Kahve Kavurma Prosesinde Oluşan Atık Isı Geri Kazanılabilir Mi?

09.07.2020

Yakıt fiyatlarındaki artış eğilimi ve son on yılda küresel ısınma konusundaki artan endişeyle, endüstrideki sera gazı emisyonlarını azaltma ve tesislerinin verimliliğini artırma çalışmaları önem kazanmaktadır. Atık ısı geri kazanım yöntemleri, bir gaz veya sıvı içeren işlemden ilave ısının ek enerji kaynağı olarak sisteme aktarılmasını içerir. Enerji kaynağı olarak ek ısı üretmek veya elektrik ve mekanik güç üretmek için kullanılabilir.1 Literatürde, 3 temel tip kahvenin yaşam döngüsü analizini incelemek için birçok çalışma vardır; püskürtmeli kurutulmuş çözünür kahve (hazır), damla filtre kahve ve kapsül espresso kahve, ek olarak amaç bunların çevresel etkilerini ve optimizasyon süreçlerinin stratejilerini karşılaştırmaktır. Yaşam döngüsü analizi, beşikten mezara yolculuktaki herhangi bir ürün veya hizmete daha iyi bir bakış açısı sağlar.2 Bu bağlamda, kahve üretim süreci dikkate alınıp, sürecin son derece yoğun enerji ihtiyacı olduğu ve sürdürülebilirlik konusunda doldurulması gereken noktalar olduğu anlaşılır.

Kahve çekirdeği kavurma işleminde, yığın proses ve sürekli yığın bekleme proseslerinde önemli miktarda atık ısı oluşur. Atık ısı, literatüre ve bazı endüstriyel uygulamalara göre sürecin kendisine entegre edilebilir. Atık ısı geri kazanım ve yeniden kullanım için depolanabilir. Atık ısı uygulama sistemini incelemeye başlamadan önce, belirli bir yığın proseste kahve üretim sürecini anlamak daha iyi olacaktır. Kimyasal bir işlem olan kahve kavurma, yeşil kahve meyve çekirdeklerinden tüketilebilir, demlenmiş, öğütülmüş, kahve çekirdekleri elde etmeyi amaçlamaktadır. Kahve çekirdekleri, karmaşık bir aroma ve lezzete sahiptir.

Kahve kavurma prosesinin çalışma prensibi döngüler halinde gerçekleşir. Bir döngü, yeşil kahve meyve çekirdeğinin girişinden, kavurma tamburunda istenen sıcaklıkta 200-250°C kavrulup, devamında bir soğutma bölmesinde aktarmaya kadar geçen işlemler anlamına gelir. Döngü süresi istenen kavurma derecesine, yoğunluğuna bağlıdır, ancak rakamlarla ifade etmek gerekirse ortalama 10-20 dakikadan bahsedilir.3 Prosesin bu noktasında; kavurma tamburu, merkezkaç kuvvetinin etkisi altında çekirdekleri duvarlara çarparken sıkışmasını önlemek için yatay durur.

Kahve kavurma işleminde bazı aşamalar vardır. Başlangıçta, 160-190°C aralıkları arasındaki sıcaklığı artırarak yeşil kahve çekirdeğinden suyu uzaklaştırmayı amaçlayan buharlaşma işlemi gerçekleşir. Suyu çıkardıktan sonra, piroliz adı verilen ana kimyasal reaksiyonlar kümesi gerçekleşir. Piroliz reaksiyonu, istenen nihai aromayı ve kahvenin aromasını vermede en önemli role sahiptir. Bu reaksiyon meydana gelirken, uçucu organik bileşikler, CO2 ve bazı parçacıkları kavrulmuş samandan salgılayan başka şeyler de vardır. Bu adımda, kavurma sıcaklığı 200°C'den yüksek olduğunda bazı istenmeyen işlem sonuçları ortaya çıkabilir. Bunun nedeni, çekirdekten çok fazla uçucunun salınabilmesinin sıcaklığa bağlı olmasıdır. Böylece, son kahve ürününde, acı ve istenmeyen tat ve aroma azalmış olacaktır. Bu nedenle sıcaklık kontrolü önemli derecede kritiktir, çekirdeklerin dışından merkezine doğru kademeli ve düzgün bir şekilde ısıtılması için sabit olması gerekir.

