GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Phụ Lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT CÀ PHÊ ............... 1 1.1 Quy trình sản xuất cà phê ........................................................................... 1 1.2 Vai trò hệ thống rang .................................................................................. 3 1.3 Lợi ích từ cà phê với sức khoẻ con người ................................................... 3 1.4 Giới thiệu đề tài.......................................................................................... 4 1.4.1 Nhu cầu của sản phẩm ......................................................................... 4 1.4.2 Sự cần thiết của cà phê xay .................................................................. 5 1.5 Khái niệm, yêu cầu khi rang ....................................................................... 6 1.5.1 Bắt đầu rang đến nhiệt độ trên 100 độ C .............................................. 7 1.5.2 Giai đoạn hạt cà phê chuyển sang ngã màu vàng nhạt .......................... 7 1.5.3 Giai đoạn vàng đậm ............................................................................. 7 1.5.4 Giai đoạn chuyển sang màu nâu nhạt ................................................... 8 1.5.5 Giai đoạn chuyển sang màu nâu. .......................................................... 8 1.5.6 Giai đoạn nổ lần thứ nhất ..................................................................... 9 1.5.7 Giai đoạn ngưng tiếng nổ ..................................................................... 9 1.5.8 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần một .......................................... 10 1.5.9 Giai đoạn chuẩn bị nổ lần hai............................................................. 10 1.5.10 Giai đoạn bắt đầu nổ lần hai –............................................................ 10 1.5.11 Giai đoạn nổ lần hai ........................................................................... 10 1.5.12 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần hai ........................................... 11 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY .................................................... 13 2.1 Các nguyên lý Rang ................................................................................. 13 2.1.1 Các Phương án đưa ra ........................................................................ 13 2.1.2 Lựa chọn phương án .......................................................................... 18 2.2 Làm nguội sau khi rang ............................................................................ 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY ............................................................................ 21 3.1 Số liệu tính toán thiết kế ........................................................................... 21 3.2 xác định công suất cần thiết ...................................................................... 21 3.3 Chọn động cơ điện ................................................................................... 27 3.3.1 LVTN Xác định công suất động cơ: .............................................................. 27 Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê i GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng 3.3.2 SVTH: Phạm Văn Minh Tính toán thiết kế bộ truyền đai thang ................................................ 28 3.4 Tính toán thiết kế trục chính ..................................................................... 30 3.5 Góc nghiêng cánh đảo khi rang ................................................................ 35 3.6 Tính chọn các chi tiết phụ ........................................................................ 36 3.6.1 Bộ phận làm nguội ............................................................................. 36 3.6.2 Chọn Cyclon lọc bụi: ......................................................................... 40 3.6.3 Chọn quạt hút .................................................................................... 42 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT & THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ………………..………………………………………………………………… ……44 A) THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NHIỆT ............................................................ 