Como fabricar café instantâneo usando clarificadores, decanters e tricanters®

O café instantâneo não é mais o energizante amado dos fãs de acampamento, como se imaginaria. Ele evoluiu de seus mercados de nicho estabelecidos para se tornar um produto diversificado, junto com outras categorias de produtos, como café líquido e produtos prontos para beber (RTD). No entanto, à medida que sua popularidade aumenta, os requisitos também aumentam. Os consumidores querem novas receitas e alta qualidade. Os produtores enfrentam o desafio de atender a essas demandas e, ao mesmo tempo, tornar seus métodos de produção mais eficientes, algo especialmente significativo, pois os custos com°matérias-primas e utilitários estão subindo para níveis recordes. Os fabricantes sentem mais pressão do que nunca para produzir de forma mais rentável. Para atender a essas demandas, a separação sólido-líquido desempenha um papel vital no processo de fabricação. Agora é fundamental aumentar a eficiência e economizar recursos, ao mesmo tempo em que se atende às expectativas dos consumidores, removendo impurezas visíveis e indesejadas do produto final.

O extrato de café é um produto difícil de manusear. Seus sólidos residuais são um material pegajoso, ácido e granuloso que endurece rapidamente. As centrífugas comprovaram sua alta eficiência e eficácia em várias aplicações na fabricação de café instantâneo ou líquido, fazendo delas as máquinas ideais para processar café instantâneo com altos padrões de consumo.

Visão geral do mercado de café instantâneo

Não é surpresa que as maiores regiões de cultivo de café são o Brasil, a Colômbia, o Vietnã e a Indonésia, onde os climas são ensolarados e quentes, com alta umidade e altitude adequada. No entanto, o café instantâneo não é produzido apenas em países em crescimento, mas também próximo de seus principais mercados de consumo. Na verdade, recentemente mais etapas na cadeia de valor foram estabelecidas, por exemplo, no Vietnã. Um desenvolvimento semelhante também é esperado para os países africanos. Aqui estão alguns outros indicadores de mercado:

• Novos investimentos em campos verdes mudam a produção para países produtores de café.
• A produção de café instantâneo requer um investimento de vários milhões. Não se trata de uma start-up. Seus operadores operam nas indústrias de café há décadas e formam alianças.
• Consequentemente, há poucas plantas por região, mas com produção relativamente alta.

No que diz respeito à fabricação, cerca de 100 a 200 plantas em todo o mundo produzem uma estimativa de 800.000 toneladas de café instantâneo por ano. Somente o maior operador representa cerca de 50% de todo o mercado.

Existem dois tipos de grãos normalmente usados para produzir café instantâneo. 

• Grãos Robusta: maior rendimento, maior teor de cafeína, menor teor de óleo
• Grãos Arábica: menor rendimento, menor teor de cafeína, maior teor de óleo

Há duas categorias típicas de produtos finais:

• Produto instantâneo: pó solúvel liofilizado ou pulverizado (e aglomerado)
• Café líquido (concentrados): usado para máquinas de venda automática, café como ingrediente, etc.

A variante de grãos afeta o produto final de café e o sabor, bem como a preparação.  O Robusta contém mais cafeína, enquanto o Arábica contém um alto teor de óleo, o que faz com que os grãos se comportem de forma diferente nas máquinas de separação. 

Algumas plantas produzem café líquido ou café liofilizado, que é considerado a mais alta qualidade. O café seco por pulverização tem perdas mais altas de voláteis e um maior impacto da temperatura, portanto, é provavelmente considerado o produto de menor qualidade. 

A preparação de café instantâneo de uma perspectiva de separação sólido-líquido

Na produção de café instantâneo, o objetivo da tecnologia de separação é produzir separação de partículas e rendimento ideais, aumentando a qualidade e a pureza do produto acabado. Os grãos de café são torrados e, em seguida, moídos, produzindo partículas muito grossas que são enchidas em células de extração (como na máquina de café em casa). Essas células são alinhadas em linha, extraindo os grãos com água a alta temperatura e pressão. Esta parte do processo produz o extrato, que é, em princípio, um café muito forte contendo partículas que devem ser removidas, o que requer equipamento de separação. 

