Tag Archives: Sodium Carbonate

CO₂: Ứng dụng trong ngành công nghiệp đồ uống

Tags : Beer Cocacola Sodium Carbonate

Tổng quan về những ứng dụng quan trọng nhất của khí trong ngành công nghiệp đồ uống

Trong ngành công nghiệp đồ uống, nhiều quy trình quan trọng chỉ có thể thực hiện được nếu có khí. Trong số đó, carbonate hóa nước giải khát và bia là ứng dụng quan trọng nhất của khí và đã được sử dụng trong hơn một trăm năm qua. Khí cũng giúp bảo vệ chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong quá trình trơ hóa bồn chứa cũng như chiết rót. Nếu không có Ni-tơ để ổn định áp suất, việc bảo quản và vận chuyển đồ uống không có gas sẽ phức tạp và tốn kém hơn.

Carbon dioxide (CO2) đã được sử dụng trong sản xuất nước khoáng và bia từ năm 1879  – đánh dấu thời điểm CO2 bắt đầu được sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Từ đó danh sách các loại đồ uống có thêm CO2 – nói cách khác là nước có ga – đã tăng lên đáng kể. Các khí khác như Nitơ (N2) và Argon (Ar), cũng đóng vai trò không thể thiếu trong sản xuất và nạp đồ uống. Bên cạnh quá trình cacbonat hóa, khí chủ yếu được sử dụng cho quá trình trơ hoá – loại bỏ oxy và để ổn định áp suất.

Khí làm được nhiều hơn thế

Là chất khí không màu, không mùi, dễ tan trong nước, CO2 được ứng dụng nhiều hơn bên cạnh việc đóng vai trò như 1 chất làm cho thức uống lấp lánh. Ở nồng độ cao, CO2 có tác dụng kìm khuẩn, từ đó giúp kéo dài thời hạn sử dụng của đồ uống. Các bọt khí CO2 nổi lên làm dịch chuyển không khí trên bề mặt của đồ uống và do đó làm giảm quá trình oxy hóa. Khi được sử dụng làm đá khô với nhiệt độ -78 độ C, mỗi kg CO2 có thể cung cấp hơn 570 kJ năng lượng làm mát.

Nitơ và Argon có độ hòa tan rất thấp trong nước, trung tính và hầu như không phản ứng hoặc hoàn toàn không phản ứng với các chất khác. Hơn nữa, các chất khí này đều không màu, không mùi, không vị và không độc. Chúng có thể loại bỏ Oxy trong bình chứa và ngăn chặn quá trình oxy hóa của đồ uống. Nitơ và Argon, giống như CO2, tồn tại tự nhiên trong không khí và tồn tại không gây ảnh hưởng trong thực phẩm. Oxy, ngoài việc bị loại bỏ để hạn chế oxy hoá đồ uống thì còn có thể được dùng để oxy hoá có kiểm soát trong sản xuất rượu vang với định lượng chính xác.

Cacbonat hóa

Cacbonat là thuật ngữ được sử dụng để mô tả quá trình hòa tan CO2 trong các chất lỏng như bia (khoảng 5g/l), nước giải khát (5 đến 9g/l) và rượu vang sủi bọt (khoảng 2,5g /l). Mức độ cacbonat hóa, hay lượng CO2 hòa tan, phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, không khí hoặc hàm lượng oxy trước quá trình, diện tích bề mặt và thời gian hoà tan. Chất lỏng phải được khử khí trước khi cacbonat hóa. Trong suốt quá trình. nhiệt độ phải được giữ ở mức thấp để đảm bảo áp suất thấp khi diễn ra quá trình. Hơn thế, nếu diện tích tiếp xúc giữa khí và chất lỏng càng lớn sẽ càng giúp tiết kiệm thời gian.

Vì tất cả đồ uống đều chứa phần lớn là nước nên tính hòa tan trong nước sau đây được dùng làm điểm chuẩn. Độ hoà tan từ 4g/l (đối với bia hoặc nước khoáng) cho đến 14g/l (đối với rượu vang sủi bọt hoặc rượu sâm banh).