44 4.1 Tính toán nhiệt cho quá trình rang ............................................................ 44 4.1.1 Thông số vật liệu sấy ......................................................................... 44 4.1.2 Thông số tác nhân sấy........................................................................ 44 4.1.3 Tổn thất nhiệt do vật liệu lấy đi.......................................................... 46 4.1.4 Tổn thất nhiệt vào môi trường............................................................ 46 4.2 Chọn điện trở gia nhiệt ............................................................................. 47 B) THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN .............................................................................. 48 4.3 Tổng quan mạch điện ............................................................................... 48 4.4 Lưu đồ giải thuật ...................................................................................... 48 4.5 Thiết kế mạch điện ................................................................................... 50 4.6 Hiển thị nhiệt độ rang ............................................................................... 52 4.7 Bảo trì, bảo dưỡng.................................................................................... 53 4.7.1 Chế độ bôi trơn ổ bi: .......................................................................... 53 4.7.2 Làm sạch thùng rang và thùng nguội định kì. ..................................... 54 4.7.3 Vệ sinh si lô lọc bụi. .......................................................................... 54 4.7.4 Kiểm tra, thay thế thanh điện trở nhiệt. .............................................. 54 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .................................................................................... 55 LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê ii GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Phụ lục hình Nôị dung STT Trang 1 Hình 1.1 quy trình chế biến cà phê khô 1 2 Hình 1.2 Vị thế xuất khẩu cà phê trên trường quốc tế. 5 3 Hình 1.3 Sản lượng cà phê qua các năm 6 4 Hình 2.1 Rang cà phê bằng chảo rang thường 14 5 Hình 2.2 Gia nhiệt theo nguyên lý dòng khí nóng 15 6 Hình 2.3 Máy rang dạng thùng quay 16 7 Hình 2.4 Cấu tạo nguyên lý máy rang cà phê thùng quay. 17 8 Hình 2.5 Tổng thể máy rang 19 9 Hình 2.6 Thùng làm nguội 20 10 Hình 3.1 Thùng chính của máy rang 21 11 Hình 3.2 Sơ đồ tính toán với cánh hướng tâm 24 12 Hình 3.3 Sơ đồ tính toán với cánh hướng tâm 25 13 Hình 3.4 Động cơ hộp giảm tốc hãng Watt 27 15 Hình 3.5 Các kích thước của động cơ hộp giảm tốc 28 14 Hình 3.6 Bộ truyền đai thang 28 16 Hình 3.7 Biểu đồ moment trục chính 32 17 Hình 3.8 Cánh đảo khi làm việc 35 18 Hình 3.9 Góc nghiêng cánh đảo 36 19 Hình 3.10 sơ đồ cấu tạo bộ phận làm nguội 37 20 Hình 3.11 động cơ hộp giảm tốc hãng Watt 38 21 Hình 3.12 các kích thước của động cơ hộp giảm tốc 38 22 Hình 3.13 : Các kích thước cơ bãn của nối trục vòng đàn hồi 39 23 Hình 3.14 xyclon lọc bụi 41 24 Hình 3.15 Kích thước quạt hút 42 25 Hình 4.1 Đồ thị I-d của quá trình rang 45 27 Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật 49 28 Hình 4.3 Sơ đồ mạch điện tổng quát 50 LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê iii GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh 29 Hình 4.4 Sơ đồ mắc điện trở R1 và biến trởR2. 50 30 Hình 4.5 Sơ đồ mạch động lực 51 31 Hình 4.6 Sơ đồ mạch điều khiển 52 32 Hình 4.7 Đèn led 7 đoạn và các chân của nó. 52 33 Hình 4.8 Sơ đồ nối dây. 53 34 Hình 4.9 Màn hình hiển thị. 53 LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê iv GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm qua, các ngành, các doanh nghiệp Việt Nam đã có rất nhiều cố gắng nghiên cứu khoa học, đổi mới công nghệ và đã đạt được những thành quả đáng khích lệ đặc biệt là trong ngành chế biến nông – lâm – ngư – nghiệp. Cùng với xu hướng đó xu hướng nâng cao chất lượng sản phẩm để xuất khẩu hay tăng hiệu quả sản xuất kinh doanh. Nước ta là nước nông nghiệp, có những mặt hàng xuất khẩu có vị thế cao trên thì trường quốc tế như: gạo, chè, cà phê… Cà phê là một trong những thức uống từ lâu đời có giá