Кофе ростер by Coffee & Tea

№4’2015

КОФЕ РОСТЕР

Владимир Шамаев

Кофе ростер – специализированная машина для термической обработки семян кофейного дерева, лишенных защитных (пергаментной и серебряной) оболочек. Ростинг как технологический процесс – способ разложения органических веществ, из которых состоит зеленый (сырой) кофе, на более простые химические соединения под действием резкого повышения температуры зерна с ограниченным доступом кислорода. Такие техники известны с незапамятных времен и широко используются в медицине, нефтехимии, пищевой промышленности, пивоварении и других отраслях, а так же в быту. Называют их – пиролиз или крекинг. В большинстве случаев, особенно когда имеют дело со сложными органическими комплексами, например, продуктами питания, пиролиз сопровождается такими специфическими реакциями, как: меланоидинообразование, карамелизация, реакция Майяра, реакция Штрекера и другие. Параллельно с трансформацией веществ в зерне происходит процесс освобождения от свободной воды и дегидратация. Пиролиз приводит не только к изменению химического состава, но и к существенной деформации физико-механических характеристик кофе. Если процесс разложения вовремя не прервать, то в конце мы получим вместо нового продукта с оригинальными органолептическими свойствами микропористую высокоуглеродистую структуру – древесный уголь. скусство обжига зеленого кофе состоит в задании и поддержании такого режима термообработки, который дает возможность проявить наилучшие вкусо-ароматические качества кофе. Оценка этих качеств устанавливается на основе субъективных органолептических ощущений и предпочтений, и является одной из проблем волнующих кофейное сообщество. Ростеры, по своему назначению и массе загрузки сырья можно разделить на бытовые и промышленные. В свою очередь, промышленные делятся на: • Лабораторные — с загрузкой от 100 до 300 г. • Шоп ростеры — с загрузкой от 500 до 5000 г. • Малые и средние — с загрузкой от 1 до 20 кг и от 20 до 200 кг. • Большие фабричные технологические комплексы. Для работы ростеров используют первичные источники тепловой энергии: твердое топливо, жидкое топливо, природный газ, а так же энергию электрического тока и электромагнитного поля. Нагрев зеленого кофе в рабочем объеме ростера происходит с помощью известных способов передачи тепла: • Теплопроводности. Тепло передается благодаря непосредственному контакту с теплоносителем. Процесс продолжается до тех пор, пока температура

НАУКА И ТЕХНОЛОГИИ

e-mail: Vladimir@shamaev.dp.ua web: www.coffeezoom.com.ua

КОФЕ И ЧАЙ В РОССИИ

нагреваемого объекта и тела, нагретого до определенной температуры, не сравняются, то есть, система достигнет термодинамического равновесия. • Конвективного нагрева. Передача тепла потоком жидкости или газа. Конвекция может быть естественной, когда переносчик тепла (теплоагент) перемещается внутри объема без приложения сил извне. И принудительной, когда скорость потока теплоагента изменяется с помощью насосов, создающих разрежение или избыточное давление на входе/выходе камеры обжига. • Радиационного нагрева. Он не требует наличия теплоагента, как в первом и втором способах. Электромагнитные волны могут нагревать тела в вакууме, непосредственно взаимодействуя с объектом — приемником тепла. Самым простым и наглядным примером того, как, используя любой из пере-

численных источников тепла и все способы его передачи, можно проводить термическую обработку семян кофейного дерева, является обжиг на обычной чугунной сковороде. Правда, это простое устройство должно иметь некоторые усовершенствования в виде крышки с ручкой-мешалкой и отверстием для отвода газов, в основном СО2, выделяющихся в процессе пиролиза. Нагреть сковороду можно на костре, газовой горелке, электрической или индукционной плите и других источниках. Раскаленное дно сковороды обеспечивает передачу тепла кофейным зернам. Первое, за счет непосредственного контакта с ее поверхностью. Второе, естественной конвекцией, где теплоагентом является воздух. И третье, магнитным полем в инфракрасном диапазоне излучаемом массивным разогретым телом – чугунной сковородой. Очевидно, что управлять таким «ростером» непросто. Нагрев осуществляется неравномерно. Контроль температурного режима затруднен. Достаточно быстро изменить температуру внутри рабочего объема невозможно – уровень реактивности устройства низкий. Обеспечить постоянство температурно-временной зависимости процесса, которую называют «профилем обжарки», не представляется возможным. Стремясь избавиться от перечисленных недостатков, конструкторы и

