Préparation du café instantané à l’aide de Clarificateurs, Décanteurs et Tricanters®

Le café instantané n’est plus simplement considéré comme la boisson énergisante par excellence pour les amateurs de camping. Il a évolué au-delà de ses marchés de niche traditionnels pour devenir un produit diversifié, aux côtés d’autres catégories comme le café liquide et les produits prêts à boire (RTD). Cependant, à l’instar de sa popularité croissante, les exigences des consommateurs ont également évolué. Ces derniers exigent non seulement de nouvelles recettes, mais aussi une qualité irréprochable. Les producteurs se retrouvent ainsi face au défi de satisfaire ces attentes tout en rendant leurs méthodes de production plus efficaces. Ce défi est d’autant plus important que les coûts des matières premières et des services publics atteignent des sommets historiques. Les fabricants ressentent plus que jamais la pression d’optimiser leurs coûts de production. Pour répondre à ces exigences, la séparation solide-liquide joue un rôle clé dans le processus de fabrication. Il est désormais essentiel d’augmenter le rendement et de préserver les ressources tout en répondant aux attentes des consommateurs en éliminant les impuretés visibles indésirables du produit final.

L’extrait de café est un produit difficile à traiter. Ses résidus solides forment une substance collante, acide et abrasive qui se solidifie rapidement. Les centrifugeuses ont démontré leur efficacité et leur rendement dans diverses applications de la production de café instantané ou liquide, faisant d’elles les machines idéales pour traiter le café instantané tout en respectant les exigences strictes des consommateurs.

Aperçu du marché du café instantané

Sans surprise, les principales régions productrices de café sont le Brésil, la Colombie, le Vietnam et l’Indonésie, où les conditions climatiques sont idéales : des journées ensoleillées et chaudes, une humidité élevée et une altitude propice. Cependant, le café instantané est produit non seulement dans les pays producteurs, mais aussi à proximité de ses principaux marchés de consommation. En effet, ces dernières années, plusieurs étapes de la chaîne de valeur ont été développées dans des pays comme le Vietnam, par exemple. Une évolution similaire est également attendue pour les pays africains. Voici quelques autres indicateurs de marché :

• Les nouveaux investissements dans des terres non cultivées déplacent la production vers les pays producteurs de café.
• La production de café instantané nécessite des investissements de plusieurs millions. Il ne s’agit pas d’une activité émergente : les principaux acteurs évoluent dans l’industrie du café depuis des décennies et ont formé des alliances stratégiques.
• Par conséquent, bien qu’il y ait relativement peu d’usines par région, elles présentent une capacité de production élevée.

À l’échelle mondiale, environ 100 à 200 usines produisent chaque année environ 800 000 tonnes de café instantané. Le leader du marché représente à lui seul près de 50 % de la production totale.

Il existe deux types de grains généralement utilisés pour produire du café instantané. 

• Grains robusta : rendement supérieur, teneur en caféine supérieure, teneur en huile inférieure
• Grains arabica : rendement inférieur, teneur en caféine inférieure, teneur en huile supérieure

Il existe deux catégories typiques de produits finis :

• Café instantané : poudre soluble lyophilisée ou séchée par pulvérisation (et agglomérée)
• Café liquide (concentré) : utilisé pour les distributeurs automatiques, le café comme ingrédient, etc.

La variété de grain influence le produit final du café, son goût ainsi que le processus de fabrication.  Le Robusta contient plus de caféine, tandis que l’Arabica possède une teneur élevée en huiles, ce qui fait que les grains se comportent différemment dans les machines de séparation. 

Certaines usines produisent du café liquide ou du café lyophilisé, considéré comme étant de la plus haute qualité. Le café séché par pulvérisation entraîne une plus grande perte de composés volatils et subit un impact thermique plus important, ce qui en fait, de manière indiscutable, un produit de qualité inférieure. 

Préparation du café instantané par séparation solide-liquide

Dans le cadre de la production de café instantané, l’objectif de la technologie de séparation est d’obtenir une séparation optimale des particules et un rendement maximal, afin d’améliorer la qualité et la pureté du produit fini. Les grains de café sont torréfiés, puis moulus, produisant des particules très grossières qui sont ensuite placées dans des cellules d’extraction (comme dans votre machine à café domestique). Ces cellules sont alignées en série et les grains sont extraits avec de l’eau à haute température et sous pression. Cette étape du processus produit l’extrait, qui est, en principe, un café très concentré contenant des particules qui doivent être éliminées, ce qui nécessite des équipements de séparation. 

