如何使用澄清器、卧螺离心机和Tricanters®三相分离卧螺沉降离心机生产速溶咖啡

速溶咖啡已不再是很多人以为的那样只是露营爱好者们喜爱的能量补充饮料。这种产品已从其成熟的小众市场发展成为一种多样化的产品，包括液体咖啡和即饮（RTD）类产品等其他产品类别。而随着该产品越来越受欢迎，人们提出的要求也越来越高。消费者希望尝到新配方和高品质。生产商面临的挑战是既要满足这些需求，同时要提高生产效率——后一点尤其重要，因为原料和能源成本正在上升到历史最高水平。生产商必须采取最具成本效益的生产方式，这一压力比以往任何时候都大。为了满足这些要求，固液分离在加工过程中起着至关重要的作用。现在必须要提高效率、节省资源，从最终产品中去除肉眼可见的多余杂质，满足消费者的期望。

咖啡提取物是一种较难生产的产品。其残留固体是一种具有粘性、酸性的颗粒状物质，会快速硬化。离心机在速溶咖啡或液体咖啡生产的各种应用中表现出极高的效率和有效性，是以消费者的高标准来加工速溶咖啡的理想设备。

速溶咖啡市场概述

最大的咖啡种植地区无疑在巴西、哥伦比亚、越南和印度尼西亚——这里的气候温暖，阳光充足，湿度高，海拔高度适宜。而速溶咖啡不仅在种植国生产，而且还需要靠近其主要消费市场。事实上，许多地方近年来建立起了更多的价值链环节，例如在越南。非洲国家也预计会有类似的发展。还有一些其他的市场指标：

• 新的绿地投资将生产转移到咖啡种植国。
• 速溶咖啡生产需要数百万的投资。这不是一个新兴行业。相关企业已经在咖啡行业运营了数十年，并结成了联盟。
• 因此，每个地区只有少量设备，但产量相当高。

在生产方面，全球约有100到200家工厂每年生产约80万吨速溶咖啡。仅最大的一家企业就供应了整个市场上约50%的产品。

生产速溶咖啡通常使用两种咖啡豆。 

• 罗布斯塔咖啡豆：产出量较高，咖啡因含量较高，油含量较低
• 阿拉比卡咖啡豆：产出量较低，咖啡因含量较低，油含量较高

最常见的最终产品有两类：

• 速溶产品：冷冻干燥或喷雾干燥（并结晶）的可溶性粉末
• 液体咖啡（浓缩液）：用于自动售货机，用作咖啡配料等。

不同的咖啡豆会影响最终咖啡产品和风味，也会影响加工过程。  罗布斯塔咖啡豆含有更多的咖啡因，而阿拉比卡咖啡豆含有较高的油分，这导致咖啡豆在分离机中会有不同的表现。 

有些工厂生产的液体咖啡或冻干咖啡被公认是品质最高的。雾干咖啡的挥发物损失更高，温度影响更大，因此被认为是质量较低的产品。 

从固液分离的角度加工速溶咖啡

在速溶咖啡生产中，分离技术的目标是进行最佳颗粒分离，提供最佳产出物，提高成品的质量和纯度。咖啡豆烘烤后被磨成非常粗的颗粒，然后被送入萃取室中（就像放入家用咖啡机中）。萃取室排成一排，在高温和高压下通过水提取咖啡豆。这个过程产生的萃取物是一种非常浓的咖啡，其中包含的固渣需要用分离设备将其去除。 

这种液体通常包含约5-10%的可溶性固体，浓度约为50%。根据产品质量要求，可以将这种高浓度萃取物再次澄清。最后一步是速溶处理，也就是采用冷冻干燥法或喷雾干燥法。 萃取设备、香味回收、蒸发器和冷冻干燥机是这个加工过程中使用的核心设备，也是最昂贵的设备。 然而，尽管在整个工艺方案中经常被忽视，但全世界每家速溶咖啡厂都安装了分离设备。尽管香味、风味和质量受到最多关注，但离心机被视为生产中的工作主力。 

