Por que ninguém ainda fez um pequeno moinho de rolos acessível? Quão difícil isso pode ser?

Os moinhos industriais, do tipo utilizado para produzir cápsulas de café expresso ou embalagens de café pré-moído para supermercados, são mais ou menos exclusivamente moinhos de rolos. O mais sofisticado desses moedores pode moer café sem aquecer significativamente o pó e, no processo, produzir distribuições de tamanho de partícula muito estreitas com mínimo multas. Isto faz moinhos de rolos ideais para moer café, exceto pelo inconveniente fato de serem muito caros e muito grandes e complexos para serem usados em cafés ou pequenas torrefações.

O que são Moinhos de rolos?

Um moinho de rolos mói o café passando-o entre um par de cilindros de aço ranhurados que giram um contra o outro, forçando o café a passar pelo espaço entre eles. Eles podem moer grandes volumes de café, normalmente medidos em kg/hora, o que os torna essenciais para aplicações industriais.

Moinhos de rolos também pode produzir partículas de café relativamente esféricas, com uma distribuição de tamanho de partícula muito definida e estreita, o que é parte da razão pela qual as cápsulas de café expresso podem produzir extrações tão altas em um curto espaço de tempo (J.Hoffmann, 2015). Multiestágio moinhos de rolos também pode ser configurado para produzir distribuições de tamanho de partícula multimodais específicas, por exemplo, se uma distribuição bimodal é preferida para café expresso.

Moinhos de rolos Os usados no café têm sempre pelo menos 2 pares de rolos: o primeiro par são os pré-quebradores, que trituram grosseiramente os grãos em pedaços menores, com cerca de 1mm de tamanho. O segundo par então se aplica cisalhar estresse para 'cortar' essas peças no tamanho desejado (M. Petracco, 2005). O tamanho de moagem mais uniforme é obtido usando vários estágios de moagem que reduzem progressivamente o tamanho das partículas (R. J. Clarke, 1987).

Os rolos de moagem possuem ranhuras em suas superfícies chamadas corrugações, projetadas para segurar e cortar os grãos de maneiras específicas. Os rolos devem ser fundidos e cortados com grande precisão, o que significa que fazer os próprios rolos é caro.

Uma técnica especial chamada fundição centrífuga deve ser usada, explica o Dr. Stefan Schenker, chefe da Unidade de Negócios de Café da Bühler: o metal fundido é derramado em um molde, que é então girado em altas velocidades para forçar o metal nas bordas do molde e eliminar quaisquer bolhas ou lacunas microscópicas.

Depois que o rolo é moldado, as ondulações nos rolos precisam ser cortadas, normalmente em um leve ângulo em relação ao eixo, para que girem em torno do rolo, a fim de evitar o envolvimento de todo o comprimento da ondulação de uma só vez. Devido aos complexos processos de fabricação envolvidos, o custo dos rolos de reposição chega a milhares de dólares, senão dezenas de milhares, diz Schenker.

Esmagamento e Corte

Alcançar uma distribuição estreita de tamanho de partícula e partículas mais esféricas requer forças de corte (cisalhar) em vez de esmagar o feijão (compressão). Se os rolos se moverem na mesma velocidade, as partículas serão esmagadas à medida que forem puxadas para o espaço estreito entre os rolos, criando uma ampla variedade de tamanhos de partículas à medida que os grãos se quebram.

Para produzir o movimento de corte que produz um tamanho de partícula mais definido, os rolos têm que se mover uns contra os outros em velocidades diferentes. Quando isso acontece, as superfícies dos rolos se movem uma em relação à outra, o que gera cisalhar forças sobre as partículas de café. Moinhos de rolos usado para café normalmente tem ondulações inclinadas em forma de U que produzem bordas muito afiadas - então este tipo de cisalhar as forças criadas são geralmente descritas como 'cortantes' e funcionam de maneira semelhante ao movimento de corte de uma tesoura, em oposição ao puro 'cisalhar'forças que seriam criadas por movimentos bruscos ou suaves.

Esmagando e cortando moinhos de rolos. Quando os rolos se movem na mesma velocidade (a), os grãos são esmagados compressão forças (mostradas pelas setas vermelhas) à medida que são forçadas através do espaço entre os rolos. Quando os rolos se movem em velocidades diferentes (b), as partículas são 'cortadas' por cisalhar forças em direções opostas (mostradas por setas vermelhas). Embora ambos os rolos estejam girando em direção ao centro, a diferença de velocidade entre eles significa que as forças sobre as partículas atuam em direções opostas, criando o cisalhar força necessária para criar a ação de corte dos rolos.