Le liquide contient généralement environ 5 à 10 % de solides solubles concentrés à ~50 %. Selon les exigences de qualité du produit, cet extrait mou peut être clarifié. La dernière étape est l’instantanéisation, qui consiste à utiliser soit un procédé de lyophilisation, soit un séchage par pulvérisation.  Les équipements de séparation, la récupération des arômes, l’évaporateur et le lyophilisateur constituent les équipements essentiels utilisés durant le processus, et ce sont également les plus coûteux.  Cependant, bien que souvent négligé dans le schéma global du processus, l’équipement de séparation est installé dans toutes les usines de café instantané dans le monde entier. Les centrifugeuses sont considérées comme les éléments essentiels de ce processus, bien que ce soient les arômes, les saveurs et la qualité qui suscitent habituellement le plus d’attention. 

L’application principale des équipements de séparation concerne le flux de produit d’extrait mou et épais, desquels les particules doivent être retirées. Les débits typiques pour la clarification des extraits liquides varient de 5 à 20 mètres cubes par heure, ce qui permet d’obtenir une séparation des particules de très bonne qualité. Les piles de disques expulsent les particules séparées par intervalles lors des cycles de production. Dans le cadre du traitement de l’extrait mou en particulier, le volume expulsé contient une quantité importante de solides solubles, qu’il est essentiel de récupérer. Dans le cas contraire, un produit précieux et commercialisable serait perdu inutilement. Pour éviter ces déchets, de petits décanteurs sont utilisés en complément des installations de piles de disques. Les grains de café extraits (marc de café) expulsés du processus d’extraction contiennent 20 % de matière sèche, puis sont pressés à environ 45 %. Dans la plupart des usines, ils sont utilisés pour une valorisation thermique puis brûlés sur site pour la production d’énergie. Dans ces flux secondaires, les équipements de séparation utilisés pour traiter l’eau de presse permettent soit de récupérer l’extrait résiduel, soit de récupérer l’huile, soit simplement de clarifier le liquide pour un traitement ultérieur sur site 

Qualité garantie

Que ce soit pour le café instantané ou le café liquide, l’évaluation de la qualité est une étape essentielle du processus. Voici quelques-unes des exigences de l’industrie auxquelles les équipements de séparation répondent :

• Aucune particule visible dans le produit final. Des échantillons de café liquide sont prélevés puis filtrés. Les particules sont comptées. Quelques particules peuvent être tolérées, mais en général, le produit doit être clair et exemptes de particules visibles. Il est primordial d’éliminer les particules supérieures à environ 10 microns afin qu’elles ne soient pas visibles dans la tasse du consommateur.
• Ajustement des particules colloïdales pour la sensation en bouche et l’arôme.
• Ajustement du trouble.
• Prolongation du temps de traitement de l’évaporateur. Plus le liquide est propre, plus la durée de vie de l’évaporateur entre les cycles de nettoyage est longue.

Pour y parvenir, l’utilisation des clarificateurs est indispensable.

Défis liés à la préparation du café instantané

Les particules de café posent plusieurs défis. Elles ont tendance à se compacter, sont collantes et durcissent rapidement, ce qui peut engendrer des vibrations importantes, du stress mécanique et une usure accrue sur les centrifugeuses. Si elles ne sont pas régulées et surveillées correctement, cela peut entraîner des coûts de fonctionnement et de maintenance élevés.

Les centrifugeuses tournent à grande vitesse, générant de puissantes forces g qui entraînent le durcissement des particules de café, ce qui peut endommager la machine lors de la séquence d’évacuation des solides.

Les machines de haute qualité sont conçues pour éviter les vibrations et garantir l’éjection sûre des particules. Dans les cas où les particules restent trop longtemps dans le bol, le café durcit et nécessite parfois un effort manuel important pour être retiré du bol. Cela entrave le processus. Les interventions manuelles doivent être réduites au minimum, et de préférence limitées à des intervalles de maintenance réguliers. 

Enseignements tirés du processus de préparation du café instantané

Les machines Flottweg sont spécialement conçues pour la transformation du café, sur la base d'études de terrain et des exigences du marché. Voici quelques caractéristiques spécifiques du clarificateur Flottweg, élément essentiel de la transformation du café instantané :

Conception de la cuve

• Pour permettre l'évacuation des particules collantes.
• Adapté au traitement d'extraits fluides et épais, qui posent des défis totalement différents aux équipements de séparation. Les machines Flottweg sont conçues pour traiter les deux types d'extraits avec une exécution identique

Clips d'usure et conception robuste

• Faibles coûts d'entretien à long terme liés aux vibrations et à l'abrasion. Les empilements de disques Flottweg présentent une conception très robuste qui facilite leur entretien et leur maintenance.

