Lịch sử ra đời của máy rang cà phê và cuộc cách mạng của máy rang thương mại

Khi nghiên về lịch sử rang cà phê nói chung (và sự phát triển của máy rang cà phê nói riêng) chúng ta sẽ trông thấy sự tách bạch trong hai thời kỳ; Thứ nhất, từ lúc con người phát hiện và tìm ra những phương thức khác nhau để tiêu thụ cà phê, quá trình rang cà phê mới ở giai đoạn manh nha hình thành và còn mang tính cộng hưởng nhiều với việc nấu ăn tại nhà; Thứ hai, là giai đoạn từ khi việc rang cà phê được chuyên biệt hóa, và nhu cầu tăng đột biến từ thế kỷ 19, đã thúc đẩy quy trình rang thoát ly khỏi thực hành thủ công, để trở thành một hoạt động Công nghiệp – Thương mại – gắn liền với những phát kiến xung quanh việc chế tạo và cải tiến thiết bị rang.

Rang cà phê công nghiệp trong thế kỷ 19 | Photo by Stuart

Có ba vấn đề cơ bản mà các nhà phát minh đã chiến đấu cho sự phát triển của máy rang. Đầu tiên là sự phân phối nhiệt lượng trên khối lượng hạt cà phê, giúp mang lại sự ổn định và chất lượng tốt hơn. Thứ hai là tăng tốc quá trình tháo cà phê ra khỏi máy rang, nhằm tăng thông lượng (tốc độ sản xuất) và giảm chi phí lao động. Thứ ba là cải thiện khả năng giám sát quá trình rang một cách trực quan, tức làm xao để theo dõi mức độ phát triển của cà phê, đảm bảo độ rang chính xác để có được một sản phẩm công nghiệp tốt và ổn định hơn. – Tristan Stephenson

Máy rang cà phê trong thời đại công ngiệp

Vào thế kỷ 19, nhiều bằng sáng chế khác nhau đã được trao ở Mỹ và châu Âu cho các máy rang thương mại, để cho phép rang những mẻ cà phê lớn. Tuy nhiên, rang tại nhà vẫn rất phổ biến. James H. Forbes trong những ngày đầu rang xay và bán cà phê tại cửa hàng bán lẻ ở St. Louis, Missouri (trước khi trở thành trùm cà phê tại Hoa kỳ) nói rằng “bán cà phê rang là công việc tồi, vì hầu hết người ta đều tự rang cà phê tại nhà. Mọi người đã mua cà phê ở mức hai mươi xu và tự rang nó, Trong khi chúng tôi bán hai mươi lăm xu cho cà phê “rang sẵn” đòi hỏi rất nhiều lời giải thích về chất lượng và hương vị  của nó”.

Một số thiết kế máy rang tại châu Âu trong thế kỷ 19

Phần lớn việc rang cà phê tại châu Âu vào thời điểm này là diễn ra tại nhà, một phần vì nó được coi là công việc thủ công, và một phần vì nó đảm bảo sự hài lòng cho mỗi gia đình. Đến cuối thế kỷ 18, đã có khá nhiều bộ dụng cụ có khả năng rang không quá vài kg hạt mỗi lần. Tuy nhiên, rang tại nhà là một công việc tốn thời gian, đôi khi, kéo dài đến một giờ, điều này mang lại cà phê có đặc tính cháy khét và thiếu tính axit – Tristan Stephenson

Buổi đầu của máy rang thương mại

Những thập niên đầu thế kỷ 19 được xem là thời đại đổi mới trong tất cả các ngành công nghiệp, từ chăn nuôi bò sữa đến dệt may và sản xuất giấy, những kỹ thuật mới đã cắt giảm lực lượng lao động tăng mức độ chuyên môn hóa cao hơn – Cà phê cũng không ngoại lệ.

