4.1. Trích ly
Cà phê sau khi thu hoạch sẽ được phơi khô, xay tách vỏ lấy hạt nhân, rang xay, trích ly, lọc, cơ đặc, sấy khơ để tạo ra cà phê hịa tan. Trích ly là q trình hịa tan các chất có trong cà phê bằng nước nóng để tạo thành dung dịch chiết có nồng độ và các chất hịa tan khoảng 25 - 35%. Hệ thống và quá trình trích ly cà phê diễn ra như sau:
Đầu tiên đổ cà phê vào thiết bị trích ly gián đoạn hình tháp được bảo ơn nhiệt độ.
Bơm nước nóng khoảng 80 – 90oC từ đáy tháp lên để trích ly cà phê.
Khi nước nóng đi qua cà phê trong tháp sẽ diễn ra q trình trích ly các chất hịa tan.
Các chất hòa tan này sẽ tạo thành một dung dịch tại đỉnh tháp. Để giúp lượng chất tan thu được tại đỉnh tháp tăng dần, cà phê bột sẽ liên tục được thay thế tại các tháp [12].
Hình 8: Thiết bị trích ly cà phê
Q trình trích ly sẽ diễn ra hai lần, lần đầu là các chất cấu tạo hương được trích ly độc lập ở nhiệt độ thấp hơn 120oC trong thời gian 15-20 phút. Lần thứ hai, trích ly các hợp chất thủy phân ở cà phê. Quá trình này diễn ra với tốc độ nước chảy gấp 2 lần tốc độ nước khi trích ly thơng thường. Tiến hành trích ly nhiều lần, hạn chế lượng bột mịn tan sâu vào trong nước khi trích ly. Nồng độ dung dịch cà phê trích ly có thể đạt tới 20 - 22%. Sau khi được trích ly, dung dịch cà phê sẽ được giữ trong các bồn để làm nguội nhanh đồng thời tránh tiếp xúc với khơng khí kết lắng thành các chất thô và tránh sự bay hơi của một số chất thơm và cuối cùng được lọc và sấy khô để tạo ra sản phẩm bột cà phê hòa tan [12].
Thời gian trích ly: thời gian càng dài thì trích ly càng triệt để. Nhưng nếu cà phê tiếp xúc với nước nóng q lâu thì sẽ có những biến đổi khơng tốt đến mùi vị sản phẩm. Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa bột cà phê và nước: Diện tích tiếp xúc càng lớn thì q trình trích ly càng triệt để nhưng nếu bột cà phê q mịn thì sẽ khó khăn cho q trình lắng, lọc dịch cà phê. Nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng, tốc độ khuếch tán tăng, độ nhớt giảm, các phần tử chất hòa tan chuyển động dễ dàng hơn. Nhưng nhiệt độ quá cao sẽ dẫn tới những phản ứng bất lợi cho hương vị, màu sắc của cà phê nên việc tăng nhiệt độ phải có giới hạn [27].
4.2. Lọc
Lọc khung bản: Máy lọc ép khung bản là một thiết bị làm việc theo nguyên tắc nén áp suất. Thiết bị lọc gồm 2 phần chính, phần thứ nhất là bộ phận lọc và phần thứ 2 là bộ phận bơm để hút và nén dung dịch lọc qua vật liệu lọc.
Nguyên lí hoạt động: Đây là thiết bị lọc áp lực làm việc gián đoạn nghĩa là nhập liệu vào liêu tục, nước lọc tháo ra liên tục nhưng bã được tháo ra chu kì.
Nó được cấu tạo chủ yếu là khung và bản. Khung giữ vai trò chứa bã lọc và là nơi nhập huyền phù vào. Bản tạo ra bề mặt lọc với các rãnh dẫn nước lọc hoặc là các lỗ lọc. Khung và bản thường được chế tạo dạng hình vng và phải có sự bịt kín tốt khi ghép khung và bản. Nước lọc chảy ra từ bản qua hệ thống đường ống và lấy ra ngoài. Bã được giữ lại trên bề mặt vách ngăn lọc và được chứa trong khung. Khi bã trong khung đầy thì dừng quá trình lọc để tiến hành rửa và tháo bã.
