Đã có nhiều nghiên cứu phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn, như phương pháp tác động vào quá trình đường hóa hoặc quá trình lên men, tuy nhiên hai phương pháp trên tạo ra sản phẩm bia không có hương vị đặc trưng (do quá trình lên men không hoàn toàn, sản phẩm lên men thường có vị ngọt và không có các cấu tử chất thơm), làm ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng sản phẩm và thị hiếu của người tiêu dùng, ít được ứng dụng trong quy mô sản xuất. Hiện nay, một số nhà máy bia ở các nước phát triển, đã ứng dụng công nghệ sản xuất bia không cồn từ bia sau lên men hoàn toàn, cụ thể hơn là phương pháp loại cồn trong bia bằng nhiệt, sử dụng hệ thống tháp chưng cất chân không, bia thành phẩm đáp ứng nồng độ cồn < 0,5% vol, hệ thống hoạt động ở nhiệt độ và áp suất thấp không làm biến đổi chất lượng của bia, thuận lợi kết hợp với công đoạn thu hồi hương (là những hợp chất quan trọng quyết định mùi vị đặc trưng cho từng loại bia), nên các thành phần chất thơm được thu hồi triệt để, tạo ra bia không cồn thành phẩm có chất lượng đáp ứng hoàn toàn yêu cầu của từng hãng, của từng nhà máy.
Mở đầu
Tại thời điểm này, duy nhất có một nhà máy bia sản xuất bia không cồn, đó là Nhà máy Bia Hoàng Quỳnh – Công ty Cổ phần Bia Sài Gòn – Bình Tây ở Việt Nam, do Công ty TNHH Cơ nhiệt Điện lạnh Bách Khoa – Tập đoàn Polyco trang bị và lắp đặt. Tiềm năng tiêu thụ bia không cồn lớn, các sản phẩm bia không cồn nhập ngoại không phù hợp về khẩu vị tiêu dùng của người Việt và giá thành quá cao. Các hãng bia tại Việt Nam đang muốn đầu tư sản xuất và phát triển sản phẩm bia không cồn, nhưng vấn đề cản trở lớn đó là làm sao lựa chọn dây chuyền công nghệ sản xuất bia không cồn không ảnh hưởng đến hệ thống thiết bị công nghệ sản xuất bia có cồn hiện hữu, phải phù hợp về chi phí mức đầu tư, chi phí sản xuất thấp, công suất sản xuất và đặc biệt hơn đó là chất lượng của bia phải đảm bảo mùi vị đặc trưng truyền thống, giá thành hợp lý. Do đó, phân tích của chúng tôi sẽ đưa ra những lựa chọn thực tiễn, là cơ sở quan trọng giúp các nhà máy bia tại Việt Nam định hướng đầu tư hệ thống dây chuyền sản xuất bia không cồn.
1. Phân tích lựa chọn phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn tại Việt Nam.
Để đưa ra được phân tích lựa chọn hợp lý phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn tại Việt Nam, chúng tôi tiến hành tìm hiểu các nghiên cứu phương pháp công nghệ sản xuất bia không 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 nhà máy bia hiện đại ở các nước phát triển.
1.1. Các nghiên cứu phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn trên Thế giới
1.1.1. Phương pháp hạn chế sự tạo thành đường có khả năng lên men trong quá trình đường hóa.
Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào nghiên cứu quá trình nấu và thay đổi các chế độ đường hóa nhằm thu được dịch đường có thành phần hóa học phù hợp cho quá 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 không cồn có hương vị không hài hoà như bia truyền thống do nồng độ các hợp chất carbonyl trong dịch đường cao và bia không cồn nặng “mùi dịch đường”.
1.1.2.Phương pháp hạn chế sự tạo thành cồn trong quá trình lên men
– 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 0-1oC. Phương pháp lên men này hoàn toàn tận dụng được các thiết bị lên men sẵn có. Tuy nhiên nhược điểm lớn là sự hình thành các hợp chất hương bị hạn chế, do đó bia thành phẩm không có mùi thơm [1,2,4].
– 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 [1,5,6], 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 [7].
– 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 [1,2,27].
– 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 ngô. Quá trình lên men tránh tạo cồn nhưng nấm men vẫn tạo ra các hợp chất hương vị của bia. Quá trình lên men là liên tục nên khó khăn trong việc kiểm soát, khả năng nhiễm khuẩn cao, chi phí đầu tư hệ thống thiết bị lớn [8,9,22,23], không thể tận dụng hệ thống thiết bị lên men hiện hữu của các nhà máy bia hiện tại ở Việt Nam.