trị dinh dưỡng cao. Việt nam là một trong những nước xuất khẩu cà phê đứng thứ 2 thế giới (sau Brazil). Tuy nhiên giá trị cà phê của nước ta không cao vì xuất khẩu thô và chất lượng chế biến kém so với thế giới. Do đó muốn nâng chất lượng phải đầu tư nâng cao thiết bị chế biến. Nhưng giá cả trang thiết bị của nước ngoại lại quá đắt. Do đó với mục tiêu nâng cao chất lượng sản phẩm, hạ giá thành, em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi để thiết kế ra chiếc máy rang cà phê đáp ứng nhu cầu của thị trường. Trong quá trình thiết kế do kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, em mong thầy cô đóng góp và chỉ dẫn thêm để em bổ sung vào những phẩn thiếu xót ấy. Em gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Phạm Huy Hoàng, thầy đã giúp đỡ, chỉ bảo em rất nhiều trong quá trình làm để em có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Sinh viên Phạm Văn Minh LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê v GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng CHƯƠNG 1: SVTH: Phạm Văn Minh TỔNG QUAN VỀ DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT CÀ PHÊ 1.1 Quy trình sản xuất cà phê Quy trình sản xuất cà phê bao gồm nhiều gai đoạn sử lý và chế biến khác nhau. Để có sản phẩm cà phê trên thị trường các gai đoạn này cần đảm bảo chất lượng đồng đều, không bị phế phẩm… Hình dưới cho biết quy trình tổng quát về dây truyền sản xuất cà phê theo phương pháp khô. Hiện tại chủ yếu cà phê được sản xuất theo phương pháp này. Tuy nhiên cà phê ở nước ta được chế biến thành cà phê nhân sau đó sẽ bán cho các đại lý thu mua về chế biến tiếp hay xuất khẩu, trừ 1 số chủng loại cà phê do đặc tính yêu cầu kĩ thuật cao nên sẽ trực tiếp cung cấp cho công ty ngay sau khi thu hoạch. Cuối cùng, sản phẩm cà phê có mặt trên thị trường sẽ được rang, xay, nghiền để tạo cà phê thành phẩm cung cấp cho người tiêu dùng. Hình 1.1 quy trình chế biến cà phê khô LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 1 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Trên thế giới hiện nay có 75 nước trồng cà phê với diện tích trên 10 triệu hecta và sản lượng hàng năm biến động trên dưới 6 triệu tấn. Năng suất bình quân chưa vượt quá 6 tạ nhân/ha. Trong đó ở châu Phi có 28 nước năng suất bình quân không vượt quá 4 tạ nhân/ha. Nam Mỹ đạt dưới 6 tạ nhân/ha. Bốn nước có diện tích cà phê lớn nhất đó là: Brazil trên 3 triệu hecta chiếm 25% sản lượng cà phê thế giới, CÔTE D'LVOIRE (CHẤU PHI), INDONESIA (CHẤU Á) mỗi nước khoảng 1 triệu hecta và Côlômbia có gần 1 triệu hecta với sản lượng hàng năm đạt trên dưới 700 ngàn tấn. Do áp dụng một số tiến bộ kỹ thuật mới như giống mới và mật độ trồng dày nên đã có hàng chục nước đưa năng suất bình quân đạt trên 1 tấn/ha. Điển hình có Costa Rica ở Trung Mỹ với diện tích cà phê chè là 85.000 ha nhưng đã đạt năng suất bình quân trên 1.400 kg/ha. Do sự xuất hiện và gây tác hại của bệnh gỉ sắt cà phê tại nhiều nước Trung và Nam Mỹ từ năm 1970 trở lại đây đã gây thêm những khó khăn và tốn kém cho nghề trồng cà phê ở khu vực này. Cà phê chè hiện nay vẫn chiếm 70% sản lượng của thế giới. Diện tích cà phê chè được trồng tập trung chủ yếu ở Trung và Nam Mỹ, một số nước ở Đông Phi như: Kenya, Cameroon, Ethiopie, Tanzania và một phần ở châu Á như: Indonesia, Ấn Độ, Philippines. Thị trường cà phê trên thế giới trong những năm vừa qua thường chao đảo, không ổn định nhất là về giá cả. Tổ chức cà phê thế giới (ICO) do không còn giữ được hạn ngạch xuất nhập khẩu, giá cả trôi nổi trên thị trường tự do cho nên có những giai đoạn giá cà phê xuống thấp chưa từng có so với vài chục năm trở lại đây. Tình trạng này đã dẫn đến hậu quả là nhiều nước phải hủy bỏ bớt diện tích cà phê, hoặc không tiếp tục chăm sóc vì kinh doanh không còn thấy có hiệu quả. Năm 1994 do những đợt sương muối và sau đó là hạn hán diễn ra ở Brazil, vì vậy đã làm cho sản lượng cà phê của nước này giảm xuống gần 50%, do đó đã góp phần làm cho giá cà phê tăng vọt, có lợi cho những người xuất khẩu cà phê trê thế giới. Cà phê là một loại nước uống cao cấp, nhu cầu đòi hỏi của người tiêu dùng vẫn không ngừng tăng lên, chưa có những sản phẩm nhân tạo được chấp nhận để thay thế cho cà phê, vì vậy việc trồng, xuất khẩu, nhập khẩu loại hàng hóa đặc biệt này vẫn có một ý nghĩa kinh tế lớn