Come realizzare la produzione di caffè istantaneo utilizzando chiarificatori, decanter e tricanter®

Il caffè istantaneo non è più l'energizzante amato dagli appassionati del campeggio, come si potrebbe immaginare. Si è evoluto dai suoi mercati di nicchia consolidati per diventare un prodotto diversificato, insieme ad altre categorie di prodotti come il caffè liquido e i prodotti pronti da bere (RTD). Tuttavia, con l'aumento del suo impiego, aumentano anche i requisiti. I consumatori vogliono nuove ricette e alta qualità. I produttori si trovano ad affrontare la sfida di soddisfare queste richieste rendendo i loro metodi di produzione più efficienti, un aspetto particolarmente importante poiché i costi delle materie prime e delle utenze stanno raggiungendo livelli record. Le aziende manifatturiere avvertono più che mai l'urgenza di produrre in modo più conveniente dal punto di vista economico. Per soddisfare queste esigenze, la separazione solido-liquido svolge un ruolo fondamentale nel processo di produzione. Oggi è fondamentale aumentare l'efficacia e risparmiare risorse, per soddisfare al contempo le aspettative dei consumatori rimuovendo le impurità indesiderate e visibili dal prodotto finale.

L'estratto di caffè è un prodotto difficile da maneggiare. I suoi solidi residui sono un materiale appiccicoso, acido e granulare che si indurisce rapidamente. Le centrifughe hanno dimostrato la loro elevata efficienza ed efficacia in varie applicazioni nella produzione di caffè istantaneo o liquido; si sono rivelate le macchine ideali per processare caffè istantaneo con elevati standard per i consumatori.

Panoramica del mercato del caffè istantaneo

Non sorprende che le regioni più importanti per la coltivazione del caffè siano Brasile, Colombia, Vietnam e Indonesia, dove i climi sono soleggiati e caldi, con un'elevata umidità e un'altitudine adeguata. Tuttavia, il caffè istantaneo non viene prodotto solo nei paesi in crescita, ma anche vicino ai suoi principali mercati di consumo. Di recente, infatti, sono state introdotte ulteriori fasi nella catena del valore, ad esempio in Vietnam. Uno sviluppo simile è previsto anche per i paesi africani. Ecco alcuni altri indicatori di mercato:

• I nuovi investimenti greenfield spostano la produzione verso i Paesi coltivatori di caffè.
• La produzione di caffè istantaneo richiede un investimento di diversi milioni. Non parliamo di startup, ma di attori che operano nel settore del caffè da decenni e hanno formato alleanze.
• Di conseguenza, esistono pochi impianti per regione, ma con una resa relativamente elevata.

Per quanto riguarda la produzione, circa 100-200 impianti in tutto il mondo producono circa 800.000 tonnellate di caffè istantaneo all'anno. Il più grande player rappresenta da solo circa il 50% dell'intero mercato.

Sono due i tipi di chicchi tipicamente utilizzati per produrre caffè istantaneo. 

• Chicchi Robusta: resa più elevata, maggiore contenuto di caffeina, minore contenuto di olio
• Chicchi Arabica: resa minore, minore contenuto di caffeina, maggiore contenuto di olio

Esistono due tipiche categorie di prodotti finali:

• Prodotto istantaneo: polvere solubile liofilizzata o atomizzata (e agglomerata)
• Caffè liquido (concentrato): utilizzato per distributori automatici, caffè da usare come ingrediente, ecc.

La variante dei chicchi influisce sul prodotto finale e sull'aroma del caffè, nonché sulla preparazione.  La variante Robusta contiene più caffeina, mentre quella Arabica contiene un elevato contenuto di olio, il che fa sì che i chicchi si comportino in modo diverso nelle macchine di separazione. 

Alcuni impianti producono caffè liquido o caffè liofilizzato, considerato il migliore in termini di qualità. Il caffè atomizzato è soggetto a maggiori perdite di composti volatili e a un maggiore impatto della temperatura, quindi è probabilmente considerato un prodotto di qualità inferiore. 

Preparazione del caffè istantaneo dal punto di vista della separazione solido-liquido

Nella produzione di caffè istantaneo, l'obiettivo della tecnologia di separazione è quello di produrre una separazione e una resa ottimali delle particelle, aumentando la qualità e la purezza del prodotto finito. I chicchi di caffè vengono tostati, quindi macinati, producendo particelle molto grossolane che vengono versate nelle celle di estrazione (come accade nelle macchine del caffè per uso domestico). Queste celle sono allineate in fila, estraendo i chicchi con acqua ad alta temperatura e pressione. Questa parte del processo produce l'estratto, che in linea di principio è un caffè molto forte contenente particelle che devono essere rimosse, il che richiede attrezzature di separazione. 

