụt
nguyên liệu dẫn đến việc sản xuất bia từ dịch chiết có hàm lượng đường thấp
(thường có tỷ lệ phụ gia cao) và do đó hàm lượng cồn thấp. Mặt khác, trong
những năm giữa 1919 và 1933, đó là việc cấm sản xuất và tiêu thụ cồn, làm tăng
sản xuất bia có hàm lượng cồn thấp tại Hoa Kỳ [22]. Vào cuối thế kỷ 20, những
nỗ lực của các nhà máy bia để mở rộng các loại sản phẩm với bia có hàm lượng
cồn thấp đã được thúc đẩy chủ yếu bởi những lý do sau:
- Tăng sản lượng bằng cách đưa ra sản phẩm mới tại các nước có thị trường
cạnh tranh cao.

- Cung cấp cho người tiêu dùng bia những sản phẩm thay thế trước hoặc
trong các hoạt động của họ (lái xe cơ giới hoặc vận hành máy móc, tham gia thể
thao) hoặc trong các điều kiện sức khỏe (mang thai, dùng thuốc) không thể sử
dụng các sản phẩm có chứa nhiều cồn.
- Thâm nhập thị trường nước giải khát ở các nước, nơi tiêu thụ cồn là bị cấm
vì lý do tơn giáo.
Mặc dù doanh số bán bia có hàm lượng cồn thấp đã không đáp ứng kỳ vọng
lạc quan ban đầu và trong một thời gian dài sản lượng tiêu thụ bia nồng độ cồn
thấp chỉ chiếm một phần nhỏ trong sản lượng bia tổng thể, thì hiện nay đã trở
thành một phân khúc tăng trưởng nhanh thị trường bia trên toàn thế giới. Trong
năm năm qua, doanh thu trung bình ở châu Âu tăng 50%. Tây Ban Nha hiện là
nước tiêu thụ bia có hàm lượng cồn thấp lớn nhất ở Liên minh châu Âu (EU),
9,5% lượng bia bán ra trong năm 2010 không chứa cồn, trong khi tại Đức, thị

Học viên: Vũ Văn Trường

5


trường bia lớn nhất của châu Âu, thị phần các loại bia có hàm lượng cồn thấp
dao động từ 4% đến 5%.
Có lẽ lý do quan trọng nhất cho việc tăng doanh thu bia không chứa cồn
(AFB) hàng năm ở các nước EU là những can thiệp về pháp luật hạn chế tiêu thụ
cồn và sự nhận thức của người tiêu dùng về những lợi ích của việc uống bia điều
độ [22].
Ở hầu hết các nước EU bia có hàm lượng cồn thấp được chia thành các loại
bia không cồn (AFB) có chứa ≤ 0,5% cồn theo thể tích (ABV) và bia có độ cồn
thấp (LAB) ≤ 1,2% ABV. Tại Hoa Kỳ bia khơng cồn có nghĩa là hồn tồn
khơng chứa cồn, các sản phẩm có độ cồn ≤ 0,5% được gọi là “near-beer” [16,
22]. Tại một số quốc gia, vì lý do hồi giáo hàm lượng cồn trong đồ uống không

được vượt quá 0,05% ABV.
Tại Anh, luật pháp đưa ra các khái niệm sau:
- Không cồn: chứa nhỏ hơn 0,05% cồn
- Tách cồn: Lớn hơn 0,05% và nhỏ hơn 0,5% cồn
- Độ cồn thấp: nhỏ hơn 1,2% cồn.
Tại một số nơi của châu Âu, nếu đồ uống được dán nhãn khơng cồn thì nồng
độ cồn khơng được vượt q 0,5%. Tại Australia, khái niệm light beer dùng để
chỉ bia có nồng độ cồn nhỏ hơn 3%. Tây Ban Nha là nơi sản xuất và tiêu thụ bia
không cồn lớn nhất thế giới.
Thuật ngữ không cồn trong các chương sau sẽ được quy định bởi luật pháp
châu Âu nói trên. Mặc dù các phương pháp sản xuất LAB và AFB trên thực tế
giống nhau, thị phần của AFB chiếm ưu thế so với LAB. Do đó, trong phần này,
đồ uống với hàm lượng cồn thấp được sản xuất từ mạch nha sẽ được gọi chung
là bia không cồn (AFB).