đối với nhiều nước.Vấn đề quan trọng cần có nhận thức đầy đủ là: sản phẩm cà phê đem ra thị trường phải đảm bảo chất lượng. Trong cơ chế thị trường: Tiền nào - của nấy, lại càng đúng với mặt hàng CÀ PHÊ. LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 2 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh 1.2 Vai trò hệ thống rang Theo quy trình sản xuất cà phê theo sơ đồ trên ta thấy: để có sản phẩm cà phê thành phẩm đều trải qua giai đoạn rang chín hạt cà phê. Từ xưa tới nay có nhiều phương thức, cách thức rang cà phê khác nhau đã được dử dụng. Những chuyên gia của bộ phận rang kết hợp sự kinh nghiệm về kiểm soát thời gian cùng với nhiệt độ khoa học, tài năng uyển chuyển. Nhiệt độ rang là một điều tiên quyết đến chất lượng của hạt cà phê. Có những người yêu thích cà phê có vị nhẹ bắt nguồn từ những đặc tính độc đáo của hạt cà phê nguyên thủy (Ví dụ: Kenya, Java, Jamaica.) Một số khác lại thích cà phê rang đậm hơn mà đặc tính của những hạt này mang lại mùi vị đậm đà. Màu “full city” được xem là màu hoàn hảo nhất, không qúa nhẹ hoặc qúa đậm. Rang cà phê là một quá trình mà trong đó những hợp chất chứa mùi vị của cà phê được giải phóng nhờ một loạt các phản ứng hoá học. Hương vị, độ chua, độ đậm nhạt và dư vị của cà phê phụ thuộc rất nhiều vào quá trình này. Quá trình rang cà phê bao gồm ba giai đoạn: 1.3 Lợi ích từ cà phê với sức khoẻ con người Giúp tỉnh táo: Vì sao mọi người tìm đến với cà phê? Họ tin rằng thành phần cà phêin có trong cà phê giúp kéo dài sự tỉnh táo và ngăn không cho cảm giác mệt mỏi xuất hiện, nhất là khi bạn phải làm việc đầu óc hoặc thực hiện một công việcnhàm chán. Trong khi điều khiển xe, cà phê in giúp ngườười lái phản xạ nhanh hơn và nhìn tốt hơn. Tăng cường trí nhớ: Uống cà phê sẽ có lợi cho trí nhớ bởi cà phê có tác dụng thúc đẩy hoạt động của não bộ. Sau khi uống cà phê được 20 phút, những người tham gia đã làm rất tốt các bài kiểm tra trí nhớ. Nguyên do là cà phê đã làm tăng hoạt động trong một khu vực của bộ não ở thùy trán - nơi chứa hệ thống trí nhớ và quản lý sự chú ý. Không gây béo: Cà phê chứa rất ít năng lượng - một tách cà phê chỉ mang lại 2-5 kcal (nếu không thêm đường). Hơn nữa, cà phê in có trong cà phê còn làm tăng tiêu hao năng lượng cơ bản! Với sự có mặt của cà phê in trong cơ thể, chi phí năng lượng cho hô hấp, việc duy trì tư thế và hoạt động trí óc sẽ tăng 16%. Kích thích tiêu hóa: Truyền thống này xuất phát từ một hiệu quả thực sự của cà phêin, đó là khả năng cải thiện tiêu hóa, thông qua tăng tiết nước bọt và các men tiêu hóa, kích thích nhu động ruột. LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 3 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Chống đau đầu: Cà phê in gây co thắt các mạch máu não, và nhờ đó làm giảm cường độ cũng như thời gian kéo dài của cơn đau đầu. Kết hợp với paracetamol hay aspirin, cà phêin cũng tạo được hiệu quả giảm đau mạnh hơn. Tăng cường sức lực khi chơi thể thao: Cà phê in tác động lên hệ thần kinh, khiến bạn tỉnh táo hơn và làm tăng nhịp tim. Ngoài ra, trong thời gian luyện tập, nó còn kích thích cơ thể sử dụng mỡ như nguồn năng lượng chính, cho phép tiết kiệm kho dự trữ glycogene của cơ, khiến bạn lâu bị mệt hơn. Cà phêin cũng trực tiếp làm tăng sức co của cơ. Chống sỏi mật: Theo kết quả nghiên cứu tiến hành đối với 7.800 y tá Mỹ, những người uống từ 4 chén cà phê mỗi ngày trở lên giảm được 25% nguy cơ sỏi mật. Những công trình khác lại cho thấy ảnh hưởng mạnh mẽ hơn của cà phê đối với nam giới: Đồ uống này làm giảm tới 45% nguy cơ mắc bệnh sỏi mật ở cánh mày râu. Giàu chất chống oxy hóa: Ngoài cà phêin, cà phê còn chứa các chất chống oxy hóa. Polyphenol trong cà phê bảo vệ cơ thể khỏi sự lão hóa của các tế bào bình thường và sự đột biến của các tế bào ung thư. Phòng ngừa bệnh Parkinson: Nhiều công trình khoa học cho thấy, những người thường xuyên dùng cà phê ít mắc bệnh Parkinson hơn những đối tượng khác. Hiệu quả bảo vệ là khoảng 30% với người dùng 2 chén cà phê mỗi ngày. Giúp ngủ ngon: Người ta đã chứng minh được rằng, nếu đi ngủ trong vòng 15 phút sau khi uống cà phê thì giấc ngủ sẽ sâu hơn, bởi máu trong não được lưu thông tốt hơn. Và một vài lợi ích khác… 1.4 Giới thiệu đề tài 1.4.1 Nhu cầu của sản phẩm Từ những lợi ích mà cây cà phê cũng như giá trị kinh tế mang lại, nhiều