Il liquido contiene in genere circa il 5-10% di solidi solubili che sono concentrati al 50% circa. A seconda dei requisiti di qualità del prodotto, questo estratto denso può essere nuovamente chiarificato. La fase finale è l'istantaneizzazione, ovvero l'uso di un processo di liofilizzazione o di atomizzazione.  L'attrezzatura di estrazione, il recupero degli aromi, l'evaporatore e il liofilizzatore sono le apparecchiature principali utilizzate durante il processo, nonché le più costose.  Tuttavia, anche se spesso trascurati nello schema di processo complessivo, gli strumenti di separazione sono installati in ogni impianto di caffè istantaneo al mondo. Le centrifughe svolgono gran parte del lavoro, anche se l'aroma, il sapore e la qualità ricevono la massima attenzione. 

L'applicazione principale delle apparecchiature di separazione è il flusso di prodotto di estratto denso e sottile, dal quale devono essere rimosse le particelle. Le portate volumetriche tipiche per la chiarificazione dell'estratto diluito vanno da 5 a 20 metri cubi all'ora, a cui è possibile ottenere un'ottima separazione delle particelle. Le pile di dischi espellono particelle separate a intervalli durante i cicli di produzione. Soprattutto quando si lavora l'estratto denso, questo volume espulso contiene una quantità significativa di solidi solubili, che è importante recuperare. In caso contrario, prodotti preziosi e vendibili finirebbero inutilmente nello scarico. Per evitare che si generino rifiuti, vengono utilizzati piccoli decanter come aggiunta alle installazioni a dischi. I chicchi di caffè estratti (fondi di caffè esausti) eliminati dal processo di estrazione contengono il 20% di materia secca e vengono quindi pressati fino a circa il 45%. Nella maggior parte degli impianti, vengono impiegati ad uso termico: sono bruciati in loco per la generazione di energia. In questi flussi secondari, le attrezzature di separazione per la preparazione dell'acqua di pressatura possono aiutare a recuperare l'estratto residuo, a recuperare l'olio o semplicemente a chiarificare il liquido per un'ulteriore preparazione in loco 

Garantire la qualità

Che si tratti di caffè istantaneo o caffè liquido, la misura della qualità è una parte importante del processo. Ecco alcuni dei requisiti del settore che vengono soddisfatti dalle attrezzature di separazione:

• Nessuna particella visibile nel prodotto finale. I campioni di caffè liquido vengono prelevati e quindi filtrati. Le particelle vengono conteggiate. Un paio di particelle sono consentite, ma in generale dovrebbero apparire limpidi e senza particelle. È importante rimuovere le particelle più grandi di circa 10 micron in modo che non compaiano nella tazza del consumatore.
• Regolazione delle particelle colloidali che determinano l'aroma e la sensazione in bocca.
• Regolazione della torbidità.
• Prolungamento del tempo di preparazione dell'evaporatore. Più pulito è il liquido, maggiore è la durata dell'evaporatore tra i cicli di pulizia.

Per raggiungere questo obiettivo sono necessari chiarificatori.

Sfide nella preparazione del caffè istantaneo

Le particelle di caffè non sono il massimo. Tendono a compattarsi, sono appiccicose e si induriscono rapidamente. Tutte queste caratteristiche possono potenzialmente causare vibrazioni, sollecitazioni e usura elevate sulle centrifughe. Se non vengono regolate e monitorate in modo appropriato, ciò può comportare elevati costi di esercizio e assistenza.

Le centrifughe ruotano molto velocemente creando elevate forze di gravità che causano l'indurimento delle particelle di caffè, che a loro volta possono danneggiare la macchina durante la sequenza di scarico solidi.

Le macchine di alta qualità sono costruite per evitare vibrazioni e garantire l'espulsione sicura delle particelle. Nei casi in cui le particelle rimangono nel tamburo troppo a lungo, il caffè si indurisce e talvolta occorre un grande sforzo manuale per rimuoverlo dal tamburo. Ciò ostacola il processo. L'intervento manuale deve essere ridotto al minimo, preferibilmente limitato a intervalli di assistenza regolari. 

Lezioni apprese sulla preparazione del caffè istantaneo

Le macchine Flottweg sono progettate specificamente per la lavorazione del caffè, sulla base di ricerche sul campo e delle esigenze del mercato. Ecco alcune caratteristiche specifiche del chiarificatore Flottweg, che rappresenta il componente fondamentale nella lavorazione del caffè solubile:

Design della vasca

• Per consentire lo scarico delle particelle appiccicose.
• Adatto a gestire estratti sia fluidi che densi, che pongono sfide completamente diverse alle apparecchiature di separazione. Le macchine Flottweg sono progettate per gestire entrambi con le stesse prestazioni

Clip antiusura e struttura robusta

• Bassi costi di manutenzione a lungo termine causati da vibrazioni e abrasione. Le pile di dischi Flottweg presentano un design molto robusto che le rende facili da riparare e mantenere.