изобретатели придумали немало машин для жарки зерна, орехов, семян масличных культур, какао бобов и кофе. Все известные конструкции ростеров состоят из генератора тепловой энергии, рабочего органа, который обеспечивает передачу тепла сырью и необходимые условия процесса, и системы управления технологическим процессом. На блок-схеме (рис. 1) показаны основные и дополнительные части и устройства ростера. Насколько удачно создатели ростера решили технические проблемы при разработке этих трех основных частей машины, зависит надежность ее работы, экономическая эффективность, качество продукта и другие, столь важные для производства характеристики.

ВИДЫ И КОНСТРУКЦИИ РОСТЕРОВ Чанный ростер. Представляет собой металлическую емкость большого объема с подогреваемым дном. Крышка, как правило, отсутствует. Отличается от сковороды для обжига кофе размерами и тем, что устройство нагрева, управления процессом и рабочий

Рис. 1

Блок-схема установки термической обработки кофе

1. Генератор тепловой энергии. 2. Рабочая камера. 3. Устройство загрузки. УК – устройство кондиционирования, УВ – устройство взвешивания, УЗ – устройство загрузки. 4. Устройство выгрузки и охлаждения. ВУ – устройство выгрузки, УО – устройство охлаждения, УВ – устройство взвешивания. 5. Фильтры топочных газов и отходов производства. УТ – утилизация тепловой энергии, ФМ – фильтры механические (циклон), ФЭ – фильтры экологические.

орган выполнены в виде единой конструкции. Барабанный ростер прямого нагрева. Так выглядели первые ростеры. Вращающийся цилиндр с кофейными зернами находился в печи, которая топилась дровами, углем или мазутом. Передача тепла происходила за счет контакта с внутренней поверхностью барабана и естественной конвекции. Сегодня примером ростера прямого нагрева может быть модель TN-1 с массой загрузки 100—500 г кофе производства компании DiScaf. Нагрев барабана осуществляется электрическим нагревательным элементом. Качество работы ростера

6. Устройства управления и контроля. УВК – устройства и приборы визуального наблюдения, УУиК – устройства управления и контроля, УД – устройства документирования, ВИР – ввод и распределение, внешний информационный канал связи.

очень высокое за счет хорошо сбалансированной системы передачи тепловой энергии. Шнековый ростер. Является еще одним представителем ростеров прямого нагрева. Сырье внутри рабочей камеры в форме трубы, перемещается с помощью шнека. Передача тепла происходит так же, как и в предыдущем примере. В большинстве конструкций нагрев камеры осуществляется электричеством. Недостат-

t1 – температура теплоагента на выходе из генератора. t2 – температура в рабочей камере. t3 – температура теплоагента на выходе из рабочей камеры.

ком является значительная длительность процесса. Барабанный ростер с принудительной конвекцией. Считается классикой жанра. Нагрев теплоагента осуществляется природным газом. В моделях малой массы загрузки – электричеством. До 70% тепла зеленому (сырому) кофе передается за счет конвекции смеси воздуха и топочных газов. Остальные 30% — контактным способом. Скорость потока теплоагента в барабане 0,5—1,5 м/сек. Количество тепла, подаваемого в камеру, регулируется изменением мощности горелки или электрических нагревателей

№4’2015

НАУКА И ТЕХНОЛОГИИ

совместно с изменением скорости потока воздуха с помощью шиберных заслонок. Воздушный ростер. Обжарка происходит в сильном потоке воздуха, ско-

