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

福乐伟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 福乐伟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。福乐伟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。福乐伟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从盘式转鼓中排出固体

拥有合适的配置固然不错，但还远远不够。正因如此，我们开发了以下过程控制功能，以补充机器的机械特性。

咖啡粉渣可能难以从澄清器转鼓中排出，因此采用恰当的设计至关重要。然而，仍需具备足够的灵活性，并调整工艺控制，以确保粉渣有充足的时间从旋转转鼓中排出，或对转鼓进行彻底冲洗。

考虑到产品种类繁多，可采用多种排料组合方案。仅依赖单一设置是错误的。这可能包括：

• 部分排出
  • 完全排料
  • 通过调整碗体开启时间，等待排出滞留的咖啡渣
  • 冲洗排料 

Flottweg 的自动化系统设计了约数百种不同的参数设置，这些参数将在启动时进行设定。操作人员会接受相关培训，学习如何调整参数，从而理解其因果关系。表现最佳的设备往往是那些由操作人员主动承担责任的设备。如果发现问题，可以调整设置，在大多数情况下，这样就能解决问题。

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

了解上游工艺同样至关重要。设备可针对特定的咖啡配方进行调试。如果客户随后使用了另一种咖啡品种，且因固体含量较高而表现不同，则可以编程设置其他参数。操作人员无需每次都手动更改所有设置。操作员只需在不同的咖啡配方之间进行选择，机器便会根据不同的参数和分离方案运行。福乐伟自动化系统会全面考虑这些因素，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进行正确选型，以及在调试和运行过程中成功调整机器参数的关键因素。

加工高品质液体咖啡的更多选项

如前所述，配备碟式滤包的机器是从咖啡萃取液中有效去除颗粒的首选。合理的滚筒设计、皮带传动方案以及灵活的排料机构（如福乐伟的Soft Shot® Flex），都表明这是咖啡加工的理想选择。如今，大多数速溶咖啡生产商都采用带盘式组件的离心机来澄清萃取液。虽然可以不使用沉降器来生产速溶咖啡，但若没有澄清分离器，则无法生产速溶咖啡。但在许多情况下，沉降器和Tricanter®也会被应用于整个生产流程中。

一般而言，如果目标是在低固体含量进料条件下实现精细澄清，通常会选择澄清机。对于固体含量较高的产品（大致大于 5%v/v），卧式离心机是更优的选择。凭借其高固体处理能力、强制连续排料以及扭矩控制的螺旋差速驱动，卧式离心机能够更轻松地处理咖啡固体，且受进料条件变化的影响较小。 

这本应使其成为咖啡加工的理想分离设备，但卧式离心机设计用于粗加工，通常无法达到盘式叠片机所能实现的颗粒去除效果和产品澄清度。 

尽管如此，在速溶咖啡或液态咖啡生产线上仍可见到许多两相或三相（Tricanter^®）卧式离心机，其应用重点如下：

• 对来自碟式澄清器的排出固体悬浮液进行再处理

  澄清器排出的悬浮液（尤其是处理浓缩萃取液时）含有大量可溶性固体。为回收这些萃取物，悬浮液会被收集至储罐中。有时会添加水进行稀释并提高出料率，随后将悬浮液送入卧式离心机处理。经去除大部分颗粒后获得的澄清液，再被计量回送至碟式澄清器前端。  典型处理流量范围为每小时250至3000升。此类流体理想情况下可采用小型卧式离心机（例如Flottweg的Z2E或Z3E型号）进行处理，该设备运行时转鼓转速极高，可产生高达4500g的离心力，从而实现对细颗粒的显著去除。 

• 废渣处理。当废渣在现场进行处理以用于燃烧时，会产生大量压滤水。该水含有不同比例的可溶性固体、悬浮固体和油分。为了去除或回收这些物质，或者仅仅是为了澄清水质以便后续处理，通常使用卧螺离心机或Tricanter^®，这些设备能够分离所有相，实现资源再利用或降低处置成本。

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：

马蒂亚斯·迈尔曾在巴伐利亚州首府慕尼黑的慕尼黑工业大学攻读酿造与饮料技术专业。他在过滤与分离技术领域拥有超过18年的从业经验，主要服务于食品和饮料行业的客户。目前，他在福乐伟 SE担任饮料与乳制品应用经理。