Tài liệu Phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng trong sản xuất cà phê hòa tan

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÀ – CÀ PHÊ - CACAO PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN NHÓM SVTH: ĐÀO DUY ĐẠT 1811846 LÊ TRỊNH HOÀNG DƯƠNG 1811811 PHAN THỊ QUỲNH LOAN 1811034 LÊ NGỌC DIỄM QUỲNH 1811188 LỚP: HC18TP GVHD: TS. LẠI QUỐC ĐẠT TP HỒ CHÍ MINH, 04/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN TRÀ – CÀ PHÊ - CACAO PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN NHÓM SVTH: ĐÀO DUY ĐẠT 1811846 LÊ TRỊNH HOÀNG DƯƠNG 1811811 PHAN THỊ QUỲNH LOAN 1811034 LÊ NGỌC DIỄM QUỲNH 1811188 LỚP: HC18TP GVHD: TS. LẠI QUỐC ĐẠT TP HỒ CHÍ MINH, 04/2021 NỘI DUNG BÁO CÁO DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ 4 DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN ...... 6 1.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN .......................... 6 1.2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG QUY TRÌNH ............. 7 1.3 TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ............................... 8 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG ............................ 9 2.1 RANG .................................................................................................................... 9 2.1.1 Mục đích, yêu cầu ............................................................................................ 9 2.1.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 11 2.1.3 Phương pháp rang .......................................................................................... 12 2.1.4 Phân tích hiệu quả năng lượng ....................................................................... 20 2.1.5 Giải pháp đề xuất ........................................................................................... 23 2.2 TRÍCH LY ........................................................................................................... 27 2.2.1 Mục đích, yêu cầu .......................................................................................... 27 2.2.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 27 2.2.3 Phương pháp trích ly ...................................................................................... 29 2.2.4 Phân tích hiệu quả năng lượng:...................................................................... 31 2.3 CÔ ĐẶC .............................................................................................................. 33 2.3.1 Mục đích yêu cầu ........................................................................................... 33 2.3.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 33 2.3.3 Phương pháp cô đặc ....................................................................................... 34 2.3.4 Phân tích hiệu quả năng lượng ....................................................................... 40 2.4 SẤY ..................................................................................................................... 42 2.4.1 Mục đích yêu cầu ........................................................................................... 42 2.4.2 Yếu tố ảnh hưởng ........................................................................................... 42 2.4.3 Phương pháp sấy ............................................................................................ 43 2.4.4 Phân tích hiệu quả năng lượng ....................................................................... 46 2.4.5 Giải pháp đề xuất ........................................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 52 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan ...................................................... 