Produkcja kawy rozpuszczalnej za pomocą klarowników, dekanterów i wirówek Tricanter®

Kawa rozpuszczalna nie jest już tylko – jak mogłoby się wydawać – ulubionym napojem energetycznym miłośników kempingów. Z typowych dla siebie rynków niszowych wyodrębniła się jako wszechstronny produkt wraz z innymi podobnymi propozycjami, takimi jak kawa w płynie i produkty RTD (ang. Ready to Drink). Jednak wraz ze wzrostem popularności rosną również wymagania. Konsumenci oczekują nowych receptur i wysokiej jakości. Producenci stoją przed wyzwaniem, jakim jest konieczność spełnienia tych wymagań przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności produkcji – co jest szczególnie istotne ze względu na rekordowe koszty surowców i mediów. Producenci odczuwają większą niż kiedykolwiek wcześniej presję, aby produkować w najbardziej ekonomiczny sposób. W kontekście tych wymagań kluczową rolę w procesie produkcji odgrywa oddzielanie faz stałej i ciekłej. Obecnie ogromne znaczenie ma zwiększenie sprawności i uzyskanie oszczędności zasobów przy jednoczesnym spełnieniu oczekiwań konsumentów w zakresie obecności niepożądanych widocznych zanieczyszczeń w produkcie końcowym.

Ekstrakt kawy jest produktem trudnym do przetworzenia. Uzyskana faza stała to lepka, kwaśna i krucha substancja, która szybko twardnieje. Wirówki udowodniły swoją wysoką sprawność i skuteczność w różnych zastosowaniach związanych z produkcją kawy rozpuszczalnej lub kawy w płynie, dzięki czemu są idealnymi maszynami do wytwarzania kawy rozpuszczalnej zgodnie z najwyższymi normami konsumenckimi.

Przegląd rynku kawy rozpuszczalnej

Nic dziwnego, że największe uprawy kawy znajdują się w Brazylii, Kolumbii, Wietnamie i Indonezji, gdzie panuje ciepły, słoneczny klimat w połączeniu z wysoką wilgotnością i odpowiednią wysokością n.p.m. Jednak kawa rozpuszczalna jest produkowana nie tylko w krajach rozwijających się, ale także w pobliżu głównych rynków konsumenckich. Na przykład niedawno wprowadzono kolejne etapy łańcucha wartości w Wietnamie. Podobny trend spodziewany jest również w krajach afrykańskich. Oto kilka innych wskaźników rynkowych:

• Nowe inwestycje greenfield wiążą się z przeniesieniem produkcji do krajów, w których kawa jest uprawiana.
• Produkcja kawy rozpuszczalnej wymaga wielomilionowych nakładów. To nie jest działalność typu start-up. Czołowi gracze działają w branży kawy od dziesięcioleci i tworzą sojusze.
• W związku z tym w każdym regionie jest tylko kilka zakładów, ale każdy odznacza się stosunkowo wysoką wydajnością.

Jeśli chodzi o produkcję, to około 100–200 zakładów na świecie wytwarza około 800 tys. ton kawy rozpuszczalnej rocznie. Sam największy gracz kontroluje około 50% całego rynku.

Istnieją dwa rodzaje ziaren, które są zazwyczaj używane do produkcji kawy rozpuszczalnej. 

• Ziarna kawy robusta: wyższy uzysk, wyższa zawartość kofeiny, niższa zawartość oleju
• Ziarna kawy arabica: niższy uzysk, niższa zawartość kofeiny, wyższa zawartość oleju

Istnieją dwie typowe kategorie produktu końcowego:

• Kawa rozpuszczalna: liofilizowany lub suszony rozpyłowo (i aglomerowany) rozpuszczalny proszek
• Kawa w płynie (koncentrat): wykorzystywana jako składnik w automatach do kawy itp.

Rodzaj ziarna wpływa na smak oraz metodę przetwarzania kawy.  Robusta zawiera więcej kofeiny, natomiast arabica ma wysoką zawartość oleju, co powoduje, że ziarna zachowują się inaczej w maszynach oddzielających. 