cá nhân, tổ chức đã chế biến cà phê để phục vụ cho đời sống kinh doanh. Một trong số những phương pháp ưu tiên hàng đầu là cà phê phục vụ cho lĩnh vực dịch vụ. Ngày nay chúng ta thấy quán cà phê ở mọi nơi, ở quán sang trọng hay bình dân thậm chí là quán cóc ven đường cũng xuất hiện những sản phẩm này. Hiện nay trên thị trường có 2 dòng cà phê chính là cà phê hoa tan và cà phê xay thông thường, với những người bận rộn hay tiết kiệm thời gian thì cà phê hoà tan là sự lựa LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 4 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh chọn tuyệt vời. Tuy nhiên với những người muốn thưởng thức hương vị cà phê, vừa ngâm nghi ly cà phê và xem báo thì cà phê phin (cà phê xay) luôn là lựa chọn tối ưu. Nhu cầu sử dụng cà phê ngày càng cao và nó trở thành đồ uống được yêu thích, thành nước giải khát nhanh… 1.4.2 Sự cần thiết của cà phê xay Dễ dàng thấy cà phê xay ngày càng nhiều chủng loại, phong phú về hương vị và đặc sắc hơn giúp người tiêu dùng có thêm nhiều sự chọn lựa. Trong các nghành dịch vụ kinh doanh cà phê đại đa số đều sử dụng cà phê xay để pha chế thành ly cà phê phục vụ khách hàng. Thực tế cho thấy rằng kể từ những năm của thập kỷ 90, ngành cà phê nước ta đã có bước tăng trưởng vượt bậc và trở thành một ngành kinh tế quan trọng của nền kinh tế nông nghiệp. Cà phê là nông sản xuất khẩu quan trọng đứng hàng thứ hai sau lúa gạo. Bên cạnh đó về mặt xã hội, ngành cà phê còn thu hút trực tiếp khoảng 600 ngàn lao động, chiếm xấp xỉ 3% tổng lao động nông nghiệp và cuộc sống của khoảng 1 triệu người chịu ảnh hưởng từ sự phát triển của ngành cà phê. Dù đã trở thành nước xuất khẩu cà phê đứng thứ 2 thế giới, nhưng các doanh nghiệp xuất khẩu nước ta vẫn hoàn toàn bị động trước những biến động của thị trường thế giới. Hàng năm, nước ta xuất khẩu khoảng 1 triệu tấn cà phê (chủ yếu là robusta) tới 80 nước và vùng lãnh thổ, trong đó có 10 nước là bạn hàng lớn. Có nhiều đầu mối và doanh nghiệp nước ngoài mua trực tiếp cà phê Việt Nam. Hình 1.2 Vị thế xuất khẩu cà phê trên trường quốc tế. LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 5 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Hình 1.3 Sản lượng cà phê qua các năm Dù những thành tích trên là rất đáng mừng nhưng thực tại chúng ta chưa có nhiều thương hiệu nổi tiếng thế giới để xứng tầm với vị thế là cường quốc thứ 2 về cà phê như Việt Nam. Để có sản phẩm cà phê cung cấp cho thị trường cần trải qua rất nhiều công đoạn để có một sản phẩm cà phê hoàn chỉnh: Từ quả cà phê -> hái, bảo quản -> say, sấy -> cà phê nhân -> rang cà phê -> xay, nghiền thành sản phẩm cà phê xay hay qua một vài khâu để trở thành cà phê hoà tan. Theo quy trình trên Em thấy giai đoạn rang cà phê cực kì quan trọng, cách rang khác nhau cho ta hương vị đặc trưng khác nhau. Xuất phát từ nhu cầu này đã hình thành ý tưởng “Thiết Kế Máy rang hạt cà phê”. 1.5 Khái niệm, yêu cầu khi rang Rang là quá trình gia nhiệt cho hạt cà phê nhằm làm chín hạt cà phê để sử dụng. Hạt cà phê rang là một quá trình cực kỳ biến đổi, liên quan đến quá trình thu nhiệt và tỏa nhiệt (sưởi ấm và phát hành nhiệt), kết quả phản ứng hóa học, và những thay đổi vật lý quyết liệt. Bắt đầu như là nhỏ, xuất hiện và hương thơm dường như không có bất cứ điều gì để làm với tất cả những gì chúng ta biết là một tách cà phê, hạt cà phê thay đổi từ màu xanh lá cây, màu vàng, ánh sáng màu nâu, và cuối cùng tối màu nâu. Rang cà phê là một quá trình mà trong đó những hợp chất chứa mùi vị của cà phê được giải phóng nhờ một loạt các phản ứng hoá học. Hương vị, độ chua, độ đậm nhạt và dư vị của cà phê phụ thuộc rất nhiều vào quá trình này. LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 6 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Lúc còn sống, gọi là cà phê nhân, bản thân hạt cà phê đã có một mùi thơm đặc trưng. Nhất là hạt cà phê Moka sống có một mùi thơm dễ chịu, tương tự như mùi thảo dược, mùi của thuốc nam, mùi của hoa cỏ khô... Quá trình rang cà phê gồm các giai đoạn: 1.5.1 Bắt đầu rang đến nhiệt độ trên 100 độ C Giai đoạn này cà phê có màu vàng nhạt. Khoảng thời gian đầu của quá trình rang là để truyền nhiệt cho hạt cà phê. Hạt cà phê từ từ nóng lên dần và bắt đầu bốc hơi nước chứa bên trong, hạt cà phê hơi teo lại và hầu như có rất ít sự thay