6 Hình 1.2 Lượng khí thiên nhiên dùng cho các quá trình trong sản xuất cà phê hòa tan ..... 7 Hình 1.3 Mức tiêu thụ năng lượng từ các loại nhiên liệu trong các ngành sản xuất thực phẩm tại Hoa kỳ năm 2002. ................................................................................................. 9 Hình 2.1 Thiết bị rang trống quay nằm ngang .................................................................. 12 Hình 2.2 Thiết bị rang trống quay nằm ngang liên tục ..................................................... 14 Hình 2.3 Thiết bị rang trống đứng cố định có cánh khuấy ............................................... 15 Hình 2.4 Thiết bị rang chảo quay gián đoạn ..................................................................... 16 Hình 2.5 Thiết bị rang tầng sôi ......................................................................................... 17 Hình 2.6 Sơ đồ quá trình rang có và hồi lưu xử lí khí thải ............................................... 19 Hình 2.7 Afterburners được dùng để xử lí khí thải ........................................................... 19 Hình 2.8 Dòng nhiệt của khí thải trong thiết bị rang qua các giai đoạn rang ................... 21 Hình 2.9 Quá trình rang hiện đại với thiết bị gia nhiệt sơ bộ hạt đầu vào ........................ 24 Hình 2.10 Đồ thị năng lượng tiết kiệm được khi gia nhiệt sơ bộ hạt cà phê ................... 24 Hình 2.11 Thiết bị tank trích ly......................................................................................... 29 Hình 2.12 Thiết bị trích ly Hildebrandt ............................................................................ 30 Hình 2.13 Sơ đồ cân bằng vật chất cho quá trình trích ly cà phê ..................................... 31 Hình 2.14 Hệ thống cô đặc 1 nồi ...................................................................................... 34 Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống cô đặc nhiều nồi xuôi chiều .................................................... 35 Hình 2.16 Mô tả hoạt động thẩm thấu ngược. .................................................................. 36 Hình 2.17 Mô tả hoạt động thẩm thấu xuôi ...................................................................... 37 Hình 2.18 Ước lượng chi phí để đầu tư và vận hành hệ thống thẩm thấu xuôi. ............... 38 Hình 2.19 Tiêu thụ năng lượng và chi phí cho 2 phương pháp cô đặc ............................. 39 Hình 2.20 Chi phí đầu tư đến thời điểm 5 năm (dự đoán) của 2 phương pháp. .............. 40 Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống thiết bị sấy phun ...................................................................... 44 Hình 2.22 Lượng khí thiên nhiên trên sản phẩm trong quá trình sấy phun (m3/kg) ......... 44 Hình 2.23 Giản đồ pha của nước ...................................................................................... 45 Hình 2.24 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa .......................................................................... 46 Hình 2.25 Hệ thống thu hồi nhiệt trong thiết bị sấy ......................................................... 49 Hình 2.26 Sơ đồ hoạt động của máy bơm nhiệt................................................................ 50 Hình 2.27 Mối liên hệ giữa COP, SMER và MER ........................................................... 50 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Nhiệt lượng cần cho các quá trình để sản xuất cà phê hòa tan ............................ 7 Bảng 2.1 Sự biến đổi màu sắc của cà phê theo nhiệt độ rang ........................................... 11 Bảng 2.2 Đánh giá thiết bị rang trống quay nằm ngang.................................................... 13 Bảng 2.3 Đánh giá thiết bị rang chảo quay gián đoạn ...................................................... 