Hiệu ứng lấp lánh trong đồ uống rất được ưa chuộng được tạo ra từ sự hoà tan CO2 trong nước. Cồn hay chất tạo ngọt có thể ảnh hưởng đến áp suất bão hòa của CO2. Độ hòa tan cũng phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Ví dụ, áp suất cân bằng của 7g CO2 trong 1 lít nước là 2,5 bar ở nhiệt độ 5 độ C.

Giải pháp kỹ thuật

Hay trong một ứng dụng đơn giản nhất, CO2 được dùng để điều áp thùng chứa sản phẩm. Tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ, CO2 được đưa vào hòa tan trong sản phẩm cho đến khi bão hòa. Phương thức này được áp dụng từ những ngày đầu sản xuất đồ uống có ga trong công nghiệp và vì lý do xử lý kỹ thuật, nó chủ yếu được sử dụng cho đồ uống có hàm lượng CO2 cao. Hệ thống với máy trộn tĩnh hoặc hệ thống vòi phun được dùng cho việc hòa tan trực tiếp CO2 trong sản phẩm. Phần lớn quá trình này diễn ra không phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Trong nhiều trường hợp, có thể sử dụng năng lượng làm mát được sinh ra bởi nhiệt ẩn hoá hơi của việc lắp đặt bồn CO2 để tiết kiệm năng lượng khi làm lạnh sản phẩm trước khi cacbonat hóa.

Sục khí

Sục khí bao gồm việc đưa khí vào chất lỏng với qua một đường dẫn kim loại xốp, một loại đá phiến được làm từ kim loại được thiêu kết*. Điều này tạo ra các bong bóng khí mịn, làm tăng diện tích bề mặt giữa khí và chất lỏng. Trong các hệ thống cacbonat hóa, các bọt khí CO2 mịn có thể được tạo ra với sự hỗ trợ của vòi sục nhằm cải thiện quá trình hòa tan bằng cách tăng diện tích bề mặt.

Trơ hoá

Trơ hoá bao gồm việc biến đổi một chất ở trạng thái có thể phản ứng sang trạng thái không phản ứng hoặc trơ về mặt phản ứng bằng cách thêm các khí trơ vào. Trong chế biến đồ uống, trơ hoá được áp dụng nhằm mục đích loại bỏ oxy trong khí quyển khỏi chai chứa hoặc chất lỏng bằng cách sử dụng khí trơ chống lại quá trình oxy hóa đồ uống. Nếu không trải qua quá trình này, oxy có thể ảnh hưởng đến hương thơm, mùi vị và màu sắc cũng như thành phần của các sản phẩm. Nitơ, CO2 và Argon là những khí trơ được sử dụng phổ biến.

Một ví dụ đơn giản về ứng dụng khí trơ trong ngành là làm sạch các thùng rỗng bằng khí trơ như Nitơ hoặc CO2 cho đến khi đạt được mức độ pha loãng mong muốn của Oxy trong khí quyển. Lượng khí trơ tiêu thụ thường gấp 1,3 đến 3 lần thể tích bình, tùy thuộc vào mức độ trơ cần thiết. Bình chứa hình dạng mỏng, thon dài dễ trơ hoá hơn bình chứa hình vuông. Khi đường kính của bể lớn so với chiều cao, một phần không khí chảy ngược hoặc lưu thông, làm cho quá trình trơ khó khăn hơn.

Trong trường hợp các thùng chứa được lấp đầy một phần (không gian phía trên sản phẩm – khoảng trống phía trên – bị trơ ra). Để trơ hoá thùng chứa, khí trơ phải được đưa vào qua lỗ trên của bình chứa sao cho không khí bị dịch chuyển có thể đồng thời thoát ra phía trên.

Trong trường hợp này, lượng khí tiêu thụ cao hơn nhiều so với trường hợp trơ hoá bình chứa rỗng. Ví dụ, ở áp suất khí quyển là 1 bar, để loại được 1% oxy còn sót, cần khoảng 3m3 N2, trong khi với bình chứa được lấp đầy 1 phần, để đẩy 1% oxy sót lại, yêu cầu là 5m3 N2 mỗi mét khối bình.

