Post on 01-May-2015
Dottorando: MICHELE BASILE Relatore:
Prof. IRENEO KIKIC
DICAMP-Università degli Studi di Trieste
Corso di Dottorato in Scienza Tecnologia ed Economia nell’Industria del Caffè
TOSTATURA DEL CAFFE’: MODELLAZIONE DELL’EVOLUZIONE
DELLE PROPRIETA’ FISICHE DEL CHICCO
Altre Lavorazioni Pre-Tostatura
Lavorazioni Post-Tostatura
Tostatura
Selezione e pulitura
Immagazzinamento
Classificazione
Beneficiamento
Coltivazione
Introduzione
Introduzione
Il ciclo tecnologico del caffè
Trasporto
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Introduzione
Coltivazione
Coffea Arabica Linnei
Altitudine >900 m s.l.m.
15°C<Temperatura<25°C
Poco Resistente ai parassiti
Bassa Resa
Coffea Canephora Pierre
Altitudine 200<m s.l.m.<1000 m s.l.m.
Temperature Elevate
Resistente all’attacco dei parassiti
Alta Resa
Altre Lavorazioni Pre-Tostatura
Lavorazioni Post-Tostatura
Tostatura
Selezione e pulitura
Immagazzinamento
Classificazione
Beneficiamento
Coltivazione
Introduzione
Introduzione
Il ciclo tecnologico del caffè
Trasporto
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Caffè Verde
Caffè Verde Pre-lavorato
Caffè Tostato
Introduzione
Introduzione
La tostatura
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Modifiche Chimiche
05
101520253035404550%
su
bas
e se
cca
Caffè Verde
Caffè Tostato
Introduzione
Introduzione
La tostatura
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Modifiche Fisiche
• Variazione del colore
• Aumento Volumetrico
• Essiccamento
• Perdita di massa secca
Introduzione
Introduzione
La tostatura Grado di Cottura
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Grado di Tostatura Nome Alternativo Aspetto Superficie Descrizione
Chiara Cinnamon, Half City,
New England Secco
Corpo Modesto, Acido, Erbaceo, Fruttato
Media Full City, Americana,
Breakfast Secco
Un po' più Dolce della Tostatura Chiara, Corpo Pieno, Equilibrio di Acidità, Aroma e Complessità
Scura High, Viennese,
Francese, Continentale Leggermente Translucido
Speziato, Note di cacao, Dolce, Poco Aromatico
Scurissima Italiana, Espresso Roast Unto Amaro, Corposo,
Bruciato
Introduzione
Introduzione
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Trasmissione del calore
Temperatura del Chicco
Reazioni Chimiche
Trasmissione di materia
CAFFE’ VERDE
capacità termica geometria
conduttività termica struttura del chicco
densità porosità
umidità stato delle cellule
stato della superficie pressione interna
etc.
PROCESSO DI TOSTATURA
tipo di processo temperatura gas
composizione gas durata tostatura
CAFFE’ TOSTATO
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Calore Ceduto dal Gas
Reazioni Esotermiche
Reazioni Endotermiche
Perdite di Entalpia
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
...dt
dTmC
dt
dTmC acquaacquacaseccosec
dt
dmTC
dt
dmTCh
dt
dmh
dt
dmTThA... acqua
avaporecasec
avolatilireazcasec
evapacqua
sa
acquacasectot mmm
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
...dt
dTmC
dt
dTmC acquaacquacaseccosec
dt
dmTC
dt
dmTCh
dt
dmh
dt
dmTThA... acqua
avaporecasec
avolatilireazcasec
evapacqua
sa
acquacasectot mmm
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
...dt
dTmC
dt
dTmC acquaacquacaseccosec
dt
dmTC
dt
dmTCh
dt
dmh
dt
dmTThA... acqua
avaporecasec
avolatilireazcasec
evapacqua
sa
acquacasectot mmm
CT10944.1exp107880.1m
m 23
0
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
T;mmmmm 0totacquacasectot
dt
dmTC
dt
dmTCh
dt
dmh
dt
dmTThA... acqua
avaporecasec
avolatilireazcasec
evapacqua
sa
...dt
dTmC
dt
dTmC acquaacquacaseccosec
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
T;mmmmm 0totacquacasectot
T;mmmT;mmm:hp 0acquaacquaacqua0caseccaseccasec
dt
dmTC
dt
dmTCh
dt
dmh
dt
dmTThA... acqua
avaporecasec
avolatilireazcasec
evapacqua
sa
...dt
dTmC
dt
dTmC acquaacquacaseccosec
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
T;mmmmm 0totacquacasectot
T;mmmT;mmm:hp 0acquaacquaacqua0caseccaseccasec
dt
dT
dT
dm
dt
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dt
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avaporecasec
avolatilireazcasec
evapacqua
sa
...dt
dTmC
dt
dTmC acquaacquacaseccosec
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
...dt
dT)T(h
dT
dmTThA
dt
dTTmC
dt
dTTmC evap
acquasaacquaacquacaseccosec
dt
dT
dT
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dt
dT
dT
dmTC
dt
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dt
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avaporecasec
avolatilireazcasec
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Tm
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1
Tm
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tot
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casec
tottot
caseccosectot
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totavolatili
casec
totevap
acqua
tot
TThATCdt
dm
Tm
1TC
dt
dm
Tm
1h
dT
dm
Tm
1...
saLtot TThAdt
dT)T(CTm
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
...dt
dT)T(h
dT
dmTThA
dt
dTTmC
dt
dTTmC evap
acquasaacquaacquacaseccosec
dt
dT
dT
dmTC
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dT
dmTC
dt
dTTh
dt
dm... acqua
avaporecasec
avolatilireazcasec
...
