Hiểu về Espresso
Số 02: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy pha cafe Espresso
Chúng ta đều biết một máy Espresso thực sự không hề “rẻ”, và đôi khi với những máy đắt nhất trên thị trường thì không phải lúc nào cũng dễ dàng cho một cốc Espresso ngon.
Điều này phụ thuộc vào cấu tạo và nguyên lý vận hành của mỗi dòng máy Espresso – Và cách nhanh nhất, để không cần tháo tung một chiếc máy nào đó là xem bài hướng dẫn này để biết nguyên lý cơ bản của máy Espresso qua đó dễ dàng làm chủ trong thao tác vận hành pha chế cũng như lựa chọn được chiếc máy phù hợp nhất có thể.
Về những bộ phần chính trong máy Espresso
Ta đang nói về những ống đồng, nồi hơi inox, máy bơm, phần mềm lập trình, … Tất cả các linh kiện cơ khí được định hình nằm trong một thiết kế chính xác – và đôi khi đậm chất nghệ thuật. Tuy cấu kiện tinh vi quá mức trên các máy Espresso hiện đại làm ta ngao ngán, nhưng đối với hầu hết các máy Espresso từ trước đến nay 1 thế kỷ, nguyên lý hoạt động dựa trên 4 pha chưa hề thay đổi:
Nguồn nước » Bơm (Pump) » Nồi hơi (Boiler) » Cụm chiết xuất (Grouphead)
Bài viết sẽ đi lần lượt theo thứ tự các bộ phận chính của máy:
- Nguồn nước / The Water Source
- Máy bơm / The Pump:
- Nồi hơi pha chế / The Boiler, Bringing the Heat
- Nồi hơi chiết xuất / The Boiler, Control Temperature
- Cụm chiết xuất / The Grouphead
Nguồn nước hoặc bình nước
Mỗi máy pha cà phê cần nước để hoạt động. Đối với máy pha tại gia hoặc dùng cho công sở, nước được đưa vào máy bằng một trong hai nguồn: Hoặc bình chứa nằm trong máy hoặc kết nối trực tiếp với nguồn cung cấp nước phù hợp.
Thông thường, việc sử dụng nguồn nước nào dựa trên yêu cầu sử dụng máy Espresso. Ví dụ, các máy Espresso chỉ để chiết xuất một vài cốc với yêu cầu chất lượng cao hàng ngày thường sử dụng bình chứa tích hợp, bằng cách này bạn có thể dễ dàng điều chỉnh chất lượng nước. Trong khi đó, đối với các máy Espresso thương mại dùng cho quán cà phê, cần hàng trăm cốc mỗi ngày, thì sử dụng nguồn nước trực tiếp từ hệ thống làm mềm và lọc tích hợp sẽ hợp lý hơn (bạn không bao giờ phải châm nước).
Trong khi đó, vẫn có một số “máy lai” vừa sử dụng bình chứa vừa có thể nối nguồn nước trực tiếp như dòng máy Higher-end E61 cao cấp.
Tóm lại, về nguồn nước ta sẽ có các ưu nhược điểm sau:
1. Dòng máy sử dụng bình chứa
- Ưu điểm: dễ lắp đặt, nhỏ gọn
- Nhược điểm: yêu cầu vệ sinh thường xuyên
- Máy: LUCCA A53 Mini , ECM Classika
2. Sử dụng nguồn nước trực tiếp
- Ưu điểm: không cần châm nước
- Nhược điểm: Yêu cầu đường ống riêng, bộ lọc.
- Máy: LUCCA A53 , La Marzocco GS3
Máy bơm (pump)- Trái tim của mỗi máy Espresso
Áp suất – là chìa khóa của mỗi cốc Espresso, Để đưa nước qua lớp cà phê nghiền mịn, máy cần có áp lực tương đương 9 bar (9,1kg/1cm2 ). Trong lịch sử hơn 1 thế kỷ, các máy Espresso đời đầu đã chuyển từ từ việc sử dụng áp suất tạo ra bởi hơi nước có sẵn trong nồi hơi, qua việc sử dụng các đòn bẫy được ép bởi barista. Song, việc ép tay thực sự “tốn công” và thiếu nhất quán nên cuối cùng máy Espresso sử dụng bơm điện đã thống lĩnh, với hai loại máy bơm chính là: bơm rung (Vibratory pump) và bơm quay (Rotary pump).