đổi. Trong giai đoạn nầy, bí quyết rang cà phê ngon là tránh cho hạt cà phê chai cứng bằng cách rang thế nào để tạo ra dòng không khí nóng đối lưu tối đa trong trống rang và việc chuyển giao nhiệt diễn ra hiệu quả nhất và lan nhiệt đồng đều đến mỗi hạt cà phê … 1.5.2 Giai đoạn hạt cà phê chuyển sang ngã màu vàng nhạt Nhiệt độ trên 150 độ C Lúc này, hạt cà phê vẫn tiếp tục hấp thu nhiệt, bốc hơi nước và bắt đầu có sự thay đổi chút ít về thể tích. Trong giai đoạn nầy từ lò rang lan tỏa ra một mùi thơm nồng của cỏ tươi và rơm khô hòa quyện rất đặc trưng. Từ hạt cà phê nóng tỏa ra mùi hương của cây cỏ, của cánh đồng, vườn cây râm mát, làm ta nhớ đến quê nhà xa xôi, và thanh tịnh. Hạt cà phê đang trong giai đoạn thu nhiệt rất nhanh và thay đổi kích thước để chuẩn bị cho giai đoạn nổ đầu tiên. 1.5.3 Giai đoạn vàng đậm Nhiệt độ khoảng 180 độ C LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 7 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Hạt cà phê ngả sang màu vàng đậm, hình dáng bắt đầu thay đổi, thể tích gia tăng từ 2030%, bề mặt hạt bắt đầu có các gân nổi lên. Lúc nầy mùi hương tỏa ra giống như là mùi của bánh mì cháy, mùi gỗ cháy, mùi của đất mới sau cơn mưa đầu mùa, có cả mùi của củ khoai lang nướng từng làm ta hồi bé có lần thèm thuồng... 1.5.4 Giai đoạn chuyển sang màu nâu nhạt Nhiệt độ khoảng 200 độ C Chuẩn bị cho giai đoạn phát tiếng nổ đầu tiên của hạt cà phê. Hạt cà phê càng nở lớn nhanh chóng, mùi thơm đã chuyển qua mùi ngọt ngào giống như mùi quả chin, như mùi của mật ong, lại thoang thaong3 mùi của mạch nha. Tuy nhiên, lúc nầy các phản ứng hóa học vẫn chưa xảy ra hoàn tất, các phân tử hương vẫn chưa đước giải phóng và cấu trúc sợi của hạt cà phê vẫn rất bền chặc. Nếu lúc nầy lấy hạt ra và xay bột, và pha uống thì vị của cà phê lúc nầy khá là chua và mùi cà phê vẫn chưa tinh tế, và có mùi còn ngai ngái, nồng nồng. 1.5.5 Giai đoạn chuyển sang màu nâu. Nhiệt độ trên 200 độ C-Nhiệt độ khoảng 210 độ C Các tiếng nổ bắt đầu vang lên trong thùng quay của lò rang. Các phản ứng hóa học qua tác dụng nhiệt xảy ra bắt đầu đốt cháy các tinh thể đường trong hạt cà phê tạo ra màu nâu caramen, mùi của đường mạch nha càng lúc càng rõ, việc này xảy ra là do một phản ứng hóa nâu thực phẩm dưới tác dụng nhiệt được gọi là phản ứng Maillard. Qua phản LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 8 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh ứng Maillard nầy thực phẩm trở nên thơm ngon hơn và bắt đầu biến đổi mầu sắc sậm hơn. 1.5.6 Giai đoạn nổ lần thứ nhất Nhiệt độ khoảng 210 độ C Tại thời điểm này, các tiếng nổ rộn rã của hạt cả phê đã vang lên nghe rất vui tai trong thùng quay. Người rang cà phê, với sự nhạy cảm, luôn mong chờ nghe tiếng nổ thân thương nầy. Nhiệt độ tăng lên nhanh. Hạt cà phê có nhiều biến đổi về hình thức, phẩm chất lẫn hương vị. Khói bắt đầu tỏa ra nhiều hơn, mùi thơm ngào ngạt tỏa ra, hấp dẫn. Từ thời điển nầy trở đi, quá trình rang trở nên sinh động, hạt cà phê bắt đầu bước vào giai đoạn chín để cho ra sản phẩm theo ý định của người thợ rang, còn người thợ rang thì vận dụng tất cả các giác quan lẫn tâm hồn say mê của mình để chăm sóc, nâng niu cho mẽ rang như nâng niu 1 công trình nghệ thuật của riêng mình... 1.5.7 Giai đoạn ngưng tiếng nổ Nhiệt độ khoảng 215 độ C Giai đoạn nổ đầu tiên là một phản ứng tỏa nhiệt. Sau 1 thời gian hấp thu nhiệt thì qua việc nở lớn đột ngột về thể tích, tăng lên đến khoảng 150%, trọng lượng giảm từ 10- 17 % và tạo ra hàng loạt tiếng nổ giòn tan rộn rã, nhiệt lượng bên trong hạt thoát ra nhanh chóng. Kế đó, ngay lập tức hạt cà phê lại bắt đầu giai đoạn thu nhiệt. Do đó trong quá trình rang, sau lần nổ thứ nhất, sẽ cần có thêm 1 giai đoạn ngắn để hạt cà phê thu thêm nhiệt lượng nhằm tiếp tục được nung nóng và được biến đổi. Vì thế, trong quá trình rang, tiếng nổ reo vui lần thứ nhất bỗng nhiên giảm xuống rồi ngưng lại. Lúc nầy phản ứng caramen xảy ra nhanh chóng. Các phản ứng hóa học làm phát sinh mùi vị thơm ngon của cà phê cũng xảy ra, khói bốc lên khá nhiều. Về hình thức hạt cà phê sau khi nở rộng kích thước thì hơi thu lại và xuất hiện các vết nhăn, nứt phía bên mặt dưới của hạt. LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 9 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh 1.5.8 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần một Nhiệt độ khoảng 220 độ C Vào lúc này, hạt cà phê bắt đầu thoát ra một lượng khí carbon dioxide nên khói bốc nhiều hơn. Không gian lan tỏa mùi bánh nướng, mùi hạt rang đặc trưng…Trọng lượng hạt cà phê tiếp tục giảm xuống. 