Perché nessuno ha ancora realizzato un piccolo laminatoio a prezzi accessibili? Quanto può essere difficile?

I macinini industriali, del tipo utilizzato per produrre cialde espresso o confezioni da supermercato di caffè premacinato, sono più o meno esclusivamente mulini a rulli. I più sofisticati di questi macinacaffè possono macinare il caffè senza riscaldare in modo significativo i fondi e nel processo producono distribuzioni granulometriche molto strette con il minimo multe. Questo fa mulini a rulli ideali per la macinatura del caffè, tranne per l'inconveniente che sono molto costosi, e troppo grandi e complessi per essere utilizzati in bar o piccole torrefazioni.

Cosa sono Mulini a rulli?

Un mulino a rulli macina il caffè facendolo passare tra una coppia di cilindri d'acciaio scanalati che ruotano l'uno contro l'altro, forzando il caffè attraverso lo spazio intermedio. Possono macinare enormi volumi di caffè, tipicamente misurati in kg/h, il che li rende essenziali per le applicazioni industriali.

Mulini a rulli può anche produrre particelle di caffè relativamente sferiche, con una distribuzione granulometrica molto definita e stretta, motivo per cui le cialde espresso possono produrre estrazioni così elevate in breve tempo (J. Hoffmann, 2015). Multistadio mulini a rulli può anche essere configurato per produrre specifiche distribuzioni granulometriche multimodali, ad esempio se per l'espresso si preferisce una distribuzione bimodale.

Mulini a rulli usate nel caffè hanno sempre almeno 2 paia di rulli: la prima coppia sono i pre-frantumatori, che schiacciano grossolanamente i chicchi in pezzi più piccoli di circa 1 mm. Quindi si applica la seconda coppia taglio sottolineare di "tagliare" questi pezzi alla dimensione desiderata (M. Petracco, 2005). La granulometria più uniforme si ottiene utilizzando più stadi di macinazione che riducono progressivamente la dimensione delle particelle (RJ Clarke, 1987).

I rulli macinatori presentano sulla superficie delle scanalature chiamate ondulazioni, atte a trattenere e tagliare i chicchi in modi specifici. I rotoli devono essere colati e tagliati con grande precisione, il che significa che realizzare i rotoli stessi è costoso.

Deve essere utilizzata una tecnica speciale chiamata pressofusione centrifuga, spiega il dott. Stefan Schenker, capo della Business Unit del caffè presso Bühler: il metallo fuso viene colato in uno stampo, che viene poi filato ad alta velocità per forzare il metallo nei bordi dello stampo ed eliminare eventuali bolle o fessure microscopiche.

Una volta che il rullo è stato colato, le ondulazioni nei rulli devono essere tagliate, tipicamente con una leggera angolazione rispetto all'asse in modo che si attorciglino attorno al rullo, al fine di evitare di impegnare l'intera lunghezza di un'ondulazione contemporaneamente. A causa dei complessi processi di produzione coinvolti, il costo dei rotoli sostitutivi ammonta a migliaia di dollari, se non a decine di migliaia, afferma Schenker.

Schiacciare e Tagliare

Il raggiungimento di una distribuzione granulometrica stretta e particelle più sferiche richiede forze di taglio (taglio) invece di schiacciare il fagiolo (compressione). Se i rulli si muovono alla stessa velocità, le particelle vengono frantumate mentre vengono trascinate nello spazio sempre più stretto tra i rulli, creando un'ampia gamma di dimensioni delle particelle mentre i chicchi si frantumano.

Per produrre il movimento di taglio che produce una dimensione delle particelle più definita, i rulli devono muoversi l'uno contro l'altro a velocità diverse. Quando ciò accade, le superfici dei rulli si muovono l'una rispetto all'altra, il che genera taglio forze sulle particelle di caffè. Mulini a rulli utilizzati per il caffè in genere hanno ondulazioni inclinate a forma di U che producono bordi molto affilati, quindi questo tipo di taglio le forze create sono solitamente descritte come 'taglio', e funzionano in modo simile al movimento di taglio di un paio di forbici, in contrasto con il puro 'taglio' forze che verrebbero create da rulli smussati o lisci.

Schiacciare e tagliare mulini a rulli. Quando i rulli si muovono alla stessa velocità (a), i fagioli vengono schiacciati da compressione forze (indicate da frecce rosse) mentre vengono forzate attraverso lo spazio tra i rulli. Quando i rulli si muovono a velocità diverse (b), le particelle vengono "tagliate" da taglio forze in direzioni opposte (indicate da frecce rosse). Sebbene entrambi i rulli stiano girando verso il centro, la differenza di velocità tra loro fa sì che le forze sulle particelle agiscano in direzioni opposte, creando il taglio forza necessaria per creare l'azione di taglio dei rulli.