分离设备主要用于去除高浓度和低浓度萃取物产品流中的颗粒。低浓度提取物澄清过程的流量通常为每小时5-20立方米，可达到非常好的颗粒分离结果。在生产周期过程中，碟片间隔性地去除分离出来的颗粒。特别是在处理高浓度提取物时，被去除的颗粒中包含大量可溶性固体，必须将其回收。否则，这些有价值的可出售产品就会被误排入下水道。为了防止这种浪费，小型卧螺离心机被加装在碟片装置上。萃取过程中会将已萃取过的咖啡豆（废咖啡渣）吹出来，其中含有20%的固渣，然后被压缩到约45%的干度。大多数工厂利用这些废渣产热，也就是在现场将其燃烧用于发电。在这些副产品中，分离设备对压滤水进行处理，这有助于回收残留的提取物和油，或者澄清液体，使其能在现场进行后续加工 

质量保证

无论是速溶咖啡还是液体咖啡，质量检测都是加工过程中重要的一部分。分离设备需要满足以下一些行业要求：

• 最终产品中没有可见颗粒。将液体咖啡样品过滤。计算颗粒数量。有少数颗粒是允许的，但总的来说应该看起来是无颗粒状态。约大于10微米的颗粒必须去除，这样消费者的杯子中就看不到颗粒。
• 调整胶体颗粒以确保口感和香味。
• 调整浊度。
• 延长蒸发器处理时间。液体越清澈，蒸发器两次清洗之间的使用寿命就越长。

因此需要使用澄清式碟片离心机。

速溶咖啡加工的挑战

咖啡颗粒并不理想。这种物质紧实、粘稠，会快速硬化，这些性质可能会导致离心机高度振动，增加离心机的负荷和磨损。如果不进行适当的调节和监控，就会产生高昂的运行和服务成本。

离心机旋转非常快，会产生极高的离心力，导致咖啡颗粒硬化，这反过来又会在固渣排出过程中损坏机器。

高质量设备能够避免振动，确保可靠去除咖啡颗粒。如果颗粒在转鼓中停留时间过长，咖啡就会变硬，有时需要花费大量时间人工从转鼓中取出咖啡。这会妨碍加工过程。理想情况下应尽量减少人工干预，最好仅限于定期的服务周期。 

关于速溶咖啡生产的实践经验

Flottweg 设备是根据实地调研和市场需求，专门为咖啡加工而设计的。以下是 Flottweg 澄清机的几项具体特点，该设备是速溶咖啡加工中的关键组件：

罐体设计

• 便于排出粘性颗粒。
• 适用于处理稀浓度萃取液，这两者对分离设备提出了截然不同的挑战。Flottweg 设备的设计使其能够以相同的运行方式同时处理这两种萃取液

耐磨夹片与坚固设计

• 有效降低因振动和磨损导致的长期维护成本。Flottweg 碟片组采用极为坚固的设计，便于维修和保养。

材料选择

• 长期耐用性至关重要。由于咖啡液可能流向任何地方，因此在正确的位置选用正确的材料至关重要。 

碟片组与固体仓的比例

• 高效处理能力。澄清区与固体处理室的容积比必须符合咖啡加工需求。如今，多数应用仅追求极高的澄清效率，但这并非咖啡加工的唯一诉求。确保澄清处理能力与固体处理能力的合理配比更为重要。

皮带传动系统

• 鉴于前述咖啡的特性，咖啡应用中的分离设备比其他任何食品设备更容易受到频繁且更剧烈的振动影响。采用皮带传动的机器能最好地吸收振动，且振动不会直接传递到电机或任何其他外围部件，从而确保了部件的长期使用寿命。皮带传动机器不仅能够承受反复发生的振动，还能承受比其他传动系统更高的最大峰值，因此大大降低了安全停机的风险。 

使用福乐伟Soft Shot® Flex从碟片转鼓中去除固渣

采用正确的配置是对的，但还不够好。因此我们开发了以下工艺控制功能，使设备的机械功能更加完善。

咖啡固渣可能不太容易从澄清式碟片离心机转鼓中排出，因此采用适当的设计至关重要。 但是，可能仍然需要有足够的灵活性并采用工艺控制，以便有足够的时间将固体从旋转的转鼓中排出或者对其进行彻底冲洗。

考虑到不同的产品，可以采用不同的排渣组合方法。只用一种设置是错误的。 这包括：

• 部分排渣
  • 全部排渣
  • 转鼓打开时间可调，等待固体缓慢排出
  • 冲洗排渣

福乐伟自动化系统的设计采用大约数百个不同的参数设置，这些参数在启动时设置。操作人员会接受如何更改这些设置的培训，以了解因果关系。由操作人员负责的设备能够发挥最佳性能。发现问题后操作人员可以调整设置，在大多数情况下可以解决问题。

