Tính toán khối lượng mẻ rang

Bước khởi đầu trong quy trình rang là xác định khối lượng mẻ mà bạn muốn thực hiện, sau đó cân chính xác lượng cà phê nhân xanh tương ứng. Để dễ dàng duy trì sự nhất quán trong quá trình làm nóng máy và kiểm soát các mẻ rang, bạn nên giới hạn ở một hoặc hai khối lượng mẻ cố định. Bài viết này sẽ giúp bạn lựa chọn các khối lượng mẻ phù hợp nhất với nhu cầu sản xuất của mình.

Trên thực tế, gần như không thể xây dựng được các profile rang cho các mẻ có khối lượng khác nhau mà vẫn cho ra hương vị giống nhau với cùng một loại cà phê. Mỗi khối lượng mẻ sẽ cần một lượng năng lượng nhiệt cụ thể, kéo theo đó là các bước làm nóng máy và quy trình chuyển giao giữa các mẻ rang cũng phải điều chỉnh riêng biệt để đảm bảo tính ổn định. Tùy vào thiết kế máy rang, khối lượng mẻ khác nhau thậm chí còn yêu cầu điều chỉnh tốc độ trống và lưu lượng khí khác nhau.

Kích cỡ mẻ rang (Batch Size)

Bất kỳ máy rang cà phê nào cũng đều có một giới hạn tối đa và tối thiểu về lượng cà phê có thể rang mà vẫn đảm bảo được mức độ nhất quán và chất lượng chấp nhận được. Hai giới hạn này không chỉ phụ thuộc vào kích thước của máy, mà còn vào đặc điểm truyền nhiệt của từng thiết kế máy rang.

Công suất danh định do nhà sản xuất đưa ra thường là giá trị lý thuyết tối đa. Trong thực tế, phần lớn các nhà rang chuyên nghiệp lựa chọn rang ở mức thấp hơn công suất tối đa này nhằm rút ngắn thời gian rang và tăng khả năng kiểm soát hồ sơ rang. Theo một số nhà sản xuất, mẻ rang tối ưu có thể chỉ ở mức 50% công suất được công bố (Rao, 2014).

Ngược lại, kích thước mẻ rang tối thiểu lại phụ thuộc vào vị trí đặt đầu dò nhiệt độ hạt và khả năng kiểm soát gas của máy rang. Khi rang mẻ nhỏ, đầu dò nhiệt độ hạt thường tiếp xúc nhiều hơn với dòng khí nóng trong lồng rang, khiến số liệu đo trở nên nhạy hơn với các thay đổi về luồng khí và lượng gas. Nếu mẻ rang quá nhỏ, đầu dò có thể không được nhúng hoàn toàn trong khối cà phê, và khi đó dữ liệu nhiệt độ thu được sẽ không phản ánh chính xác nhiệt độ thực của hạt cà phê.

Khi rang liên tục nhiều mẻ trong ngày, người vận hành vốn đã phải theo dõi và điều chỉnh nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí, hay mức độ lão hóa của cà phê nhân. Nếu phải áp dụng điều này cho nhiều khối lượng mẻ, thì việc duy trì chất lượng nhất quán sẽ trở nên gần như bất khả thi. Do đó, lời khuyên được đưa ra là bạn nên giới hạn số lượng khối lượng mẻ ở mức thấp nhất có thể, và chỉ nên sử dụng một khối lượng mẻ duy nhất trong mỗi buổi rang.

Ví dụ, nếu bạn chọn một khối lượng mẻ cố định cho các mẻ espresso và một khối lượng nhỏ hơn cho các dòng cà phê single-origin dùng cho pha lọc, hãy cố gắng sắp xếp các mẻ single-origin vào chung một buổi rang. Trong trường hợp bạn buộc phải rang nhiều khối lượng mẻ khác nhau trong cùng một phiên, hãy rang mẻ nhỏ trước, vì chúng cần ít nhiệt lượng tích lũy hơn trong máy.

Công suất đầu đốt (Burner Capacity)

Yếu tố quan trọng nhất quyết định đến công suất tối đa của một máy rang chính là tổng lượng nhiệt mà đầu đốt có thể cung cấp để làm chín cà phê. Nếu công suất đầu đốt quá thấp so với lượng cà phê được nạp, thời gian cần để hoàn tất quá trình rang sẽ kéo dài quá mức, từ đó dẫn đến hương vị nhạt nhòa, thiếu chiều sâu hoặc bị “nướng” (baked).