Nguyên lý hoạt động của Vibratory pump & Rotary pump trên máy Espresso
- Vibratory pump – Một máy bơm rung, hoạt động theo nguyên lý điện từ. Trong đó Dòng điện chạy qua cuộn dây khiến nam châm di chuyển piston qua lại (trung bình sáu mươi lần mỗi giây), để đẩy nước qua máy.
- Rotary pump – Bơm quay, là loại bơm phổ biến mà chúng ta sử dụng tại nhà, cũng như trên nhiều dòng máy Espresso khác. Nhưng với cơ chế bơm phức tạp hơn. Trong đó, động cơ sẽ truyền động đến một đĩa quay đặt bên trong buồn bơm, Khi đĩa quay, lực ly tâm khiến các cánh quạt áp sát vào thành buồn bơm và tạo ra áp lực lên dòng nước.
Có những lợi thế tương đối cho mỗi loại máy bơm. Máy bơm rung nhỏ gọn hơn, rẻ tiền và dễ thay thế, có thể bắt gặp trên các dòng máy LUCCA A53, Profitec Pro 300. Bơm quay yên tĩnh hơn, cung cấp áp lực ổn định, và thường có tuổi thọ dài hơn – chẳng hạn như máy LUCCA M58. Tuy nhiên, cần lưu ý là máy bơm không hoàn toàn quyết định chất lượng Espresso
Nồi hơi (Boiler) trên máy Espresso
Máy bơm đã cung cấp nguồn áp lực cần thiết, nhưng nước thì cần được đun nóng cho việc pha chế. Nồi hơi (boiler) là nơi nước được làm nóng đến nhiệt độ cần thiết, các máy Espresso có một sự đa dạng đáng kể về cơ cấu nồi hơi, từ số lượng nồi hơi đến cơ chế ổn định nhiệt.. Và điều này thực sự dễ làm rối trí các chủ quán cũng như barista.
Chức năng cơ bản của nồi hơi là đun nước và trữ nước nóng cho việc chiết xuất Espresso, pha chế và cả lấy hơi đánh sữa (steam milk). Những máy pha cà phê đời đầu được đun sôi bằng gỗ hoặc than.. Trên các máy hiện đại, tất nhiên dùng điện để đưa nước đến nhiệt độ sôi với nhiều cơ chế khác nhau. Và để lựa chọn một máy Espresso với cơ chế nồi hơi phù hơp bạn phải cân nhắc hai yếu tố:
Kích thước và cơ chế gia nhiệt nồi hơi
Thứ nhất, dung tích nồi hơi, chúng ta cần xem xét rằng mỗi ngày mình cần 3, 5 hay 13 lít trước khi quyết định đầu tư cho một máy Espresso. Đối với các máy có nồi hơi lớn (như La Marzocco GS3), máy càng có thể làm liên tục nhiều shot Espresso, bù lại sẽ càng tốn nhiều năng lượng và thời gian để đun nước.
So sánh cơ chế hoạt động của máy Espresso nồi hơi (Boilers) và trao đổi nhiệt (Heat exchanger)
Thứ hai, nhưng rất quan trọng là lựa chọn cơ chế nồi hơi, Nồi hơi đơn, nồi hơi kép, hay nồi đơn tích hợp bộ trao đổi nhiệt.. các chi tiết này khá phức tạp nên được trình bày riêng ở So sánh máy Espresso boiler & Heat Exchanger. Tai đây ta sẽ tóm tắt một số ưu, nhược điểm chính:
1. Nồi hơi đơn (Single Boiler)
- Ưu điểm: Không tốn kém
- Nhược điểm: Kiểm soát nhiệt độ không chính xác, không thể đồng thời vừa chiết xuất vừa hấp sữa và thời gian chờ đợi lâu.