Niektóre zakłady wytwarzają kawę w płynie lub kawę liofilizowaną, która jest uważana za produkt najwyższej jakości. Kawa suszona rozpyłowo wykazuje większe straty substancji lotnych oraz podlega silniej oddziaływaniu temperatury i z tego powodu jest uważana za produkt niższej jakości. 

Oddzielanie faz stałej i ciekłej w toku wytwarzania kawy rozpuszczalnej

Celem zastosowania technologii oddzielania w produkcji kawy rozpuszczalnej jest uzyskanie optymalnego oddzielania składników i uzysku z korzyścią dla jakości i czystości produktu końcowego. Ziarna kawy są palone, a następnie grubo mielone, a uzyskany przemiał trafia do komórek ekstrakcyjnych (jak w domowym ekspresie do kawy). Komórki te są ustawione w rzędzie i dochodzi w nich do zalania ziaren wodą o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Na tym etapie procesu powstaje ekstrakt, który w zasadzie jest bardzo mocną kawą zawierającą cząstki, które należy usunąć – co wymaga zastosowania sprzętu do oddzielania. 

Ciecz zawiera zazwyczaj około 5–10% rozpuszczalnej fazy stałej, która ulega koncentracji do poziomu ~50%. W zależności od wymagań jakościowych produktu ekstrakt zagęszczony można ponownie wyklarować. Ostatnim etapem jest uzyskanie rozpuszczalnej postaci z zastosowaniem procesu liofilizacji lub suszenia rozpyłowego.  Sprzęt do ekstrakcji, odzyskiwania aromatów, odparowywania i liofilizacji to podstawowe – a jednocześnie najdroższe – urządzenia wykorzystywane w tym procesie.  Urządzenia do oddzielania są wprowadzane w każdym zakładzie produkcji kawy rozpuszczalnej na całym świecie, choć są często są pomijane w ogólnym schemacie procesu. Najcięższą pracę wykonują wirówki, chociaż największą uwagę zwraca się na aromat, smak i jakość. 

Głównym zastosowaniem sprzętu do oddzielania jest usuwanie cząstek ze strumienia produktu zawierający rzadki i zagęszczony ekstrakt. Typowa objętość przepływu podczas oczyszczania ekstraktu rzadkiego wynosi od 5 do 20 metrów sześciennych na godzinę oraz zapewnia bardzo skuteczne oddzielanie cząstek. Stosy talerzy wyrzucają oddzielone cząstki określonych w odstępach czasu w toku cykli produkcyjnych. Zwłaszcza w przypadku przetwarzania ekstraktu zagęszczonego odprowadzana masa zawiera znaczną ilość rozpuszczalnej fazy stałej, która nadaje się do odzyskania. W przeciwnym razie cenny produkt zamiast do sprzedaży trafi do kanalizacji. Aby zapobiec powstawaniu odpadów, dodatkiem do instalacji talerzowych są niewielkie dekantery. Wydmuchiwane w procesie ziarna kawy (fusy) zawierają 20% masy suchej i są następnie prasowane do około 45% swojej objętości. W większości zakładów uzyskana w ten sposób masa jest spalana na miejscu w celu wytworzenia energii. Urządzenia do oddzielania mogą pomóc w przetwarzaniu strumieni wody z wytłaczania, np. jako sposób na wyodrębnienie resztek ekstraktu, odzyskanie oleju lub po prostu oczyszczenie cieczy do dalszej przeróbki na miejscu. 

Gwarancja jakości

Niezależnie od tego, czy chodzi o kawę rozpuszczalną, czy kawę w płynie, ważną częścią procesu jest pomiar jakości. Oto niektóre z wymagań branżowych, które spełniają urządzenia do oddzielania:

• Brak widocznych cząstek w produkcie końcowym. Próbki kawy w płynie są pobierane, a następnie filtrowane. Cząstki są zliczane. Norma dopuszcza obecność kilku cząstek, ale zasadniczo produkt powinien być klarowny i wolny od jakichkolwiek cząstek. Ważne jest, aby usunąć cząstki większe niż ~10 mikronów, tak aby nie trafiały one do filiżanki konsumenta.
• Dobór zawartości cząstek koloidalnych do pożądanych właściwości smakowych i zapachowych.
• Nastawienie mętności.
• Wydłużenie czasu przebywania w parowniku. Im bardziej klarowna ciecz, tym dłuższe okresy między cyklami czyszczenia parownika.