1.1.3.Phương pháp loại bỏ cồn từ dịch bia sau quá trình lên men hoàn toàn
– 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 suất khí quyển, nhiệt độ sôi của cồn là 78oC và nhiệt độ sôi của nước là 100oC. 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 [13]. Ưu điểm chung của phương pháp này là cho phép tạo ra sản phẩm bia có nồng độ cồn chỉ còn 0.05% [1], 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 [10,11], do thiết bị phức tạp, khó chế tạo, yêu cầu chính xác cao, hệ thống bay hơi chân không thì không 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 [1,2,3,25,26].
Phương pháp trích ly bằng dung môi: Bia được kết hợp với dung môi (như pentane hay hexane) hòa tan tốt cồn, 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 hòa tan trong dung môi bị loại bỏ, không thu hồi được, sản phẩm bia không cồn có thể bị lẫn dung môi và đặc biệt dung môi sử dụng phải được sự cấp phép của ngành thực phẩm [11]. Phương pháp trích ly bằng CO2: Phương pháp này dựa trên nguyên lý trích ly bằng dung môi. Trong trường hợp này, dung môi 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 môi 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 không bị tác động bởi nhiệt. Tuy nhiên chi phí đầu tư thiết bị và sản xuất lớn [11,12,13]. 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 [14].
– 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 [10,21,24].
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 [35]. 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 [1,20,21,24]. Phương pháp chưng cất thẩm thấu: Hệ thống tách cồn từ bia là các module màng dạng xốp kỵ nước, dung môi hòa 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 [15,16,17]. 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 [18,19,20]. 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 các phần tử chất thơm trong bia có ái lực cao với màng kỵ nước, 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 [18,19,21].
1.2. Phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia trên Thế giới
1.2.1. Phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia ở CHLB Đức
Quá trình loại cồn từ bia theo phương pháp chưng cất chân không (hình 1), hệ thống gồm một tháp bài khí, hai tháp cất, hoạt động ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp. Các thành phần hương bay hơi theo cồn được thu hồi, ngưng tụ, làm lạnh và hòa trộn vào bia không cồn. Cồn được ngưng tụ và sử dụng cho nhiều mục đích khác. Thế mạnh của hệ thống này là sự tổn thất bia thấp khoảng 5%, thiết bị hệ thống gọn nhẹ, quá trình vận hành là hoàn toàn tự động, chi phí đầu tư thấp. Tiêu thụ năng lượng thấp: 0,18 kg hơi/lít bia không cồn; năng suất giải nhiệt (hệ ngưng tụ) 0,14 kw/lít bia không cồn; 0,0085 kw điện/ lít bia không cồn và đặt biệt là có thể sản xuất bia không cồn có nồng độ cồn < 0,05% vol.
1.2.2. Phương pháp công nghệ sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia ở Đan Mạch
Quá trình khử cồn trong bia cũng theo phương pháp chưng cất chân không (hình 2). Hệ thống chỉ có một tháp cất, gồm các hệ thống phụ khác hoàn chỉnh cho công đoạn bài khí CO2, thu hồi hương. Hệ thống gọn nhẹ, quá trình vận hành hoàn toàn tự động, tổn thất bia khoảng 7%, tiêu thụ năng lượng: 0,22 kg hơi/lít bia không cồn; năng suất giải nhiệt (hệ ngưng tụ) 0,18 kw/lít bia không cồn; 0,012 kw điện/ lít bia không cồn, nồng độ cồn trong sản phẩm bia không cồn < 0,5%vol.
1.3. Phân tích lựa chọn công nghệ sản xuất bia không cồn phù hợp tại Việt Nam
Dựa vào các phương pháp nghiên cứu công nghệ sản xuất bia không cồn trên thế giới cho thấy: Phương pháp loại cồn từ bia đã được lên men hoàn toàn là khả thi, do không làm ảnh hưởng đến công nghệ, đến hoạt động sản xuất của các hệ hiện hữu trong nhà máy sản xuất bia có cồn, đồng thời trong bia có đầy đủ các loại hương vị đặc trưng sinh ra do quá trình lên men hoàn toàn. Loại bỏ cồn bằng phương pháp trích ly đối với sản phẩm bia là không thích hợp, do quá trình trích ly phải sử dụng dung môi, chất hấp phụ làm cho chất lượng sản phẩm bia có thể không đạt yêu cầu về chất lượng thực phẩm, nếu dùng phương pháp trích ly bằng CO2 siêu tới hạn thì chi phí cho đầu tư và sản xuất quá lớn. Đối với các phương pháp loại cồn bằng màng cũng có nhược điểm là chi phí cho đầu tư và sản xuất lớn, thậm chí màng RO không loại được độ cồn trong bia xuống < 0,45% vol. Phương pháp loại bỏ cồn bằng nhiệt có khả thi nhất, có thể tạo ra sản phẩm bia không cồn với nồng độ 0,05% vol, đặc biệt là phương pháp chưng cất chân không, do chế độ hoạt động ở nhiệt độ và áp suất thấp, do đó bia không bị biến đổi tính chất hóa học trong quá trình khử cồn. Đồng thời, hỗn hợp hơi thoát ra từ đỉnh tháp chưng cất (bao gồm các hợp chất hương và cồn) cũng dễ dàng được phân tách dựa theo nguyên lý nhiệt độ sôi của các hợp chất, mà dung dịch hương được thu hồi triệt để không bị lẫn dung môi khác. Hơn nữa, phương pháp công nghệ đã được ứng dụng thực tiễn có hiệu quả cho sản xuất bia không cồn của một số nhà máy sản xuất bia ở Châu Âu như Đức, Đan Mạch… cũng sử dụng các phương pháp chưng cất chân không. Qua phân tích hai trường phái công nghệ sản xuất bia không cồn ở trên, chúng tôi thấy dây chuyền sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia ở Đức có lợi thế hơn về chi phí đầu tư và chi phí sản xuất (quyết định lớn đến giá thành sản phẩm), tạo ra nồng độ sản phẩm bia không cồn đạt 0,05% vol.