b. Lợi ích của việc sử dụng bia không cồn
Lạm dụng cồn đã được đưa ra bàn luận trong chương trình nghị sự nhiều năm
liền của các nước phát triển vì mang đến nguy cơ tội phạm, bạo lực, tai nạn giao
thông, rối loạn công cộng và tổn hại về sức khoẻ. Ethanol là một trong những
Học viên: Vũ Văn Trường

6


chất gây nghiện được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới và thường được hấp
thụ qua việc là một thành phần của bia. Khi uống bia, ethanol được hấp thu qua
đường tiêu hóa, khuếch tán vào trong máu và đi vào các mơ. Ethanol được
chuyển hóa thành acetaldehyde chủ yếu ở dạ dày và gan. Acetaldehyde có độc
tính cao và liên kết nhân tố khác tạo ra các sản phẩm chứa acetaldehyde có hại
[22].

Đồng thời, có nhiều bằng chứng cho thấy sử dụng đồ uống có cồn thấp điều
độ không những tốt cho sức khỏe hơn sử dụng quá mức mà còn tốt hơn là kiêng
đồ uống chứa cồn. Uống bia điều độ được chứng minh có hiệu quả giống như
việc uống rượu vang để giảm nguy cơ mắc bệnh mạch vành, đau tim, tiểu đường
và khả năng tử vong nói chung [18, 22]. Ngoại trừ cồn là thành phần chính của
bia gây ra các bệnh về động mạch [22], bia cịn có nhiều đặc tính tốt có liên
quan đến ngũ cốc và hu-blong như không chứa chất béo, cholesterol, chứa ít
năng lượng khơng chứa đường, có chứa chất chống oxy hóa cao (như
polyphenol, flavonoid), magiê và chất xơ hịa tan. Ngồi ra, bia cung cấp các
vitamin và khống chất cần thiết và do đó đóng góp cho chế độ ăn uống cân
bằng lành mạnh [6]. Các loại bia không cồn thừa hưởng giá trị dinh dưỡng của
bia truyền thống nhưng loại bỏ được tác hại của việc cồn đối với cơ thể.
Bia khơng cồn có giá trị dinh dưỡng cao, tốt cho cơ thể, thành phần gồm:
- Silic: Tham gia hình thành xương
- Axit folic, sắt: tốt cho phụ nữ mang thai
- Vitamin B6: Giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch
Bia khơng cồn cịn giúp:
- Giảm nồng độ cholesterol
- Giảm lượng mỡ bám trên mạch máu
- Chứa chất chống oxi hóa, bảo vệ tim
Bia khơng cồn có nồng độ cồn thấp, khơng có ảnh hưởng đến hệ thần kinh và
sức khoẻ của ngưởi sử dụng. Chính vì những ưu điểm này mà sản lượng bia
không cồn tăng nhanh, đặc biệt là tại các nước phát triển, nơi người dân có mức
Học viên: Vũ Văn Trường

7


sống cao và ý thức tốt. Bia khơng cồn cịn thích hợp với phụ nữ và người lái xe.
Bên cạnh đó các chun gia dinh dưỡng cũng cơng nhận rằng bia không cồn là

một loại đồ uống tốt bổ sung nước cho cơ thể.
1.2. Thị trường tiêu thụ
1.2.1. Trên thế giới
Với các lợi ích mang lại, bia khơng cồn có tiềm năng tiêu thụ rất lớn trên thế
giới. Các nước châu Âu tiêu thụ bia không cồn nhiều nhất thế giới. Một nghiên
cứu của Mintel [42] dựa trên sáu thị trường chính đã chỉ ra Tây Ban Nha có
lượng tiêu thụ lớn nhất năm 2013, 60% người mua bia chọn sản phẩm khơng
cồn, trong đó người trong độ tuổi 45 – 50 chiếm tới 69%. Tiếp theo đó là Đức
với 47% người mua bia chọn loại này, sản lượng bia không cồn chiếm 19% tổng
sản lượng bia, tăng so với 11% của năm 2012. Tỉ lệ khách hàng lựa chọn bia
không cồn tại các nước châu Âu lần lượt là: Italia 29%, Phần Lan 26%, Pháp
18%. Nước Anh dù tiêu thụ rất nhiều bia larger nhưng cũng có tới 14% người
uống lựa chọn bia không cồn, đáng chú ý là 26% khách hàng từ 18 – 34 tuổi lựa
chọn sản phẩm này.
Nghiên cứu của Mintel [42] chỉ ra rằng phần lớn khách hàng sử dụng bia
không cồn là phụ nữ và người lớn tuổi. Thống kê trong vòng 6 tháng, phụ nữ
uống bia chọn mua bia không cồn tại Tây Ban Nha là 63%, tại Đức là 50%. Con
số đó cao hơn so với nam giới ở hai nước tương ứng là 57% và 46%. Khảo sát
những người mua bia trên 55 tuổi, 62% số người ở Tây Ban Nha và 49% số
người ở Đức đã từng mua sản phẩm khơng cồn trong năm 2013, lớn hơn so với
nhóm người nằm trong độ tuổi 18 – 24 tại hai quốc gia lần lượt là 51% và 42%.
1.2.2. Tiềm năng tiêu thụ bia không cồn ở Việt Nam
Trên thị trường Việt Nam hiện nay có nhiều nhãn hàng bia khơng cồn nhập
khẩu với giá 25.000 – 30.000 VNĐ/ lon (chai) nhưng khẩu vị không phù hợp với
người Việt Nam. Tổng công ty Bia – Rượu – NGK Sài Gòn đã quyết định đầu tư
hai hệ thống sản xuất bia không cồn tại nhà máy bia Sài Gịn – Hồng Quỳnh và