Daha sonra, çekirdeklerin kavurma işlemini sonlandırmak, sıcaklığın yükselmesini düşürmek için, çekirdeklerin üzerine su püskürtülür. Suyun püskürtülmesi çekirdekleri soğutmak için yeterli olmadığından, soğuk havanın çekirdekler ile sürekli karıştığı soğutma odasını adlandıran başka işlem ekipmanları da vardır. Daha sonra kahve çekirdeklerinin sıcaklığı ortam sıcaklığına düşürülmüş olur. Çekirdeklerden ortaya çıkan çevreye zararlı maddeleri yakmada rol oynayan son brülör adı verilen başka bir ek işlem daha var. Böylece, baca gazı 300-350 ° C arasında bir sıcaklıkta atmosfere salınır. Kesikli fermantasyon işlemi sırasında atık ısı doğal olarak oluşur. Bundan kaçınmak için, Organik Rankine Döngüsü (ORC) gibi sistemlerde enerji akışı yeniden enerjilendirmek ve geri kazanmak için tercih edilir.4

Organik Rankine Döngüsü, Clausius-Rankine prensibiyle çalışır; sistem su veya buhar yerine güç üretmek için çalışma sıvısı olarak düşük kaynama noktalı ve yüksek buhar basıncına sahip organik malzemeler kullanır. Organik bir sıvının bir çalışma sıvısı olarak kullanılmasının, sistemi düşük dereceli atık ısı kullanarak ve jeotermal, biyokütle ve güneş enerjisi uygulamaları gibi enerji kaynaklarını kullanarak enerji üretimi için uygun hale getirdiği gösterilmiştir. Tipik bir Rankine çevrimi bir pompa, bir kondansatör, bir buharlaştırıcı ve bir jeneratörden oluşur. ORC sistemi termal depolama sistemine bir örnektir. Bu termal depolamayı gerçekleştirmek için ısı termal depolaması veya gizli ısı termal depolaması kullanılmıştır. Termal ısı depolama sistemleri genellikle kullanılır ve örneğin pastörize su, üretilen ısıyı ısı eşanjöründen depolamak için bir ortam olarak kullanılır. Ayrıca, baca gazı sıcaklığı düştüğü için içinden geçtiğinde oluşan kirlenme adı verilen ısı, eşanjör sistemlerinin etkinliği için bir nokta vardır. Isı transferinin verimini düşüren ısı eşanjörünün kirlenmesi, uçucu organik bileşiklerin ve baca gazındaki diğer bileşiklerin yoğunlaşması nedeniyle oluşur.

Pantaleo ve meslektaşları son yıllarda bu konuyu incelediler. Bununla ilgili ardı ardına iki makale yayınladılar. İki makale de akademik çalışmaların ve endüstriyel uygulamaların işbirliğinin sonucuydu.5,6 Özetle, bu çalışma, özellikle kahve kavurma işleminde Organik Rankine Döngüsünden faydalanarak atık ısı geri kazanımı amacıyla enerji verimliliğinin artırılmasının farklı yaklaşımlar ve farklı en son teknolojiler kullanılarak sağlanabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, atık ısı geri kazanımı yoluna başvurmak için bir sistemin optimum verimliliğini elde etmek için, söz konusu geri kazanım türü her zaman incelenmeli ve analiz edilmeli ve ardından enerji verimliliğini optimize etmek için bir atık ısı geri kazanım yöntemi belirlenmelidir.

Sözlük


Organik-Rankine Döngüsü (ORC): Kaynak olarak, biyokütle yakma, jeotermal rezervuarlar ve endüstriyel proseslerden gelen atık ısının termal enerjisini kullanarak enerji geri dönüşümü için kullanılan bir çözümdür.7

Yazar: Nursena ZEYBEKOĞLU

Kaynaklar

[1] Jouhara, H.,Khordehgah, N., Almahmoud, S., Delpech, B., Chauhan, A., &Tassou, S. A. (2018). Waste heat recovery Technologies and applications. Thermal Science and Engineering Progress, 6, 268–289. https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.04.017
[2] Allesina, G.,Pedrazzi, S., Allegretti, F., &Tartarini, P. (2017). Spent coffee grounds as heat source for coffee roasting plants: Experimental validation and case study. Applied Thermal Engineering, 126, 730–736. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.07.202
[3] Burmester, K.,&Eggers, R. (2010). Heat and mass transfer during the coffee drying process. Journal of Food Engineering, 99(4), 430–436. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2009.12.021
[4] Schwartzberg, H. (2013). Batch Coffee Roasting; Roasting Energy Use; Reducing That Use. FoodEngineering Series, 173–195. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-7906-2_10
[5] Pantaleo, A. M.,Fordham, J., Oyewunmi, O. A., &Markides, C. N. (2017). Intermittent waste heat recovery: Investment profitability of ORC cogeneration for batch, gas-fired coffee roasting. Energy Procedia, 129, 575–582. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.09.209
[6] Pantaleo, Antonio M.,Fordham, J., Oyewunmi, O. A., De Palma, P., &Markides, C. N. (2018).
Integrating cogeneration and intermittent waste-heat recovery in food processing: Microturbines vs. ORC systems in the coffee roasting industry. Applied Energy, 225(May), 782–796. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.04.097
[7] Mondejar, M. E., Andreasen, J. G., Pierobon, L., Larsen, U., Thern, M., & Haglind, F. (2018). A review of the use of organic Rankine cycle power systems for maritime applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 91, 126-151.