Cómo fabricar café instantáneo utilizando clarificadores, Decanter y Tricanter®

El café instantáneo ya no es el revitalizante favorito entre los aficionados a ir de camping, como se podría imaginar. Ha ido evolucionando desde sus nichos de mercado consolidados hasta convertirse en un producto diversificado, junto con otras categorías de productos como el café líquido y las bebidas de café listas para beber (RTD). Sin embargo, a medida que aumenta su popularidad, también lo hacen sus requisitos. Los consumidores quieren nuevas recetas y alta calidad. Los productores se enfrentan al reto de satisfacer estas demandas logrando a la vez que sus métodos de producción sean más eficientes, algo especialmente significativo ya que los costes de las materias primas y los productos básicos están alcanzando máximos históricos. Los fabricantes sienten más presión que nunca para producir de la forma más rentable. Para satisfacer estas demandas, la separación sólido-líquido desempeña un papel vital en el proceso de fabricación. Ahora es fundamental aumentar la eficiencia y ahorrar recursos, sin dejar de cumplir con las expectativas de los consumidores eliminando las impurezas visibles no deseadas del producto final.

El extracto de café es un producto difícil de manipular. Sus sólidos residuales son un material pegajoso, ácido y arenoso que se endurece rápidamente. Las centrífugas han demostrado su alta eficiencia y eficacia en diversas aplicaciones dentro de la fabricación de café instantáneo o líquido, lo que las convierte en las máquinas ideales para el proceso de elaboración de café instantáneo para consumidores con grandes exigencias de calidad.

Visión general del mercado del café instantáneo

No es de extrañar que las regiones de cultivo de café más grandes sean Brasil, Colombia, Vietnam e Indonesia, donde el clima es soleado y cálido, con una humedad elevada y la altitud adecuada. Sin embargo, el café instantáneo no solo se produce en países en crecimiento, sino también cerca de sus principales mercados de consumo. De hecho, recientemente se han consolidado más etapas dentro de la cadena de valor, por ejemplo, en Vietnam. También se espera un desarrollo similar para los países africanos. Aquí tenemos otros indicadores del mercado:

• Las nuevas inversiones en campos verdes trasladan la producción a países que cultivan café.
• La fabricación de café instantáneo requiere una inversión de varios millones. No es un negocio para empresas emergentes. Sus actores llevan décadas operando en las industrias del café y han forjado alianzas.
• Por lo tanto, solo hay unas pocas plantas por región, aunque con una producción relativamente alta.

En lo que respecta a la fabricación, alrededor de 100-200 plantas en todo el mundo producen unas 800 000 toneladas de café instantáneo al año. Solamente el mayor productor representa aproximadamente el 50 % de todo el mercado.

Hay dos tipos de grano que se suelen utilizar para producir café instantáneo. 

• GranosRobusta: mayor rendimiento, mayor contenido en cafeína, menor contenido en aceite
• Granos Arábica: menor rendimiento, menor contenido en cafeína, mayor contenido en aceite

Hay dos categorías típicas de producto final:

• Productoinstantáneo: polvo soluble liofilizado o pulverizado (y aglomerado)
• Café líquido (concentrados): se utiliza para las máquinas expendedoras, para café como ingrediente, etc.

La variedad de grano afecta al producto final del café y al sabor, así como al procesamiento.  El café Robusta contiene más cafeína, mientras que el Arábica presenta un alto contenido de aceite, lo que hace que los granos se comporten de forma diferente en las máquinas de separación. 

Algunas plantas producen café líquido o liofilizado, considerado de la máxima calidad. El café secado mediante pulverización tiene mayores pérdidas de volátiles y una mayor influencia de la temperatura, por lo que probablemente sea el producto de menor calidad. 

Procesamiento del café instantáneo desde la perspectiva de la separación sólido-líquido

En la producción de café instantáneo, el objetivo de la tecnología de separación es producir una separación y un rendimiento de las partículas óptimos, con el fin de aumentar la calidad y la pureza del producto final. Los granos de café se tuestan y, a continuación, se muelen para producir partículas muy gruesas que se añaden a células de extracción (como en la cafetera de casa). Estas células se alinean en fila, extrayendo los granos con agua a alta temperatura y presión. Esta parte del proceso produce el extracto, que es, en principio, un café muy fuerte que contiene partículas que deben eliminarse, para lo que se necesitan equipos de separación. 