Choix des matériaux

• La durabilité à long terme est essentielle. Il est primordial d'utiliser le bon matériau aux bons endroits, car le café peut se répandre partout. 

Rapport entre la pile de disques et la chambre à solides

• Capacité effective élevée. Le rapport entre la zone de clarification et la chambre à matières solides doit répondre aux exigences du café. Aujourd'hui, la plupart des applications exigent uniquement une très grande efficacité de clarification, mais ce n'est pas la seule chose recherchée pour le café. Il est plus important d'avoir le bon rapport entre la capacité de clarification et la capacité de traitement des matières solides.

Système d'entraînement par courroie

• En raison des caractéristiques du café décrites précédemment, les équipements de séparation utilisés dans les applications liées au café sont plus exposés à des vibrations fréquentes et de forte amplitude que dans tout autre secteur alimentaire. Les machines à entraînement par courroie absorbent mieux les vibrations et aucune vibration n'est transmise directement au moteur ou à tout autre périphérique, ce qui garantit une longue durée de vie des pièces. Non seulement les machines à entraînement par courroie tolèrent des vibrations répétées, mais elles permettent également des pics maximaux plus élevés que les autres systèmes d'entraînement, ce qui réduit considérablement le risque d'arrêt de sécurité. 

Évacuation des solides du bol de la pile de disques à l’aide du Soft Shot Flex Flottweg

Disposer d'une configuration adéquate est une bonne chose, mais cela ne suffit pas. C'est pourquoi les fonctionnalités de contrôle de processus suivantes ont été développées pour compléter les caractéristiques mécaniques de la machine.

Les résidus de café peuvent être difficiles à éjecter d'un bol de clarification, ce qui rend le choix d'une conception adaptée crucial. Cependant, il peut être nécessaire de disposer d'une flexibilité suffisante et d'adapter votre contrôle de processus afin de laisser suffisamment de temps aux résidus pour s'éjecter du bol rotatif ou pour le rincer complètement.

Compte tenu de la diversité des produits, différentes combinaisons de déchargement peuvent être appliquées. Se fier à une seule configuration est une erreur. Cela peut inclure :

• Une décharge partielle
  • Une décharge complète
  • Un temps d'ouverture variable du bol pour permettre aux solides lents de sortir
  • Évacuation par rinçage 

Le système d'automatisation Flottweg est conçu avec plusieurs centaines de paramètres différents qui seront définis lors de la mise en service. Les opérateurs sont formés à la modification de ces paramètres afin de comprendre les relations de cause à effet. Les machines les plus performantes sont celles dont les opérateurs assument la responsabilité. Si un problème est identifié, les réglages peuvent être ajustés, ce qui permet, dans la plupart des cas, de résoudre le problème.

Contrôle de processus – Recette de production

Les consommateurs ne veulent pas le même café tous les jours, c’est pourquoi différents mélanges de café sont élaborés. Cela peut nécessiter des ajustements non seulement dans le processus global, mais aussi pour l’équipement de séparation. Différents réglages sont utilisés pour traiter l’extrait liquide ou l’extrait mou. Pour la commodité des opérateurs, des configurations préréglées (recettes) avec les paramètres principaux par type de produit sont disponibles. Cela inclut, sans toutefois s'y limiter :

• Le réglage de la contre-pression pour réduire la formation de mousse à la sortie de la centrifugeuse
• Le débit volumétrique
• Les séquences de décharge
• Le temps de fonctionnement entre les décharges

Il est important de comprendre le processus en amont. Le démarrage peut être effectué avec une recette de café spécifique, mais si le client utilise un café différent, dont le comportement varie en raison d’une teneur en solides plus élevée, des réglages adaptés peuvent être programmés. Les opérateurs n’ont pas à reconfigurer l’ensemble des réglages à chaque intervention. Ils peuvent facilement sélectionner parmi plusieurs recettes de café, permettant ainsi à la machine de fonctionner avec des réglages et des schémas de séparation différents. Tout cela est pris en compte dans l’automatisation Flottweg assurant ainsi que les unités fonctionnent en permanence à leur performance optimale.

La maîtrise du processus joue un rôle clé pour garantir un dimensionnement précis lors de la phase de projet, ainsi des réglages efficaces de la machine lors du démarrage et de l’exploitation. 