Hình 9: Thiết bị lọc IC41D của Italia
4.3. Tách hương
Thiết bị: SCC sử dụng hệ thống sưởi nhẹ nhàng và thời gian lưu trú ngắn chỉ 25 giây trong cột. Điều này tránh sự suy giảm nhiệt của sản phẩm đang được chế biến và đảm bảo hương vị tốt nhất có thể có được từ mọi sản phẩm.
Hình 10: Thiết bị tách hương SCC
Cấu tạo của thiết bị: (1) Nguyên liệu vào, (2) Hương thu được, (3) Sản phẩm ra, (4) Khí vào, (5) Nón xoay, (6) Nón cố định, (7) Trục xoay.
4.4. Cô đặc
Máy cô đặc chân không làm tăng nồng độ chất tan trong dung dịch, hoặc trong hệ nhũ tương, hệ huyền phù, làm dung dịch đậm đặc hơn, sánh hơn. Qúa trình làm tăng nồng độ này là
nhờ vào q trình tách nước (dung mơi) trong điều kiện chân không để lại các chất không bay hơi trong dung dịch (hỗn hợp). Quá trình bay hơi nước này thơng qua q trình sơi của dung dịch. Nhiệt độ sơi của dung dịch phụ thuộc vào nhiệt độ. Thông thường nếu đun nước thì nhiệt độ sơi của nước nếu cơ đặc ở áp suất khí quyển là 100oC, tuy nhiên khi cơ ở áp suất chân khơng thì nhiệt độ này nhỏ hơn 100 độ C, và có thể sơi từ 1-100oC tùy vào áp suất chân không của thiết bị.
Áp suất chân khơng lớn nhất trong q trình cơ đặc do máy cơ đặc chân khơng tạo rà 760mmHg hoặc 1atm = 10m nước = 101325 Pa (N/m2). Vì lẽ đó nên khi sử dụng máy cô đặc chân không ta điều chỉnh áp suất chân không để vừa đáp ứng được năng suất bay hơi và vừa đáp ứng điều kiện chân không mà bơm chân khơng [10].
Cơ đặc chân khơng có thể dùng hơi đốt ở áp suất thấp, điều đó rất có lợi khi ta dùng hơi thải của các q trình sản xuất khác. Cô đặc chân không cho phép ta cô đặc những dung dịch ở nhiệt độ sơi cao (ở áp suất thường) có thể sinh ra những phản ứng phụ khơng cần thiết (oxy hóa, nhựa hóa, đường hóa …). Mặt khác do nhiệt độ sôi của dung dịch thấp thì tổn thất nhiệt ra mơi trường chung quanh sẽ nhỏ hơn khi cơ đặc ở áp suất thường [10].
