Các thơng số cơng nghệ:
Nhiệt độ của hạt cà phê nên nằm trong giới hạn 180-240oC.
Thời gian rang được xác định theo mức độ rang mong muốn và nhiệt độ thực hiện q trình rang; khơng vượt quá 1 giờ.
Quá trình làm nguội sẽ kết thúc khi nhiệt độ hạt bằng nhiệt độ mơi trường.
4. Nghiền
4.1 Mục đích: chuẩn bị
Q trình nghiền cà phê rang cĩ mục đích chính là giảm kích thước của hạt cà phê, phá vỡ cấu trúc vốn cĩ của hạt cà phê rang để tạo điều kiện thuận lợi cho q trình trích ly khi sản xuất cà phê hịa tan hoặc trong q trình pha chế cà phê khi sử dụng.
Ngồi ra, mục đích của q trình nghiền cịn nhằm tạo điều kiện cho một số khí (đặc biệt là CO2) được sinh ra trong quá trình rang và bị giữ lại bên trong hạt sẽ thốt ra ngồi, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình bao gĩi.
4.2 Các biến đổi
Vật lý:
Sự giảm kích thước hạt của cà phê từ hạt rắn sang dạng bột rắn khơ.
Giảm khối lượng tồn hạt và tăng khối lượng riêng xốp lượng do khí CO2, hơi nước và các chất dễ bay hơi tạo thành từ giai đoạn rang tiếp tục được giải phĩng.
30
Sự tách tiếp tục lớp vỏ cịn chưa được tách ra trong quá trình rang.
Hĩa học:
Cĩ một số phản ứng phân hủy, oxy hĩa do nhiệt độ và bề mặt tiếp xúc tăng. Tuy nhiên, các biến đổi này khơng đáng kể.
Hĩa lý: Sự tăng diện tích bề mặt riêng, sự bay hơi của một số chất mùi. Cảm quan:
Giảm mùi thơm của cà phê do một số chất mùi bị thất thốt. Sau khi nghiền, cà phê nên được đem đi trích ly càng nhanh càng tốt.
4.3 Phương pháp thực hiện
Hạt cà phê sau khi rang cần lực cắt hơn là lực xé hay lực ép, do đĩ thiết bị xay thường sử dụng là các con lăn cĩ răng cưa để cắt với nhiều kiểu dáng khác nhau. Ngồi ra cịn cĩ nhiều loại thiết bị khác để tạo cà phê hạt mịn hay cà phê dạng bơng (thường cĩ lợi cho quá trình ủ sau này).
Hạt cà phê sau khi nghiền khơng nên cịn q thơ vì thời gian trích ly bằng nước các chất rắn hịa tan và các cấu tử dễ bay hơi sẽ lớn, nhưng cũng khơng nên quá mịn cĩ thể làm nghẹt lọc.
Trong khi nghiền nên thêm một ít nước (bằng cách phun ẩm) để tạo thuận lợi cho q trình trích ly bằng nước sau này. Theo nghiên cứu, lượng nước thêm vào trong giai đoạn này tốt nhất là khoảng 7%.
Người ta cĩ thể sử dụng phương pháp nghiền lạnh đơng. Theo cách này, hạt cà phê sẽ được xay mịn hơn và lượng cấu tử hương thất thốt sẽ giảm xuống (trong quá trình xay ở nhiệt độ thường, sự ma sát sẽ làm tăng nhiệt độ cà phê).
Khí thốt ra cĩ thể được thu hồi và sử dụng ở các giai đoạn sản xuất sau và trong q trình bao gĩi.
Lớp vỏ bong ra cĩ thể bị bỏ đi hay được tận dụng để phối trộn với cà phê bột lúc sau nhằm tận thu hết những chất dầu thấm ra vỏ trong quá trình rang và khống chế khối lượng riêng thể tích của khối bột sau nghiền.
