Производство растворимого кофе с использованием осветлителей, декантеров и трикантеров Tricanter®

Растворимый кофе давно перерос формат напитка, популярного лишь среди любителей кемпинга. Он вырос из привычного нишевого рынка и стал диверсифицированным продуктом, наряду с другими категориями товаров, такими как жидкий кофе и готовые к употреблению напитки (RTD). Однако с ростом популярности растут и предъявляемые к нему требования. Потребители хотят новых рецептов и высокого качества. Перед производителями стоит задача удовлетворить эти требования и одновременно повысить эффективность своих методов производства, что особенно важно, поскольку затраты на сырье и коммунальные услуги стремительно растут. Производители как никогда остро ощущают необходимость выпускать наиболее рентабельную продукцию. Важную роль при удовлетворении этих требований в производственном процессе играет разделение твердой и жидкой фаз. Сегодня крайне важно повысить эффективность и сэкономить ресурсы, а также удовлетворить ожидания потребителей, удалив из конечного продукта нежелательные, видимые примеси.

Экстракт кофе — непростой продукт. Его сухой остаток представляет собой липкий, кислотный, зернистый материал, который быстро затвердевает. Центрифуги доказали свою высокую эффективность и результативность на различных этапах производства растворимого или жидкого кофе, что превращает их в идеальное оборудование для обработки растворимого кофе в соответствии с высокими потребительскими стандартами.

Обзор рынка растворимого кофе

Разумеется, самыми крупными регионами по выращиванию кофе являются Бразилия, Колумбия, Вьетнам и Индонезия, где солнечный и теплый климат с высокой влажностью и соответствующей высотой над уровнем моря. Однако растворимый кофе производится не только в развивающихся странах, но и в непосредственной близости от основных рынков сбыта. Более того, в последнее время в цепочке добавленной стоимости появилось больше этапов, например, во Вьетнаме. Аналогичное развитие ожидается и в странах Африки. Приведем некоторые показатели рынка:

• Новые инвестиции в «зеленые зоны» переносят производство в страны происхождения кофе.
• Производство растворимого кофе требует многомиллионных инвестиций. Это не бизнес для стартапов. Участники этого рынка десятилетиями работают в кофейной отрасли и формируют альянсы.
• Следовательно, в каждом регионе имеется несколько предприятий, и с относительно высокой производительностью.

Что касается производства, то около 100–200 предприятий по всему миру выпускают примерно 800 000 тонн растворимого кофе в год. На долю самого крупного производителя приходится около 50 % всего рынка.

Для производства растворимого кофе обычно используют два вида зерен. 

• Зерна робуста: более высокая урожайность, более высокое содержание кофеина, более низкое содержание масел
• Зернаарабика: более низкая урожайность, более низкое содержание кофеина, более высокое содержание масел

Существует две стандартные категории конечных продуктов:

• Растворимый продукт: сублимированный или высушенный распылением (и гранулированный) растворимый порошок
• Жидкий кофе (концентраты): используется для торговых автоматов, кофе в качестве ингредиента и т. д.

Разновидность зерен влияет на конечный кофейный продукт и его вкус, а также на процесс обработки.  Робуста содержит больше кофеина, в то время как арабика отличается высоким содержанием масел, вследствие чего в машинах для разделения ведут себя по-разному. 

Некоторые фабрики производят жидкий или сублимированный кофе, который считается высококачественным продуктом. Высушенный распылением кофе теряет больше летучих веществ и сильнее подвергается влиянию температуры, поэтому его можно считать менее качественным продуктом. 

Обработка растворимого кофе с точки зрения разделения твердой и жидкой фаз

В производстве растворимого кофе целью технологии разделения является оптимальное разделение частиц и выход продукта, обеспечивающие повышение качества и чистоты готовой продукции. Кофейные зерна обжариваются и затем измельчаются, образуя очень крупные частицы, которые засыпаются в экстракционные ячейки (как в вашей домашней кофеварке). Эти ячейки расположены в ряд, в них для экстракции подается горячая вода под давлением. В результате этого процесса получается экстракт, являющийся, по сути, очень крепким кофе, содержащим частицы, которые необходимо удалить. Для этого требуется оборудование для разделения. 