Scelta dei materiali

• La durata a lungo termine è fondamentale. Il materiale giusto nei punti giusti è essenziale perché il caffè può finire ovunque. 

Rapporto tra pila di dischi e camera dei solidi

• Elevata capacità effettiva. Il rapporto tra l'area di chiarificazione e la camera dei solidi deve soddisfare i requisiti del caffè. Oggi, la maggior parte delle applicazioni richiede solo un'efficienza di chiarificazione molto elevata, ma non è questo l'unico requisito per il caffè. È più importante avere il giusto rapporto tra la capacità di chiarificazione e quella di trattamento dei solidi.

Sistema di trasmissione a cinghia

• A causa delle caratteristiche del caffè descritte in precedenza, le apparecchiature di separazione nelle applicazioni relative al caffè sono più soggette a vibrazioni frequenti e di livello più elevato rispetto a qualsiasi altro prodotto alimentare. Le macchine con trasmissione a cinghia sono in grado di assorbire al meglio le vibrazioni e nessuna vibrazione viene trasmessa direttamente al motore o ad altre periferiche, garantendo una lunga durata dei componenti. Non solo le macchine con trasmissione a cinghia tollerano vibrazioni ripetute, ma consentono anche picchi massimi più elevati rispetto ad altri sistemi di trasmissione, riducendo così notevolmente il rischio di arresti di sicurezza. 

Espulsione dei solidi dal tamburo a dischi con il sistema Soft Shot® Flex di Flottweg

Disporre della configurazione giusta è positivo, ma non basta. Ecco perché sono state sviluppate le seguenti funzionalità di controllo del processo, a integrazione delle caratteristiche meccaniche della macchina.

I residui di caffè possono essere difficili da espellere dalla vasca del chiarificatore, rendendo fondamentale la scelta del design. Tuttavia, potrebbe comunque essere necessario disporre di sufficiente flessibilità e adattare il controllo di processo in modo da concedere ai residui il tempo necessario per fuoriuscire dalla vasca rotante o per effettuare un lavaggio accurato.

Considerando i vari prodotti, è possibile applicare diverse combinazioni di scarico. Affidarsi a una sola configurazione è un errore. Ciò può includere:

• Scarico parziale
  • Scarico completo
  • Tempo di apertura variabile della vasca in attesa che i solidi più lenti escano
  • Scarico con lavaggio 

L'automazione Flottweg è progettata con circa centinaia di diverse impostazioni dei parametri che vengono configurate durante l'avvio. Gli operatori vengono formati su come modificarle per sviluppare una comprensione delle relazioni di causa ed effetto. Le macchine che funzionano meglio sono quelle di cui gli operatori si assumono la responsabilità. Se viene individuato un problema, è possibile regolare le impostazioni e, nella maggior parte dei casi, risolvere il problema.

Controllo di processo - Ricetta di produzione

I consumatori non vogliono lo stesso caffè ogni giorno e quindi vengono preparate miscele di caffè diverse. Ciò potrebbe richiedere regolazioni non solo nel processo complessivo, ma anche per l'attrezzatura di separazione. Vengono utilizzate diverse impostazioni per la preparazione di estratto diluito o estratto denso. Per comodità dell'operatore, sono disponibili configurazioni preimpostate (ricette) con parametri principali per ogni tipo di prodotto. Questi includono, a titolo esemplificativo ma non esaustivo:

• Regolazione della contropressione per ridurre la formazione di schiuma nell'uscita della centrifuga
• Portata volumetrica
• Sequenze di scarico
• Tempo di funzionamento tra gli scarichi

È importante comprendere il processo a monte. È possibile eseguire un avvio su una particolare ricetta di caffè e, se il cliente ha un tipo di caffè diverso che si comporta in modo diverso a causa di un contenuto di solidi più elevato, è possibile programmare impostazioni diverse. Gli operatori non devono modificare ogni volta ogni impostazione. Possono semplicemente scegliere tra diverse ricette di caffè in modo che la macchina funzioni con impostazioni e schemi di separazione diversi. Tutto questo viene preso in considerazione nell'automazione Flottweg e garantisce che le unità funzionino sempre al loro punto di funzionamento ottimale.

Soprattutto, la conoscenza del processo è un fattore chiave per il dimensionamento corretto nella fase di progetto e per la corretta configurazione della macchina durante l'avvio e il funzionamento. 