Đối với các máy rang trống truyền thống sử dụng hệ thống đốt một chiều (tức không tuần hoàn khí nóng trở lại trống rang), giới hạn tối đa của khối lượng mẻ có thể rang mà vẫn đảm bảo chất lượng chủ yếu phụ thuộc vào công suất của bộ đốt (burner). Như đã đề cập trước đây về lựa chọn máy rang phù hợp, công suất nhiệt là yếu tố then chốt để xác định khối lượng cà phê mà máy có thể xử lý hiệu quả.

Một quy tắc thực hành thường được sử dụng để tính giới hạn trên của khối lượng mẻ là:

Để rang 1 kg cà phê nhân xanh trong thời gian hợp lý, máy cần có công suất đốt tối thiểu khoảng 11,023.1 BTU/giờ ≈ 11.500 kJ/giờ ≈ 3,2 kW (kilowatt)

Cần lưu ý rằng, giới hạn này thường thấp hơn đáng kể so với công suất mà nhà sản xuất công bố – đôi khi chỉ bằng một nửa so với khối lượng được quảng cáo. Vì vậy, kết quả tính theo công thức trên chỉ là giới hạn tối đa khuyến nghị, chứ không đồng nghĩa với khối lượng tối ưu để vận hành thường xuyên. Trong khi đó, các máy rang có hệ thống tuần hoàn khí (recirculating roasters) thường tiết kiệm năng lượng hơn (Nogueira and Koziorowski 2020), nên yêu cầu công suất nhiệt đầu vào thấp hơn để đạt được cùng một kết quả rang.

Trong một số trường hợp, việc nâng cấp đầu đốt có thể giúp tăng công suất hoạt động của máy rang. Steve Green – nhà sáng lập Mill City Roasters – đã chia sẻ một ví dụ trong một chủ đề thảo luận trên Home-Barista.com. Theo Steve, máy rang TJ-067 của North Coffee (Trung Quốc), được thiết kế để rang 1 kg cà phê, có thể hoạt động ổn định với mẻ 1,5 kg khi sử dụng loại gas sạch hơn và áp suất gas cao hơn tại thị trường Mỹ. Tuy nhiên, để đạt kết quả tốt với mẻ lớn hơn, cần điều chỉnh đồng thời các yếu tố như nhiệt độ nạp cao hơn, tốc độ quay trống nhanh hơn, và luồng khí mạnh hơn.

Tuy nhiên, đối với các máy rang có hệ thống tuần hoàn khí nóng hoặc máy rang bằng khí nóng (hot-air roaster) không gia nhiệt trực tiếp lên trống, thì các nguyên tắc kể trên không còn áp dụng. Trong các dòng máy này, khối lượng mẻ tối đa thường có thể đạt gần bằng công suất được công bố bởi:

• Thành trống của máy rang khí nóng không bị đốt nóng đến mức cao như máy rang trống, do đó gần như không xảy ra hiện tượng cháy bề mặt hạt.
• Máy rang khí nóng có khả năng rang nhanh đáng kể, thời gian rang thường dưới 7 phút mà vẫn đảm bảo chất lượng.

Trong khi đó, nếu bạn cố gắng rang nhanh với máy rang trống bằng cách tăng mạnh gas, trống sẽ trở nên quá nóng, làm tăng dẫn nhiệt và dẫn đến nhiều khuyết điểm như cháy đầu hạt (tipping), cháy điểm (scorching), và hương vị “roasty” không mong muốn – kể cả khi bạn chỉ muốn rang nhẹ.

Kích thước trống rang (Drum Size)

Kích thước trống cũng là một yếu tố giới hạn công suất tối đa của máy rang. Nếu mẻ rang quá lớn, trống rang sẽ không thể đảo cà phê hiệu quả, dẫn đến hiện tượng rang không đồng đều (Cristo et al 2006).

Một nguyên tắc kinh nghiệm phổ biến được sử dụng để ước tính công suất tối đa của trống là:

Khối lượng cà phê xanh tối đa (kg) ≈ Thể tích trống (lít) × 0,173

Chuyển đổi từ: Roast size (oz) = Drum Volume (in3)/10, Cristo et al 2006

Với khối lượng riêng trung bình của cà phê khoảng 0,7 g/cm³, 173 gram cà phê tương đương thể tích khoảng 242 ml, tức chiếm khoảng 24% tổng thể tích trống.