Il controllo della velocità relativa di ciascuno dei rulli individualmente è tecnicamente impegnativo ed è un importante contributo alla complessità e alle dimensioni di mulini a rulli. “I moderni macinacaffè a 3 stadi sono costosi perché il mondo delle cialde espresso ha richiesto un salto tecnologico”, spiega un tecnico macinino di una grande torrefazione. "La qualità della macinatura dipende dalla modulazione della velocità dei rulli, che richiede nuove tecnologie come inverter e nuovi motori, e i rulli richiedono nuovi materiali e una costruzione di alta precisione".

Regolazione della dimensione della macinatura

Perché mulini a rulli macinare in più fasi, regolare correttamente la dimensione della macinatura significa non solo regolare la distanza tra l'ultima coppia di rulli, ma regolare la distanza tra ciascuna coppia. La regolazione della dimensione dello spazio è molto più complessa rispetto alla regolazione dello spazio tra concentrici sbavature, e richiede meccanismi complessi e costosi per controllarlo (M. Petracco, 2005).

Mantenere l'allineamento è un problema particolare. Nei macinini, dove il sbavature sono piccoli e ci sono solo due assi di allineamento, l'allineamento è relativamente semplice e non è influenzato dai cambiamenti di dimensione della molatura. In una coppia di rulli, entrambe le estremità devono essere spostate esattamente della stessa quantità per mantenere l'allineamento. La distanza tra i punti di allineamento, e il fatto che ciascuna estremità deve essere perfettamente allineata nelle tre dimensioni, rende l'allineamento in mulini a rulli molto più complicato che nelle smerigliatrici e gli strumenti di allineamento dei rulli sono un'intera industria in sé.

Per mantenere una distribuzione granulometrica ridotta, è necessario regolare anche molti altri fattori, tra cui le velocità dei rulli, la differenza di velocità tra loro, la velocità di avanzamento dei chicchi di caffè dalla tramoggia, il numero di fasi di macinazione utilizzate e persino il tipo di rulli Usato. La migliore configurazione per una data dimensione di macinatura deve essere trovata per tentativi ed errori (M. von Blittersdorff & C. Klatt, 2017). La regolazione della macinatura spesso non è quindi una semplice questione di regolazione della distanza tra i rulli, ma un processo che richiede tempo che richiede un operatore esperto e può comportare la sostituzione dei rulli e la regolazione di molte altre impostazioni.

Dimensione del rotolo

Il primo passo nella produzione di un laminatoio compatto sarebbe quello di ridurre le dimensioni dei rulli. Tuttavia, ci sono due vincoli principali sulla dimensione del rotolo:

In primo luogo, il diametro è limitato, a causa del modo in cui i chicchi di caffè entrano nel rotolo. "Hai bisogno di un certo angolo [tra i rulli] chiamato angolo di alimentazione, che limita quanto piccolo può essere il rullo", afferma Schenker. Ciò significa che i rulli effettivi più piccoli per il caffè hanno un diametro di 200 mm, afferma, il che pone un limite al grado di ridimensionamento di queste macinacaffè.

L'angolo di alimentazione, chiamato anche angolo di contatto, è l'angolo tra i rulli nel punto in cui entrano in contatto con il chicco (mostrato in rosso). I rulli più piccoli (b) hanno un angolo di alimentazione maggiore, che influisce sulla loro capacità di aspirare il caffè nello spazio tra i rulli.

La seconda limitazione è relativa ai sistemi di raffreddamento. Perché il diametro dei rotoli deve essere molto più grande dello spessore di sbavature, si espandono molto di più se sottoposti a calore che sbavature fare. Nei macinacaffè la distanza tra i rulli è di pochi micron, quindi anche una leggera espansione nell'acciaio può causare problemi, spiega Schenker.

Mulini a rulli sono tipicamente raffreddati con acqua che scorre attraverso l'anima del rotolo. Questo tipo di meccanismo di raffreddamento è possibile solo con una certa lunghezza del rotolo, il che limita quanto possono essere piccoli, dice. "Se si volesse davvero un risultato coerente, sarebbe necessario il raffreddamento."

Quanto è piccola la lattina Mulini a rulli Essere?

La dimensione dei meccanismi necessari per impostare e regolare la distanza e la velocità di macinatura e la complessità richiesta per ottenere le giuste impostazioni, fanno sì che anche il più piccolo mulini a rulli non sono pratici nelle impostazioni del caffè.