1.5.9 Giai đoạn chuẩn bị nổ lần hai Nhiệt độ khoảng 225 độ C Hạt cà phê tiếp tục thu nhiệt và thể tích càng nở lớn hơn, nhất là hạt cà phê Moka, thể tích có thể tăng trên 150%. Các phản ứng hóa học vẫn liên tục xảy ra trong hạt cà phê. Hạt cà phê có nhiều thay đổi và chuẩn bị bước vào giai đoạn nổ lần hai 1.5.10 Giai đoạn bắt đầu nổ lần hai – Nhiệt độ khoảng 225 độ C Lúc này từ trong hạt cà phê tiết ra nhiều chất dầu, bao phủ cả hạt cà phê, làm cho hạt cà phê trở nên sáng bóng, và nhìn có vẻ ẩm ướt. Mùi thơm càng lúc càng tinh tế, hấp dẫn lan tỏa cả không gian của vùng lò rang, làm ngây ngất những ai ở xung quanh… 1.5.11 Giai đoạn nổ lần hai Nhiệt độ khoảng 235 độ C Tiếng nổ lần thứ hai phát sinh từ sự là bẻ gãy vật lý của các cấu trúc celllose trong hạt cà phê. Mỗi một chủng loại hạt cà phê của các giống cà phê có các cấu trúc khác nhau, cho nên tiếng nổ lần thứ hai nầy, tùy theo giống cà phê mà chúng ta lắng nghe có âm thanh, tần suất, cường độ âm, và âm vực khác nhau. Tiếng nổ lần nầy không rộn rã như lần trước nhưng khô khốc, giòn và xảy ra LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 10 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh nhanh chóng như tiếng bẻ gảy của các cành cây khô. Theo phương pháp rang thủ công tại việt nam với truyền thống rang lò than, rang củi… Việc quan sát, lắng nghe, phân biệt, nhận định được âm thanh của tiếng hai lần nổ từ hạt cà phê, mùi hương tỏa ra qua từng giai đoạn rang, màu sắc của khói, của hạt cà phê và cả cảm nhận tinh tế qua kinh nghiệm sẽ quyết định cho chất lượng của mẻ rang. Hiện nay có nhiều loại máy rang cà phê bán tự động hay hoàn toàn tự động rất hiện đại, rang theo các chương trình được đã lập trình hay theo chương trình tuyển chọn tối ưu của người thợ. Theo một số người qua việc thưởng thức, trãi nghiệm cà phê được rang bằng các máy móc tự động và so sánh với cà phê rang theo cách truyền thống của người thợ, cho rằng, tuy mỗi phương án đều có 1 kết quả tốt nhất định nào đó về phẩm chất của hạt cà phê. Thế nhưng, họ cảm thấy hạt cà phê rang thủ công ngon hơn rang bằng máy. Khá là thú vị. Có phải chăng vì nó thấm cả hồn đam mê của con người? Tuy nhiên, vì môi trường, vẫn nên chọn cách rang bằng máy với nhiên liệu ga hay điện. Có lẽ, rồi đây, công việc rang cà phê bằng lò than và củi nầy sẽ chỉ còn là kỷ niệm ngọt ngào với những ai mỗi lần đứng bên lò rang, nhìn từng mẻ cà phê đổ ra mà như nhìn thấy thêm một đứa con của mình ra đời. Thật vậy, đối với người đam mê, rang cà phê như thực hiện 1 tác phẩm nghệ thuật. 1.5.12 Giai đoạn sau khi ngưng tiếng nổ lần hai Nhiệt độ khoảng 240 độ C Lúc nầy hạt cà phê rang có màu nâu đậm, thể tích tăng tối đa, hạt cà phê nở lớn, nhất là hạt cà phê Moka có thể tăng kích thước gần gấp đôi, và trọng lượng có thể giảm từ 20-30%, hương thơm ngào ngạt theo khói bốc lên, lan tỏa khắp khu vực. Nhất là rang Cà phê Chồn, có thể nói mùi thơm của nó có cả mùi của động vật Cầy Hương. Theo kinh nghiệm, lúc nầy cà phê rang là ngon nhất, tất cả các phản ứng hóa học tạo nên hương vị thơm ngon trong hạt cà phê đã diễn ra xong. Hạt cà phê đã trãi xong quá trình biến đổi bởi tác động của nhiệt để cho ra một sản phẩm tuyệt vời, phục vụ cho niềm đam mê muôn đời của nhân loại. Canh thời đểm chính xác và tốt nhất để ngưng quá trình rang tùy theo chất lượng hạt cà phê sống của mỗi mẽ rang là cả bí quyết và kinh nghiệm của người thợ rang...Có thể nói vào lúc nầy, mỗi giây phút trôi qua hay mỗi vòng quay của trống LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 11 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh (thùng) rang cà phê sẽ tạo ra hương vị và phẩm chất của hạt cà phê khác nhau. Cà phê rang càng đậm màu thì chất cà phêine càng giảm, vị chua càng giảm, vị đắng đậm đà và mùi carbon càng tăng.... Cà phê được đổ ra khỏi thùng quay, được làm nguội mau chóng, tránh việc làm bay mất hương thơm quyến rũ và mất vị đậm đà làm đắm say con người. Người thợ Việt sẽ còn biết cách pha chế, phối trộn các loại rượu thơm ngon khác nhau để tẩm vào