El líquido suele contener alrededor de un 5-10 % de sólidos solubles que están concentrados aproximadamente a un 50 por ciento. Dependiendo de los requisitos de calidad del producto, este extracto espeso se puede volver a clarificar. El paso final es la instantaneización, donde se utiliza o bien un proceso de liofilización, o bien de secado por atomización.  El equipo de extracción, el de recuperación de aromas, el evaporador y el liofilizador son los principales equipos utilizados durante el proceso, además de ser los más caros.  No obstante, aunque a menudo se pasa por alto en el esquema general del proceso, el equipo de separación se instala en cada una de las plantas de café instantáneo de todo el mundo. Las centrífugas se consideran el caballo de batalla, aunque el aroma, el sabor y la calidad reciben la mayor atención. 

La principal aplicación de los equipos de separación es el flujo del producto formado por los extractos espesos y finos, del que se deben eliminar partículas. Los flujos volumétricos típicos para la clarificación de extractos finos oscilan entre 5 y 20 metros cúbicos por hora, con los que se puede lograr una muy buena separación de partículas. Las pilas de discos expulsan partículas separadas a intervalos durante los ciclos de producción. En especial cuando se procesa extracto espeso, este volumen expulsado contiene una cantidad significativa de sólidos solubles que es importante recuperar. De lo contrario, un producto valioso y que puede venderse caería innecesariamente al desagüe. Para evitar estos desechos, se utilizan pequeños decanter como complemento a las instalaciones de pilas de discos. Los granos de café extraídos (posos de café utilizado) tomados del proceso de extracción contienen un 20 % de materia seca y, a continuación, se prensan hasta un 45 % aproximadamente. En la mayoría de las plantas, se utilizan para aprovechamiento térmico, y se queman in situ para la generación de energía. En estas corrientes secundarias, el equipo de separación para el procesamiento del agua de prensa puede ayudar a recuperar el extracto residual, recuperar el aceite o simplemente clarificar el líquido para su posterior procesamiento in situ 

Aseguramiento de la calidad

Tanto si se trata de café instantáneo como de café líquido, la medición de la calidad es una parte importante del proceso. Estos son algunos de los requisitos de la industria que deben afrontar los equipos de separación:

• Sin partículas visibles en el producto final. Las muestras de café líquido se toman y luego se filtran. Se cuentan las partículas. Pueden quedar un par de partículas, pero en general debe tener un aspecto transparente sin partículas. Es importante eliminar las partículas de más de 10 micras para que el consumidor no se las encuentre en su taza.
• Ajuste de partículas coloidales para la sensación en boca y el aroma.
• Ajuste de turbidez.
• Prolongación del tiempo de procesamiento en el evaporador. Cuanto más limpio esté el líquido, mayor será la vida útil del evaporador entre los ciclos de limpieza.

Para lograrlo, se necesitan clarificadores.

Desafíos del procesamiento del café instantáneo

Las partículas de café no son ideales. Son compactas, pegajosas y se endurecen rápidamente, características que pueden causar vibraciones elevadas, tensión y desgaste en las centrífugas. Si no se regulan y monitorizan adecuadamente, pueden generarse elevados costes de funcionamiento y servicio.

Las centrífugas giran muy rápido creando fuerzas g elevadas que hacen que las partículas de café se endurezcan, lo que a su vez puede dañar la máquina durante su secuencia de descarga de sólidos.

Se construyen máquinas de alta calidad para evitar vibraciones y garantizar que las partículas sean expulsadas de forma segura. En los casos en los que las partículas permanecen demasiado tiempo en el tambor, el café se endurece y, a veces, extraerlo del tambor requiere un gran esfuerzo manual. Esto obstaculiza el proceso. La intervención manual debe reducirse al mínimo, a ser posible se debe limitar a intervalos de servicio regulares. 

Lecciones aprendidas sobre el procesamiento del café instantáneo

Las máquinas Flottweg están diseñadas específicamente para el procesamiento del café, basándose en estudios de campo y en las exigencias del mercado. A continuación se enumeran algunas características específicas del clarificador Flottweg, que es el componente fundamental para el procesamiento del café instantáneo:

Diseño de la cuba

• Para permitir la descarga de partículas pegajosas.
• Apto para manejar extractos líquidos y espesos, que plantean retos totalmente diferentes para los equipos de separación. Las máquinas Flottweg están diseñadas para manejar ambos con el mismo rendimiento.