O líquido normalmente contém cerca de 5-10% de sólido solúvel que está concentrado a ~50 por cento. Dependendo dos requisitos de qualidade do produto, esse extrato espesso pode ser clarificado novamente. A etapa final é a produção, o que significa usar um processo de secagem por liofilização ou pulverização.  Equipamentos de extração, recuperação de aromas, evaporador e liofilizador são os principais equipamentos usados durante o processo, bem como os mais caros.  Entretanto, mesmo sendo frequentemente negligenciado no esquema geral do processo, o equipamento de separação é instalado em todas as plantas de café instantâneo do mundo. As centrífugas são consideradas o carro chefe, mesmo que o aroma, o sabor e a qualidade recebam a maior atenção. 

A principal aplicação do equipamento de separação é o fluxo de produto de extrato espesso e fino, do qual as partículas devem ser removidas. Taxas de fluxo volumétrico típicas para clarificação de extrato fino variam de 5 a 20 cubos por hora, em que é possível obter uma separação de partículas muito boa. As pilhas de discos ejetam partículas separadas em intervalos durante os ciclos de produção. Especialmente quando o extrato espesso é processado, esse volume ejetado contém uma quantidade significativa de sólido solúvel, que é importante recuperar. Caso contrário, produtos valiosos e vendáveis iriam desnecessariamente para o ralo. Para evitar esse resíduo, pequenas decanters são usadas como um complemento às instalações com pilha de discos. Os grãos de café extraídos (borra de café gasto) soprados do processo de extração contêm 20% de matéria seca e, em seguida, são prensados até cerca de 45%. Na maioria das plantas, ele é usado para utilização térmica, queimado no local para geração de energia. Nesses fluxos secundários, o equipamento de separação para o processamento de água à pressão pode ajudar a recuperar extrato residual, recuperar óleo ou simplesmente clarificar o líquido para processamento adicional na preparação 

Garantia da qualidade

Seja café instantâneo ou café líquido, a medição da qualidade é uma parte importante do processo. Estes são alguns dos requisitos da indústria que são abordados pelo equipamento de separação:

• Sem partículas visíveis no produto final. As amostras de café líquido são coletadas e filtradas. As partículas são contadas. São permitidas algumas partículas, mas geralmente deve parecer transparente sem partículas. É importante remover partículas maiores que ~10 mícrons para que não apareçam no copo do consumidor.
• Ajuste de partículas coloidais para sensação na boca e aroma.
• Ajuste da turbidez.
• Extensão do tempo de preparação do evaporador. Quanto mais limpo o líquido, maior a vida útil do evaporador entre os ciclos de limpeza.

Para isso, são necessários clarificadores.

Desafios da preparação de café instantâneo

As partículas de café não são ideais. Elas são compactas, pegajosas e endurecem rapidamente, características que podem causar vibrações elevadas, estresse e desgaste na centrifuga. Se não for regulado e monitorado adequadamente, isso pode produzir altos custos operacionais e de serviço.

As centrífugas giram muito rapidamente, criando altas forças g que fazem com que as partículas de café endureçam, o que, por sua vez, pode danificar a máquina durante sua sequência de descarga de sólidos.

Máquinas de alta qualidade são construídas para evitar vibrações e garantir que as partículas sejam ejetadas com segurança. Nos casos em que as partículas permanecem no tambor por muito tempo, o café endurece e, às vezes, requer um esforço manual extenso para removê-lo do tambor. Isso atrapalha o processo. A intervenção manual deve ser mantida ao mínimo, de preferência limitada a intervalos de serviço regulares. 

Lições aprendidas sobre a preparação de café instantâneo

As máquinas Flottweg são concebidas especificamente para o processamento de café, com base em estudos de campo e nas exigências do mercado. Aqui estão algumas características específicas do Clarificador Flottweg, que é o componente essencial para o processamento de café instantâneo:

Concepção da cuba

• Para permitir a descarga de partículas pegajosas.
• Adequado para lidar com extratos finos e espessos, que representam desafios totalmente diferentes para o equipamento de separação. As máquinas Flottweg são concebidas para lidar com ambos com um desempenho idêntico

Clipes de desgaste e design robusto

• Baixos custos de manutenção a longo prazo causados por vibração e abrasão. As pilhas de discos da Flottweg apresentam um design muito robusto que facilita a sua manutenção e assistência.