Tuy nhiên, mối tương quan cụ thể giữa kích thước trống và công suất công bố của máy có thể khác nhau tùy theo nhà sản xuất. Ví dụ, máy rang 15 kg của Mill City Roasters có thể tích trống khoảng 120 lít (Mill City 2022), trong khi mẻ cà phê xanh 15 kg chỉ chiếm khoảng 21,4 lít thể tích – tương đương chưa đến 18% dung tích trống.

Ngoài ra, kích cỡ mẻ rang còn ảnh hưởng đến động học chuyển động của hạt trong trống. Một thí nghiệm năm 2023 theo dõi chuyển động của từng hạt cà phê bên trong máy Aillio Bullet R1, khi được nạp hai mẻ có khối lượng khác nhau (Al-Shemmeri et al 2023). Với mẻ lớn 900g, chuyển động của hạt trong trống diễn ra đồng đều hơn, cho thấy hạt chịu tác động nhiệt ổn định hơn trong suốt quá trình rang. Trong khi đó, với mẻ nhỏ 300g, chuyển động của hạt trở nên hỗn loạn và khó dự đoán – mỗi hạt có thể đi theo các quỹ đạo khác nhau và chịu mức truyền nhiệt khác nhau, từ đó dẫn đến sự không đồng nhất trong kết quả rang.

Đối lưu và Dẫn nhiệt (Convection and Conduction)

Một yếu tố khác giới hạn công suất tối đa của máy rang là sự cân bằng giữa truyền nhiệt đối lưu (Convection) và dẫn (Conduction) mà người vận hành mong muốn đạt được.

Xem thêm: Các phương thức truyền nhiệt trong quá trình rang

Khi tăng kích thước mẻ rang, tỷ lệ giữa không khí và khối hạt (air:bean ratio) sẽ giảm, đồng nghĩa với việc tỷ trọng nhiệt truyền qua không khí nóng (đối lưu) cũng giảm theo. Đồng thời, vì khối cà phê là một vật liệu dẫn nhiệt kém, việc rang mẻ lớn còn làm giảm tốc độ truyền nhiệt đến phần hạt nằm sâu bên trong khối cà phê  (Schwartzberg 2002).

Nói cách khác, mẻ rang càng lớn thì nhiệt càng khó lan tỏa đều đến toàn bộ hạt, đặc biệt là các hạt nằm ở trung tâm khối – điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tính đồng đều và hiệu quả của quá trình rang.

Giới hạn tối thiểu của khối lượng mẻ

Về lý thuyết, không có giới hạn dưới rõ ràng cho khối lượng mẻ rang trên máy rang trống, miễn là máy có thể hoạt động ổn định ở mức nhiệt độ khoảng 200°C (400°F) khi trống rỗng. Tuy nhiên, trong thực tế, các mẻ rang quá nhỏ có thể gây ra nhiều khó khăn kỹ thuật, đặc biệt là ở khâu kiểm soát nhiệt độ.

Khi khối lượng cà phê quá ít, đầu dò nhiệt độ hạt (bean heat) có thể không được phủ đầy bởi khối hạt, khiến kết quả đo bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ không khí xung quanh hơn là nhiệt độ thật của cà phê. Việc này làm cho dữ liệu nhiệt độ hạt trở nên không đáng tin cậy, và do đó rất khó để kiểm soát quá trình rang một cách chính xác.

Một dấu hiệu phổ biến cho thấy khối lượng mẻ đang quá nhỏ là khi biểu đồ nhiệt độ hạt di chuyển gần như song song với nhiệt độ môi trường (ET) hoặc nhiệt độ khí thải (BT). Khi đó, có thể kết luận rằng lượng hạt không đủ để bao phủ hoàn toàn đầu dò.

Ngoài ra, mẻ rang quá nhỏ còn đòi hỏi các thiết lập luồng khí (airflow) và tốc độ quay trống (rpm) khác biệt so với mẻ thông thường. Vì vậy, để duy trì sự ổn định và dễ kiểm soát, chúng tôi khuyến nghị mẻ rang nhỏ nhất nên không thấp hơn 20–25% công suất danh định của máy.