Controlar a velocidade relativa de cada um dos rolos individualmente é tecnicamente desafiador e contribui muito para a complexidade e o tamanho dos rolos. moinhos de rolos. “Os modernos moedores de três estágios são caros porque o mundo das cápsulas de café expresso exigiu um salto tecnológico”, explica um técnico de moedores de uma grande empresa de torrefação. “A qualidade da moagem depende da modulação da velocidade dos rolos, o que requer novas tecnologias, como inversores e novos motores, e os rolos exigem novos materiais e construção de alta precisão.”

Ajustando o tamanho da moagem

Porque moinhos de rolos moer em vários estágios, ajustar corretamente o tamanho da moagem significa não apenas ajustar a folga entre o último par de rolos, mas também ajustar a folga entre cada par. Ajustar o tamanho do intervalo é muito mais complexo do que ajustar o intervalo entre rebarbas, e requer mecanismos complexos e caros para controlá-lo (M. Petracco, 2005).

Manter o alinhamento é um problema específico. Em moedores de rebarbas, onde o rebarbas são pequenos e existem apenas dois eixos de alinhamento, o alinhamento é relativamente simples e não é afetado por alterações no tamanho da moagem. Em um par de rolos, ambas as extremidades devem ser movidas exatamente na mesma proporção para manter o alinhamento. A distância entre os pontos de alinhamento, e o fato de que cada extremidade precisa estar perfeitamente alinhada em três dimensões, faz com que o alinhamento em moinhos de rolos muito mais complicado do que em retificadoras de rebarbas, e as ferramentas de alinhamento de rolos são uma indústria inteira em si.

Para manter uma distribuição estreita do tamanho das partículas, vários outros fatores também precisam ser ajustados, incluindo as velocidades dos rolos, a diferença de velocidade entre eles, a taxa de alimentação dos grãos de café da tremonha, o número de estágios de moagem usados e até mesmo o tipo de rolos. usado. A melhor configuração para um determinado tamanho de moagem deve ser encontrada por tentativa e erro (M. von Blittersdorff e C. Klatt, 2017). Ajustar a moagem muitas vezes não é uma simples questão de ajustar a folga entre os rolos, mas um processo demorado que requer um operador qualificado e pode envolver a troca de rolos, bem como o ajuste de muitas outras configurações.

Tamanho do rolo

O primeiro passo na produção de um moinho de rolos compacto seria reduzir o tamanho dos rolos. No entanto, existem duas restrições principais quanto ao tamanho do rolo:

Em primeiro lugar, o diâmetro é limitado devido à forma como os grãos de café entram no rolo. “Você precisa de um certo ângulo [entre os rolos] chamado ângulo de alimentação, que limita o quão pequeno o rolo pode ser”, diz Schenker. Isso significa que os menores rolos eficazes para café têm 200 mm de diâmetro, diz ele, o que impõe um limite rígido à capacidade de redução da escala desses moedores.

O ângulo de alimentação, também chamado de ângulo de estreitamento, é o ângulo entre os rolos no ponto em que entram em contato com o grão (mostrado em vermelho). Os rolos menores (b) têm um ângulo de alimentação maior, o que afeta sua capacidade de puxar o café para o espaço entre os rolos.

A segunda limitação está relacionada aos sistemas de refrigeração. Porque o diâmetro dos rolos tem que ser muito maior que a espessura dos rebarbas, eles se expandem muito mais quando submetidos ao calor do que rebarbas fazer. Nas máquinas de café expresso, a distância entre os rolos é de apenas alguns mícrons, portanto, mesmo uma ligeira expansão no aço pode causar problemas, explica Schenker.

Moinhos de rolos são normalmente resfriados com água correndo pelo núcleo do rolo. Esse tipo de mecanismo de resfriamento só é possível com um determinado comprimento de rolo, o que limita o tamanho deles, diz ele. “Se você realmente quisesse um resultado consistente, seria necessário resfriamento.”

Quão pequeno pode Moinhos de rolos Ser?

O tamanho dos mecanismos necessários para definir e ajustar a folga e a velocidade de retificação, e a complexidade envolvida na obtenção das configurações corretas, significa que mesmo o menor moinhos de rolos não são práticos em ambientes de café.