Thiết bị nghiền cà phê là các loại máy nghiền hạt (đơi khi cịn được gọi là máy xay). Sau quá trình nghiền, bột cà phê được đưa tới ray. Các thành phần cĩ kích thước q lớn sẽ được hồn lưu trở về máy nghiền. Hai loại máy nghiền thường được sử dụng là máy nghiền trục trơn và máy nghiền răng.
31
Thiết bị nghiền trong cơng nghiệp được thiết kế nhiều trục nghiền răng cĩ tốc độ quay khác nhau. Trên bề mặt các trục quay cĩ tốc độ cao cĩ các răng cưa hình chữ U nằm nghiêng, cịn trên bề mặt trục quay tốc độ thấp cĩ các răng cưa hình chữ U thẳng đứng. Hai trục quay với tốc độ khác nhau sẽ tạo thành một cặp, giữa mỗi cặp sẽ cĩ 1 khoảng cách thích hợp với mức độ nghiền. Đi từ trên xuống dưới, mức độ nghiền sẽ đi từ thơ sang tinh.
Hình 4: Thiết bị nghiền trục
Thơng số cơng nghệ:
Độ ẩm nguyên liệu vào: 1-2%
Kích thước hạt sau nghiền: 1000 m
5. Trích ly
5.1 Mục đích: Khai thác
Q trình này nhằm khai thác các chất hịa tan trong bột cà phê. Đây là giai đoạn quan trọng, quyết định đến chất lượng, hương vị và cả sản lượng cà phê hịa tan.
5.2 Các biến đổi :
Vật lý:
Sự thay đổi về khối lượng riêng, thể tích, nhiệt độ của dung dịch và bã cà phê.
Hĩa lý:
Độ ẩm của bột cà phê tăng
Độ nhớt dung dịch tăng
Cĩ sự chuyển pha của các chất rắn hịa tan trong cà phê thành lỏng.
Cĩ sự thất thốt các cấu tử mùi.
Một phần protein bị kết tủa do biến tính bất thuận nghịch.
32
Sự thay đổi hàm lượng chất khơ trong hai pha;
Phản ứng phân hủy của một số chất nhất là các chất mùi là các rượu, ester, ceton… khơng bền;
Phản ứng tạo màu.
Sự thủy phân một số chất (đường, protein, hemicellulose). Cắt những polysaccharide mạch dài thành những polymer mạch ngắn cĩ khả năng hịa tan.
Sự giải phĩng của một vài thành phần được giữ bởi thành tế bào, ngay cả những liên kết hĩa trị, cĩ lẽ cũng diễn ra, như là một số arabinogalactan.
Tất cả những thành phần trong cà phê rang đều được trích ly, ngoại trừ cellulose, lignin và 1 số polysaccharide mạch dài. Nhiệt độ nước sử dụng càng cao thì mức độ trích ly các chất càng lớn. Mức độ của sự trích ly thay đổi từ 100% cho acid aliphatic và quinic, 85 – 100% cho alkaloid và acid unchanged chlorogenic, 40 – 100% cho những hợp chất dễ bay hơi, 15 – 20% cho “protein” và 20 – 25% cho melanoidine và giảm xuống 1 – 5% cho dầu cà phê.
Xảy ra phản ứng Maillard, phản ứng caramel hĩa.
Cảm quan:
Mùi thơm giảm, làm cho cà phê cĩ mùi caramel, mùi khét, mùi nấu.
Màu sậm hơn.
Cà phê cĩ vị chua, gắt và khan.
5.3 Phương pháp thực hiện
Cho dung mơi tiếp xúc trực tiếp với cà phê trong thiết bị, các chất hịa tan sẽ tan vào nước và được tách ra để đưa tiếp vào giai đoạn sau, bã cà phê được sấy khơ.