hạt cà phê còn nóng vào lúc nầy, vì hiểu rằng dưới tác dụng nhiệt, các phân tử rượu sẽ nhanh chóng len lỏi vào cấu trúc phân tử của cà phê tạo thêm 1 phản ứng phụ sau rang, vừa làm giảm nhiệt nhanh chóng, và cung cấp thêm độ ẩm cho hạt cà phê (độ ẩm bảo quản (< 13 %) vì khi rang độ ẩm chỉ còn 0,5 %), vừa tạo ra phản ứng ester hóa có mùi thơm. cho ra sản phẩm độc đáo. Tuy nhiên phải ướp rượu (đôi khi có bơ hay caramen) làm sao để cà phê thêm phần hấp dẫn, ngất ngây mà không đánh mất hương vị nguyên thủy tuyệt vời của chính hạt cà phê rang là cả một bí quyết tinh tế. Ai ơi, uống cà phê, nhớ hãy uống với cả tâm hồn nhé! Lúc ấy, sẽ bạn có 1 cảm nhận khác hơn về cuộc sống. LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 12 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng CHƯƠNG 2: SVTH: Phạm Văn Minh THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY 2.1 Các nguyên lý Rang Rang là giai đoạn quyết định chất lượng cà phê thành phẩm, trong quá trình rang xảy ra sự hao hụt mất nước, chất bay hơi. Nước mất 5.5%, các tổn thất khác 2%. Thiết bị rang: chảo hoặc thiết bị thùng quay hay dùng chảo rang hình cầu (rang gián đoạn) thiết bị rang hình tháp Nhiên liệu phục vụ cho quá trình rang: than- củi, gas, điện… Nguyên tắc khi rang cà phê: Phải đảo liên tục để các hạt cà phê được tiếp xúc độ nóng đều đặn, tránh bị tình trạng hạt còn sống, hạt đã chín khét. Khi cà phê đã được rang đến độ cần thiết, phải làm nguội cà phê ngay để tránh hơi nóng còn lại trong chính hạt cà phê làm cà phê bị rang quá đà. Khi rang cà phê sẽ có nhiều khói bạn nên chọn nơi thông thoáng hay có hệ thống máy hút khói tốt. Nếu không thì bạn mở cửa sổ hay dùng quạt máy để gần bên. Cà phê khi rang sẽ bị bong lớp vỏ lụa bên ngoài hạt. Khi rang xong, nên ra ngoài gió hoặc đứng trước quạt và sàng nhẹ rổ cà phê cho bay bớt vỏ lụa. Tuy nhiên, thật ra lớp vỏ lụa này cũng không có mùi vị gì, nếu vẫn còn dính chung cà phê sau khi rang và xay, hương vị li cà phê cũng không bị ảnh hưởng nhiều. 2.1.1 Các Phương án đưa ra Như đã phân tích trong quá trình sản xuất cà phê thành phẩm thì rang là giai đoạn quyết định chất lượng của sản phẩm. Rang theo nghĩa thông thường là cấp nhiệt cho sản phẩm cần rang để sản phẩm đạt nhiệt độ cần thiết để làm chín đối tượng cần rang. Các phương pháp chính rang cà phê a. Gia nhiệt trực tiếp (phương án 1) Áp dụng từ lâu, là phương pháp đầu tiên con người sử dụng để làm chín đối tượng. Ta chỉ dùng chảo gang hay sắt để rang cà phê trực tiếp trên lửa. Nên dùng một cái chảo không bị nhiễm các mùi khác như cà ri, cá, bò... để tránh ảnh hưởng đến mùi vị của cà phê khi rang xong. Cách rang này khá lâu và hương vị cà phê cũng bị bay đi ít nhiều LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 13 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh nhưng đơn giản và rẻ tiền. Bạn nên có thêm một cái nhiệt kế để có thể đo được nhiệt độ khi rang. Hình 2.1 Rang cà phê bằng chảo rang thường Dụng cụ sử dụng để rang thường là chảo gang hay thép Gia nhiệt bằng trực tiếp bằng cách đốt cháy than, củi, khí gas… Ưu điểm của phương pháp này: - Đơn giản dễ thực hiện, chi phí ban đầu thấp. - Có thể áp dụng ở mọi nơi, không cần trang thiết bị hiện đại. Nhược điểm: - Chất lượng rang không đồng đều, phụ thuộc chủ yếu vào tay nghề người rang. - Hàm lượng thành phần các chất biến dổi nhiều. - Khó áp dụng cho sản xuất lớn. - Dễ bị cháy xém. b. Gia nhiệt theo nguyên lý tầng sôi (phương án 2) Nhờ lớp không khí nóng cung cấp từ dưới lên làm cho hạt cà phê bay lơ lửng. Đồng thời cấp nhiệt cho hạt cà phê để đạt sản phẩm như mong muốn. LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 14 GVHD: PGS.TS Phạm Huy Hoàng SVTH: Phạm Văn Minh Hình 2.2 Gia nhiệt theo nguyên lý dòng khí nóng. Cửa nạp Xyclon lọc bụi cửa xả liệu Quạt thổi khí nóng Nguồn khí nóng 1. 2. 3. 4. 5. Nguyên lý: cà phê được cho vào cửa số 1. Sau đó nguồn khí nóng 5 được máy hút khí 4 thổi vào thùng rang. Cà phê sẽ tiếp xúc trực tiếp với luồng khí nóng và gia tăng nhiệt độ. Si lô 2 sẽ lọc bụi và vỏ lụa ra. Sau rang xong, cà phê được lấy ra bằng cửa số 3. Ưu điểm: - Hạt cà phê chín đều dưới nhiệt độ cao của dòng khí nóng. - Dùng để rang cà phê với số lượng lớn, nhanh, hạt cà phê chín đều, chất lượng tốt. Nhược điểm: LVTN Đề Tài: TK Máy Rang Hạt Cà Phê 15