Việc lựa chọn máy rang cà phê không chỉ đơn thuần là tìm một thiết bị có công suất phù hợp hay mức giá hợp lý. Máy rang là trung tâm vận hành của bất kỳ xưởng rang nào, và cấu trúc kỹ thuật của nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kiểm soát nhiệt, tính ổn định giữa các mẻ rang, chi phí vận hành lâu dài cũng như chất lượng hương vị cuối cùng của hạt cà phê.
Thay vì khuyến nghị một thương hiệu cụ thể, bài viết này tập trung vào việc giới thiệu ba nhóm máy rang phổ biến nhất trên thị trường hiện nay: máy rang trống gia nhiệt trực tiếp, máy rang trống tái tuần hoàn khí nóng, và máy rang tầng sôi. Mỗi hệ thống đều có cơ chế truyền nhiệt, cấu tạo buồng rang và đặc tính vận hành riêng biệt — từ đó mang đến những ưu và nhược điểm khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng.
Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của từng loại máy rang không chỉ giúp người làm cà phê đưa ra lựa chọn phù hợp với mục tiêu sản xuất, mà còn giúp tối ưu hóa quy trình rang, kiểm soát chi phí năng lượng, và hướng đến chất lượng ổn định qua từng mẻ.
Máy rang trống gia nhiệt trực tiếp (Directly heated drum) hay máy rang trống cổ điển (Classic drum roasters) là một thiết kế phổ biến và tương đối dễ nhận biết. Hầu hết các dòng máy thuộc nhóm này đều chia sẻ những đặc điểm cơ bản như minh hoạ sau.
⤍ Xem thêm: Máy rang trống gia nhiệt trực tiếp
Hạt cà phê được đưa vào trống rang thông qua một phễu cấp liệu phía trên máy. Khi trống quay, các cánh đảo (còn gọi là “flights”) bên trong sẽ liên tục khuấy trộn hạt, giúp phân bố nhiệt đều. Trong suốt quá trình rang, hạt cà phê được làm nóng chủ yếu bằng dẫn nhiệt từ thành trống và đối lưu từ dòng khí nóng đi qua. Quạt xả hút khói và trấu ra khỏi trống, trong khi cyclone sẽ tách trấu khỏi dòng khí thải.
Kết thúc mẻ rang, hạt cà phê rơi xuống khay làm nguội phía trước máy. Một quạt mạnh hút không khí mát thổi qua lớp hạt, trong khi các cánh khuấy trộn giúp làm nguội nhanh chóng và đồng đều.
Trống rang có thể là trống đơn hoặc trống đôi, làm từ kim loại đặc hoặc kim loại đục lỗ. Trong thiết kế gia nhiệt trực tiếp, trống thường được làm bằng kim loại đặc nhằm bảo vệ hạt khỏi nguồn lửa trực tiếp. Tuy nhiên, một số thiết kế đặc biệt cũng tận dụng yếu tố bức xạ hồng ngoại để gia nhiệt cho hạt cà phê.
Trống đôi được cấu tạo bởi hai lớp kim loại với một khoảng cách không khí ở giữa. Thiết kế này cách nhiệt bề mặt bên trong trống khỏi nhiệt trực tiếp, giúp giảm lượng nhiệt dẫn đến hạt. Đồng thời, nhiệt được phân bổ đều trên bề mặt trong của trống, hạn chế các “điểm nóng” và giảm nguy cơ cháy bề mặt hạt, cho phép rang đều hơn.
Một trống dày hơn hoặc thiết kế hai lớp thường cho phép quá trình rang diễn ra nhanh hơn. Nghe có vẻ mâu thuẫn, bởi vì bề mặt bên trong mát hơn sẽ dẫn ít nhiệt hơn. Nhưng chính vì nguy cơ cháy bề mặt hạt được giảm thiểu, người rang có thể dùng mức nhiệt cao hơn, tăng cường quá trình trao đổi nhiệt qua đối lưu — từ đó rút ngắn thời gian rang một cách hiệu quả.
Trong các máy rang trống gia nhiệt trực tiếp, nguồn nhiệt được đặt phía dưới trống. Để kiểm soát lượng nhiệt truyền vào trống trong suốt quá trình rang, người vận hành cần khả năng điều chỉnh nhiệt độ nhanh chóng và chính xác. Chính vì thế, hầu hết máy rang kiểu này đều sử dụng đầu đốt gas làm nguồn nhiệt chính.