Bước ngoặt mở ra vào năm 1824, khi Richard Evans được cấp bằng sáng chế tại Anh cho máy rang cà phê thương mại quy mô lớn đầu tiên. Ngoài kích thước của nó, máy rang hình thương mại này còn được bổ sung một số cải tiến chưa từng có trước đây, bao gồm cơ chế tháo toàn bộ cà phê ra khỏi buồng rang một cách dễ dàng. Đồng thời thêm vào một ống lấy mẫu để có thể theo dõi hạt cà phê trong suốt quá trình rang – một bước tiến quan trọng trong việc theo đuổi chất lượng.

Tuy nhiên, tại châu Âu lúc này lại rất vắng bóng các phát minh về việc rang cà phê của người Pháp, hầu hết họ đang bận rộn hơn với việc tạo tác ra các dụng cụ pha chế cà phê thật giàu chất nghệ thuật (rang xay cà phê ở Pháp chưa phải là một ngành kinh doanh riêng biệt). Trong khi đó, tại Anh và Hoa Kỳ các nhà phát minh đang tìm các cải thiện việc rang cà phê, những bộ óc nhạy bén đã làm việc để tạo ra những máy rang cà phê phù hợp cho mục đích thương mại. Việc áp dụng tư tưởng chuyên sâu theo hướng này đã được định sẵn để gặt hái thành tựu ở Mỹ vào năm 1846 và ở Anh vào năm 1847-48.

Bước qua những thách thức công nghiệp

James W. Carter, ở Boston đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế cho máy rang cà phê kéo rời (pull-out roaster) vào năm 1846, một nguyên mẫu được các nhà rang xay thương mại được lựa chọn trong hai thập kỷ sau đó. Máy rang Carter về cơ bản là một cái trống bằng sắt được quay thủ công, có kích thước bằng một thùng rượu lớn và cố định vào một lò nung. Tuy nhiên, nó có một điểm khác biệt lớn: tải và dỡ cà phê được thực hiện bằng cách lấy toàn bộ trống ra khỏi lò và mở một cánh cửa ở bên cạnh.

Trước khi Carter giải quyết vấn đề này, người ta phải tạt nước vào máy rang để giảm nhiệt, sau đó cà phê nhanh chóng được lấy, văng khắp tung tóe và ngập ngụa trong hơi nước. Bằng cách này, ta có thể dừng rang trong khi vẫn duy trì nguồn nhiệt và các mẻ có thể được thực hiện nhanh hơn.

Carter không cho rằng mình đã phát minh ra sự kết hợp giữa trống rang hình trụ và lò nung; Ban đầu, mục đích của ông chỉ nhằm ngăn chặn sự thất thoát nhiệt ra môi trường xung quanh. Trong nhiều thập kỷ sau đó, cỗ máy “pull-out” đã được sử dụng trong nhiều nhà máy lâu đời như Công ty như Pupke & Reid ở New York; Flint, Evans & Co., và James H. Forbes ở St. Louis; Arbuckles & Co ở Pittsburgh,.. – William H. Ukers

​

Sau Carter, bằng sáng chế máy rang cà phê tiếp theo được cấp vào 1847-48 cho William và Elizabeth Dakin ở Anh. Thay vì đặt thùng chứa cà phê trên ngọn lửa, máy rang Dakin có kết cấu giống như một xilanh nằm ngang, đặt trên cao và có thể duy chuyển theo chiều ngang để ra vào lò rang. Ngọn lửa sẽ không làm nóng trực tiếp cho xilanh, mà chỉ đun nóng bên ngoài buồng chứa xilanh. Người rang cà phê có thể đã cảm thấy thoải mái hơn khi làm việc nhưng Dakin đã không đạt được một thành công thương mại tương xứng.