- Máy: ECM Classika
2. Nồi hơi trao đổi nhiệt (Heat Exchanger)
- Ưu điểm: Ít tốn kém, có thể chiết xuất và hấp sữa cùng lúc
- Nhược điểm: Kiểm soát nhiệt độ kém, với kiểu Thermoblock khả năng kiểm soát nhiệt độ chiết xuất tốt hơn
- Máy: ECM Casa V, Profitec Pro 500, Quick Mill Silvano Evo (Thermoblock)
3. Nồi hơi kép (Douple Boiler)
- Ưu điểm: Có thể đồng thời vừa chiết xuất vừa hấp sữa, kiểm soát nhiệt độ độc lập và chính xác
- Nhược điểm: Tốn kém hơn
- Máy: LUCCA M58, Profitec Pro 700
Cơ chế kiểm soát nhiệt độ trên máy Espresso
Ngay cả sau khi có được “áp xuất khủng” – Gấp 4 lần lốp xe, pha cà phê Espresso vẫn là một nghệ thuật tinh tế, Các barista đã không ngừng đặt ra những giới hạn khắt khe hơn trong việc kiểm soát nhiệt độ pha chế. Và rất nhiều nhà sản xuất đã tham gia cuộc chiến kỹ thuật với mục đích ổn định nhiệt độ trên mỗi shot Espresso, đây vẫn luôn là chủ đề hấp dẫn nhất về các máy Espresso, vì những thay đổi nhỏ nhất về biên độ nhiệt cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hương vị.
Đối với các máy pha cà phê nhỏ, giá rẻ, nhiệt độ pha chế được lập trình sẵn và thực hiện bởi các bộ gia nhiệt đơn giản. Vấn đề với các yếu tố làm nóng đơn giản là chúng cung cấp cho người dùng ít quyền kiểm soát nhiệt độ nước, khiến cho việc chiết xuất thiếu nhất quán trở nên khó khăn hơn.
Để kiểm soát chính xác hơn đối với nhiệt độ pha chế, nồi hơi có bộ điều khiển kỹ thuật số (Digital Temperature Control) hoặc PID được sử dụng. Cả hai đều cho phép người dùng thay đổi nhiệt độ của máy một cách chi tiết nhất và sẽ giữ nhiệt độ đó với ít phương sai.
PID và Digital Control
PID (viết tắt cho Proportional Integral Derivative controller) – Là một hệ thống điều khiển bộ phận gia nhiệt để giữ nhiệt độ nước giao động ít nhất có thể. Để làm điều này, một PID được kết nối với bộ phận làm nóng và đầu dò nhiệt độ bên trong nồi hơi. PID liên tục đọc dữ liệu từ đầu dò nhiệt và bật/tắt bộ gia nhiệt liên tục dựa trên thuật toán được lập trình sẵn. Với tính chất cơ bản là một thuật tóan, Trước khi có mặt trên máy Espresso, PID đã được sử dụng trong điều khiển hệ thống công nghiệp, hàng không vũ trụ.. Và cho đến khi có mặt trong máy Espresso, PID là một trong những tiến bộ công nghệ có ảnh hưởng nhất trong hai mươi năm qua.
Các bộ điều khiển nhiệt độ kỹ thuật số (Digital Temperature Control) về cơ bản cũng thực hiện theo cách tương tự. Chỉ có hai sự khác biệt chính như sau: Thứ nhất: màn hình kỹ thuật số trên PID cung cấp nhiều thông tin và tùy chọn điều khiển hơn trên bảng điều khiển DT. Thứ hai: người dùng có thể điều chỉnh thuật toán trên một PID, nhưng không thể làm tương tự với bộ điều khiển nhiệt độ kỹ thuật số.
Grouphead (đầu chiết) trên máy Espresso
Grouphead là “trạm cuối” của nước khi nó di chuyển qua máy Espresso. Dù cho máy Espresso của bạn có 1, 2 hay 3 group thì tất cả các group đều được cấu thành từ bốn bộ phận cơ bản: Tay pha (portafilter) hay còn gọi là bộ lọc ; chốt khóa (ngàm) bộ lọc ; Van bơm (activate the pump) và ống dẫn nước từ nồi hơi đến bộ lọc.
Với vô số kiểu máy Espresso có mặt trên thị trường, thì vẫn chỉ có ba kiểu grouphead chính: Grouphead E61 ; Saturated Grouphead (Grouphead bão hòa) ; và Semi-saturated Grouphead hay còn gọi là Grouphead bán bão hòa.