Phủ bề mặt

Mục tiêu của ứng dụng này là dùng khí trơ để duy trì tính ổn định bề mặt sản phẩm, bao gồm cả đẩy hoàn toàn Oxy trong bình chứa ra ngoài. Khi lượng chiết rót sản phẩm thay đổi, lượng khí tương đương cần được nạp vào. Trong trường hợp bảo quản không điều áp, mức tiêu thụ xấp xỉ 1,1m3 N2 cho mỗi m3 khí rút ra. Khi sản phẩm được nạp đầy, khí dịch chuyển phải thoát ra ngoài để tránh quá áp.

Ví dụ, trong trường hợp bảo quản có điều áp với áp suất bình là 300 mbar, mức tiêu thụ khí trơ là 1,3 mét khối trên 1 m3 sản phẩm loại bỏ. Ở đây, khí đưa vào và thoát ra theo tỷ lệ bằng nhau thông qua các van thông hơi thích hợp để giữ áp suất không đổi khi sản phẩm được thêm vào.

Chiết tách

Quá trình này bắt đầu từ việc đưa các bong bóng khí mịn vào một chất lỏng, tương tự như hiện tượng sủi bọt, nhưng mục đích ở đây làm dịch chuyển một chất khí khác. Trong thực tế, phương pháp này được sử dụng để loại bỏ oxy khỏi nước, nước hoa quả hoặc rượu vang với sự hỗ trợ của nitơ.

Nạp sản phẩm

Nhiều phương pháp được sử dụng để chiết rót đồ uống. Quy trình liên tục được các nhà sản xuất cải tiến để giảm thiểu tối đa sự trộn lẫn oxy trong đổ uống. Hai trong số các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là nạp quá áp và hút chân không.

Quy tắc 1: Nạp quá áp

Chai nước được điều áp đến mức áp suất của chất lỏng bằng khí trơ. Đổ đầy chất lỏng dọc theo thành bên trong của chai giúp giảm sự co lại bề mặt và hạn chế sự hấp thụ oxy chỉ còn 0,2 đến 0,3 miligam mỗi chai. Trong hầu hết các nhà máy, không có dự phòng thu hồi khí điều áp, dẫn đến việc sử dụng khí kém hiệu quả hơn. Lượng gas tiêu thụ gấp hai đến ba lần thể tích bình và tiêu tốn nhiều thời gian cho quá trình chuẩn bị vận hành.

Quy tắc 2: Hút chân không

Một phương pháp hiệu quả hơn là hút chân không chai, sau đó nạp khí bằng Nitơ hoặc CO2  và đổ đầy đồ uống vào chai. Trong trường hợp này, lượng khí tiêu thụ không lớn hơn thể tích bình. Hàm lượng oxy dư chỉ ở mức khoảng 0,1 đến 0,2 miligam/bình.

Khi đổ đầy đồ uống không có ga vào thùng chứa, có thể sử dụng một thiết bị phun tia lửa điện đơn giản để đảm bảo rằng khoảng trống trong chai không chứa Oxy.

Một loại vật liệu (frit) được sử dụng để cung cấp nitơ dạng khí vào dòng sản phẩm đang được nạp đầy. Do Nitơ có độ hòa tan thấp trong nước, các bọt khí N2 mịn nổi lên trên đỉnh chai, chiếm chỗ của Oxy trước khi đóng nắp. Kết quả là trong các chai nước giải khát sẽ không còn Oxy. Tuy nhiên, phương pháp này không thể được sử dụng cho đồ uống có ga vì Nitơ cũng sẽ đẩy CO2 ra khỏi chất lỏng.

Ổn định áp suất đồ uống đóng lon và chai nhựa PET

Các lon nước giải khát và chai PET thành mỏng chứa đồ uống không có ga không thể xếp chồng lên nhau nếu áp suất không ổn định. Việc này được khắc phục bằng cách thêm một vài giọt Nitơ lỏng lên bề mặt của đồ uống trước khi niêm phong. Sự bay hơi của các giọt Nitơ làm cho áp suất bên trong bình kín tăng lên. Điều này giúp các thùng chứa ổn định hơn và có thể xếp chồng các bình chứa. Nitơ trong khoảng trống bảo vệ sản phẩm chống lại quá trình oxy hóa và kéo dài thời hạn sử dụng.