W tym celu wymagane jest zastosowanie klaryfikatorów.

Wyzwania związane z wytwarzaniem kawy rozpuszczalnej

Z oddzielaniem cząstek kawy wiąże się wiele problemów. Masa jest gęsta, lepka i szybko twardnieje, co może powodować wibracje, naprężenia i zużycie wirówek. W przypadku braku odpowiedniej regulacji i monitorowania może to skutkować wysokimi kosztami eksploatacji i serwisu.

Wirówki obracają się bardzo szybko, czemu towarzyszą wysokie siły odśrodkowe, które powodują twardnienie masy cząstek kawy, co z kolei może prowadzić do uszkodzeń maszyny podczas etapu wychodu fazy stałej.

Wysokiej jakości maszyny są skonstruowane tak, aby zapobiegać drganiom i zapewnić bezpieczne usuwanie masy cząstek. Jeśli cząstki pozostają w bębnie zbyt długo, masa twardnieje, a ręczne usunięcie jej z bębna może wymagać dużego wysiłku. Przyczynia się to do spadku efektywności procesu. Ręczne interwencje powinny być ograniczone do minimum – najlepiej do regularnych przeglądów serwisowych. 

Lekcje płynące z wytwarzania kawy rozpuszczalnej

Maszyny Flottweg zostały zaprojektowane specjalnie z myślą o przetwórstwie kawy, w oparciu o badania terenowe i wymagania rynku. Oto kilka konkretnych cech klarownika Flottweg, który stanowi kluczowy element procesu przetwarzania kawy rozpuszczalnej:

Konstrukcja komory

• Umożliwia odprowadzanie lepkich cząstek.
• Nadaje się do przetwarzania zarówno rzadkich, jak i gęstych ekstraktów, które stawiają przed urządzeniami separującymi zupełnie inne wyzwania. Maszyny Flottweg są zaprojektowane tak, aby radzić sobie z obydwoma rodzajami przy identycznej wydajności

Klipsy przeciwzużyciowe i solidna konstrukcja

• Niskie długoterminowe koszty eksploatacji spowodowane wibracjami i ścieraniem. Stosy tarcz Flottweg charakteryzują się bardzo solidną konstrukcją, która ułatwia ich obsługę i konserwację.

Wybór materiału

• Długotrwała wytrzymałość ma kluczowe znaczenie. Właściwy materiał w odpowiednich miejscach jest niezbędny, ponieważ kawa może dostać się wszędzie. 

Stosunek stosu tarcz do komory osadu

• Wysoka wydajność. Stosunek powierzchni klarowania do komory osadu musi być dostosowany do wymagań dotyczących kawy. Obecnie większość zastosowań wymaga jedynie bardzo wysokiej wydajności klarowania, ale nie jest to jedyne wymaganie w przypadku kawy. Ważniejsze jest zachowanie odpowiedniego stosunku wydajności klarowania do wydajności przetwarzania osadu.

System napędu pasowego

• Ze względu na opisane wcześniej właściwości kawy, urządzenia do separacji w zastosowaniach związanych z kawą są bardziej narażone na częste i silniejsze wibracje niż w przypadku jakichkolwiek innych produktów spożywczych. Maszyny z napędem pasowym najlepiej amortyzują wibracje i żadne wibracje nie są bezpośrednio przenoszone na silnik ani żadne inne elementy peryferyjne, co zapewnia długą żywotność części. Maszyny z napędem pasowym nie tylko tolerują powtarzające się wibracje, ale także pozwalają na wyższe wartości szczytowe niż inne systemy napędowe, co znacznie zmniejsza ryzyko wyłączenia bezpieczeństwa. 

Wyrzut fazy stałej z bębna ze stosem talerzy za pomocą technologii Soft Shot® Flex marki Flottweg

Odpowiednia konfiguracja to dobrze, ale to nie wystarczy. Dlatego opracowano poniższe funkcje sterowania procesem, które uzupełniają właściwości mechaniczne maszyn.