Clips de desgaste y diseño robusto

• Bajos costes de mantenimiento a largo plazo debidos a la vibración y la abrasión. Las pilas de discos de Flottweg presentan un diseño muy robusto que facilita su mantenimiento y reparación.

Elección de materiales

• La durabilidad a largo plazo es fundamental. Es esencial utilizar el material adecuado en los lugares correctos, ya que el café puede llegar a todas partes. 

Relación entre la pila de discos y la cámara de sólidos

• Alta capacidad efectiva. La relación entre el área de clarificación y la cámara de sólidos debe ajustarse a los requisitos del café. Hoy en día, la mayoría de las aplicaciones exigen únicamente una eficiencia de clarificación muy alta, pero eso no es lo único que se desea para el café. Es más importante tener la relación correcta entre la capacidad de clarificación y la de manejo de sólidos.

Sistema de transmisión por correa

• Debido a las características del café descritas anteriormente, los equipos de separación en aplicaciones de café son más propensos a sufrir vibraciones frecuentes y de mayor intensidad que en cualquier otro producto alimenticio. Las máquinas con transmisión por correa absorben mejor las vibraciones y no se transmite ninguna vibración directamente al motor ni a ningún otro periférico, lo que garantiza una larga vida útil de las piezas. Las máquinas con transmisión por correa no solo toleran las vibraciones recurrentes, sino que también admiten picos máximos más altos que otros sistemas de transmisión, por lo que se reduce considerablemente el riesgo de paradas de seguridad. 

Expulsión de sólidos del tambor de la pila de discos con Soft Shot Flex de Flottweg

Contar con la configuración adecuada es bueno, pero no lo suficiente. Por eso se han desarrollado las siguientes funciones de control del proceso para complementar las características mecánicas de la máquina.

Los sólidos del café pueden resistirse a ser expulsados de la cubeta del clarificador, por lo que es crucial contar con un diseño adecuado. Sin embargo, puede que siga siendo necesario disponer de suficiente flexibilidad y adaptar el control del proceso para dar tiempo suficiente a que los sólidos salgan de la cubeta giratoria o para realizar un lavado a fondo.

Teniendo en cuenta los distintos productos, se pueden aplicar diversas combinaciones de descarga. Confiar en una sola configuración es un error. Esto puede incluir:

• Descarga parcial
  • Descarga completa
  • Tiempo de apertura variable del recipiente para esperar a que salgan los sólidos más lentos
  • Descarga con enjuague 

La automatización de Flottweg está diseñada con aproximadamente cientos de ajustes de parámetros diferentes que se configurarán durante la puesta en marcha. Se forma a los operadores sobre cómo modificarlos para que comprendan la relación causa-efecto. Las máquinas que mejor funcionan son aquellas de las que los operadores se hacen responsables. Si se identifica un problema, se pueden ajustar los parámetros y, en la mayoría de los casos, solucionar el problema.

Control de procesos: receta de producción

Los consumidores no quieren el mismo café todos los días, por lo que se procesan diferentes mezclas de café. Esto puede exigir ajustes no solo en el proceso general, sino también en el equipo de separación. Se utilizan diferentes ajustes si se procesa extracto fino o extracto espeso. Para mayor comodidad del operario, hay disponibles configuraciones predefinidas (recetas) con parámetros principales por tipo de producto. Incluyen, entre otros:

• El ajuste de la contrapresión para reducir la formación de espuma a la salida de la centrífuga
• El flujo volumétrico
• Las secuencias de descarga
• El tiempo de funcionamiento entre descargas

Es importante comprender el proceso aguas arriba. Se puede realizar un arranque con una receta de café determinada y, si el cliente tiene un tipo de café diferente que se comporta de forma diferente debido a un mayor contenido de sólidos, se pueden programar diferentes ajustes. Los operarios no tienen que cambiar todos los ajustes cada vez. Simplemente pueden elegir entre varias recetas de café para que la máquina funcione con diferentes ajustes y diferentes esquemas de separación. Todo esto se tiene en cuenta en la automatización de Flottweg, garantizando que las unidades trabajen siempre en su punto de funcionamiento óptimo.

Sobre todo, el conocimiento del proceso es un factor clave para lograr el correcto dimensionamiento en la fase de proyecto y la configuración adecuada de la máquina durante la puesta en marcha y la operación. 