Hình 11: Thiết bị cô đặc chân không nhiều nồi
Nguyên tắc hoạt động: Trong thiết bị, quá trình bay hơi tiến hành với các dung dịch có nhiệt độ sơi dưới 100oC ở áp suất chân khơng. Dung dịch tuần hồn tốt, ít tạo cặn và sự bay hơi dung môi diễn ra liên tục. Nguyên liệu được đưa vào nồi cơ đặc (khoang đun nóng ngun liệu). Dưới tác dụng của bơm chân khơng, nồi cô đặc được hút chân không, tạo chênh lệch áp suất, áp suất giảm, nhiệt độ sôi giảm. Nguyên liệu được đảo trộn nhờ động cơ cánh khuấy. Hơi được được cấp vào để gia nhiệt tại đây xảy ra quá trình trao đổi nhiệt làm sơi ngun liệu đồng thời nước trong nguyên liệu được bốc hơi. Phần hơi nước (hơi thứ) sẽ được chuyển sang nồi thứ hai và từ đó dung dịch sẽ tách theo phương pháp tuần hoàn, dung mơi ít tạo cặn và có sự bay hơi liên tục. Quá trình bốc hơi sẽ làm nguyên liệu dần được cô đặc lại [9, 26]. Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các ống truyền nhiệt hoặc đối với thiết bị tuần hồn có một ống tuần hồn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong khoảng khơng gian ngồi ống. Dung dịch đi trong ống theo chiều từ trên xuống và nhận nhiệt do hơi đốt ngưng tụ cung cấp để sơi, làm hóa hơi một phần dung mơi. Hơi ngưng tụ theo ống dẫn nước ngưng qua bẫy hơi để chảy
ra ngồi. Phần phía trên thiết bị là buồng bốc để tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc cịn có bộ phận tách bọt để tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ [26].
4.5. Sấy phun
4.5.1. Hệ thống sấy phun
Sấy phun là một trong những kỹ thuật sấy khả thi về mặt kinh tế và thương mại. Trong các ứng dụng cơng nghiệp, nó thường được sử dụng để sản xuất số lượng lớn bột có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các buồng sấy lớn còn được gọi là tháp sấy. Năng suất cao có thể đạt được khi q trình này diễn ra liên tục và có thể xử lý khối lượng lớn. Các phần sau cung cấp tổng quan về sấy phun, nguyên tắc, ưu điểm và hạn chế của nó, các thành phần và cấu hình của máy sấy phun, ứng dụng của sấy phun trong ngành công nghiệp thực phẩm, cũng như những tiến bộ gần đây trong quy trình sấy phun và tối ưu hóa để kích thích sự phát triển của các loại thực phẩm và nguyên liệu mới.
Sấy phun bao gồm bốn bước chính, đó là phun thức ăn lỏng vào buồng sấy, tiếp xúc giữa vòi phun và luồng khơng khí nóng, bay hơi ẩm từ các giọt và tách các hạt khô. Các thành phần tương ứng của máy sấy phun là bộ phun (1), buồng sấy phun (2 và 3), và bộ tách cyclon (4), như minh họa trong hình 12. Mỗi bước tạo thành một hoạt động kỹ thuật phức tạp và cân bằng phức tạp. Do đó, các đặc tính của ngun liệu và các điều kiện sấy phun phải được kiểm soát đầy đủ để đảm bảo chất lượng đồng nhất của bột khô cuối cùng [1].
Hình 12: Các giai đoạn của quy trình sấy phun
Hệ thống sấy phun gồm 4 giai đoạn cơ bản sau:
Giai đoạn 1: Giai đoạn phun sương: Ngay sau khi hình thành trong bộ phun, các giọt bức xạ được ném vào một dịng khơng khí nóng chuyển động hoạt động như mơi trường làm khô để
lấy đi nước bay hơi, chuyển nguyên liệu cần sấy sang dạng sương mù (các hạt lỏng phân tán trong khơng khí) nhờ cơ cấu phun sương trong thiết bị sấy phun. Kích thước các giọt nhỏ sau giai đoạn phun sương dao động trong khong 10 ữ 200 àm [17].
Giai đoạn 2 và 3: Giai đoạn trộn mẫu: Hòa trộn sương mù với dòng tác nhân sấy trong buồng sấy. Đây chính là giai đoạn tách ẩm ra khỏi nguyên liệu. Do nguyên liệu được phun sương nên diện tích tiếp xúc giữa các giọt lỏng và tác nhân sấy là rất lớn. Do đó ẩm trong nguyên liệu được bay hơi nhanh chóng. Thời gian diễn ra tách ẩm từ vài giây tới hai chục giây. Sự tiếp xúc giữa các giọt chất lỏng được phun ra và khơng khí nóng làm cho nhiệt độ của giọt nước tăng lên nhanh chóng và đột ngột, làm cho nước bay hơi nhanh và làm khơ. Tồn bộ q trình làm khơ được hồn thành trong vài giây, thậm chí trước khi các giọt nước chạm vào thành của buồng sấy [19].