5.4 Thiết bị:
Thiết bị trích ly gián đoạn, ngược chiều, nhiều bậc: một bộ 5-6 bình ngâm chiết. Đây là phương pháp phổ biến nhất. Hệ thống gồm khoảng 5-6 bình nối tiếp nhau, giữa các bình cĩ thiết bị gia nhiệt để giữ nhiệt độ của nước theo yêu cầu.
Cà phê bột được đổ đầy vào các bình (1), (2), (3),... (5), nước nĩng được bơm lần lượt vào các bình từ (1), (2), (3),... và dịch trích ly được lấy ra ở bình (5). Khi vật liệu trong bình (1) đã được trích ly triệt để, bình này được tách ra khỏi hệ thống để tháo bã, rửa và nạp cà phê mới. Bình (6) đã được nạp cà phê bột mới được nối vào sau bình (5). Lúc này, nước được đưa vào bình (2), dung dịch được lấy ra ở bình (6). Chu trình cứ thế tiếp tục cho đến khi cà phê được trích triệt để ra khỏi cà phê.
33
Hình 5: Sơ đồ hoạt động của thiết bị trích ly gián đoạn
Nước được cung cấp ở nhiệt độ rất cao, cĩ thể lên đến 180oC. Khi đĩ, do sự tỏa nhiệt tự nhiên từ cột, nhiệt độ của chất lỏng và cặn trong mỗi cột sẽ giảm từ từ cho đến khi nhiệt độ của chất lỏng tiếp xúc với cà phê mới nhất đạt khoảng 100oC. Việc sử dụng nhiệt độ cao hơn cho phép trích ly được một lượng nhiều hơn và do đĩ ta sẽ thu được dịch trích ly cĩ nồng độ cao hơn. Thế nhưng việc sử dụng nhiệt độ cao địi hỏi hệ thống phải được giữ dưới một áp suất sao cho nước vẫn cịn ở trạng thái lỏng (ví dụ nước ở 175oC cần áp suất là 120 PSI hoặc 828 kPa), và do đĩ những cột riêng lẻ và hệ thống đường ống của chúng phải được thiết kế sao cho cĩ thể chịu được áp lực trên.
Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, hoạt đợng đơn giản.
Nhược điểm : năng suất thấp, hiệu quả tách khơng cao, nồng độ dịch chiết thấp.
Thơng số cơng nghệ: (sử dụng tại nhà máy cà phê Biên Hịa)
Tỷ lệ nước và bột cà phê: 3:1
Nhiệt độ nước: cà phê được trích ly bằng nước nĩng trên 1000C. Trong suốt quá trình nhiệt độ của nước cĩ thể lên đến 180oC.
Aùp suất được duy trì ở mức cao để nước vẫn ở thể lỏng, khoảng trên 10 atm.
Nồng độ dịch chiết: 15-30%
34
6. Xử lý dịch chiết
6.1 Mục đích: chuẩn bị và hồn thiện
Chuẩn bị: làm sạch dịch chiết để giúp cho các q trình cơ đặc tiếp theo diễn ra tốt hơn.
Hồn thiện: tách các chất ảnh hưởng xấu đến sản phẩm.
6.2 Các biến đổi
Vật lý: Thể tích và khối lượng; Tỷ trọng; Nhiệt độ; Độ nhớt giảm. Hĩa lý: Cĩ sự kết tủa của các chất keo tụ.
6.3 Phương pháp thực hiện
Dịch chiết cĩ nhiệt độ cao sẽ được làm lạnh về nhiệt độ 5oC, sau đĩ được lọc tinh để gạn đi các tạp chất thơ, tách cặn.
6.4 Thiết bị
Quá trình xử lý dịch chiết được thực hiện qua 2 thiết bị:
- Thiết bị làm lạnh dạng bản mỏngï: thiết bị này sử dụng nước lạnh để làm lạnh dịch
chiết về nhiệt độ yêu cầu.