Escolha do material

• A durabilidade a longo prazo é fundamental. O material certo nos locais certos é essencial, pois o café pode espalhar-se por todo o lado. 

Relação entre conjunto de discos e câmara de sólidos

• Elevada capacidade efetiva. A relação entre a área de clarificação e a câmara de sólidos deve corresponder aos requisitos do café. Atualmente, a maioria das aplicações exige apenas uma eficiência de clarificação muito elevada, mas isso não é o único que se deseja para o café. É mais importante ter a relação correta entre a capacidade de clarificação e a capacidade de tratamento de sólidos.

Sistema de transmissão por correia

• Devido às características do café descritas anteriormente, o equipamento de separação em aplicações de café está mais sujeito a níveis de vibração frequentes e mais elevados do que em qualquer outro produto alimentar. As máquinas com transmissão por correia absorvem melhor as vibrações e nenhuma vibração é transmitida diretamente ao motor ou a qualquer outro periférico, o que garante uma longa vida útil das peças. As máquinas com transmissão por correia não só toleram vibrações recorrentes, como também permitem picos máximos mais elevados do que outros sistemas de transmissão, reduzindo assim significativamente o risco de paragem de segurança. 

Ejeção de sólidos do tambor da pilha de discos usando o Soft Shot Flex da Flottweg

Ter a configuração certa é bom, mas não é suficiente. É por isso que foram desenvolvidas as seguintes funcionalidades de controlo de processo para complementar as características mecânicas da máquina.

Os sólidos do café podem resistir à ejeção da cuba do clarificador, tornando crucial o projeto adotado. No entanto, pode ainda ser necessário ter flexibilidade suficiente e ajustar o controlo do processo para permitir tempo suficiente para que os sólidos sejam ejetados da cuba rotativa ou para realizar uma lavagem completa.

Tendo em conta os vários produtos, podem ser aplicadas várias combinações de descarga. Confiar apenas numa única configuração é um erro. Isto pode incluir:

• Descarga parcial
  • Descarga total
  • Tempo de abertura variável do recipiente, aguardando que os sólidos mais lentos saiam
  • Descarga com lavagem 

A automação da Flottweg foi concebida com cerca de centenas de configurações de parâmetros diferentes que serão definidas durante o arranque. Os operadores recebem formação sobre como alterá-las, de modo a desenvolver uma compreensão da relação de causa e efeito. As máquinas com melhor desempenho são aquelas pelas quais os operadores assumem a responsabilidade. Se for identificado um problema, as configurações podem ser ajustadas e, na maioria dos casos, resolver o problema.

Controle de processo, receita de produção

Os consumidores não querem o mesmo café todos os dias e, portanto, diferentes misturas de café são processadas. Isso pode exigir ajustes não apenas no processo geral, mas também no equipamento de separação. Diferentes configurações são usadas se o extrato fino ou o extrato espesso são processados. Para conveniência do operador, estão disponíveis versões predefinidas (receitas) com parâmetros principais por tipo de produto. Isso inclui, mas não está limitado a:

• Ajuste da contrapressão para reduzir a formação de espuma na saída da centrifuga
• Fluxo volumétrico
• Sequências de descarga
• Tempo de funcionamento entre descargas

É importante entender o processo a montante. Uma inicialização pode ser realizada em uma receita de café específica e, se o cliente tiver um tipo diferente de café que se comporta de forma diferente devido a um teor sólido mais alto, podem ser programadas configurações diferentes. Os operadores não precisam alterar todas as configurações cada vez. Eles podem simplesmente escolher entre várias receitas de café para que a máquina funcione com diferentes configurações e diferentes esquemas de separação. Tudo isso é considerado na automação Flottweg e garante que as unidades sempre operem em seu ponto de operação ideal.

Acima de tudo, o conhecimento do processo é um fator chave para o dimensionamento correto na fase do projeto e configurações bem-sucedidas da máquina durante a partida e a operação. 