Giai đoạn 4: Giai đoạn thu hồi sản phẩm: Tách sản phẩm ra khỏi dòng tác nhân sấy. Các hạt khơ thu được, lơ lửng trong dịng khơng khí, chảy vào thiết bị tách (ví dụ: cyclone và bộ lọc túi) nơi chúng được loại bỏ khỏi khơng khí. Người ta có thể sử dụng cyclone, túi lọc hoặc phương pháp kết tủa trong trường tĩnh điện, phổ biến nhất là sử dụng cyclone. Hiệu suất thu hồi sản phẩm trong thiết bị sấy phun dao động trong khoảng 90 ÷ 98% [1, 17].
4.5.2. Cấu tạo máy sấy phun
Hệ thống phun sương bao gồm cơ cấu phun sương, hệ thống quạt hút, caroliphere cấp nhiệt cho tác nhân sấy, buồng sấy, bộ phân để thu hồi sản phẩm (cyclone, lọc túi, …) và hệ thống xử lý khí thải (tùy theo u cầu). Trong đó cơ cấu phun sương và buồng sấy phun là bộ phận quan trọng và đặc trưng nhất cho hệ thống sấy phun, những bộ phận còn lại cũng tương tự như các hệ thống sấy khác [1].
Hình 13: Cấu tạo của máy sấy phun ly tâm tốc độ cao LPG
3: Bộ phận phân phối khí nóng 4: Buồng sấy (tháp sấy)
5: Lọc dung dịch sấy
6: Bơm chân không (hút dung dịch sấy)
7: Đĩa phun sương ly tâm
8: Bộ phận tách bột - hơi ẩm dạng lốc xốy dạng cyclone
9: Quạt hút
10: Thùng chứa ngun liệu
Ngồi các thiết bị nêu trên, trong hệ thống sấy phun cịn có thể có các thiết bị như: thiết bị chứa dịch trích cà phê cần sấy, thiết bị lọc dịch cà phê trước khi đưa vào cơ cấu phun sương, bơm cao áp (dùng nhập liệu), calorife (để gia nhiệt cho khơng khí nóng), cyclone vận chuyển sản phẩm, hệ thống màng lọc, … [17].
4.5.2.1. Cơ cấu phun sương
Cơ cấu phun sương thường được coi là trung tâm của q trình sấy phun vì nó liên quan chặt chẽ đến động học sấy, chất lượng của bột tạo thành cũng như hiệu quả năng lượng của q trình. Do đó, bộ phun, tức là thiết bị tạo giọt, là một thành phần quan trọng của máy sấy phun. Một trong những mục tiêu chính của nguyên tử hóa là tăng tỷ lệ bề mặt trên thể tích để có thể làm khơ cực nhanh. Sự hình thành các giọt nhỏ từ một chất lỏng khối lượng lớn bằng cách nguyên tử hóa đạt được mục tiêu này. Làm khơ nhanh chóng dẫn đến tổn thất tối thiểu các hợp chất và các hạt nhạy cảm với nhiệt có hình thái và các đặc tính lý hóa như mong muốn [17].