Más opciones para el procesamiento de café líquido de alta calidad

Como se ha descrito, las máquinas de apilado de discos son la opción preferida para la eliminación eficaz de las partículas del extracto de café. El correcto diseño del tambor, el concepto de accionamiento por correa y los mecanismos de descarga flexibles como Soft Shot® Flex de Flottweg son muy buenos argumentos para que esta sea la elección correcta para el café. Hoy en día, la mayoría de los productores de café instantáneo utilizan centrífugas de discos para la clarificación del extracto. Se puede producir café instantáneo sin un decanter, pero no puede hacerse sin un clarificador.  Sin embargo, en muchos casos, el decanter y el Tricanter^® también se utilizan en el esquema general del proceso.

En general, se optaría por un clarificador si el objetivo es una clarificación fina con una alimentación baja en sólidos. Para productos con altas cargas de sólidos, aproximadamente >5 % v/v, las centrifugadoras decantadoras son la opción preferida. Gracias a su elevada capacidad de tratamiento de sólidos, su descarga continua forzada y su accionamiento diferencial de tornillo sinfín con control de par, las centrifugadoras decantadoras pueden procesar los sólidos del café con mayor facilidad y se ven menos afectadas por las variaciones en las condiciones de entrada. 

Esto las convertiría en el equipo de separación ideal para el procesamiento del café, pero las centrifugadoras decantadoras están diseñadas para una carga de trabajo pesada y, normalmente, no alcanzan los niveles deseados de eliminación de partículas y claridad del producto que logran las máquinas de discos apilados. 

Aun así, se pueden encontrar muchas centrifugadoras decantadoras de dos o tres fases (Tricanter^®) en líneas de café instantáneo o líquido con el siguiente enfoque:

• Reprocesamiento de la suspensión de sólidos expulsados del clarificador de discos apilados

  La suspensión expulsada de los clarificadores, especialmente si se ha procesado un extracto espeso, contiene una cantidad significativa de sólidos solubles. Para recuperar ese extracto, la suspensión se recoge en un tanque. A veces se añade agua para diluirla y aumentar el rendimiento, y luego la suspensión se procesa a través de un decantador. El líquido clarificado, despojado de la mayor parte de las partículas, se dosifica de nuevo delante de las máquinas de discos apilados.  Los caudales típicos oscilan entre 250 y 3000 litros por hora. Lo ideal es tratar estos flujos utilizando centrifugadoras decantadoras pequeñas (por ejemplo, los modelos Z2E o Z3E de Flottweg) que funcionan a una velocidad de tambor muy alta, generando hasta 4500 g y logrando así una eliminación significativa de finos. 

• Tratamiento de lodos residuales. Cuando los lodos residuales se procesan in situ para su utilización en combustión, se generan cantidades significativas de agua de prensado. Esta contiene, en proporciones variables: sólidos solubles, sólidos en suspensión y aceite. Para eliminar o recuperar cualquiera de estos componentes, o simplemente para clarificar el agua para su posterior procesamiento, se utilizan decantadores o Tricanter^® que pueden separar todas las fases para su reutilización o para reducir los costes de eliminación.

Conclusión

La tecnología de separación desempeña un papel fundamental en la producción de café instantáneo y líquido. Mientras que los decanter se utilizan principalmente en los procesos industriales para el procesamiento de corrientes secundarias, recientemente también se han incorporado a las principales etapas del proceso de elaboración de café en frío, aplicaciones de especialidad o aplicaciones artesanales multiusos. Su versatilidad y capacidad de manipulación de sólidos ayudan a aumentar la eficiencia y el rendimiento general de la planta.

Por otro lado, las máquinas de apilado de discos son la opción preferida para la eliminación de sólidos finos del extracto de café. El conocimiento del proceso, el correcto dimensionamiento, el diseño y las características de control específicas del café son clave para el funcionamiento satisfactorio de estas máquinas. Todo esto hace que las centrífugas sean la elección ideal para el procesamiento instantáneo del café. 

Autor:

Matthias Meyer estudió tecnología de la elaboración de cerveza y bebidas en la Universidad Técnica de Múnich (Baviera). Tiene 18 años de experiencia en las industrias de filtración y separación, suministrando a empresas de alimentos y bebidas. Actualmente trabaja como responsable de aplicaciones, bebidas y productos lácteos en Flottweg SE