Tuttavia, ci sono alcuni esempi di più piccoli mulini a rulli là fuori. Mulini a rulli sono comunemente usati per schiacciare il grano per la birra, ad esempio, e per questo scopo è anche possibile acquistare piccoli mulini a manovella. Tuttavia, le particolari esigenze della macinatura del caffè fanno sì che questo tipo di macina non funzioni bene per il caffè. "Il caffè è uno dei processi di macinazione più impegnativi che si possono trovare nell'industria alimentare", afferma Schenker. "La distribuzione delle dimensioni delle particelle è così importante e il caffè ha proprietà delicate: si attacca ovunque a causa degli oli e dell'elettricità statica".

Poiché la distribuzione delle dimensioni delle particelle non è così importante nella produzione della birra, questi mulini possono essere realizzati con meccanismi molto più semplici che semplicemente schiacciano i chicchi, tuttavia, questo li rende inutili per l'uso nel caffè, dove un macinacaffè equivalente può produrre un molto migliore qualità di macinatura.

"Bühler sta lavorando in questo momento su un laminatoio su piccola scala chiamato Grindprecise, progettato per un'elevata precisione ma una produttività inferiore, ad esempio per il riempimento di sistemi di capsule", afferma Schenker. Anche questo mulino su piccola scala, tuttavia, sarà progettato per volumi di circa 50-200 kg all'ora. Il più piccolo laminatoio commerciale disponibile per il caffè ha due paia di rulli anziché le solite tre, e utilizza rulli insolitamente piccoli da 140 mm, ma il corpo principale è comunque alto più di un metro e largo mezzo metro, anche senza includere il supporto e la tramoggia.

Ci sono anche mulini a rulli progettati per l'uso in laboratorio, che hanno gli stessi meccanismi dei loro cugini a grandezza naturale e utilizzano rotoli dello stesso diametro ma di lunghezza molto più piccola. Questi possono essere utilizzati per testare diverse configurazioni per ottenere la distribuzione granulometrica ideale. Tuttavia, a causa dei complessi meccanismi richiesti, si tratta di apparecchiature ancora molto grandi rispetto alle mole a disco.

“Mulini a rulli occorrono tre paia di rulli per la macinatura fine, più motori potenti, raschietti per mantenere i rulli liberi e un meccanismo di alimentazione per assicurarsi che i chicchi vengano alimentati in modo uniforme ai rulli", spiega Schenker. “In una molatrice a disco, tutto questo lavoro viene svolto in un'unica fase.”

Il futuro

Dati non solo i limiti di dimensione e costo, ma anche le complesse regolazioni coinvolte nell'impostazione di una dimensione di macinatura, mulini a rulli rimangono impraticabili per un uso su piccola scala. Tuttavia, ciò non significa che in futuro sarebbe impossibile costruire un laminatoio più piccolo, afferma Schenker. “Se mi chiedessi se è possibile, in teoria direi di sì. Sarebbe comunque ingombrante e costoso, ma allo stesso tempo dovresti scendere a compromessi sulle cose.

La precisione di produzione sta migliorando continuamente e nuovi rivestimenti e materiali come la ceramica offrono maggiore durezza e rigidità. Il divario di rollio e l'allineamento nel moderno mulini a rulli può essere controllato da un computer, consentendo di effettuare piccole regolazioni della dimensione della macinatura durante il funzionamento piuttosto che con il macinino spento (D Efraim, 2006), che è un passo importante per renderli più facili da usare.

Vale la pena notare che l'attenzione alla qualità della macinatura è un fenomeno relativamente recente, sottolinea Schenker. "Sempre più produttori si sono resi conto che la distribuzione delle dimensioni delle particelle è davvero importante: con la comparsa dei sistemi di capsule, questo è cambiato radicalmente", afferma. "Negli ultimi 5-7 anni, questo è diventato più importante, ma in realtà dipende dall'applicazione: per le confezioni di caffè filtro al dettaglio, a nessuno importa davvero [della distribuzione granulometrica]". Anche alcuni grandi produttori hanno tardato a passare a mulini a rulli, lui dice. "Ho anche visto grandi fabbriche utilizzare circa 30 mole a disco invece di un laminatoio".

Forse questo significa che come mulini a rulli diventino più largamente adottati, il costo potrebbe ridursi leggermente, anche se ci sono limitazioni sulle dimensioni. Tuttavia, anche la qualità di macinatura disponibile dalle smerigliatrici sta migliorando, ad esempio con nuovi materiali e sbavature, o un migliore controllo su velocità di macinazione e temperatura, che potrebbe ridurre il divario attualmente esistente tra le macine e mulini a rulli.