Cơ cấu phun vừa có chức năng đưa nguyên liệu (vật lỏng) vào buồng sấy dưới dạng hạt mịn (sương mù). Giai đoạn tạo sương mù đống vai trị quan trọng nhất trong q trình sấy phun. Nguyên liệu sấy được phun thành những hạt rất nhỏ vào dòng tác nhân trong buồng sấy làm tăng sự tiếp xúc giữa 2 pha, cường độ sấy rất cao, thời gian sấy rất ngắn, do đó chất lượng sản phẩm đạt được tốt hơn. Cơ cấu phun có các dạng như: cơ cấu phun áp lực, cơ cấu phun bằng khí động, đầu phun ly tâm. Các hoạt động quy mô lớn thường sử dụng máy phun ly tâm hoặc máy phun chất lỏng đơn áp suất cao, trong khi các cơ sở lắp đặt nhỏ hơn có thể sử dụng máy phun phun khí nén (chất lỏng đôi), máy phun siêu âm hoặc máy phun tĩnh điện. Việc lựa chọn cơ cấu có tác động lớn đến các đặc tính và chất lượng của sản phẩm phun khơ cuối cùng. Kích thước giọt thay đổi tùy thuộc vào loại máy phun và các thơng số ngun tử hóa, điều này ảnh hưởng lớn đến các đặc tính của sản phẩm cuối cùng. Bất kể loại phun sương nào, việc điều chỉnh tốc độ dòng cấp là rất quan trọng để đạt được q trình sấy khơ giọt tối ưu trước khi chúng chạm tới thành của buồng sấy [17, 19].
Cơ cấu phun sương dạng đĩa quay
Hình 14: Cơ cấu phun sương dạng đĩa quay áp lực
Nguyên tắc hoạt động: Dịch lỏng được bơm vào tâm đĩa. Dưới tác dụng của động cơ hoặc khí nén, đĩa quay quanh trục đối xứng, dưới tác dụng quay của đĩa cùng với sự thốt ra của khí nén, dịng lỏng va đập vào các rãnh và bị phân tán thánh các hạt sương có đường kính trung bình khong 8 ữ 18 àm i vào buồng sấy. Góc phun là 1800, quỹ đạo ban đầu của hạt sương là chuyển động ngang, khi va chạm vào thành buồng sấy, hạt thay đổi phương đột ngột tạo ra bụi sương sấy rối di chuyển xuống phía đáy và được hút vào cyclone thu hồi sản phẩm nhờ quạt hút. Tốc độ quay đĩa khoảng 10000 ÷ 30000 vịng/phút nếu sử dụng khí nén. Khi sử dụng động cơ, tốc độ quay của đĩa khoảng 400 ÷ 2000 vịng/phút [17].
Trong cơ cấu ly tâm hoặc quay, nguồn cấp nguyên liệu liệu được đưa vào tâm của đĩa quay hoặc bánh xe. Lực ly tâm mang chất lỏng đến mép đĩa và đẩy chất lỏng ra khỏi mép. Chất lỏng tạo thành các sợi hoặc tấm vỡ thành các giọt hình cầu nhỏ, như được minh họa dưới đây. Các giọt nhỏ theo đường xoắn ốc do tác dụng của lực ly tâm. Kích thước giọt trung bình, được điều khiển bởi tốc độ bánh xe và tốc độ dòng chảy, tỷ lệ thuận với tốc độ nạp và độ nhớt, đồng thời tỷ lệ nghịch với tốc độ và đường kính bánh xe. Đường kính và tốc độ và có thể nằm trong khoảng tương ứng từ 25-30cm và 4.000 đến 60.000 vịng/phút. Loại phun có thể được điều chỉnh từ mịn, đến trung bình, đến thơ [17].
Hình 15: Cơ cấu phun ly tâm (hoặc quay)
Trên đĩa ly tâm có đĩa hẹp có hình dáng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào tính chất và năng suất của thiết bị. Các rãnh hay gặp có dạng hình trịn, oval hoặc hình chữ nhật. Rãnh thẳng xuyên tâm là loại tiêu chuẩn thường dùng đối với sản phẩm đòi hỏi mức đồng đều của hạt. Cịn loại đĩa có đường rãnh cong thường dùng đối với sản phẩm đòi hỏi tỉ trọng cao. Số lượng và kích thước của rãnh sẽ quyết định năng suất của thiết bị, năng suất lớn nhất cho phép đạt được đối với