Máy rang tầng sôi

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).

Ưu và nhược điểm của máy rang tầng sôi

Máy rang tầng sôi có khả năng truyền nhiệt rất hiệu quả đến hạt cà phê, cho phép thực hiện các mẻ rang nhanh hơn so với bất kỳ loại máy rang nào. Lượng lớn không khí nóng không chỉ nâng và trộn đều hạt cà phê mà còn cung cấp nhiệt lượng dồi dào cho chúng. Vì hạt cà phê không tiếp xúc lâu với bề mặt nào, nên gần như không có nguy cơ cháy bề mặt hạt, cho phép sử dụng nhiệt độ không khí cao. Hơn nữa, theo Goldfine (1944), luồng không khí mạnh còn thổi bay lớp khí mỏng xung quanh mỗi hạt – vốn là lớp cách nhiệt tự nhiên – qua đó tăng hiệu quả truyền nhiệt.

Tốc độ rang nhanh giúp giảm thời gian sản xuất, nhưng đồng thời cũng ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc của hạt cà phê đã rang và hương vị trong tách. Những ảnh hưởng này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong Phần 2 của khóa học. Mặc dù tỷ lệ không khí trên hạt cao cho phép mẻ rang diễn ra nhanh chóng, nhưng luồng khí quá mạnh có thể làm mất đi một số hợp chất hương thơm hoặc làm khô hạt quá nhanh, dẫn đến cà phê có hương vị nhạt nhòa hoặc thiếu độ sâu (Schenker 2000).

Đặc điểm thiết kế của máy rang tầng sôi khiến tốc độ không khí được xác định bởi yêu cầu cần thiết để làm sôi hạt. Điều này đồng nghĩa với việc người vận hành không thể giảm luồng khí để điều chỉnh hồ sơ rang, giới hạn khả năng tùy chỉnh của máy rang tầng sôi.

Nhờ thời gian rang ngắn và khả năng truyền nhiệt hiệu quả, máy rang tầng sôi rất phù hợp cho quá trình rang cà phê quy mô công nghiệp. Việc hạn chế tiếp xúc giữa hạt cà phê và bề mặt máy cho phép nhiệt độ rang được điều chỉnh nhanh chóng, ngay cả trên các máy rang lớn, chỉ bằng cách thay đổi nhiệt độ của luồng khí vào. Hơn nữa, máy rang tầng sôi có khả năng xử lý cả các mảnh vụn và hạt cà phê bị vỡ – những thứ có thể mắc kẹt hoặc rơi qua các khe hở nhỏ trong thiết kế của máy rang trống (Eggers and Pietsch 2001).

Máy rang tầng sôi có ít bộ phận chuyển động hơn so với máy rang trống. Do không cần sử dụng trống quay hoặc cánh trộn, các máy tầng sôi thường hoạt động ổn định và yêu cầu bảo trì ít hơn. Chúng cũng dễ vệ sinh hơn nhờ việc hạn chế tiếp xúc giữa hạt cà phê và các bề mặt bên trong máy rang. Đồng thời, vỏ trấu, khói và dầu được luồng khí mạnh thổi ra ngoài hiệu quả trong quá trình rang (Clarke, 1987).

Máy rang tầng phun cũng có nhiều đặc điểm tương tự như máy tầng sôi, chẳng hạn như thời gian rang nhanh và khả năng trộn hạt hiệu quả mà không cần cơ cấu khuấy cơ học. Tuy nhiên, không phải tất cả các hạt trong buồng rang tầng phun đều ở trạng thái sôi cùng lúc, dẫn đến việc hạt tiếp xúc với bề mặt bên trong buồng rang nhiều hơn. Nếu thiết kế của buồng rang không đảm bảo sự lưu chuyển hiệu quả của hạt, máy rang tầng phun có thể gây ra hiện tượng rang không đều (Eggers and Pietsch 2001).