工艺控制 - 生产配方

消费者不希望每天只喝一样的咖啡，因此需要加工不同的混合咖啡。这可能不仅需要调整整个加工过程，还需要调整分离设备。处理低浓度或高浓度萃取物需要使用不同的设置。为方便操作人员，为每一种产品类型都提供了包含主要参数的预设配置（配方）。这包括但不限于：

• 调节背压，以减少离心机出口起泡现象
• 流量
• 排渣顺序
• 两次排渣之间的运行时间

了解上游工艺很重要。可以按照特定的咖啡配方启动设备，如果客户有另一种咖啡类型，因固体含量较高而具有不同的加工特性，就可以编制不同的设置。操作人员不必每次都更改设置。他们只需在不同的咖啡配方之间进行选择，设备就会以不同的设置和不同的分离方式运行。福乐伟自动化系统考虑了所有这些因素，确保设备始终处于最佳运行状态。

最重要的是，工艺知识是项目阶段正确选型以及启动和运行期间成功设置设备的关键因素。 

加工高品质液体咖啡的更多选项

如上所述，碟片分离机是从咖啡提取物中有效去除颗粒的首选。恰当的转鼓设计、皮带驱动方案和灵活的排渣系统，如福乐伟的Soft Shot® Flex，这些都是选择合适的咖啡加工设备的有力证明。如今，大多数速溶咖啡生产商使用碟片离心机来进行萃取物澄清。您可以在没有卧螺离心机的情况下生产速溶咖啡，但不能没有澄清式碟片离心机。 但是在许多情况下，二相卧螺离心机和三相卧螺沉降离心机Tricanter^®也用于整个加工流程。

一般来说，如果目标是将低固含量的进料进行细颗粒澄清，就应选择澄清式碟片离心机。而对于固含量高（约大于5%v/v）的产品，卧螺离心机则是首选。卧螺离心机能够处理极高的固含量，具有强制连续排渣功能和扭矩控制型螺旋差速驱动装置，可以更轻松地处理咖啡固渣，减少进料条件变化带来的影响。 

因此卧螺离心机是咖啡加工的理想分离设备，但这类设备的设计适合粗略加工，通常无法像碟片离心机那样达到所需的颗粒去除水平和产品澄清度。 

尽管如此，在速溶咖啡或液体咖啡生产线中仍使用许多具有以下特点的两相或三相卧螺离心机（Tricanter^®三相分离卧螺沉降离心机）：

• 从澄清式碟片离心机中排出的固体悬浮液的再处理

  从澄清器中排出的悬浮液中含有可溶性固体，尤其是在处理高浓度提取物时这种固含量很高。为了回收这种萃取物，悬浮液被收集在储罐中。有时会加水进行稀释，以提高产出量，然后悬浮液流过卧螺离心机。去除了所有颗粒的清液重新被送回到碟片离心机前。 一般流量范围为每小时250至3000升。理想情况下可以使用小型卧螺离心机（例如福乐伟Z2E或Z3E型）处理这种液体，离心机以非常高的转鼓转速运行，可产生高达4500g的离心力，确保去除大量颗粒。

• 废渣处理。在现场处理废渣将其用于燃烧时，会产生大量的压滤水。水中包含不同比例的：可溶性固体、悬浮固体和油。为了去除或回收这些物质，或者将水澄清以用于下游工艺，可以使用卧螺离心机或Tricanter^®三相分离卧螺沉降离心机分离所有物相，以将其回收利用或降低废弃处理成本。

结论

分离技术在速溶咖啡和液体咖啡的生产中起着不可或缺的作用。工业过程中的卧螺离心机主要用于副产品加工，而近年来正加速进入冷萃咖啡、精品咖啡或匠人咖啡等多用途应用的主要加工步骤。其多功能性和固体处理能力有助于提高设备效率和总产出量。

另一方面，碟片离心机是从咖啡提取物中去除细小固体的首选设备。工艺知识、正确选型、设计和适合特定咖啡的控制功能，这些都是这类设备成功运行的关键。所有这些都使得离心机成为速溶咖啡加工的理想选择。 

作者：

Matthias Meyer在德国巴伐利亚慕尼黑工业大学学习了酿造与饮料技术专业。他在过滤和分离行业拥有18年的丰富经验，面向食品和饮料业客户。他目前在福乐伟公司担任饮料与乳制品应用经理