Học viên: Vũ Văn Trường

8



Sài Gịn – Phủ Lý tạo ra sản phẩm có giá cả hợp lý và phù hợp với thị hiếu của
người tiêu dùng trong nước.
a. Tiềm năng tiêu thụ sản phẩm
Việt Nam là đất nước tiêu thụ bia lớn nhất Đông Nam Á và đứng thứ 3 tại
châu Á, sau Trung Quốc và Nhật Bản. Phần lớn khách hàng có độ tuổi từ 20 đến
40 tuổi. Đây đều là những khách hàng đang trong độ tuổi lao động, sử dụng đồ
uống có cồn có thể gây tác động xấu đến năng suất lao động cũng như các khía
cạnh khác. Chính vì vậy nghiên cứu phát triển đồ uống khơng cồn rất cần thiết
cho khách hàng, giải quyết các hạn chế mà đồ uống có cồn đem đến.
Khách hàng cao tuổi (>65 tuổi) chiếm khoảng 18% dân số không nên sử
dụng đồ uống có cồn vì lý do sức khỏe. Bên cạnh đó, nhóm người dưới 18 tuổi
chiếm khoảng 28% dân số khơng được phép sử dụng đồ uống có cồn. Bia khơng
cồn hồn tồn phù hợp với hai nhóm khách hàng nói trên [30].
Phụ nữ chiếm khoảng 50% dân số tiêu thụ một lượng nhỏ bia khơng cồn vì
sức chịu đựng với cồn của họ không tốt bằng nam giới, uống rượu bia dễ làm họ
xay xỉn và mất kiểm sốt. Bia khơng cồn giúp phụ nữ tự tin hơn tham gia vào
các buổi tiệc, các buổi đàm phán với đối tác.
b. Tiềm năng về cơ sở vật chất và cơng nghệ
Hiện tại tập đồn Bia Sài Gịn – SABECO đã đầu tư 23 nhà máy bia, với
tổng công suất khoảng 1,8 triệu lít bia mỗi năm. Các nhà máy bia của SABECO
được trang bị công nghệ hiện đại của châu Âu, sản xuất nhiều dịng sản phẩm
bia, trong đó có bia được nấu hồn tồn từ malt. Dựa vào cơ sở hạ tầng, trang
thiết bị hiện đại, thị trường rộng mở, việc đầu tư vào phát triển bia không cồn
giúp SABECO đa dạng hóa sản phẩm, hướng đến sức khỏe người tiêu dùng.
1.3. Các phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn trên thế giới
Để đưa ra được phân tích lựa chọn hợp lý phương pháp cơng nghệ sản xuất
bia không cồn tại Việt Nam, luận văn tiến hành tìm hiểu các nghiên cứu phương
pháp cơng nghệ sản xuất bia khơng cồn trên thế giới, đồng thời, tìm hiểu phương

pháp công nghệ sản xuất bia không cồn đã được ứng dụng hiệu quả tại một số
Học viên: Vũ Văn Trường

9


nhà máy bia hiện đại ở các nước phát triển. Sau đây là sơ lược về các phương
pháp sản xuất bia không cồn và so sánh ưu nhược điểm của mỗi phương pháp.