Ancora più opzioni per processare caffè liquido di alta qualità

Come descritto, le macchine a dischi sono la scelta preferita per una rimozione efficace delle particelle nell'estratto di caffè. Il design corretto del tamburo, il concetto di trasmissione a cinghia e i meccanismi di scarico flessibili come il sistema Soft Shot® Flex di Flottweg sono ottimi argomenti per affermare che questa è la scelta giusta per il caffè. Oggi, la maggior parte dei produttori di caffè istantaneo utilizza centrifughe a dischi per la chiarificazione dell'estratto. È possibile produrre caffè istantaneo senza decanter, ma non è possibile produrre caffè istantaneo senza chiarificatore.  Tuttavia, in molti casi, il decanter e il Tricanter^® vengono utilizzati anche nello schema di processo complessivo.

In generale, si opta per un chiarificatore se l'obiettivo è una chiarificazione fine con un basso contenuto di solidi in ingresso. Per i prodotti con un elevato carico di solidi, approssimativamente >5% v/v, le centrifughe decanter rappresentano la scelta preferita. Grazie alla loro elevata capacità di trattamento dei solidi, allo scarico continuo forzato e all'azionamento differenziale a spirale con controllo della coppia, le centrifughe decanter sono in grado di gestire più facilmente i solidi del caffè e risentono meno delle variazioni delle condizioni in ingresso. 

Ciò le renderebbe l'apparecchiatura di separazione ideale per la lavorazione del caffè, ma le centrifughe decanter sono progettate per carichi di lavoro pesanti e normalmente non raggiungono i livelli desiderati di rimozione delle particelle e di limpidezza del prodotto che le macchine a dischi sovrapposti raggiungono. 

Tuttavia, si trovano molte centrifughe decanter a due o tre fasi (Tricanter^®) nelle linee di caffè istantaneo o liquido con il seguente obiettivo:

• Rielaborazione della sospensione di solidi espulsi dal chiarificatore a dischi

  La sospensione espulsa dai chiarificatori, specialmente se è stato trattato un estratto denso, contiene un numero significativo di solidi solubili. Per recuperare quell'estratto, la sospensione viene raccolta in un serbatoio. A volte viene aggiunta acqua per diluire e aumentare la resa, e poi la sospensione viene trattata attraverso un decanter. Il liquido chiarificato, privato della maggior parte delle particelle, viene quindi reimmesso davanti alle macchine a dischi.  I flussi tipici variano da 250 a 3000 litri all'ora. Tali flussi possono essere gestiti idealmente utilizzando piccole centrifughe decanter (ad es. le dimensioni Z2E o Z3E di Flottweg) che operano con una velocità del tamburo molto elevata, creando fino a 4500 g e ottenendo quindi una significativa rimozione delle particelle fini. 

• Trattamento dei residui di macinazione. Quando i residui di macinazione vengono trattati in loco per essere utilizzati per la combustione, si generano notevoli quantità di acqua di pressatura. Essa contiene, in proporzioni variabili: solidi solubili, solidi sospesi e olio. Per rimuovere o recuperare uno qualsiasi di questi elementi o semplicemente per chiarificare l'acqua per ulteriori trattamenti a valle, si utilizzano decanter o Tricanter^® in grado di separare tutte le fasi per il riutilizzo o per ridurre i costi di smaltimento.

Conclusione

La tecnologia di separazione svolge un ruolo fondamentale nella produzione di caffè istantaneo e liquido. Sebbene i decanter nei processi industriali siano utilizzati principalmente per la lavorazione nei flussi secondari, di recente si sono anche fatti strada nelle principali fasi di processo della birrificazione a freddo, delle applicazioni speciali o multiuso artigianali. La loro versatilità e capacità di gestione dei solidi contribuiscono ad aumentare l'efficacia e la resa complessiva dell'impianto.

Le macchine a dischi, invece, sono la scelta preferita per la rimozione dei solidi fini dall'estratto di caffè. La conoscenza del processo, le giuste dimensioni, il giusto design e le giuste caratteristiche di controllo specifiche per il caffè sono fondamentali per il corretto funzionamento di queste macchine. Tutto questo rende le centrifughe la scelta ideale per la preparazione del caffè istantaneo. 

Redatto da:

Matthias Meyer ha studiato tecnologia della birra e delle bevande all'Università tecnica di Monaco di Baviera. Ha 18 anni di esperienza nel settore della filtrazione e della separazione, come fornitore dei clienti dell'industria alimentare e delle bevande. Attualmente lavora come Application Manager, Beverage and Dairy presso Flottweg SE