2. Phân tích lựa chọn công suất đầu tư phù hợp sản xuất bia không cồn tại Việt Nam.
Xu hướng các nhà máy bia trên thế giới đầu tư hệ thống sản xuất bia không cồn thường chiếm khoảng 5% tổng công suất sản xuất các loại bia của nhà máy, công suất tương ứng khoảng 3.000 l/h – 10.000 l/h. Công suất sản xuất bia không cồn của một số nhà máy bia trên thế giới như: Nhà máy Bia Bittenfelder, nước Đức, công suất 3.000 l/h; Nhà máy Bia Stassen, Bỉ, 1.500 l/h; Nhà máy Bia Pfungstadter, Đức, 2.000 l/h; Nhà máy Bia Shandong Huazhong, Trung Quốc, 5.000 l/h; Nhà máy Bia Al Ahram, Ai Cập, 5.000 l/h; Nhà máy Bia San Miguel, Tây Ban Nha, 10.000 l/h; Nhà máy Bia Almaza, Cộng hòa Liban, 5.000 l/h; Nhà máy Bia Inbev, Braxin, 5.000 l/h; Nhà máy Bia Bitburger, Đức, 4.000 l/h; Nhà máy Bia Yanjing Beer, Trung Quốc, 5.000 l/h; Nhà máy Bia Guiness, Ireland, 10.000 l/h; Nhà máy Bia Heineken, Tây Ban Nha, 10.000 l/h; Nhà máy Bia Eichhof Luzem, Thụy Sỹ, 1.000 l/h; Nhà máy Bia Tsingtao, Trung Quốc, 3.000 l/h…
Trong khi đó, theo báo cáo điều tra của Bộ Công Thương năm 2012, công suất sản xuất bia của Việt Nam tại thời điểm này khoảng 60-85%. Do đó việc đầu tư sản xuất bia không cồn nên tận dụng tối đa % công suất chưa sử dụng của các nhà máy sản xuất bia có cồn. Một số nhà máy hiện đại tại Việt Nam có công suất từ 50 – 200 triệu lít/năm, tương ứng % công suất chưa tận dụng khoảng 2,5 – 10 triệu lít/năm. Phân tích đưa ra của chúng tôi cho thấy, mức đầu tư hệ thống sản xuất bia không cồn an toàn cho các nhà máy bia Việt Nam tại thời điểm này một mặt nên bắt kịp xu hướng sản xuất bia không cồn của các nhà máy bia trên thế giới, mặt khác nên nhìn nhận vào công suất sản xuất bia có cồn chưa được tận dụng hết để lựa chọn công suất đầu tư hệ thống sản xuất bia không cồn hợp lý nhất.
Kết quả phân tích của chúng tôi trong bài báo này sẽ góp phần định hướng rõ ràng cho ngành bia của Việt Nam về lựa chọn công nghệ sản xuất, lựa chọn công suất đầu tư cho một sản phẩm đồ uống mới của Việt Nam – sản phẩm bia không cồn. Công suất sản xuất bia ở mức an toàn khoảng 5 – 10 triệu lít/năm, tương ứng khoảng 1.000 – 2.000 l/h. Phương pháp loại cồn bằng nhiệt, sử dụng hệ thống chưng cất chân không, kết hợp hệ thống thu hồi hương, phối trộn hương, phối trộn bia chưa khử cồn để hoàn thiện sản phẩm bia không cồn. Mục tiêu chính đạt được, đó là chi phí đầu tư hệ thống sản xuất bia không cồn thấp, chi phí sản xuất bia không cồn là tối thiểu, giá thành sản phẩm bia không cồn là hợp lý với người tiêu dùng và đặc biệt sản phẩm bia không cồn phải giữ được hương vị đặc trưng, đáp ứng nhu cầu và thị hiếu quen thuộc của người Việt.