Encore plus d’options pour la préparation du café liquide de haute qualité

Comme décrit ci-dessus, les machines à empiler les disques sont idéales pour l’élimination efficace des particules dans l’extrait de café. Un design du bol adapté, un concept de transmission par courroie et des mécanismes de décharge flexibles comme le Soft Shot® Flex de Flottweg offrent des arguments convaincants en faveur de ce choix pour le traitement du café. Aujourd’hui, la plupart des producteurs de café instantané utilisent des centrifugeuses à disques pour clarifier l’extrait. Vous pouvez produire du café instantané sans décanteur, mais vous ne pouvez pas produire de café instantané sans clarificateur.  Cependant, dans de nombreux cas, le décanteur et le Tricanter^® sont également utilisés dans le schéma de processus global.

En général, on optera pour un clarificateur si l'objectif est d'obtenir une clarification fine avec une faible teneur en matières solides. Pour les produits à forte teneur en matières solides, généralement supérieure à 5 % v/v, les centrifugeuses décanteuses constituent le choix privilégié. Grâce à leur grande capacité de traitement des matières solides, à leur déchargement continu forcé et à leur entraînement différentiel à vis sans fin à couple contrôlé, les centrifugeuses décanteuses traitent plus facilement les matières solides du café et sont moins sensibles aux variations des conditions d'alimentation. 

Cela en ferait l'équipement de séparation idéal pour la transformation du café, mais les centrifugeuses décanteuses sont conçues pour une charge de travail brutale et n'atteignent généralement pas les niveaux souhaités d'élimination des particules et de clarté du produit que permettent les machines à disques empilés. 

On trouve néanmoins de nombreuses centrifugeuses décanteuses à deux ou trois phases (Tricanter^®) dans les lignes de production de café instantané ou liquide, avec les objectifs suivants :

• Retraitement de la suspension de solides rejetée par le clarificateur à disques

  La suspension rejetée par les clarificateurs, en particulier si un extrait épais a été traité, contient une quantité importante de solides solubles. Pour récupérer cet extrait, la suspension est recueillie dans un réservoir. Parfois, de l'eau est ajoutée pour la dilution et pour augmenter le rendement, puis la suspension est traitée dans un décanteur. Le liquide clarifié, débarrassé de la majeure partie des particules, est ensuite réintroduit en amont des machines à disques empilés.  Les débits typiques varient de 250 à 3 000 litres par heure. Ces flux peuvent idéalement être traités à l'aide de petites centrifugeuses décanteuses (par exemple les modèles Z2E ou Z3E de Flottweg) fonctionnant à une vitesse de cuve très élevée, créant jusqu'à 4 500 g et permettant ainsi une élimination significative des fines. 

• Traitement des résidus de café. Lorsque les résidus de café sont traités sur site en vue de leur utilisation pour la combustion, des quantités importantes d'eau de pressage sont générées. Celle-ci contient, dans des proportions variables : des solides solubles, des solides en suspension et de l'huile. Pour éliminer ou récupérer l'un de ces composants, ou simplement pour clarifier l'eau en vue d'un traitement en aval, on utilise des décanteurs ou des Tricanter^® capables de séparer toutes les phases en vue de leur réutilisation ou de réduire les coûts d'élimination.

Conclusion

La technologie de séparation joue un rôle essentiel dans la production de café instantané et liquide. Bien que les décanteurs soient principalement utilisés pour le traitement des flux secondaires dans les processus industriels, ils ont récemment commencé à s’imposer dans les étapes clés des processus de Cold Brew, ainsi que dans les applications spécialisées ou artisanales polyvalentes. Leur polyvalence et leur capacité de traitement des solides contribuent à augmenter l’efficacité et le rendement global de l’usine.

Les machines à empilement de disques, quant à elles, sont idéales pour l’élimination des fines particules dans l’extrait de café. La connaissance des processus, le dimensionnement adapté, la conception et les caractéristiques de contrôle spécifiques au café sont essentiels au bon fonctionnement de ces machines. Toutes ces caractéristiques font des centrifugeuses le choix idéal pour la préparation du café instantané. 

Auteur :

Matthias Meyer a étudié la technologie du brassage et des boissons à l’Université technique de Munich en Bavière. Il possède 18 ans d’expérience dans les industries de la filtration et de la séparation, fournissant des solutions aux clients du secteur de l’alimentation et des boissons. Il travaille actuellement en tant que responsable d’application, boissons et produits laitiers, chez Flottweg SE