Grouphead – E61
Trong những cải tiến lịch sử trên máy Espreso, Ernesto Valente đã ghi danh mình với sự ra đời của dòng máy Espresso E61 (vào năm 1961), từ đó grouphead E61 đã trở thành một bộ phần “cổ điển” trên các máy Espresso cho đến ngày nay. Toàn bộ grouphead trên E61 được gia công bằng đồng và nặng đến 4kg. Mặc dù sẽ mất khoảng 15 phút để cả grouphead nóng đến nhiệt độ pha chế, nhưng bù lại nó giữ nhiệt tốt hơn trong thời gian dài.
Nói một cách đơn giản, grouphead – E61 là một van ba chiều hoạt động theo nguyên tắc cơ học, nghĩa là Barista phải gạt đòn bẫy bằng tay để kích hoạt bơm. Trong đó sẽ có một van để cho nước từ nồi hơi vào group, một van để di chuyển nước từ group đến portafilter và van thứ ba để giải phóng áp lực từ portafilter. Cơ chế hoạt động của grouphead E61 khá phức tạp, nên mình không nhắc đến tại đây, tuy nhiên ta có thể tóm lược các ưu, nhược điểm của grouphead – E61.
- Ưu điểm: Được gia công chắc chắn với khả năng giữ nhiệt cao, tương đối dễ sửa chữa, điều khiển thủ công, Cho phép thực hiện quá trình Preinfusion (khi gạt đòn bẫy), nên cà phê trong portafilter được tăng áp chậm để ổn định trước khi tăng áp lực tối đa.
- Nhược điểm: Thời gian gia nhiệt lâu, chỉ thao tác bằng tay
- Máy: ECM synchronika, ECM Classika
Grouphead – Saturated và Semi-saturated
Với các đầu chiết như trên máy Marzocco GS3, grouphead được hàn trực tiếp với nồi hơi. Như vậy, grouphead hoạt động giống như một phần mở rộng của nồi hơi và được bão hòa với nước nóng (do đó mình tạm dịch là grouphead bão hòa). Vậy nên, thay vì chờ khối đồng thau nóng đến lên từ từ, grouphead – saturated sẽ nhanh chóng nóng đạt nhiệt độ chính xác như nước trong nồi hơi.
Với grouphead bán bão hòa (group semi-saturated) nguyên lý hoạt động về cơ bản cũng tương tự, sự khác biệt lớn nhất là thay vì hàn cả grouphead vào nồi hơi, thì khu vực phía trên group lại nằm tách biệt. Điều này cho giúp giảm chi phí gia công group semi-saturated và dễ sửa chữa hơn so với grouphead saturated. Cũng cần nói thêm, khác với group E61 chủ yếu là thủ công, cả grouphead – saturated và semi-saturated hoạt động theo lập trình. Các dòng máy khác nhau sẽ cung cấp chương trình và khả năng điều khiển khác nhau, tùy thuộc vào mức độ “Smart” của chúng. Sau đây là tổng kết về hai loại đầu chiết loại “xịn” này.
1. Grouphead saturated
- Ưu điểm: Thuộc loại cao cấp nhất, được lập trình tự động
- Nhược điểm: Chi phí cao, đòi hỏi barista chuyên môn cao
- Máy: La Marzocco GS3
2. Group semi-saturated
- Ưu điểm: Độ bền cao, dễ sửa chữa, và cũng được lập trình tự động
- Nhược điểm: Ổn định nhiệt độ kém hơn
- Máy: Lucca A53, Profitec Pro 300
Về Portafilter
Portafilter được rút ngắn từ “Portable-Filter” hay một số barista gọi là “Tay pha”, tuy vậy Portafilter một là một phễu kim loại đục lỗ được đặt bên trong tay cầm. Cà phê nghiền mịn được đưa vào Portafilter, sau đó được nén bằng tamp, trước khi chèn và khóa vào grouphead. Một cách đơn giản – Portrafilter là nơi mà nước được bắn ra từ máy Espresso sẽ hòa tan cà phê để đi vào cốc. Nghe có vẻ đơn giản và không trực thuộc máy Espresso, nhưng Portafilter là cầu nối quan trọng nhất giữa máy Espresso – cà phê & barista.
Nguồn: Xin cảm ơn Prime Coffea với bài nghiên cứu và triển khai này.
Bài viết được nghiên cứu và triển khai bởi PrimeCoffea
Nguồn tham khảo:
- www.clivecoffee.com/ How Do Espresso Machines Work?
- www.home.lamarzoccousa.com/ A Brief History of the PID
Máy Espresso – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động