Trong số các loại đầu đốt, loại thường gặp nhất là đầu đốt khí quyển (atmospheric burner), còn được gọi là đầu đốt tự hút khí. Loại này tận dụng dòng chảy của gas để hút không khí vào buồng đốt mà không cần thiết bị phụ trợ. Nguyên lý này dựa vào một cấu trúc gọi là Venturi (hay còn gọi là “ống hút”), hoạt động tương tự như một ống tiết lưu. Venturi tạo ra một vùng áp suất thấp bằng cách ép khí gas đi qua một khe hẹp với tốc độ cao. Khi tốc độ tăng lên, áp suất giảm xuống, tạo ra lực hút để kéo không khí vào buồng đốt, hòa trộn với gas và tạo ra quá trình cháy hiệu quả.
Mặc dù trên thị trường hiện nay đã xuất hiện nhiều loại máy rang mới với hiệu suất cao hơn, nhưng máy rang trống gia nhiệt trực tiếp vẫn là loại máy phổ biến nhất. Thiết kế đã được chứng minh qua thời gian và sự đơn giản trong cấu tạo giúp máy có độ tin cậy cao và tuổi thọ dài. Nhiều chiếc máy được sản xuất từ đầu thế kỷ 20 vẫn còn được sử dụng hiệu quả đến ngày nay.
Một lợi thế lớn của máy rang trống là thiết kế đơn giản và dễ sửa chữa. Phụ tùng thay thế sẵn có khiến chi phí bảo trì thấp hơn so với các dòng máy hiện đại. Tuy nhiên, do kích thước lớn, trọng lượng nặng và nhiều bộ phận chuyển động, máy rang trống không phải lúc nào cũng là lựa chọn lý tưởng, nhất là đối với các nhu cầu rang mẫu hoặc rang quy mô nhỏ. Trong trường hợp đó, công nghệ rang tầng sôi (fluidised-bed roasting) có thể mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tốt hơn.
Ưu điểm
✓ Độ tin cậy cao, sử dụng bền bỉ theo thời gian
✓ Giá thành tương đối phải chăng
✓ Thiết kế phổ biến, dễ tiếp cận thông tin và kinh nghiệm vận hành
Nhược điểm
✗ Kích thước lớn, trọng lượng nặng
✗ Tiêu thụ gas nhiều hơn so với máy rang tuần hoàn khí nóng
✗ Đòi hỏi kiểm soát nhiệt chặt chẽ giữa các mẻ để đảm bảo tính nhất quán
✗ Có thể ảnh hưởng đến hương vị nếu nhiệt độ trống không được kiểm soát tốt
Một số dòng máy rang, sử dụng cơ chế gia nhiệt không trực tiếp lên trống rang mà làm nóng không khí bên ngoài trước khi dẫn luồng khí nóng này vào buồng rang (Indirectly heated drum roasters). Trong thiết kế này, bề mặt trống rang mát hơn so với máy rang trống truyền thống, từ đó làm giảm nguy cơ cháy bề mặt hạt cà phê. Nhờ vậy, người vận hành có thể sử dụng mức nhiệt độ không khí cao hơn trong quá trình rang. Việc tăng nhiệt độ không khí giúp rút ngắn thời gian rang, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất về mặt thời gian và chi phí – đặc biệt quan trọng đối với các nhà máy rang quy mô công nghiệp.
Tuy nhiên, điểm hạn chế lớn của thiết kế gián tiếp – cũng như bất kỳ loại máy rang nào dùng luồng khí nóng làm phương tiện truyền nhiệt chính – là tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào lưu lượng khí, trong khi khả năng kiểm soát lưu lượng khí lại thường bị giới hạn bởi cấu tạo máy. Người vận hành phải đảm bảo rằng lượng nhiệt được sinh ra từ bộ đốt là đủ để truyền đến hạt cà phê trong suốt quá trình rang. Nếu không có cơ chế tuần hoàn khí, các máy rang gián tiếp cũng tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn so với các dòng máy rang trống truyền thống (Rosa, 2019).