17 Bảng 2.4 Đánh giá thiết bị rang tầng sôi ........................................................................... 18 Bảng 2.5 QSR và QTOT cho các chế độ rang và đốt sau (afterburning) khác nhau ............. 22 Bảng 2.6 Một số giải pháp giúp tiết kiệm năng lượng với quá trình rang cà phê ............. 23 Bảng 2.7 Hiệu quả năng lượng của việc tái sử dụng nhiệt thải......................................... 25 Bảng 2.8 Đánh giá phương pháp trích ly gián đoạn.......................................................... 29 Bảng 2.9 Đánh giá phương pháp trích ly liên tục ............................................................. 30 Bảng 2.10 Năng lượng tiêu thụ trong sản xuất cà phê hòa tan từ cà phê nhân ................. 32 Bảng 2.11 Lượng nhiệt thất thoát và khả năng thu hồi trong quá trình trích ly ................ 33 Bảng 2.12 Đánh giá phương pháp cô đặc 1 nồi ................................................................ 34 Bảng 2.13 Đánh giá phương pháp cô đặc nhiều nồi ......................................................... 35 Bảng 2.14 Đánh giá phương pháp cô đặc kết tinh ............................................................ 36 Bảng 2.15 Đánh giá phương pháp thẩm thấu ngược ......................................................... 37 Bảng 2.16 Đánh giá phương pháp thẩu thấu xuôi ............................................................. 38 Bảng 2.17 So sánh hiệu quả của FO và cô đặc bốc hơi (dạng màng mỏng) ..................... 39 Bảng 2.18 Đánh giá phương pháp sấy phun ..................................................................... 44 Bảng 2.19 Đánh giá phương pháp sấy thăng hoa .............................................................. 46 Bảng 2.20 Các phương án tiết kiệm năng lượng tiềm năng trong công nghiệp ở Anh ..... 48 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan CHƯƠNG 1: 1.1 GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÀ PHÊ HÒA TAN Hình 1.1 Quy trình công nghệ sản xuất cà phê hòa tan SVTH: Nhóm 05 Trang 6 GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan 1.2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG QUY TRÌNH Cà phê hòa tan là một trong những loại thực phẩm tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong quy trình sản xuất. Ước tính năng lượng để sản xuất cà phê hòa tan theo công nghệ sấy phun là 12,930 kcal/kg. Nguồn năng lượng dưới dạng nhiệt chiếm đến khoảng 95% và còn lại là điện năng. Tổn thất nhiệt lượng trong các quá trình vận hành là 55% so với lượng đã sử dụng. Các quá trình thu hồi nhiệt và kỹ thuật cách nhiệt có thể được sử dụng để giữ lại khoảng 70% lượng nhiệt mất mát. [1] Bảng 1.1 Nhiệt lượng cần cho các quá trình để sản xuất cà phê hòa tan Quá trình Nhiệt năng (MJ/kg cà phê hòa tan) Rang 3.73 Trích ly 8.50 Cô đặc 7.45 Sấy phun 21.10 Hình 1.2 Lượng khí thiên nhiên dùng cho các quá trình trong sản xuất cà phê hòa tan Đối với quá trình rang, thiết bị rang liên tục tiêu thụ khoảng 0,5 MJ/kg cà phê nhân trong khi thiết bị rang theo mẻ sử dụng đến 1,84 MJ/kg. Các dữ liệu vào năm 2013 đã báo cáo tổng năng lượng để sản xuất cà phê là 23,24 MJ/kg. Sản xuất cà phê sử dụng một lượng nhiệt năng lớn hơn SVTH: Nhóm 05 Trang 7 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT rất nhiều so với điện năng. Nhiệt lượng cần cho các công đoạn trong sản xuất cà phê hòa tan được trình bày trong bảng …. Có thể nhận thấy lượng năng lượng cần tiêu thụ lớn như vậy đến chủ yếu từ quá trình sấy phun. Sấy thăng hoa cũng có thể được sử dụng để thay thế cho sấy phun, đem lại hương vị tự nhiên hơn nhưng năng lượng sử dụng thậm chí có thể còn cao hơn sấy phun. Năng lượng để làm lạnh đông ước tính khoảng 0.42 MJ/kg và 31 MJ/kg để sấy. [1] 1.3 TỔNG QUAN VỀ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG Các quá trình chế biến thực phẩm sử dụng một lượng lao động đáng kể, máy móc và năng lượng để chuyển đổi nguyên liệu thô ăn được thành các sản phẩm thực phẩm có giá trị cao hơn. Do giá năng lượng ngày càng tăng và nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, thay thế các quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng bằng các quá trình có mức độ sử dụng năng lượng hiệu quả hơn và tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo trong ngành công nghiệp thực phẩm đang trở nên ngày càng quan trọng (Wang 2008). Cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong ngành công nghiệp thực phẩm cần được xem xét để không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn mang lại lợi ích bảo vệ môi trường, bền vững xã hội, an ninh cung cấp năng lượng và khả năng cạnh tranh của ngành công nghiệp. Fischer và cộng sự (2007) báo cáo rằng khoảng 57% năng lượng đầu vào sơ cấp cho toàn ngành bị mất trước khi đạt được các hoạt động xử lý dự định. Ước tính từ một số nghiên cứu chỉ ra rằng, trung bình, tiết kiệm 20 đến 30% năng lượng có thể đạt được mà không cần đầu tư vốn, chỉ sử dụng các thay đổi về thủ tục và hành vi (Fischer et al. 2007). Mức tiêu thụ năng lượng công nghiệp có thể giảm hơn nữa một cách hiệu quả về mặt chi phí từ 10 đến 20% thông qua các chương trình quản lý năng lượng có cấu trúc tốt kết hợp các công nghệ tiết kiệm năng lượng, thực hành vận hành và thực hành quản lý (Fischer và cộng sự 2007). Các giải pháp tương lai nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng phải khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế. Cải thiện hiệu quả năng lượng trong các cơ sở chế biến thực phẩm đòi hỏi phải đánh giá nhiều biện pháp triển vọng để tăng năng lượng hiệu quả sử dụng của các tiện ích như hơi nước, khí nén và điện. Các nguồn năng lượng chính được sử dụng trong ngành sản xuất thực phẩm bao gồm dầu mỏ, khí đốt tự nhiên, than đá, năng lượng tái tạo và điện. Hình 1 cho mức tiêu thụ về các loại nhiên liệu trong ngành chế biến thực phẩm của Hoa Kỳ năm 2002 (US EPA 2007). Khí đốt tự nhiên và điện là hai nguồn chính các nguồn năng lượng được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm của Hoa Kỳ, chiếm 52 và 21% tổng năng lượng tiêu thụ trong 2002, theo thứ tự. [2] SVTH: Nhóm 05 Trang 8 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Hình 1.3 Mức tiêu thụ năng lượng từ các loại nhiên liệu trong các ngành sản xuất thực phẩm tại Hoa kỳ năm 2002. CHƯƠNG 2: 2.1 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG RANG 2.1.1 Mục đích, yêu cầu Rang là quá trình gia nhiệt cho cà phê nhân để tạo nên những biến đổi sâu sắc trong hạt, hình thành nên những tính chất đặc trưng cho cà phê về màu sắc, mùi và vị thông qua sự biến đổi về màu sắc, cấu trúc và thành phần hóa học của hạt. Quá trình rang cà phê nhằm thực hiện hai mục đích công nghệ sau: Chế biến: trong quy trình công nghệ sản xuất cà phê rang xay hay sản xuất cà phê hòa tan từ cà phê nhân, rang là công đoạn quan trọng nhất và mang tính chất quyết định đến chất lượng của cà phê thành phẩm. Trong quá trình rang cà phê, dưới tác động của nhiệt độ, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra một cách mạnh mẽ và tạo ra các hợp chất hóa học giúp hình thành hương vị, màu sắc đặc trưng của cà phê thành phẩm. Có thể nó theo một cách đơn giản là cà phê chỉ bộc lộ phẩm chất tốt nhất của mình sau khi rang, dậy mùi hương, thêm vị ngọt, chua và độ đậm đà, trong khi hạt cà phê sống chỉ có mùi vị của cỏ khô hay thảo dược. SVTH: Nhóm 05 Trang 9 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Chuẩn bị: quá trình rang tạo ra các biến đổi tính chất cơ lý của hạt cà phê, làm cho quá trình nghiền cà phê tiếp theo được diễn ra dễ dàng hơn. Thông thường thì sau quá trình rang, hạt cà phê có độ bền cơ học giảm và độ giòn tăng lên. Khi đó dưới tác dụng của lực cơ học trong quá trình nghiền, hạt cà phê dễ dàng bị vỡ ra và giảm kích thước thành dạng bột mịn. [3] Hiện nay có nhiều yêu cầu khác nhau về cà phê rang, vì vậy có nhiều loại cà phê rang khác nhau như sau: - Cà phê rang nhạt (light roast): Loại này còn gọi là cà phê rang quế vì sản phẩm có màu nâu vàng giống màu phía trong của vỏ bóc ra từ cây quế. Hạt có bề mặt rất khô và màu nâu nhẹ giống màu sôcôla sữa hoặc đậm hơn, lúc pha cho mùi vị chua dịu (với loại cà phê chè Arabica). Khi rang đạt màu như vậy thì hạt mất 3 đến 5% khối lượng khô. Trong loại cà phê rang này, hầu hết các hợp chất tạo ra mùi vị thơm ngon chưa có mặt đầy đủ và ở hàm lượng thấp. Mùi vị cà phê chưa thật đậm đà, nhưng nếu có mùi vị lạ thì chúng chưa bị mất đi và rất dễ nhận thấy khi nếm, vì vậy loại cà phê rang này thường sử dụng cho thử nằm đánh giá chất lượng các mẫu cà phê. - Cà phê rang vừa (medium roast): Loại này còn gọi là loại rang kiểu Mỹ vì nó phổ biến ở đất nước này. Sản phẩm có màu nâu vừa. Bề mặt hạt vẫn khô, chưa có dầu tiết ra bề mặt hạt. Khi pha cho mùi vị đậm đà cộng với vị chua ngon nhẹ. Trong loại cà phê rang này, hầu hết các hợp chất tạo ra mùi vị thơm ngon đã có mặt đầy đủ và ở hàm lượng cao nhất, mùi vị được cảm nhận rất rõ rệt. Khi quá trình rang đạt màu như vậy thì hạt mất 5 đến 8% khối lượng khô. - Cà phê rang hơi đậm (medium to dark roast): Loại này cũng gọi là loại rang kiểu Pháp nhạt. Hạt cà phê rang có vết dầu lốm đốm tiết ra trên bề mặt hạt. Nó thiếu đi một chút vị chua của loại cà phê rang nhạt nhưng có được mùi vị đậm đà của cà phê rang đậm. Với loại cà phê rang này hạt bị mất khoảng 8% khối lượng. Cà phê rang kiểu này cho các đặc trưng mùi vị tốt nhất và nên áp dụng với các loại cà phê nhân sống chất lượng tốt. - Cà phê rang đậm kiểu Italia hay kiểu Pháp (dark continental or Italian roast): Cà phê rang có nhiều dầu tiết ra trên bề mặt hạt nhưng hạt chưa thật bóng láng và tách còn rất ít vị chua, màu hạt nâu đậm nhưng chưa đen. Loại cà phê rang này phổ biến ở Pháp và cũng giống với một loại cà phê Viennese của Áo. Hạt mất 8 đến 12% khối lượng. - Cà phê rang rất đậm/ rang chảy (Very dark roast/espresso roast): SVTH: Nhóm 05 Trang 10 GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan Loại này chỉ áp dụng cho máy pha chế đặc biệt espresso vì cần rang rất đậm và xay rất mịn để có thể trích ly nhanh các chất tan có trong bột cà phê ra tách chỉ trong vòng vài giây. Hạt cà phê rang rất đậm làm cho dầu tiết ra rất nhiều trên bề mặt hạt rang và hạt trở nên bóng láng và có màu đen thật sự, và nếu tiếp tục rang thì dầu bị mất hết và hạt cà phê giống như than. Kiểu rang này thường được sử dụng cho cà phê Robusta mà hiếm khi áp dụng cho cà phê Arabica. Nhiệt làm bay hương thơm của Arabica nhưng dường như lại cần thiết để tăng mùi vị của Robusta. Tất cả vị chua ngon bị mất và mùi vị đậm đã bị mất do "than hoá”. Khối lượng hạt mất khoảng 14%. - Loại cà phê rang “Torrefacto": Loại cà phê rang Torrefacto có nguồn gốc từ Tây Ban Nha cách đây hơn 160 năm. Cà phê rang có bổ sung đường, đường được caramen hóa cho vào cà phê vừa mới rang xong, tạc màu đen bóng ở bề mặt hạt. Đường không phải cho vào để làm tăng độ ngọt. Lượng đường khoảng 15% so với cà phê. Tại Mexico, người ta rang trộn 1/2 cà phê và 1/2 đường. Loại cà phê rang Torrefacto gần giống với loại cà phê rang ở Việt Nam hiện nay. [4] 2.1.2 Yếu tố ảnh hưởng Trong quá trình rang, hai thông số công nghệ quan trọng là nhiệt độ và thời gian rang. Tùy theo mức độ rang của sản phẩm mà nhiệt độ và thời gian sẽ khác nhau. Trong đó nhiệt độ rang là yếu tố quan trọng hơn cả quyết định đến chất lượng của sản phẩm. Các nghiên cứu cho thấy nhiệt độ rang phải bắt đầu ở khoảng 200oC, nhiệt độ rang tối ưu là 