Máy rang tầng sôi sử dụng luồng khí để nâng hạt cà phê, tạo ra trạng thái “tầng sôi” (fluidised bed), trong đó hạt cà phê di chuyển tự do trong không khí và có thể hành xử như chất lỏng. Nhờ sự lưu chuyển tự do này, hạt được rang đều mà không cần cánh khuấy cơ học hay lồng quay.
Một tầng sôi bao gồm các hạt rắn (trong trường hợp này là hạt cà phê) được giữ lơ lửng bởi luồng khí đi lên (khí rang). Luồng khí tạo lực ma sát ngược chiều với trọng lượng của hạt, và khi lực này cân bằng với trọng lượng, toàn bộ lớp hạt chuyển sang trạng thái tầng sôi (RG Holdich 2002).
Trên thực tế, hầu hết các máy rang tầng sôi hiện đại là thiết kế tầng sôi kiểu phun (spouted bed), trong đó chỉ một phần của lớp hạt được nâng lên hoàn toàn. Bởi vì hạt cà phê cứng khó đạt trạng thái tầng sôi hoàn toàn, và thiết kế kiểu phun giúp trộn đều hạt tốt hơn (Schwartzberg 2002 ). Thiết kế này cũng yêu cầu ít khí hơn so với tầng sôi hoàn toàn và tăng hiệu quả truyền nhiệt đến hạt (Eggers và Pietsch 2001).
Sơ đồ minh họa cách máy rang tầng sôi và tầng phun hoạt động. Trong tầng sôi – fluidised bed (a), lực ma sát do luồng không khí chảy qua hạt cà phê tạo ra một lực cản hướng lên. Khi lực này cân bằng với trọng lượng của hạt, toàn bộ tầng trở nên sôi, hạt chuyển động tự do và được rang đồng đều. Đối với tầng phun – spouted bed (b), chỉ phần tầng xung quanh vòi phun được sôi hoàn toàn, tạo thành một hình dạng giống “đài phun nước”. Khi tăng tốc độ không khí, nhiều hạt hơn có thể đạt trạng thái sôi, nhưng điều này cũng dễ làm các hạt nhẹ bị thổi ra ngoài (c), đặc biệt vào cuối quá trình rang khi hạt đã giảm khối lượng. Để khắc phục, nhiều thiết kế hiện đại áp dụng cấu trúc bất đối xứng (d), hướng luồng hạt trở lại buồng rang.
Lịch sử phát triển
Nguyên lý tầng sôi đã được áp dụng từ thời cổ đại, khi nông dân sử dụng gió để sàng tách vỏ trấu khỏi hạt lúa. Phương pháp này, gọi là “quạt lúa”, tạo ra một luồng khí tạm thời làm sôi các hạt, giúp trấu nhẹ bay đi. Ngày nay, nguyên lý tương tự được dùng để tách cành lá khỏi quả cà phê. Trong một tầng sôi, các hạt có kích thước khác nhau sẽ phân tách tự nhiên: hạt lớn hơn rơi xuống dưới cùng, trong khi hạt nhỏ hơn nằm ở trên – điều này được gọi là hiện tượng phân tầng trong tầng sôi (Z Zhang và JM Beeckmans 1990).
Ứng dụng công nghiệp đầu tiên của tầng sôi được ghi nhận vào năm 1922, khi nó được sử dụng trong lò phản ứng tầng sôi để chuyển hóa than đá thành nhiên liệu khí (Zhu và cộng sự 2005). Đây là bước đột phá quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng, đặt nền móng cho việc khai thác nguyên lý tầng sôi trong nhiều lĩnh vực khác. Đến năm 1926, Heinrich Caasen đã tiên phong đưa nguyên lý này vào ứng dụng trong ngành rang cà phê. Ông đã nộp bằng sáng chế cho thiết kế máy rang tầng sôi (Caasen 1929), đánh dấu bước ngoặt trong công nghệ chế biến cà phê.
Thiết kế của Caasen không chỉ áp dụng nguyên lý tầng sôi mà còn đi trước thời đại khi dự đoán được nhu cầu tái sử dụng năng lượng để tăng hiệu quả vận hành. Cụ thể, ông đề xuất tuần hoàn khí thải – cho phép khí nóng thoát ra trong quá trình rang được tái sử dụng bằng cách đưa trở lại hệ thống quạt để cung cấp luồng khí nóng liên tục cho buồng rang. Giải pháp này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành, tạo ra một quy trình bền vững hơn, góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ rang cà phê trong các thập kỷ sau đó.
Năm 1940, một bằng sáng chế khác đã tận dụng hiện tượng phân tầng trong tầng sôi để tạo ra quy trình rang cà phê đồng đều hơn, ngay cả khi các hạt cà phê hoặc mảnh vụn có kích thước khác nhau được xử lý trong cùng một buồng rang (Cannon và Kneale 1940). Đây là một bước cải tiến quan trọng, mở đường cho các thiết kế máy rang hiện đại.
Đến năm 1941, Wesley Goldfine đã tiến thêm một bước khi phát triển máy rang cà phê tầng phun bất đối xứng. Trong thiết kế này, không khí nóng được bơm vào buồng rang qua một lỗ ở đáy với tốc độ cao, tạo ra luồng chuyển động tuần hoàn của hạt cà phê trong buồng (Goldfine 1944). Thiết kế thông minh này không chỉ tận dụng hiệu quả luồng khí để rang đều các hạt cà phê mà còn tối ưu thời gian rang. Goldfine báo cáo rằng với thiết kế này, quá trình rang chỉ mất 3 phút ở nhiệt độ 240°C, một cải tiến vượt bậc về tốc độ so với các phương pháp truyền thống.
Máy rang tầng sôi thương mại đầu tiên, Aerotherm, được giới thiệu năm 1957 (Clarke 1987) nhờ sự hợp tác giữa công ty cà phê Heimbs, công ty kỹ thuật Lurgi, và Đại học Braunschweig ( ABZ 2005). Thiết kế này bao gồm một bộ trao đổi nhiệt để tái sử dụng năng lượng từ khí thải mà không giữ lại khói trong buồng rang (Heimbs và Kangro 1958 ).
Michael Sivetz, một tên tuổi lớn trong ngành máy rang tầng sôi hiện đại, đã đăng ký bằng sáng chế đầu tiên của mình vào năm 1974 (Sivetz 1976). Thiết kế của ông trở thành nền tảng cho các dòng máy rang tầng sôi do Neuhaus Neotec phát triển sau này (Bersten 1993).