Một số dòng máy rang trống gián tiếp được thiết kế để tái sử dụng luồng khí nóng (Recirculation roasters) nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng. So với các máy rang trống gia nhiệt trực tiếp, máy tuần hoàn khí nóng có thể giảm đến 25% lượng tiêu thụ năng lượng (Nogueira and Koziorowski 2020). Tuy nhiên, luồng khí nóng khi đi qua buồng rang sẽ mang theo khói, mùi và các hợp chất dễ bay hơi, và nếu không xử lý, chúng có thể ảnh hưởng đến hương vị cà phê trong các mẻ rang tiếp theo.
Để giải quyết vấn đề này, một số nhà sản xuất tích hợp chức năng của một afterburner vào chính bộ đốt của máy. Ví dụ, dòng máy Loring đặt bộ đốt ở đáy của cyclone — nơi vừa đảm nhiệm việc tách trấu, vừa đốt cháy các phân tử gây mùi. Với nhiệt độ hoạt động khoảng 650°C (1200°F), khí nóng sau khi được xử lý cần được trộn với khí lạnh thông qua hệ thống ống dẫn trước khi quay trở lại buồng rang, nhằm đảm bảo nhiệt độ phù hợp. Chính vì sự phức tạp trong thiết kế và vận hành, các máy rang tuần hoàn khí thường có giá thành cao hơn. Tuy nhiên, lợi thế của thiết kế này là loại bỏ nhu cầu sử dụng thêm một bộ đốt riêng biệt để tạo nhiệt, nhờ đó giảm thiểu mức tiêu hao nhiên liệu tổng thể.
Máy rang trống gián tiếp không cần đạt nhiệt độ cao ở bề mặt trống như các máy trực tiếp, nên không nhất thiết phải quay trống trong suốt quá trình rang. Tuy nhiên, để đảm bảo sự đồng đều, hạt cà phê vẫn cần được khuấy trộn liên tục, thường thông qua các cánh đảo bố trí bên trong trống.
⤍ Xem thêm: Máy rang trống gia nhiệt gián tiếp
Ưu điểm
✓ Giảm tiêu thụ gas đến 25% so với máy rang trống có afterburner
✓ Giảm mùi khói, thân thiện với môi trường xung quanh
Nhược điểm
✗ Chi phí đầu tư ban đầu cao
✗ Với các cơ sở rang không cần lắp afterburner, đây có thể là lựa chọn không tối ưu về chi phí vận hành
Máy rang tầng sôi (fluid-bed roaster) sử dụng luồng khí nóng có áp suất cao để làm hạt cà phê “nổi lên” và lưu chuyển tự do trong không khí – giống như một chất lỏng chuyển động. Trong quá trình này, các hạt không tiếp xúc với bề mặt nóng nào trong thời gian dài, từ đó cho phép truyền nhiệt nhanh, đồng đều mà không cần trống quay hoặc cánh đảo cơ học.
Về mặt kỹ thuật, tầng sôi là một tập hợp các hạt rắn (trong trường hợp này là cà phê) được giữ lơ lửng trong dòng khí đi lên. Khi tốc độ khí đạt đến mức mà lực kéo (drag force) của khí cân bằng với trọng lượng của hạt, toàn bộ lớp hạt sẽ chuyển sang trạng thái “tầng sôi” — chuyển động hỗn loạn như một chất lỏng (RG Holdich, 2002).
⤍ Xem thêm: Máy rang tầng sôi
Tuy nhiên, nhược điểm lớn của máy tầng sôi là do thiết kế khí đi một chiều, không tuần hoàn lại, nên cần tiêu thụ một lượng lớn khí nóng cho mỗi mẻ rang. Tỷ lệ không khí trên cà phê (air-to-bean ratio) trong máy tầng sôi dao động từ 7.3:1 đến 12.8:1, trong khi với máy rang trống thông thường là khoảng 3:1 (Clarke, 1987). Điều này có nghĩa là cần làm nóng rất nhiều không khí để hoàn tất một mẻ rang.