210 - 230 oC. Nhiệt độ rang càng cao thì mức độ rang càng đậm. Nhiệt độ của hạt cà phê quá 254°C sẽ làm cho nó bị hóa than. Mỗi loại nguyên liệu sẽ có nhiệt độ rang tối ưu khác nhau: [4] - Đối với cà phê Arabica, nhiệt độ rang tối ưu là 195 – 196°C. - Đối với cà phê Robusta, nhiệt độ rang tối ưu là 205°C. Bảng 2.1 Sự biến đổi màu sắc của cà phê theo nhiệt độ rang Nhiệt độ rang (oC) Biến đổi màu cà phê Khoảng 100 Màu xanh → Màu vàng 120-130 Màu vàng → Màu hạt dẻ 150-180 Màu hạt dẻ → Màu xám >180 Màu xám → Màu tối Khoảng 270 Màu tối → Màu đen Khoảng 300 Màu đen dạng bồ hóng và vỡ vụn SVTH: Nhóm 05 Trang 11 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Thời gian rang càng dài thì mức độ rang cũng càng đậm. Thời gian rang được xác định theo mức độ rang mong muốn và nhiệt độ thực hiện quá trình rang. Thời gian rang có thể từ vài phút (rang liên tục) đến vài chục phút (rang gián đoạn). Thông thường, thời gian rang cà phê không vượt quá 1 giờ. Dựa vào thời gian và nhiệt độ, quá trình rang cà phê có thể được phân loại theo ba chế độ như sau: - Nhiệt độ thấp, thời gian dài (Low temperature, long time - LTLT: 220°C, 9 - 12 phút) - Nhiệt độ cao, thời gian ngắn (High temperature, short time - HTST: 260°C, 2,5 - 3 phút) - Nhiệt độ cao, thời gian dài (High temperature, long time - HTLT) 2.1.3 Phương pháp rang Có hai phương pháp rang là phương pháp gián đoạn và phương pháp liên tục. Với 2 loại thiết bị phổ biến nhất là thiết bị trống (Drum roaster) và thiết bị tầng sôi (Fluidised bed roaster). Vật liệu để chế tạo thiết bị thường là thép đen, thép không rỉ hoặc gang. Thiết bị rang trống quay nằm ngang: Hình 2.1 Thiết bị rang trống quay nằm ngang Cấu tạo thiết bị gồm một lồng rang hình trụ (trống rang) bằng thép bịt kín đặt nằm ngang, được gắn vào một motor để có thể xoay tròn đảo trộn cà phê trong quá trình rang. Thiết bị này này cho phép sức nóng truyền từ bề mặt kim loại của trống (được làm nóng từ khí đốt hoặc dầu, than, củi...) tới hạt cà phê bên trong. Hạt cà phê luôn luôn lăn dưới tác động của quá trình quay liên tục của trống trong khi rang, vì vậy nhiệt được truyền đều tới tất cả các hạt. SVTH: Nhóm 05 Trang 12 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Thời gian rang trung bình một mẻ là 17-20 phút. Hệ thống hồi lưu của khí rang đi ra thông qua một thiết bị tạo gió xoáy (gọi là xyclon) để tách vỏ lụa từ phía sau, nhưng gió hồi lưu vòng lại mạnh, được làm sạch rồi đi tới ống khói nhờ bộ phận xúc tiến hoặc cửa lỏ phía sau. Nếu trống rang là một ống kim loại hình trụ đục lỗ: Cho phép khí nóng từ lò đốt bịt kín (nhiên liệu sạch là khí đốt) đi thẳng vào trong lòng của trống và yên qua những hạt cà phê đang lăn và ra ngoài theo đường ống khỏi cao, hoặc đi qua những lỗ của một mặt lọc bụi và vỏ lụa, rồi quay lại lò đốt kin để tăng hiệu suất làm nóng. Thời gian rang của loại máy này chỉ 10-12 phút. Nhiệt độ của khí đốt dẫn vào sẽ để ở 450°C (850°F) hoặc thấp hơn. Làm nóng thiết bị đến 170 – 220oC thì bắt đầu nạp liệu vào. Nhiệt độ rang có thể đặt cố định (trong một khoảng thời gian nhất định và lò đốt được bật tắt tự động để luôn giữ nhiệt độ cố định) hoặc điều chỉnh nhiệt độ bằng tay. Khi đã đạt đến độ rang theo yêu cầu, khối hạt cà phê rang được xả ra một khay làm nguội, mặt khay dục nhiều lỗ để thông khí, có một quạt hút không khí mát từ trên xuống xuyên qua khối hạt cà phê đang được chuyển động nhờ các cánh đảo trên khay, vì vậy cà phê được làm nguội một cách đồng đều. Thông số công nghệ: - Năng suất trung bình 25kg/ mẻ - Tốc độ quay lồng rang: 30 rpm, - Nhiệt độ rang: 210 – 230 oC - Thời gian rang: 10 – 20 phút, - Nguyên liệu đốt: 1.2 – 1.5 kg gas/ giờ. Đánh giá phương pháp: Bảng 2.2 Đánh giá thiết bị rang trống quay nằm ngang Ưu điểm - Thiết bị rẻ tiền - Vận hành đơn giản Nhược điểm - Hạt dễ bị cháy xém và hóa than, đặc biệt đối với thiết bị gia nhiệt lồng rang trực tiếp trên ngọn lửa, - Hạt cà phê sẽ có vị khói, - Thiết bị khó chùi rửa do dầu tính vào bề mặt thiết bị - Chi phí nhiên liệu, chủ yếu là gas, cao SVTH: Nhóm 05 Trang 13 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Thiết bị rang trống quay nằm ngang liên tục Hình 2.2 Thiết bị rang trống quay nằm ngang liên tục - Nguyên tắc hoạt động: Khoảng năm 1980, Probat đã giới thiệu một loại máy rang liên tục. Loại máy này lắp đặt một hệ thống hồi lưu với quá trình loại bỏ vỏ lụa, và với một phần hơi ẩm đi ra theo đường ống dẫn khói sau quá trình làm sạch. Tại đây, khí nóng được phân phối trên toàn bộ khối hạt đang được đảo trộn nhờ một bộ phận phân phối qua miệng vòi chạy dọc theo trục nằm ngang giữa trống, bộ phận làm nguội được đặt nằm gọn dưới bộ phận rang. Thời gian rang chỉ 3 đến 6 phút, có sử dụng tốc độ cao theo hướng đã định của khí nóng trong suốt quá trình rang. SVTH: Nhóm 05 Trang 14 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Thiết bị rang trống đứng cố định có cánh khuấy (gián đoạn) Hình 2.3 Thiết bị rang trống đứng cố định có cánh khuấy - Nguyên tắc hoạt động: Các cánh khuấy có tác dụng làm gia tăng tỷ lệ trao đổi nhiệt giữa các hạt với nhau và giữa hạt với khí được cấp, các cánh khuấy quay trên một trục nằm ngang. Khí thải được thổi ra nhờ quạt gió đặt ở đỉnh một ống đứng cố định để làm sạch. Kết thúc quá trình rang. hạt cà phê được tuôn ngay vào một cái ống rỗng đủ chứa để làm nguội Với tỷ lệ khí/ cà phê cao nên thời gian rằng chỉ 6 phút. Hiện nay, dây chuyển kiểu này cũng thiết kế hệ thống hồi lưu. Lò đốt hơi được vận hành ở nhiệt độ cao 600 – 700C, do vậy khí thải (có thể có vỏ lụa hoặc không) có thể cháy hoàn toàn cho tới lớp chất hữu cơ bám phía dưới. Bằng việc điều khiển bốn hướng khi vào, khí thải từ lò hơi bịt kín, làm đổi hướng vào buồng rang, nhiệt độ của quá trình rang có thể được điều chỉnh một cách độc lập. Điều nổi bật hơn là nó cho phép sự hồi lưu nhiệt từ khí thải với không khí hồi lưu tới lò hơi kín. Cũng có thể sử dụng nhiệt độ cháy thấp hơn. Dây chuyền bao gồm một máy rang và sự hồi lưu không khí nhưng có sử dụng thiết bị làm sạch nhanh khí thải. SVTH: Nhóm 05 Trang 15 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Thiết bị rang chảo quay gián đoạn Hình 2.4 Thiết bị rang chảo quay gián đoạn - Cấu tạo thiết bị: Thiết bị này gồm một chén xoay bằng thép không gỉ được nối liền với một motor tại trục tung tâm. Bên cạnh đó, một lò đốt được sử dụng để gia nhiệt, quạt hút để dẫn truyền dòng khí nóng và cyclone để tách lớp vỏ lụa, bụi cũng như để tuần hoàn lại khối không khí nóng trong quá trình rang nhằm tiết kiệm năng lượng. - Nguyên lý phương pháp: Cà phê được nạp vào chén xoay qua máng nhập liệu. Dòng không khí sẽ được đốt nóng bởi lò đốt và dẫn vào khu vực rang thông qua quạt hút. Trong suốt quá trình rang, motor quay với một tốc độ cao, dẫn truyền chuyển động xoay của chén và tạo một lực ly tâm trong lòng chén nhằm giúp các hạt cà phê được đảo đều cùng với tác nhân rang, tăng hiệu quả truyền nhiệt. Các hạt cà phê về cuối quá trình rang thì khối lượng riêng sẽ có xu hướng giảm do hàm lượng chất khô bị mất càng nhiều, do đó sẽ càng nổi lên trên gần miệng chén và rơi ra ngoài, các hạt còn lại sẽ tiếp tục được rang cho đến khi đạt độ chín yêu cầu. Bên cạnh đó, dòng không khí nóng sẽ được hút về buồng đốt và tuần hoàn lại chén xoay. Thông số công nghệ: - Thời gian rang: 5 – 10 phút/ mẻ - Nhiệt độ tác nhân rang: 200 – 240 oC. SVTH: Nhóm 05 Trang 16 GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan Đánh giá phương pháp: Bảng 2.3 Đánh giá thiết bị rang chảo quay gián đoạn Ưu điểm Nhược điểm - Thời gian rang nhanh, - Chi phí thiết bị cao, - Tiết kiệm năng lượng khoảng 20% do các - Thiết