рость которого превышает критическую скорость витания. Это относительно новое направление в конструировании ростеров. Принцип работы основан на аэродинамических свойствах семян. 90% тепла передает нагретый воздух. Контакт сырья с поверхностью рабочей камеры проявляется в специфических дефектах на поверхности кофейных зерен. Хорошая управляемость технологическим процессом и короткое время обжарки делают ростеры этого вида популярными. К недостаткам следует отнести низкий КПД установки. Ростинг в псевдокипящем слое. Самый современный способ термообработки всех видов семян, в том числе кофе, какао бобов, орехов и другого сыпучего материала регулярной формы и массы. Принцип работы установки

заключается в следующем. В рабочий орган – емкость с перфорированным дном, подается поток разогретого воздуха. При небольшой скорости воздуха семена кофе, покрывающие дно толстым слоем, остаются в состоянии покоя. Воздух просачивается через массу семян, не изменяя ее плотность. При увеличении скорости потока, семена перемещаются относительно друг друга, расстояние между единичными зернами увеличивается, объем слоя в емкости растет. Такой слой называется кипящим или псевдоожиженным. В кипящем слое каждое семя испытывает воздействие воздушного потока, равное его весу. Скорость воздуха, при которой семена находятся во взвешенном состоянии, называется критической или скоростью витания. При еще большей скорости семена уносятся воздушным потоком. Величина скорости витания зависит от парусности семян – отношение площади проекции наибольшего сечения семени на плоскость, перпендикулярную воздушному потоку, к массе семени. Критическая скорость для кофе находится в широком диапазоне, от 4 до 12 м/сек и зависит от гранулометрического размера, влажности, формы и других физико-механических свойств. Теплоагент – 100% воздушная смесь. Источник тепла – природный газ или электричество. Время процесса обжарки может изменяться от 7 до 30 минут по желанию ростмастера. Высокая реактивность позволяет формировать любой заданный профиль обжарки. Рециркуляция теплоагента и возможность применения устройств по рекуперации тепла во много

раз повышает КПД установки по сравнению с другими ростерами.

ЭКЗОТИЧЕСКИЕ ВИДЫ ОБЖАРКИ КОФЕ •

•

К ним можно отнести: Обжарка в масле. Теплоагентом является жидкое растительное масло высокой степени очистки. Обжарка с сахаром (Torrefacto).

Осциллирующий – колебательный, колеблющийся. – прим. автора.

КОФЕ И ЧАЙ В РОССИИ

Популярный продукт в Португалии, Испании и некоторых странах Латинской Америки. • Обжарка кофейных семян в пергаменте, так называемая RIP обжарка. Интересна тем, что жизненность кофе с защитными оболочками сохраняется в течение 24 месяцев (Рис. 2). • Обжарка в песке, в поваренной соли и даже в воде, что теоретически выполнимо. Конструкторские решения и технические возможности производимых ростеров настолько разнообразны, что сравнивать отдельные модели разных компаний между собой, с моей точки зрения, не имеет особого смысла. Исследование технических характеристик машин и адаптация их к условиям конкретного производства, занятие более продуктивное.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОСТЕРА Главной характеристикой ростера, точнее характеристиками, являются разгонные кривые в трех точках: на входе в рабочую камеру, в объеме рабочей камеры и на выходе из рабочей камеры. Кривые снимают на холостом ходу (без сырья в рабочей камере) с холодного старта при работе генератора тепловой энергии на максимальной мощности. Когда температура в рабочем объеме достигнет 220°С, подачу тепла прекращают. После остывания до 120°С снова запускают нагрев. Так повторяют несколько раз. При этом регулятор потока воздуха в камере остается в среднем положении (оптимальном рабочем). Разгонные кривые внутри рабочей камеры могут иметь вид — рис. 3. По изменению температуры нагрева и времени на отдельных участках кривой можно судить об энергетическом потенциале установки, ее реактивности, инерционности, возможности изменения профиля обжига и других технических характеристиках. Разгонные кривые, снятые при минимальной и максимальной скорости потока воздуха в рабочем объеме, дают дополнительную информацию об управляемости процессом. По сути, разгонные кривые определяют границы, заложенные разработчиком, преодолеть которые технолог никогда не сможет. Другими словами, технолог может формировать режим термообработки кофе – профиль обжарки, только в пределах, обозначенных разгонными кривыми.