No entanto, existem alguns exemplos de pequenas moinhos de rolos lá fora. Moinhos de rolos são comumente usados para triturar grãos para fabricação de cerveja, por exemplo, e para isso é possível até comprar pequenos moinhos de manivela. No entanto, os requisitos específicos da moagem de café significam que este tipo de moinho não funcionará bem para o café. “O café é um dos processos de moagem mais desafiadores que você pode encontrar na indústria alimentícia”, diz Schenker. “A distribuição do tamanho das partículas é muito importante, e o café tem propriedades complicadas: ele gruda em todos os lugares por causa dos óleos e da estática.”

Como a distribuição do tamanho das partículas não é tão importante na fabricação de cerveja, esses moinhos podem ser feitos com mecanismos muito mais simples que simplesmente esmagam os grãos - no entanto, isso os torna inúteis para uso no café, onde um moedor de rebarbas equivalente pode produzir um resultado muito melhor. qualidade de moagem.

“A Bühler está trabalhando agora em um moinho de rolos de menor escala chamado Grindprecise, projetado para alta precisão, mas menor rendimento, por exemplo, para sistemas de enchimento de cápsulas”, diz Schenker. Contudo, mesmo este moinho de pequena escala será concebido para volumes de cerca de 50-200 kg por hora. O menor moinho de rolos comercial disponível para café tem dois pares de rolos em vez dos três habituais e usa rolos incomumente pequenos de 140 mm, mas o corpo principal ainda tem mais de um metro de altura e meio metro de largura, mesmo sem incluir o suporte e a tremonha.

Há também moinhos de rolos projetados para uso em laboratório, que possuem os mesmos mecanismos de seus primos de tamanho normal e utilizam rolos do mesmo diâmetro, mas de comprimento muito menor. Eles podem ser usados para testar diferentes configurações para alcançar a distribuição ideal do tamanho das partículas. No entanto, devido aos mecanismos complexos necessários, estes ainda são equipamentos muito grandes em comparação com as retificadoras de disco.

“Moinhos de rolos precisamos de três pares de rolos para moagem fina, vários motores potentes, raspadores para manter os rolos limpos e um mecanismo de alimentação para garantir que os grãos sejam alimentados uniformemente nos rolos”, explica Schenker. “Em uma retificadora de disco, todo esse trabalho é feito em um único estágio.”

O futuro

Dadas não apenas as limitações de tamanho e custo, mas também os ajustes complexos envolvidos na definição do tamanho da moagem, moinhos de rolos permanecem impraticáveis para uso em pequena escala. Contudo, isso não significa que seria impossível construir um moinho de rolos menor no futuro, diz Schenker. “Se você me perguntasse se é possível eu diria teoricamente que sim. Ainda assim seria volumoso e caro, mas ao mesmo tempo você teria que fazer concessões.”

A precisão da fabricação está melhorando constantemente, e novos revestimentos e materiais como a cerâmica oferecem maior dureza e rigidez. A lacuna de rolagem e o alinhamento na modernidade moinhos de rolos pode ser controlado por computador, permitindo que pequenos ajustes no tamanho da moagem sejam feitos durante a operação, em vez de com o moedor desligado (D Efraim, 2006), o que é um passo importante para torná-los mais fáceis de usar.

Vale a pena notar que o foco na qualidade da moagem é um fenômeno relativamente recente, ressalta Schenker. “Cada vez mais fabricantes estão cientes de que a distribuição do tamanho das partículas é realmente importante – com o surgimento dos sistemas de cápsulas isso mudou drasticamente”, diz ele. “Nos últimos 5 a 7 anos, isso se tornou mais importante, mas realmente depende da aplicação – para embalagens de varejo de café filtrado, ninguém realmente se importa [com a distribuição do tamanho das partículas].” Mesmo alguns grandes fabricantes demoraram a mudar para moinhos de rolos, ele diz. “Já vi grandes fábricas usando cerca de 30 retificadoras de disco em vez de um moinho de rolos.”

Talvez isso signifique que como moinhos de rolos se for mais amplamente adotado, o custo poderá diminuir um pouco, mesmo que haja limitações quanto ao tamanho. No entanto, a qualidade da moagem disponível nos moedores de rebarbas também está melhorando, por exemplo, com novos materiais e designs de rebarbas, ou melhor controle sobre velocidade de moagem e temperatura, o que pode reduzir a lacuna que existe atualmente entre os moedores de rebarbas e moinhos de rolos.