Hình 1.1: Phân loại các phương pháp sản xuất bia không cồn
1.3.1. Phương pháp hạn chế sự tạo thành đường có khả năng lên men
trong q trình đường hóa
Nghiên cứu q trình nấu và thay đổi các chế độ đường hóa nhằm thu được
dịch đường có thành phần hóa học phù hợp cho q trình tạo ra bia có nồng độ
cồn thấp. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là ảnh hưởng đến
công nghệ sản xuất bia hiện hữu và quá trình điều khiển tự động cũng phải thay
đổi, dẫn đến giảm hiệu quả sản xuất kinh doanh bia có cồn và đặc biệt chất
lượng sản phẩm bia khơng cồn có hương vị khơng hài hồ như bia truyền thống
do nồng độ các hợp chất carbonyl trong dịch đường cao và bia không cồn nặng
“mùi dịch đường”.
1.3.2. Phương pháp hạn chế sự tạo thành cồn trong quá trình lên men
a. Phương pháp tác động vào quá trình lên men
Quá trình lên men được thực hiện ở nhiệt độ thấp, đến khi nồng độ cồn <
0,5%, thì dừng quá trình lên men, thu hồi men và lọc, giữ dịch bia ở nhiệt độ
thấp 0-1 0C. Phương pháp lên men này hoàn toàn tận dụng được các thiết bị lên
Học viên: Vũ Văn Trường

10



men sẵn có. Tuy nhiên nhược điểm lớn là sự hình thành các hợp chất hương bị
hạn chế, do đó bia thành phẩm khơng có mùi thơm [28].

b. Phương pháp lên men ở nhiệt độ thấp
Ưu điểm của phương pháp là giảm được các hợp chất carbonyl và tạo ra
nhiều hợp chất hương [28], tận dụng được thiết bị lên men hiện hữu, nhưng nấm
men được sử dụng trong phương pháp lên men ở nhiệt độ thấp sẽ chuyển hóa
các amino acid thành các aldehyde – là chất làm giảm hương vị của bia [28].

c. Phương pháp sử dụng chủng nấm men đặc hiệu
Quá trình lên men sử dụng chủng nấm men đặc hiệu như các loài
Saccharomyces Ludwigii, chỉ lên men đường fructose và glucose, không lên
men đường maltose, nên khi quá trình lên men đến nồng độ cồn < 0,5% dừng
lên men thì hàm lượng đường trong bia thành phẩm cao, khiến bia có vị quá
ngọt và chủng nấm men khác so với chủng nấm men sản xuất bia hiện tại, ảnh
hưởng lớn đến sản xuất sản phẩm bia có cồn [28].

d. Phương pháp cố định tế bào nấm men
Cố định tế bào nấm men bao gồm việc kết hợp chúng với một chất mang,
nhằm cho phép sự hình thành các cụm nấm men trên đó, chất mang thường được
sử dụng là các phụ phẩm trong sản xuất bia và nông nghiệp như các loại hạt ngũ
cốc hoặc lõi ngơ. Q trình lên men tránh tạo cồn nhưng nấm men vẫn tạo ra các
hợp chất hương vị của bia. Q trình lên men là liên tục nên khó khăn trong việc
kiểm sốt, khả năng nhiễm khuẩn cao, chi phí đầu tư hệ thống thiết bị lớn
[22,28], không thể tận dụng hệ thống thiết bị lên men hiện hữu của các nhà máy
bia hiện tại ở Việt Nam.
1.3.3. Phương pháp loại bỏ cồn từ dịch bia sau quá trình lên men hồn
tồn
a. Phương pháp loại bỏ cồn bằng nhiệt
Có nhiều phương pháp loại cồn bằng nhiệt: Phương pháp bay hơi, phương

pháp chưng cất chân không, phương pháp chưng cất ly tâm. Nguyên lý chung
của các phương pháp loại cồn bằng nhiệt dựa vào nhiệt độ sôi của cồn, do ở áp
Học viên: Vũ Văn Trường

11


suất khí quyển, nhiệt độ sơi của cồn là 780C và nhiệt độ sôi của nước là 1000C.
Tuy nhiên, nếu chưng cất bia ở nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi thành phần hóa lý
trong bia, do đó phương pháp loại cồn bằng nhiệt thường thực hiện ở áp suất
thấp hoặc chân không [22,29]. Ưu điểm chung của phương pháp này là cho phép
tạo ra sản phẩm bia có nồng độ cồn chỉ còn 0,05% [23], nhiệt độ bay hơi vừa
phải, không ảnh hưởng nhiều đến mùi vị của bia, kết hợp dễ dàng hệ thống thu
hồi hương. Tuy nhiên, chi phí năng lượng sản xuất cao, một số hợp chất hương
bị bay hơi theo cồn. Chi phí đầu tư hệ thống chưng cất ly tâm là cao nhất [28] do
thiết bị phức tạp, khó chế tạo, u cầu chính xác cao, hệ thống bay hơi chân
khơng thì khơng thu hồi được triệt để các thành phần hương, hệ thống chưng cất
chân không nổi trội hơn do khắc phục được nhược điểm của hai hệ thống trên
[22,28].