Жидкость обычно содержит около 5–10 % растворимых твердых веществ, которые концентрируются приблизительно до 50 %. В зависимости от требований к качеству продукта этот густой экстракт можно осветлить еще раз. Последний этап — инстантизация, что подразумевает использование либо сублимации, либо сушки распылением.  Основное и самое дорогое оборудование, используемое в процессе — это оборудование для экстракции, регенерации аромата, испаритель и сублиматор.  Тем не менее, несмотря на то, что оборудованию для разделения в общей технологической схеме часто не уделяется должного внимания, оно устанавливается на каждой фабрике по производству растворимого кофе во всем мире. Центрифуги считаются «рабочей лошадкой», несмотря на то, что аромату, вкусу и качеству уделяется наибольшее внимание. 

Оборудование для разделения в основном используется на потоке жидкого и густого экстракта, из которого необходимо удалить частицы. Типичный объемный расход для осветления жидкого экстракта составляет 5–20 кубов в час, при этом достигается очень хорошее разделение частиц. Во время производственных циклов пакеты тарелок выбрасывают отделенные частицы через определенные промежутки времени. При обработке густого экстракта в таком выброшенном объеме содержится значительное количество растворимых твердых веществ, которые важно восстановить. В противном случае ценный, пригодный для продажи продукт будет напрасно утекать в трубу. Чтобы избежать таких потерь, в дополнение к пакетам тарелок используются небольшие декантеры. Использованные кофейные зерна (отработанная кофейная гуща), обработанные в процессе экстракции, содержат 20 % сухого вещества и затем отжимаются примерно до 45 %. На большинстве предприятий оно используется для термической утилизации — сжигается на месте для производства энергии. В этих побочных потоках оборудование для разделения и обработки рабочей воды может помочь либо извлечь остаточный экстракт, либо отделить масла, либо просто осветлить жидкость для дальнейшей обработки на месте. 

Обеспечение качества

Будь то растворимый или жидкий кофе, оценка качества является важной частью технологического процесса. Вот некоторые отраслевые требования, которые должно удовлетворять оборудование для разделения:

• Отсутствие видимых частиц в готовом продукте. Отбираются и затем фильтруются пробы жидкого кофе. Подсчитываются частицы. Допускается наличие нескольких частиц, но в целом продукт должен выглядеть прозрачным и без частиц. Важно удалить частицы размером более ~10 микрон, чтобы они не попали в чашку потребителя.
• Регулирование содержания коллоидных частиц для вкусовых ощущений и аромата.
• Регулирование помутнения.
• Увеличение времени обработки испарителем. Чем чище жидкость, тем дольше срок службы испарителя между циклами очистки.

Для этого необходимы осветлители.

Проблемы обработки растворимого кофе

Частицы кофе не идеальны. Они уплотняются, слипаются и быстро затвердевают: эти характеристики могут стать причиной сильных вибраций, нагрузок и износа центрифуг. При отсутствии надлежащего регулирования и контроля это может привести к высоким расходам на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Центрифуги очень быстро вращаются, создавая мощную центробежную силу, которая приводит к затвердеванию частиц кофе, что в свою очередь может привести к повреждению машины во время выгрузки твердой фазы.

Конструкция высококачественных машин исключает вибрации и обеспечивает безопасную выгрузку частиц. В случаях, когда частицы остаются в барабане слишком долго, кофе затвердевает и иногда его извлечение из барабана требует значительных физических усилий. Это затрудняет процесс. Физическое вмешательство необходимо свести к минимуму, в лучшем случае ограничиваясь регулярными интервалами регламентного обслуживания. 

Обобщенный опыт обработки растворимого кофе

Оборудование Flottweg разработано специально для переработки кофе с учетом результатов полевых исследований и требований рынка. Ниже приведены некоторые особенности осветлителя Flottweg, который является ключевым компонентом в процессе производства растворимого кофе:

Конструкция чаши

• Обеспечивает вывод липких частиц.
• Подходит для работы с жидкими и густыми экстрактами, которые ставят совершенно разные задачи перед сепарационным оборудованием. Машины Flottweg рассчитаны на работу с обоими типами при одинаковой конструкции

Защитные зажимы и прочная конструкция

• Низкие долгосрочные эксплуатационные расходы, связанные с вибрацией и абразивным износом. Дисковые батареи Flottweg отличаются очень прочной конструкцией, что упрощает их обслуживание и техническое обслуживание.

Выбор материала

• Долговечность имеет решающее значение. Правильный выбор материала в нужных местах крайне важен, поскольку кофейная жидкость может попасть повсюду. 

Соотношение дискового блока и камеры для твердых частиц

• Высокая эффективная производительность. Соотношение площади осветления и камеры для твердых частиц должно соответствовать требованиям к кофе. Сегодня в большинстве случаев требуется только очень высокая эффективность осветления, но это не единственное, что необходимо для кофе. Более важно иметь правильное соотношение между производительностью осветления и производительностью по обработке твердых частиц.

Система ременного привода

• Из-за описанных выше характеристик кофе, сепарационное оборудование в кофейной промышленности подвержено более частым и сильным вибрациям, чем при переработке любых других пищевых продуктов. Машины с ременным приводом лучше всего поглощают вибрации, и вибрации не передаются напрямую на двигатель или другие периферийные устройства, что обеспечивает длительный срок службы деталей. Машины с ременным приводом не только выдерживают повторяющиеся вибрации, но и допускают более высокие пиковые нагрузки, чем другие системы привода, что значительно снижает риск аварийной остановки. 

Выгрузка твердых частиц из барабана тарельчатого сепаратора с помощью Flottweg Soft Shot Flex

Правильная конфигурация — это хорошо, но этого недостаточно. Именно поэтому были разработаны следующие функции управления процессом, дополняющие механические характеристики оборудования.

Кофейные твердые частицы могут с трудом выбрасываться из чаши осветлителя, поэтому правильный выбор конструкции имеет решающее значение. Однако может по-прежнему потребоваться достаточная гибкость и настройка системы управления процессом, чтобы обеспечить достаточное время для выброса твердых частиц из вращающейся чаши или для ее тщательной промывки.

С учетом разнообразия продуктов можно применять различные комбинации разгрузки. Полагаться только на одну настройку — это ошибка. Сюда могут входить:

• Частичную разгрузку
  • Полную разгрузку
  • Переменное время открытия чаши для ожидания выхода медленно выходящих твердых частиц
  • Слив с промывкой 

Система автоматизации Flottweg разработана с учетом сотен различных настроек параметров, которые задаются при запуске. Операторы проходят обучение по изменению этих настроек, чтобы понять взаимосвязь между причиной и следствием. Наилучшие результаты показывают те машины, за которые операторы берут на себя ответственность. При обнаружении проблемы настройки можно скорректировать, что в большинстве случаев позволяет устранить проблему.

Управление процессом – Производственный рецепт

Потребители не хотят пить один и тот же кофе каждый день, поэтому создаются различные смеси кофе. Это может потребовать внесения изменений не только в общий процесс, но и в оборудование для разделения. Для обработки жидкого и густого экстрактов используются различные настройки. Для удобства оператора доступны предустановленные конфигурации (рецепты) с основными параметрами для каждого типа продукта. Это включает, помимо прочего:

• Регулировка противодавления для снижения пенообразования на выходе центрифуги
• Объемный расход
• Последовательности выгрузки
• Время работы между выгрузками

Важно понимать, как происходит процесс переработки сырья. Запуск можно выполнить для определенного рецепта кофе, и если у клиента есть другой тип кофе, который ведет себя иначе из-за более высокого содержания твердых частиц, можно запрограммировать другие настройки. Оператору не нужно каждый раз менять все настройки. Он может просто выбрать различные рецепты кофе, чтобы машина работала с разными настройками и разными схемами разделения. Все это учтено в системе автоматизации Flottweg и гарантирует, что машины всегда будут работать в оптимальном режиме.

Прежде всего, знание технологического процесса является ключевым фактором для правильного определения типоразмера на стадии проектирования и успешной настройки оборудования при запуске и эксплуатации. 