Ainda mais opções para processar café líquido de alta qualidade

Conforme descrito, as máquinas de pilha de discos são a escolha preferencial para a remoção eficaz de partículas no extrato de café. O design correto do tambor, o conceito de acionamento de correia e os mecanismos de descarga flexíveis, como o Soft Shot® Flex da Flottweg, são bons argumentos de que esta é a escolha correta para o café. Atualmente, a maioria dos produtores de café instantâneo usa centrífugas com pilha de discos para a clarificação do extrato. Você pode produzir café instantâneo sem uma decanter, mas não pode produzir café instantâneo sem um clarificador.  No entanto, em muitos casos, a decanter e o Tricanter^® também são usados no esquema geral do processo.

Em geral, opta-se por um clarificador se o objetivo for uma clarificação fina com uma alimentação de sólidos reduzida. Para produtos com elevadas cargas de sólidos, aproximadamente >5 % v/v, as centrífugas decantadoras são a escolha preferida. Graças à sua elevada capacidade de tratamento de sólidos, descarga contínua forçada e acionamento diferencial de parafuso helicoidal com controlo de binário, as centrífugas decantadoras conseguem processar os sólidos do café com maior facilidade e são menos afetadas pelas variações nas condições de entrada. 

Isto torná-las-ia o equipamento de separação ideal para o processamento de café, mas as centrífugas decantadoras são concebidas para uma carga de trabalho pesada e, normalmente, não atingem os níveis desejados de remoção de partículas e claridade do produto que as máquinas de discos empilhados alcançam. 

Ainda assim, é possível encontrar muitas centrífugas decantadoras de duas ou três fases (Tricanter^®) em linhas de café instantâneo ou líquido com o seguinte foco:

• Reprocessamento da suspensão de sólidos ejetados do clarificador de discos empilhados

  A suspensão ejetada dos clarificadores, especialmente se tiver sido processado um extrato espesso, contém um número significativo de sólidos solúveis. Para recuperar esse extrato, a suspensão é recolhida num tanque. Por vezes, é adicionada água para diluição e para aumentar o rendimento, sendo depois a suspensão processada através de um decantador. O líquido clarificado, despojado da maior parte das partículas, é então dosado de volta à frente das máquinas de discos empilhados.  Os caudais típicos variam entre 250 e 3000 litros por hora. Esses fluxos podem ser idealmente tratados utilizando pequenas centrífugas decantadoras (por exemplo, os modelos Z2E ou Z3E da Flottweg) que operam com uma velocidade do tambor muito elevada, criando até 4500 g e, consequentemente, alcançando uma remoção significativa de finos. 

• Processamento de resíduos de café. Quando os resíduos de café são processados no local para serem utilizados na combustão, são geradas quantidades significativas de água de prensagem. Esta contém, em proporções variáveis: sólidos solúveis, sólidos em suspensão e óleo. Para remover ou recuperar qualquer um destes componentes, ou simplesmente para clarificar a água para processamento posterior a jusante, são utilizadas centrífugas decantadoras ou Tricanter^® que podem separar todas as fases para reutilização ou para reduzir os custos de eliminação.

Conclusão

A tecnologia de separação desempenha um papel integral na produção de café instantâneo e líquido. Embora as decanters em processos industriais sejam usadas principalmente para processamento de fluxo secundário, recentemente elas também abriram caminho para as principais etapas do processo de Cold Brew, aplicações especializadas ou multiusos artesanais. Sua versatilidade e capacidade de manuseio de sólidos ajudam a aumentar a eficiência e o rendimento geral da planta.

As máquinas de pilha de discos, por outro lado, são a escolha preferencial para a remoção de sólido fino do extrato de café. O conhecimento do processo, o dimensionamento correto, o design e os recursos de controle específicos do café são essenciais para operar essas máquinas com sucesso. Tudo isso faz das centrifugas a escolha ideal para processar café instantâneo. 

Autor:

Matthias Meyer estudou tecnologia de cerveja e bebidas na Universidade Técnica de Munique, na Baviera. Ele tem 18 anos de experiência nas indústrias de filtração e separação, fornecendo alimentos e bebidas a clientes. Ele atualmente trabalha como gerente de aplicações, bebidas e laticínios, na°Flottweg SE