Thực tế, hạt cà phê có mật độ cao, hình dạng không đồng đều và khó đạt được trạng thái tầng sôi hoàn toàn. Do đó, phần lớn các máy tầng sôi hiện nay là máy tầng sủi (spouted bed), nơi chỉ một phần trung tâm của khối hạt được đưa vào trạng thái sôi. Phần còn lại được khuấy trộn theo dòng khí tuần hoàn bên trong buồng rang (Schwartzberg 2002). Phương pháp này giúp tiết kiệm năng lượng hơn và tăng hiệu quả truyền nhiệt so với việc làm tầng sôi toàn bộ (Eggers và Pietsch 2001).
Ưu điểm
✓ Truyền nhiệt hiệu quả, cho phép thời gian rang nhanh nhất trong tất cả các loại máy rang
✓ Không có nguy cơ cháy bề mặt hạt, do hạt không tiếp xúc lâu với bất kỳ bề mặt nóng nào
✓ Có thể rang được các mảnh vỡ hoặc hạt cà phê nhỏ vốn dễ bị mắc kẹt trong trống rang truyền thống
✓ Ít bộ phận chuyển động hơn, giảm thiểu hao mòn và bảo trì
✓ Dễ dàng vệ sinh, vì bề mặt tiếp xúc giữa hạt và máy rất ít
✓ Trấu, khói và dầu được loại bỏ hiệu quả trong quá trình rang
Nhược điểm
✗ Nếu thiết kế không tối ưu, máy tầng sủi có thể rang không đều do luồng hạt không lưu thông hiệu quả
✗ Các máy tầng sôi một chiều tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để rang một đơn vị cà phê so với máy rang trống
✗ Lưu lượng khí là điều kiện bắt buộc để đạt tầng sôi, nên không thể giảm lưu lượng khí để kiểm soát quá trình rang một cách linh hoạt
Cảm ơn bạn đã theo dõi loạt bài Hướng dẫn Rang cà phê từ PrimeCoffee. Tất cả nội dung đều được chúng mình tổng hợp và biên soạn kỹ lưỡng từ những nguồn tài liệu uy tín. Chúng mình khuyến khích bạn chia sẻ kiến thức này – nhưng vui lòng không sao chép hoặc tái bản dưới bất kỳ hình thức nào.
Chào bạn, mình là Nguyễn Tống Hải Vân, người sáng lập PrimeCoffee từ năm 2017. Trang này là nơi mình chia sẻ kiến thức mình học được từ internet và sách vở theo cách trực quan và dễ hiểu hơn. Cảm ơn bạn vì đã đồng hành cùng mình và PrimeCoffee!
CÙNG CHỦ ĐỀ
THƯ VIỆN TÀI NGUYÊN
» Bạn thấy những chia sẻ này hữu ích? Hãy tiếp thêm động lực cho chúng mình bằng một cuốn sách hoặc một cốc cà phê bạn nhé!
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Độ cao & mật độ hạt: Chúng ta thực sự đang nói về điều gì?
Độ cao từ lâu đã được xem là dấu hiệu của chất lượng – thường gắn với hạt cà phê đặc, giàu hương vị và độ chua tinh tế. Tuy nhiên, khi hiểu biết và công nghệ rang ngày càng tiến bộ, có thể thấy rằng độ cao không phải là chỉ số đơn lẻ đủ sức định đoạt chất lượng. Cùng tìm hiểu mối liên hệ giữa vùng trồng, mật độ hạt và hương vị trong quá trình rang xay.
Vòng tròn Hương vị Robusta (Coffea canephora)
Sau nhiều thập kỷ bị gắn với những định kiến về “hương vị gắt, chát và kém tinh tế”, cà phê Robusta (Coffea canephora) cuối cùng đã có một công cụ cảm quan riêng: Vòng
Một vài suy nghĩ về nghiên cứu khoa học trong ngành cà phê
Đằng sau những thuật ngữ “nghe kêu” trong ngành cà phê, đâu là thử nghiệm đâu là nghiên cứu khoa học thực thụ? Phân biệt nghiên cứu khoa học thật với chiêu trò, và hiểu vì sao nghiên cứu “khiêm tốn” lại là chìa khóa cho cà phê đặc sản bền vững!
PrimeCoffee là nền tảng thông tin chất lượng cao cho các chủ đề quan trọng trong ngành cà phê. Chia sẻ nội dung hữu ích một cách chuyên nghiệp & minh bạch là ưu tiên hàng đầu của PrimeCoffee.