Еще больше возможностей для обработки высококачественного жидкого кофе

Как уже говорилось ранее, машины с пакетом тарелок больше всего подходят для эффективного удаления частиц из кофейного экстракта. Правильная конструкция барабана, концепция ременного привода и гибкие механизмы выгрузки, такие как Soft Shot® Flex от Flottweg, являются весомыми аргументами в пользу правильности выбора этого варианта для производства кофе. Сегодня большинство производителей растворимого кофе используют для осветления экстракта тарельчатые сепараторы. Можно приготовить растворимый кофе без декантера, но нельзя приготовить растворимый кофе без осветлителя.  Однако во многих случаях в общей технологической схеме также используются декантер и Tricanter^®.

Как правило, отстойник выбирают в том случае, если требуется тонкое осветление при низкой концентрации твердых частиц в сырье. Для продуктов с высокой концентрацией твердых частиц (примерно >5 % по объему) предпочтительным выбором являются декантерные центрифуги. Благодаря высокой пропускной способности по твердым частицам, принудительной непрерывной разгрузке и дифференциальному приводу со спиральным механизмом с регулируемым крутящим моментом декантерные центрифуги легче справляются с твердыми частицами кофе и менее подвержены влиянию изменяющихся условий на входе. 

Это делало бы их идеальным сепарационным оборудованием для переработки кофе, однако декантерные центрифуги рассчитаны на грубую переработку и, как правило, не обеспечивают желаемого уровня удаления частиц и прозрачности продукта, достигаемого машинами с дисковыми пакетами. 

Тем не менее, на линиях по производству растворимого или жидкого кофе можно встретить множество двухфазных или трехфазных (Tricanter^®) декантерных центрифуг, которые используются в следующих целях:

• Повторная переработка выброшенной суспензии твердых частиц из дискового осветлителя

  Выброшенная из осветлителей суспензия, особенно если перерабатывался густой экстракт, содержит значительное количество растворимых твердых веществ. Для извлечения этого экстракта суспензия собирается в резервуар. Иногда добавляется вода для разбавления и увеличения выхода, после чего суспензия проходит через декантер. Осветленная жидкость, очищенная от большей части частиц, затем дозируется обратно перед дисковыми осветлителями.  Типичные расходы составляют от 250 до 3000 литров в час. Такие потоки в идеале можно обрабатывать с помощью небольших декантерных центрифуг (например, моделей Flottweg Z2E или Z3E), которые работают с очень высокой скоростью вращения барабана, создавая перегрузку до 4500 g и, следовательно, обеспечивая значительное удаление мелких частиц. 

• Переработка отработанного шлама. При переработке отработанного шлама на месте с целью его использования для сжигания образуются значительные объемы прессовой воды. Она содержит в различных пропорциях: растворимые твердые вещества, взвешенные твердые вещества и масло. Для удаления или извлечения любого из этих компонентов или просто для осветления воды для дальнейшей последующей переработки используются декантерные или Tricanter^® центрифуги, которые могут разделять все фазы для повторного использования или для снижения затрат на утилизацию.

Заключение

Технология разделения играет важную роль в производстве растворимого и жидкого кофе. Хотя декантеры в промышленных процессах в основном используются для обработки побочных потоков, в последнее время они также заняли свое место в основных технологических процессах колд брю, специальных или ремесленных многоцелевых применений. Их универсальность и возможности обработки твердых частиц помогают повысить эффективность и общую производительность предприятия.

Тарельчатые сепараторы, в свою очередь, являются предпочтительным выбором для удаления мелких твердых частиц из кофейного экстракта. Знание технологического процесса, правильное определение типоразмера, конструкции и особенностей управления процессом производства кофе являются ключевыми факторами для успешной эксплуатации этих машин. Все это делает центрифуги идеальным выбором для обработки растворимого кофе. 

Автор:

Маттиас Майер изучал технологию пивоварения и производства напитков в Мюнхенском техническом университете в Баварии. Он имеет 18 лет опыта работы в области фильтрации и разделения и занимался поставками оборудования клиентам в пищевой промышленности и производстве напитков. В настоящее время он работает в Flottweg SE менеджером по применению, в области производства напитков и молочных продуктов.