Osady kawy mogą niechętnie wydostawać się z misy klarownika, dlatego kluczowe znaczenie ma zastosowana konstrukcja. Jednak nadal może być konieczna wystarczająca elastyczność i dostosowanie sterowania procesem, aby zapewnić osadom wystarczającą ilość czasu na wydostanie się z obracającej się misy lub jej dokładne przepłukanie.

Biorąc pod uwagę różnorodność produktów, można zastosować różne kombinacje opróżniania. Poleganie wyłącznie na jednym ustawieniu jest błędem. Może to obejmować:

• Wypływ częściowy
  • Całkowite opróżnienie
  • Zmienny czas otwarcia misy w oczekiwaniu na wydostanie się wolno wypływających cząstek stałych
  • Wypływ z płukaniem 

System automatyki Flottweg został zaprojektowany z uwzględnieniem około setek różnych ustawień parametrów, które są konfigurowane podczas uruchamiania. Operatorzy są szkoleni w zakresie zmiany tych ustawień, aby zrozumieli związek przyczynowo-skutkowy. Najlepiej działają maszyny, za które operatorzy biorą odpowiedzialność. W przypadku wykrycia problemu można dostosować ustawienia, co w większości przypadków pozwala go rozwiązać.

Kontrola procesu – receptura produkcyjna

Konsumenci nie chcą tej samej kawy każdego dnia, dlatego przetwarzane są różne mieszanki kaw. Może to wymagać regulacji nie tylko całego procesu, ale także urządzeń oddzielających. Zastosowanie mają różnorodne ustawienia zależnie od tego, czy przetwarzany jest ekstrakt rzadki czy zagęszczony. Dla wygody operatora dostępne są wstępnie ustawione konfiguracje (receptury) głównych parametrów każdego typu produktu. Obejmuje to między innymi takie parametry jak:

• Regulacja przeciwciśnienia w celu zmniejszenia pienienia na wylocie wirówki
• Objętość przepływu
• Sekwencje opróżniania
• Czas pracy między cyklami opróżniania

Ważne jest, aby zrozumieć poprzedzający proces. Rozruch można wykonać z określoną recepturą kawy, ale jeśli klient stosuje inny rodzaj kawy, która zachowuje się inaczej ze względu na wyższą zawartość fazy stałej, można wprowadzić inne ustawienia. Operatorzy nie muszą za każdym razem zmieniać każdego ustawienia. Mogą po prostu wybierać spośród różnych receptur kawy, dzięki czemu maszyna pracuje z różnymi ustawieniami i różnymi schematami oddzielania. Wszystko to jest dostępne w automatyce Flottweg i stanowi gwarancję, że urządzenia zawsze pracują w optymalnej konfiguracji.

Kluczowym warunkiem prawidłowego wymiarowania na etapie projektu oraz pomyślnego ustawienia maszyny w toku rozruchu i eksploatacji jest przede wszystkim znajomość procesu. 

Jeszcze więcej opcji produkcji wysokiej jakości kawy w płynie

Jak wspomniano, do skutecznego usuwania cząstek z ekstraktu kawy świetnie nadają się maszyny talerzowe. Odpowiednia konstrukcja bębna, koncepcja napędu pasowego i elastyczne mechanizmy opróżniania, takie jak technologia Soft Shot® Flex marki Flottweg, to główne argumenty przemawiające za wyborem tych urządzeń do przetwórstwa kawy. Obecnie większość producentów kawy rozpuszczalnej korzysta z wirówek talerzowych do klarowania ekstraktu. Kawę rozpuszczalną można wytwarzać bez dekantera, ale nie da się jej produkować bez klarownika.  Jednak w wielu przypadkach w ogólnym przebiegu procesu stosuje się również dekanter i wirówkę Tricanter^®.