b. Phương pháp loại bỏ cồn bằng q trình trích ly
Phương pháp trích ly bằng dung môi: Bia được kết hợp với dung môi (như
pentane hay hexane) hòa tan cồn tốt, cồn được vận chuyển từ bia vào dung môi.
Nhưng nhược điểm lớn của phương pháp này đó là phải đầu tư thêm thiết bị
trích ly hai pha lỏng, các hợp chất thơm mà hịa tan trong dung mơi bị loại bỏ,
khơng thu hồi được, sản phẩm bia khơng cồn có thể bị lẫn dung môi và đặc biệt
dung môi sử dụng phải được sự cấp phép của ngành thực phẩm [28].
Phương pháp trích ly bằng CO2: Phương pháp này dựa trên nguyên lý trích ly
bằng dung mơi. Trong trường hợp này, dung mơi là CO2 dạng lỏng hoặc siêu
giới hạn. Tại một số điều kiện ở nhiệt độ và áp suất, CO2 có tính chất tương tự

như một dung mơi hữu cơ. Phương pháp này là dùng CO2 để tách cồn, không
tách nước và các phần tử lớn khác trong bia, do đó bia khơng bị tác động bởi
nhiệt. Tuy nhiên chi phí đầu tư thiết bị và sản xuất lớn [2].
Phương pháp trích ly bằng sử dụng chất hấp phụ: Chi phí vận hành cao, chất
hấp phụ phải được tái sinh, một số hợp chất hương bị hấp phụ theo cồn [2].

Học viên: Vũ Văn Trường

12


c. Phương pháp loại bỏ cồn bằng màng lọc
Có thể loại cồn bằng nhiều phương pháp màng như màng lọc Nano, màng lọc
RO (Reverse osmosis), màng lọc thẩm thấu kết hợp chưng cất, màng lọc theo
nguyên lý thẩm tách và theo nguyên lý tách hơi nước qua màng [22,28].
Đối với màng lọc Nano và RO hoạt động theo nguyên lý chênh lệch áp giữa
chất thấm qua và chất được giữ lại trên lớp màng, thường nước và cồn sẽ thấm
qua lớp màng dưới áp suất thẩm thấu, một số hợp chất lớn hơn không thấm qua
lớp màng như các cấu tử chất thơm trong bia, do đó sự tổn thất chất thơm là nhỏ.
Nhưng chi phí đầu tư hệ thống dây chuyền thiết bị và sản xuất cao, đặc biệt,
nồng độ sản phẩm bia không cồn qua màng lọc RO khó đạt < 0,45% vol, áp lực
của màng lọc RO cũng cao, không thuận lợi cho bia [22,23,28].
Phương pháp chưng cất thẩm thấu: Hệ thống tách cồn từ bia là các mơ-đun
màng dạng xốp kỵ nước, dung mơi hịa tan được sử dụng thường là nước,
nguyên lý loại cồn dựa vào sự chênh lệch áp suất bay hơi của cồn trong bia và
dung môi. Các hợp chất thơm trong bia bay hơi theo cồn và khó thu hồi [28].
Phương pháp thẩm tách: Sử dụng màng lọc, đối với cồn là chất tan có trọng
lượng phân tử thấp, dễ dàng thấm qua lớp màng tạo ra sự biến thiên nồng độ
giữa hai dung dịch. Cồn liên tục thấm qua lớp màng cho đến khi đạt được nồng
độ cân bằng giữa hai lớp màng. Chi phí đầu tư và sản xuất đắt hơn so với màng

lọc Nano và RO, đồng thời sự tổn thất hương thơm lớn.
Phương pháp tách hơi nước qua màng: Là một phương pháp lọc màng mới,
vật liệu màng có tính kỵ nước nên cồn dễ dàng thẩm thấu qua màng, tuy nhiên
màng cũng có tính lọc chọn lọc vớicác phần tử chất thơm trong bia, nên sự tổn
thất các hợp chất hương không nhỏ và hệ thống này rất phức tạp, nhiều thiết bị
và chưa được ứng dụng rộng rãi quy mô công nghiệp [28].

Học viên: Vũ Văn Trường

13