Dấu hiệu của một mẻ rang bị thiếu nhiệt

Bên cạnh đó, bạn cũng cần lưu ý đến tình trạng mẻ rang quá lớn so với công suất thực tế của máy. Dấu hiệu rõ ràng nhất là thời gian rang bị kéo dài. Cụ thể:

• Trên máy rang trống gia nhiệt trực tiếp, nếu thời gian rang vượt quá 12 phút thì có thể mẻ đang quá lớn.
• Trên máy rang khí nóng, thời gian rang nên không vượt quá 10 phút.

Một mẻ rang bị thiếu nhiệt còn có thể biểu hiện qua việc cà phê giảm trọng lượng ít hơn bình thường, khó chiết xuất (yêu cầu xay mịn hơn) và xuất hiện hương vị không mong muốn như mùi đậu phộng sống, cần tây hay các nốt “rau củ” chưa chín. Đây là biểu hiện của sự phát triển chưa đầy đủ trong quá trình rang, thường do năng lượng nhiệt không đủ để chuyển hóa các hợp chất trong hạt một cách hoàn chỉnh.

Tính toán năng suất

Yếu tố cuối cùng cần cân nhắc khi xác định kích thước mẻ rang là lượng cà phê thành phẩm bạn sẽ thu được từ mỗi kilôgam cà phê xanh. Tùy theo mức độ rang và độ ẩm ban đầu của hạt, cà phê có thể mất từ 11–24% trọng lượng trong quá trình rang.

Phần lớn sự sụt giảm này đến từ sự bay hơi nước có sẵn trong hạt cà phê. Ví dụ, nếu một mẻ cà phê có độ ẩm 10% và mẻ khác là 11%, thì sự khác biệt về trọng lượng mất đi có thể xấp xỉ 1%, chỉ riêng do lượng nước dư thêm. Ngoài ra, một phần nhỏ trọng lượng mất đi là do sự giải phóng khí CO₂ và nước từ các phản ứng hóa học trong quá trình chuyển hóa nhiệt.

Hao hụt khối lượng sau khi rang

Phần lớn các nhà rang trong lĩnh vực cà phê đặc sản thường làm việc ở các mức rang nhẹ đến trung bình, với mức giảm trọng lượng trung bình từ 11–16%. Những mẻ cà phê xanh có độ ẩm cao hơn sẽ mất trọng lượng nhiều hơn khi được rang đến cùng một cấp độ.

Việc tính toán mức hao hụt khối lượng theo phần trăm khá đơn giản:

Khối lượng hao hụt (%) = (Khối lượng mất đi ÷ Khối lượng cà phê xanh ban đầu) x 100%

Ví dụ, nếu bạn rang 10 kg cà phê xanh và thu được 8,5 kg cà phê thành phẩm, thì bạn đã mất 1,5 kg trọng lượng, tương đương: (1,5÷10)×100% = 15%.

Ngược lại, nếu bạn muốn biết tỷ lệ năng suất – tức tỷ lệ cà phê rang thành phẩm so với lượng cà phê xanh ban đầu – thì có thể dùng công thức sau:

Năng suất (%) = (Khối lượng cà phê rang ÷ Khối lượng cà phê xanh ban đầu) x 100%

Tiếp tục với ví dụ trên: (8,5÷10)×100% = 85%

Khi đã biết năng suất ước tính của một hồ sơ rang, bạn có thể sử dụng nó để tính ngược lại lượng cà phê xanh cần dùng để tạo ra một lượng cà phê rang nhất định:

Ví dụ, nếu năng suất rang trung bình của bạn là 85% và bạn cần 10 kg cà phê rang, thì:

(10÷85)×100=11,76 kg  cà phê nhân xanh

Công thức này đặc biệt hữu ích khi bạn cần tính khối lượng mẻ chuẩn cho mục đích thương mại. Nếu bạn thường đóng gói cà phê để bán buôn theo từng túi 10 kg, và năng suất rang là 85%, thì bạn nên bắt đầu với khoảng 11,76 kg cà phê xanh để đủ sản xuất. Để an toàn và có dư một chút cho kiểm tra chất lượng, bạn có thể làm tròn khối lượng mẻ lên 12 kg cho mỗi lô.

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.