Рис. 2 Зависимость «жизнеспособности» зеленого (сырого) кофе от сроков хранения

Существуют и другие общие и специальные технические показатели, а также характеристики: коэффициент объема загрузки, скорость потока теплоагента, стартовая температура, глубина провала кривой, скорость вращения барабана, потребляемая мощность на единицу массы сырья, интенсивность псевдокипения и другие.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ОБЖАРКИ ЗЕЛЕНОГО (СЫРОГО) КОФЕ

показателем ростинга наряду со временем и степенью обжарки. В попытке соединить художественные и научные аспекты в оценке вкусо-ароматических характеристик кофе командой, работающей в университете Цюриха под руководством доктора Чахана Ерецяна (Chahan Yeretzian), был открыт ряд новых параметров, обеспечивающих наблюдение за трансформацией химического состава зерна в процессе обжига. Конечно, подобные технологии и эксперименты требуют больших капиталовложений и доступны только крупным компаниям. Однако часто бывает, что дефицит средств на научные исследования и конструкторские разработки заставляет инженеров и изобретателей находить простые и оригинальные решения. Огромные возможности совершенствования техники термообработки кофе, без значительных финансовых затрат, находятся в сфере цифровых технологий и современного контрольно-измерительного оборудования. Не менее перспективным направлением может быть кондиционирование сырья. Метод вакуумного внедрения в зерно экологически чистых натуральных СО2 эмульсий, производство которых освоено компанией «Биоцевтика» в городе Дедовск открывает новые возможности для повышения качества кофе. В кофейном деле, как и в ростинге в частности, немало проблем, которые ждут своего решения.

Рис. 3

Разгонные кривые сняты в июле 2015 года на предприятии «COFFEE-TECH ENGINEERING» в городе Тель-Авив (читайте графики справа налево) 250

200

150 Beans Temp. Drum Temp.

88:39:00 85:22:00 82:05:00 78:48:00 75:31:00 72:14:00 68:57:00 65:40:00 62:23:00 59:06:00 55:49:00 52:32:00 49:15:00 45:58:00 42:41:00 39:24:00 36:07:00 32:50:00 29:33:00 26:16:00 22:59 19:42 16:25 13:08 9:51 6:34 3:17

Споры специалистов о способах Air Temp. обжарки кофе не утихают уже много лет. Прекратить дискуссию о достоинствах и недостатках традиционного медленного и нового быстрого методов термообработки кофе можно единственным способом, предложив обжарщикам машину, способную обеспечить любой профиль, даже такой необычный, как обжиг в осциллирующем2 режиме. Сегодня много сделано для решения этой сверх задачи. Хорошим примером могут быть ростеры, разработанные гигантом пищевого машиностроения BUHLER AG, модель Infinity Roast TM, изделие «Тайфун 2» НПО «Тайфун Инновация» город Ставрополь, аппарат «Бриз» компании «Мегант» из подмосковного Домодедова и другие. Несмотря на все достижения, основными величинами, с помощью которых контролируют процесс обжига кофе, остаются температура и время. О новом параметре контроля технологического процесса сообщает в своем интервью, опубликованном в Global Coffee Report, известный специалист, начальник подразделения, специализирующегося на кофейном оборудовании, компании BUHLER, участник всех Московских Кофейных Форумов доктор Стефан Шенкер. Он говорит, что порозность (пористость) псевдокипящего слоя, его термин — «air – to – bean ratio» (соотношение объема воздуха и объема зерна) достаточно информативная и стабильная величина, и ее можно считать еще одним

100