Hình 6: Thiết bị làm lạnh dạng bản mỏng
35
Hình 7: Thiết bị ly tâm dạng đĩa 7. Tách hương:
7.1 Mục đích: khai thác
Trong các trình xử lý bằng nhiệt độ cao (như q trình trích ly nhiệt, q trình cơ đặc,…) sẽ xảy ra hiện tượng tổn thất các cấu tử hương. Do đĩ, cà phê sẽ được xử lý để tách các cấu tử hương. Hương này được bổ sung trở lại sản phẩm cà phê hồn tan trong quá trình tạo hạt.
7.2 Phương pháp thực hiện:
Phương pháp tách hương bằng khí trơ: dịch trích cà phê sau khi rời khỏi thiết bị trích ly thường cĩ nhiệt độ khá cao khoảng 1000 – 1300C sẽ được đưa vào thiết bị tách hương.
36
7.3 Thiết bị:
Thiết bị này cĩ cấu tạo gồm nhiều đĩa xếp chồng lên nhau, được gắn vào một trục (Spinning Cone Column SCC). Trục này được gắn vào động cơ, dịch trích cà phê sẽ được đưa vào phía trên thiết bị, di chuyển dần xuống đáy. Trong q trình đĩ, dịch trích sẽ dàn mỏng trên các đĩa. Khí trơ sẽ được thổi từ đáy lên và lơi cuốn các cấu tử hương. Hỗn hợp khí được thu hồi ở đỉnh và đem đi ngưng tụ, sau đĩ bổ sung vào dịch cà phê trong quá trình tạo hạt.
Hình 8: Thiết bị tách hương 8. Cơ đặc bốc hơi
8.1 Mục đích: Khai thác
Sau khi trích ly xong, nồng độ chất khơ hịa tan trong dung dịch trích cà phê thường thấp. Hiện nay, nồng độ chất khơ trong dung dịch cao nhất cĩ thể đạt được khoảng 25- 30% (w/w). Khi nồng độ chất khơ trong dung dịch cịn thấp như thế, việc thực hiện quá trình sấy để thu hồi sản phẩm sẽ khơng mang lại hiệu quả kinh tế cao. Do đĩ dịch trính cần phải được cơ đặc đến một nồng độ chất khơ cao hơn để q trình sấy được thực hiện dễ dàng hơn. Như vậy , mục đích của q trình cơ đặc là nhằm nâng cao nồng độ chất khơ cĩ trong dịch trích nhằm tăng hiệu quả của quá trình sấy.
8.2 Các biến đổi
Vật lý
Trong q trình cơ đặc nhiều biến đổi vật lý xảy ra trong nguyên liệu như hàm lượng chất khơ tăng và khi đĩ tính chất dung dịch thay đổi phụ thuộc vào thời gian cơ đặc
37 đĩ là:
Hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiệt, hệ số truyền nhiệt , hoạt độ của nước giảm.
Khối lượng riêng, độ nhớt, nhiệt độ sơi tăng
Hĩa học
Dưới tác dụng của nhiệt trong q trình cơ đặc các thành phần của nguyên liệu cĩ thể phản ứng với nhau hoặc phân hủy.Các biến đổi xảy ra trong nguyên liệu cà phê là:
Xảy ra phản ứng Maillard, phản ứng caramel hĩa.
Phản ứng thủy phân một số các hợp chất cao phân tử.
Hĩa lý
Biến đổi hĩa lý quan trong trong q trình cơ đặc là sự chuyển pha của nước. Nước tồn tại ở trạng thái lỏng trong nguyên liệu trước khi cơ đặc sẽ chuyển sang trạng thái hơi và thốt ra mơi trường bên ngồi.
Trong quá trình cơ đặc, cĩ thể xảy ra sự đơng tụ protein trong nguyên liệu nếu nhiệt độ cao và đủ làm biến tính bất thuận nghịch protein
Hĩa sinh và sinh học
Khi cơ đặc ở áp suất thường, do nhiệt độ cơ đặc cao (khơng thấp hơin 100oC) nên các enzyme trong nguyên liệu bị vơ hoạt. Nhiều vi sinh vật bị ức chế. Các biến đổi do enzyme xúc tác hầu như khơng xảy ra
Cảm quan
Màu cà phê sậm hơn do các phản ứng caramel, phản ứng Maillard tạo các hợp chất màu dạng keo.Giảm mùi thơm do các chất tạo mùi bay hơi.Cĩ thêm các vị lạ.