bị phức tạp, khó vệ sinh, - Cần hiểu biết rõ về các tính chất của cà hạt tiếp xúc được đảo đều với tác nhân rang, Tạo được sản phẩm đồng nhất và đồng đều - phê để điều khiển các thông số phù hợp về chất lượng Thiết bị rang tầng sôi (liên tục) Hệ thống thiết bị bao gồm cửa nhập liệu, hệ thống tầng sôi, cửa tháo liệu, hệ thống quạt hút, bộ lọc không khí, bộ phận gia nhiệt, bộ phần hạ nhiệt, cyclone và hệ thống lọc bụi, vỏ lụa Hình 2.5 Thiết bị rang tầng sôi - Nguyên lý phương pháp: Cà phê sẽ được cho vào cửa nhập liệu nằm phía trên thiết bị thông qua hệ thống vít tải và vào bên trong thùng rang. Nhìn chung, thùng rang là một khoảng trống với lớp lưới được đặt phía dưới, ngăn cho cà phê không rơi xuống khu vực thổi khí và ngay trên nó là một hệ thống vít tải SVTH: Nhóm 05 Trang 17 GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan khác được sử dụng để dàn đều khối hạt trước khi rang và tháo liệu sản phẩm. Khi cà phê đã được trải đều, cùng lúc đó, không khí sạch được làm nóng bằng hệ thống gia nhiệt đến giá trị cài đặt sẵn và theo quạt hút thổi vào thùng. Lúc này, cà phê sẽ xúc trực tiếp với luồng khí nóng, gia tăng nhiệt độ và bắt đầu diễn ra các quá trình biến đổi sinh – hóa – lý. Đồng thời, hạt cà phê sẽ được khuấy đảo bởi dòng khí nóng ở tốc độ cao. Trong suốt quá trình rang, vỏ lụa sẽ bong ra và theo dòng khí thải đi vào cyclone. Tại đây, dòng không khí sẽ được loại bỏ phần vỏ lụa và bụi bẩn. Sau khi kết thúc quá trình, hạt cà phê được lấy ra ra bằng cửa thoát liệu. Thông số công nghệ: - Thông thường, nhiệt độ rang cà phê dao động từ 180 – 240 oC. Nhiệt độ càng cao và thời gian càng dài thì mức độ rang sẽ càng đậm. Thời gian rang được xác định dựa vào mức độ rang mong muốn và nhiệt độ. Tuy nhiên, thời gian rang không nên vượt quá 1 giờ. Bên cạnh đó, năng suất của thiết bị rang tầng sôi là khá lớn, có thể lên đến 600 kg/ giờ. Đánh giá phương pháp: - Bảng 2.4 Đánh giá thiết bị rang tầng sôi Ưu điểm - Nhược điểm Chất lượng hạt cao và đồng đều về mức - Chi phí nhiên liệu quá cao độ rang - Quá trình vận hành phức tạp - Thời gian rang ngắn hơn - Hạt cà phê không có vị khói Thiết bị đốt sau (afterburners) Trong quá trình nhiệt tại trống rang, cũng có sự giải phóng khoảng 700 các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs như xeton, aldehyde, pyrroles, furan, pyridin, v.v., các hợp chất nitơ và lưu huỳnh), CO2, N2 và hạt vật chất (particulate matter) - điển hình là vỏ lụa từ trống rang được thêm vào khí thải, … Một phần của dòng khí thải được đưa trở lại buồng đốt ở 180–230 ° C thông qua bộ trao đổi nhiệt để thu hồi một phần thải nhiệt và tăng hiệu quả của quá trình thông qua một vòng lặp nửa kín. SVTH: Nhóm 05 Trang 18 Phân tích HQSDNL trong SX cà phê hòa tan GVHD:TS. LẠI QUỐC ĐẠT Hình 2.6 Sơ đồ quá trình rang có và hồi lưu xử lí khí thải Hàm lượng VOCs, PM và CO2, … trong dòng khí thải phải được giảm bớt trước khi thải vào khí quyển để tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng không khí. Do đó, dòng khí thải đi qua một cyclone để loại bỏ PM và sau đó qua một đầu đốt để đốt cháy các chất thải ra trong quá trình rang. Cuối cùng, hơi nước được thoát ra ngoài qua ống khói vào khí quyển ở nhiệt độ 350-400°C. Thiết bị đốt này gọi là afterburners - là một một phần quan trọng của quá trình rang cà phê. Hai loại chất đốt chính được sử dụng: nung- trực tiếp bằng ngọn lửa và xúc tác. Trước đây đốt cháy khí lò ở nhiệt độ cực cao 760°C và sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu. Sau này sử dụng chất xúc tác để phá vỡ các chất ô nhiễm khí thải về mặt hóa học và yêu cầu nhiệt độ khoảng 400°C. Các chất xúc tác cần được thay thế sau mỗi ba lần để bốn năm, dẫn đến chi phí vận hành và bảo trì cao hơn.[5] Hình 2.7 Afterburners được dùng để xử lí khí thải SVTH: Nhóm 05 Trang 19