Ogólnie rzecz biorąc, decyduje się na osadnik, jeśli celem jest dokładne klarowanie przy niskiej zawartości substancji stałych w surowcu. W przypadku produktów o wysokim stężeniu substancji stałych, wynoszącym z grubsza >5% v/v, preferowanym wyborem są wirówki dekantacyjne. Dzięki dużej wydajności przetwarzania substancji stałych, wymuszonemu ciągłemu odprowadzaniu oraz napędowi różnicowemu typu scroll z regulacją momentu obrotowego, wirówki dekantacyjne łatwiej radzą sobie z substancjami stałymi zawartymi w kawie i są mniej podatne na wpływ zmiennych warunków na wlocie. 

To sprawia, że są one idealnym urządzeniem do separacji w przetwórstwie kawy, ale wirówki dekantacyjne są zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach i zazwyczaj nie osiągają pożądanego poziomu usuwania cząstek i klarowności produktu, jaki osiągają maszyny z układem tarczowym. 

Mimo to w liniach produkcyjnych kawy rozpuszczalnej lub płynnej można znaleźć wiele dwufazowych lub trójfazowych (Tricanter^®) wirówek dekanterowych, które skupiają się na:

• Ponowne przetwarzanie wyrzuconej zawiesiny cząstek stałych z klarownika z układem tarcz

  Zrzucona zawiesina z klarowników, zwłaszcza jeśli przetwarzano gęsty ekstrakt, zawiera znaczną ilość rozpuszczalnych substancji stałych. Aby odzyskać ten ekstrakt, zawiesinę zbiera się w zbiorniku. Czasami dodaje się wodę w celu rozcieńczenia i zwiększenia wydajności, a następnie zawiesinę przetwarza się w dekanterze. Sklarowana ciecz, pozbawiona większości cząstek, jest następnie dozowana z powrotem przed maszyny z układem tarczowym.  Typowe przepływy wynoszą od 250 do 3000 litrów na godzinę. Strumienie takie można idealnie przetwarzać przy użyciu małych wirówek dekantacyjnych (np. modeli Flottweg Z2E lub Z3E), które pracują z bardzo dużą prędkością bębna, wytwarzając siłę odśrodkową do 4500 g, co pozwala na znaczne usunięcie drobnych cząstek. 

• Przetwarzanie zużytych osadów. Podczas przetwarzania zużytych osadów na miejscu w celu wykorzystania ich do spalania powstają znaczne ilości wody prasowej. Zawiera ona w różnych proporcjach: substancje rozpuszczalne, zawiesiny i olej. Aby usunąć lub odzyskać którekolwiek z tych składników lub po prostu sklarować wodę do dalszego przetwarzania, stosuje się wirówki dekantacyjne lub Tricanter^®, które mogą rozdzielić wszystkie fazy w celu ponownego wykorzystania lub zmniejszenia kosztów utylizacji.

Wnioski

Technologia oddzielania odgrywa kluczową rolę w produkcji kawy rozpuszczalnej i kawy w płynie. W procesach przemysłowych dekantery są wykorzystywane głównie do przetwarzania strumieni pobocznych. Ostatnio jednak znalazły zastosowanie na głównych etapach zimnego parzenia, a także w wielu zastosowaniach specjalistycznych oraz rzemieślniczych. Ich wszechstronność i wydajność oddzielania fazy stałej pomagają zwiększyć sprawność oraz uzysk instalacji.

Z drugiej strony do usuwania drobnej faz stałej z ekstraktu kawy lepiej nadają się maszyny talerzowe. Kluczem do pomyślnej obsługi maszyn są znajomość procesu, a także prawidłowe wymiarowanie, cechy konstrukcyjne oraz funkcje sterowania dopasowane do wymogów produkcji kawy. Z tego powodu wirówki idealnie nadają się do wykorzystania w wytwarzaniu kawy rozpuszczalnej. 

Autor:

Matthias Meyer studiował technologię produkcji piwa i napojów na bawarskim Uniwersytecie Technicznym w Monachium. Ma 18 lat doświadczenia w dostarczaniu rozwiązań do filtracji i oddzielania klientom z branży żywności i napojów. Obecnie pracuje na stanowisku kierownika ds. zastosowań w branży napojów i produktów mleczarskich w firmie Flottweg SE.