8.3 Phương pháp thực hiện
38
Tiến hành cơ đặc bằng thiết bị dạng màng rơi, nồng độ cuối cùng của dịch trích cà phê cĩ thể tăng lên đến 60%.
Điểm quan trọng trong quá trình này là việc sử dụng nhiệt độ bốc hơi thấp để tránh phá hủy dịch trích cà phê, và thiết bị bốc hơi nên cĩ 3 hoặc 4 giai đoạn để tiết kiệm năng lượng.
Vùng bốc hơi được vận hành dưới điều kiện chân khơng, cĩ nghĩa là q trình bốc hơi diễn ra tại nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ ứng với áp suất khí quyển thơng thường. Chân khơng được tạo ra bằng bơm chân khơng trước khi khởi động thiết bị bốc hơi, và được giữ bằng cách ngưng tụ hơi nước bằng nước lạnh.
Vỏ và ống trao đổi nhiệt thẳng đứng, các ống được nối với nhau bằng tấm chặn, các tấm chặn được bố trí xen kẽ trong buồng trao đổi nhiệt để dịng hơi bảo hịa phân bố đều khắp các ống trao đổi nhiệt. Cần lưu ý phải đảm bảo cho các ống trao đổi nhiệt được cấp
nhiệt đều.
Chất lỏng được phân phối một cách đều đặn ở mặt trong của ống, chảy xuống tạo thành một màng mỏng. Quá trình bốc hơi sẽ diễn ra tại đây nhờ nhiệt được cung cấp bởi hơi nước. Hơi nước ngưng tụ và chảy xuống ở mặt ngồi của ống.
Cĩ nhiều ống được lắp đặt cạnh nhau tạo thành một chùm ống. Hai đầu của chùm ống được cố định bởi 2 vỉ ống và tồn bộ chúng được bao bọc bởi một lớp vỏ áo. Bộ phận như thế được gọi là calandria.
Hơi nước được đưa vào bên trong lớp vỏ áo. Khoảng khơng gian giữa các ống gọi là vùng gia nhiệt, mặt trong của ống được gọi là vùng bốc hơi.
Chất lỏng đã được cơ đặc và hơi nước ra khỏi calandria tại phần đáy. Tại đĩ, phần lớn chất lỏng cơ đặc sẽ được tháo ra. Phần được giữ lại sẽ đi vào bộ phận tách hơi cùng với hơi nước. Sau khi tách hơi, phần chất lỏng này cũng được tháo ra (thường sử dụng bơm giống như phần chính của dịch cơ đặc tháo ra từ calandria). Cịn hơi sẽ rời khỏi bộ phận tách hơi tại đỉnh.
Hơi gia nhiệt ngưng tụ tại mặt ngồi của ống và được tập trung dưới dạng nước ngưng tại đáy của vùng gia nhiệt và cũng được tháo ra bằng bơm. Vì hơi thứ tạo ra từ dung dịch cơ đặc cịn chứa rất nhiều năng lượng, cho nên người ta tận dụng nĩ để làm tác nhân gia nhiệt. Điều này được thực hiện bằng cách thêm một calandria khác vào thiết bị bốc hơi. Calandria mới này cĩ nhiệt độ bốc hơi thấp hơn, làm việc như là một bình ngưng tụ hơi thứ từ calandria thứ nhất.
Để đạt được sự khác nhau về nhiệt độ giữa sản phẩm và hơi nước trong calandria thứ hai, vùng bốc hơi trong calandria được vận hành ở điều kiện chân khơng cao hơn tương