Jabez Burns, cha đẻ của máy rang hiện đại

Vị cha đẻ không thể chối cãi của máy rang cà phê thương mại hiện đại chắc chắn sinh ra ở Lon Don, nhưng sau đó là Jabez Burns đã chuyển trụ sở đến New York. Năm 1864, Jabez Burns đã được cấp bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho máy rang cà phê Burns. Đây là chiếc máy đầu tiên không phải di chuyển khỏi đống lửa để xả cà phê rang và để lại một trong những dấu ấn rõ rệt trong công cuộc sáng chế thiết bị rang cà phê

Các máy rang cà phê Burns đã thể hiện hai cải tiến lớn so với các thiết kế trước đó, cả hai cơ chế này đều có thể được tìm thấy trong các máy rang trống quay đương đại. Đầu tiên là một loạt các vành kim loại xoắn ốc được đặt ở bên trong trống rang – về cơ bản là một thiết kế vít Archimedes đã được sửa đổi. Các vành bố trí dạng trục trục vít liên tục định hướng sự duy chuyển của hạt cà phê qua lại trong suốt chiều dài của trống rang, giúp nhiệt lượng phân phối đồng đều xung quanh hạt, đồng thời dễ dàng tháo cà phê ra ở một đầu trống rang mà không cần dịch chuyển toàn bộ kết cấu.

Bằng sáng chế máy rang cà phê của Jabez Burns vào Năm 1864

Máy rang trống vẫn là lựa chọn hàng đầu cho nhiều công ty trong ngành công nghiệp cà phê toàn cầu, là con cưng của ngành cà phê đặc sản – và hiện đang tự hào đứng cạnh nhiều thương hiệu cà phê tốt nhất thế giới. Thiết kế vượt thời gian, đa dạng kích cỡ, cho phép đơn giản hóa quy trình rang nhưng vẫn đảm bảo có khả năng tùy biến cao, đã giúp trống rang đảm bảo vị trí vững chắc cho một số nhà rang xay tốt nhất thế giới – Tristan Stephenson

Không dừng lại ở việc rang cà phê

Đổi mới thứ hai của Burns, là trong lĩnh vực làm mát sau khi rang, (ông là một trong những người tiên phong). Trong một thiết kế năm 1867, ông đã áp dụng phương pháp hút không khí làm mát cà phê sau khi rang qua một hệ thống sàn lỗ, tăng tốc quá trình hạ nhiệt và không nghi ngờ gì là cải thiện chất lượng sản phẩm. Các máy rang trống hiện đại đều được bố trí khay làm mát & hoạt động theo cùng một nguyên tắc.

Năm 1867, Jabez Burns đã được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ về máy làm mát cà phê. Burns cũng đã đưa ra đề tài nghiên cứu quá trình làm mát cà phê sau khi rang. Trước khi Burns chứng minh vai trò làm mát nhanh chóng, nhiều phương pháp đã được sử dụng, chẳng hạn như đặt cà phê trong những chiếc trống quay được phủ bằng vải (để lọc bụi bẩn) mặc dù cũng có có hiệu quả khi áp dụng đúng cách. Tuy nhiên, Ý tưởng của Burns là làm mát bằng phương pháp hút, để tạo ra một luồng gió đi xuyên qua lớp cà phê từ trên xuống vẫn hiệu quả đến ngày nay.

Từ kiến ​​thức chuyên môn về các vấn đề rang cà phê và cà phê, Jabez Burns nhanh chóng vươn lên vị trí chỉ huy trong ngành. Vừa là một kỹ sư vừa là một doanh nhân, với những đóng góp rất quan trọng cho ngành công nghiệp cà phê. Ông  đã được cấp bằng sáng chế cho một hình thức cải tiến của máy rang của mình vào năm 1881 và một máy rang cà phê mẫu vào năm 1883, trước khi ông qua đời vào năm 1888; Và kể từ đó, các con trai của ông đã kế tục kinh doanh, hoàn thiện một số cải tiến và liên tục đưa ra các máy móc mới sau này – William H. Ukers

Những tiến bộ của máy rang thương mại

Ngoài việc khám phá quá trình rang, công cuộc tìm kiếm nhiên liệu cũng sục sôi trong giai đoạn này. Ban đầu các máy rang công nghiệp được làm nóng bằng than, (khói chắc chắn đã đóng góp một phần hương vị cho cà phê). Cho đến lúc khí đốt tự nhiên được chào đón ở các thành phố châu Âu và châu Mỹ vào giữa thế kỷ 19, vì nó vừa không khói vừa dễ kiểm soát hơn. Hầu hết các nhà sản xuất máy rang thương mại đã chuyển sang sản xuất các mô hình khí đốt từ những năm 1880 trở đi.

Một hệ thống rang cà phê khí đốt bốn máy tại Anh. Nhà máy này có một máy gia nhiệt trực tiếp và ba máy rang gia nhiệt gián tiếp

Xuất hiện trong một loạt các tài liệu từ khoảng đầu thế kỷ 20 là máy rang Perfekt – Một con voi ma mút công nghiệp so với máy rang hình cầu trước đó. Chế tác cơ khí phi thường với dây đai, đòn bẩy và bánh răng lộ ra, đó là một sự kết hợp khéo léo, khi được bối cảnh hóa từ quan điểm của chúng ta ngày nay, Perfekt là kiểu mẫu của máy rang hiện đại – Andrew Russo, dailycoffeenew

Thời kỳ nhiệt điện

Những tiến bộ hơn nữa, vươn xa trong hiệu quả rang cà phê (nhưng tương đối nhỏ trong việc thay đổi thiết kế cơ bản) đã được các nhà rang xay hoan nghênh trong suốt thế kỷ 20. Sự ra đời của trống đôi (trống rang hai lớp) và truyền nhiệt gián tiếp là hai yếu tố quan trọng nhất trong việc cải thiện chất lượng cà phê. Cả hai công nghệ này đều tăng tốc độ, tính nhất quán và độ chính xác của quá trình rang. Trong khi thiết kế trống rang kép giúp nâng cao hiệu quả dẫn truyền & ổn định nhiệt độ (dẫn nhiệt trực tiếp, đối lưu và bức xạ nhiệt giữa hai lớp vỏ) giúp cà phê rang đồng đều hơn, thì hệ thống truyền nhiệt đối lưu khí nóng giúp tăng tốc độ độ quá trình rang đồng thời giảm hao phí nhiệt lượng.

Theo truyền thống, trống rang làm nóng trực tiếp được gia nhiệt từ bên dưới bởi ngọn lửa khí đốt, một ống xả phía trên sẽ hút khói, hơi nước và bất kỳ sản phẩm phụ nào khác ra khỏi trống rang. Trong khi đó, các máy rang được làm nóng gián tiếp sẽ bơm không khí nóng vào trống rang. Điều này có nghĩa là nhiệt độ trống rang sẽ thấp hơn nhiều so với khi được làm nóng trực tiếp và, quan trọng nhất là không khí nóng sẽ được lưu chuyển theo một dòng tuần hoàn để bù nhiệt. Giải pháp kinh tế này cho phép tái sử dụng một phần khí thải nóng trở lại buồng rang, qua đó nó giúp duy trì nhiệt độ bên trong trống rang ổn định hơn, từ đó giảm thiểu khả năng cháy xém hạt.

Hệ thống 12 máy rang tại nhà máy Jewel Tea Co., Hoboken, N.J với công suất 1,000 gói cà phê mỗi ngày

Khi nguồn năng lượng điện ngày càng dễ tiếp cận hơn vào đầu thế kỷ 20, ngành công nghiệp rang cà phê đã thích nghi và tận dụng tối đa sức mạnh của điện. Động cơ điện đã giúp giải phóng sức lao động con người trong quá trình vận hành trống rang. Và bởi vì cảm biến nhiệt điện có thể dễ dàng kiểm soát nên việc rang được thực hiện một cách nhất quáng hơn bao giờ hết, cũng như ít nguy hiểm hơn. Lần đầu tiên, các nhà rang xay có thể kiểm soát nhiệt độ chính xác ở từng con số cùng khả năng tái tạo năng lượng tốt hơn.

Các hệ thống điều khiển tinh vi trên các máy rang hiện đại ngày nay, không chỉ cho phép kiểm soát hoàn toàn nhiệt độ, luồng không khí, tuần hoàn không khí, tốc độ trống quay, cơ chế làm mát, nhiệt lượng, mà còn được cấu hình hóa các thứ như vậy, để đáp ứng phù hợp theo yêu cầu của từng loại hạt.