Tm
TmC)T(h
dT
dm
Tm
1
Tm
TmC
dt
dTTm
tot
acquaacquareaz
casec
tottot
caseccosectot
saavaporeacqua
totavolatili
casec
totevap
acqua
tot
TThATCdt
dm
Tm
1TC
dt
dm
Tm
1h
dT
dm
Tm
1...
TTUAdt
dT)T(CTm aLtot
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
saLtot TThAdt
dT)T(CTm
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
210W%W27)Kg/KJ(E C1001
450W%W28)Kg/KJ(E C2041
204
1
LC2041 dTTC)Kg/KJ(E W%W
LUmiditàLSeccoL CW%W)T(CTC
Introduzione
Modellazione
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 50 100 150 200 250 300
Temperatura (°C)
Cp
(J/K
gK
)
8%
9%
10%
11%
12%
13%
in
0iiumiditàicosecL TaW%WaC
Introduzione
Modellazione
Omogeneità Termica
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Tkt
TCL
sas
TThTk
centroal0Tk Condizioni al Contorno
Condizioni Iniziali
P,0PT
r
Tr
rr
1k
t
TC 2
2L
Introduzione
Modellazione
Omogeneità Termica
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
r;tTT
221 rtTtTT
sas
TThTk RTThr
Tk a
Rr
Bi
21RtTtTT 2
21a
221S RtTtTTRT 2
21
R
0
23
RTT5
3tTdrr4rT
R4
3T
a
a
a
a
a
2
2
1
2
2
1
a22
a1
a22
a1
sT
T51
TBi1
T51
Bi1
1TT
T53
T1Bi2
53
TT
T53
T1Bi2
RTT
R53
TT
T,TTRT,TT
T,TTR53
T,TT
T
TO
saa TThATTUA
Introduzione
Modellazione
Omogeneità Termica
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Sivetz M. Desroisier N.W. (1979), Coffee Technology.AVI,
Westport, Connecticut Processi a Tamburo
Eggers R.(2001), Technology I: Roasting. In Clarke R.J, Vitzhun O.J, Coffee Recent Developments, Blackwell Science, Oxford
Nagarju V.D., Murthy C.T., Ramalakshmi K.,P.N. Srinivasa Rao (1997), Roasting of Coffee beans in a spouted bed coffee roaster, Journal of Food Engineering, 39 (5)
Processi a Letto Fluido
Processi a Letto Zampillante (Spouted Bed)
Introduzione
Modellazione
Omogeneità Termica
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
94%
6%
ResistenzaEsterna
ResistenzaInterna
76%
24%
ResistenzaEsterna
ResistenzaInterna
67%
33% ResistenzaEsterna
ResistenzaInterna
99%
1%
ResistenzaEsterna
ResistenzaInterna
Processi a Tamburo:
Bi ≈ 0.058
Processi a Letto Fluidizzato:
Bi ≈ 1.62 ÷ 2.43
Processi a Letto Zampillante:
Bi ≈ 0.3
Introduzione
Modellazione
Omogeneità Termica
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Tamburo
Letto Fluidizzato
Tempo (secondi)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108
ΔT
%
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108
Tempo (secondi)
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 12 24 36 48 60 72 84 96 108
ΔT
%
Introduzione
Modellazione
Omogeneità Termica
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
aS
T
T51
TBi1
T51
Bi1
T
TO
asa
aS
TBi
TTT
T
T51
0
T51
0
T
TOlim
TTT
T
TBi1
TBi1
T
TOlim s
ST
0Bi
To
Introduzione
Modellazione
Caratteristiche Fisiche
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
A0 B0
Aoo B0
Coo B0
C0 B0
CBA
dt
dCkB
dt
dA
dt
dB
AAAABBBBAA 0000
CCCBCB 00
AAkdt
dA CCkdt
dC
Introduzione
Modellazione
Caratteristiche Fisiche
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
A0 B0
Aoo B0
Coo B0
C0 B0
CBA
dt
dCkB
dt
dA
dt
dB
AAAABBBBAA 0000
CCCBCB 00
AAkdt
dA CCkdt
dC
RT
Eexpkk
Introduzione
Modellazione
Caratteristiche Fisiche
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
RT
Eexpkk
AAkdt
dA CCkdt
dC
1
1
100
1AA
1tK
AA
AA
RT
Eexpkk
tTT tTT
1
1
100
1CC
1tK
CC
CC
Introduzione
Modellazione
Caratteristiche Fisiche
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
RT
Eexpkk
AAkdt
dA CCkdt
dC
1
1
100
1AA
1tK
AA
AA
RT
Eexpkk
tTT tTT
1
1
100
1CC
1tK
CC
CC
tktK
30
3
02a
2
TTtTET
Rk2tK
tetancosT
0TtTT
Introduzione
Modellazione
Caratteristiche Fisiche
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
RT
Eexpkk
AAkdt
dA CCkdt
dC
1
1
100
1AA
1tK
AA
AA
RT
Eexpkk
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1
1
100
1CC
1tK
CC
CC
.....RT
E
RThtexpTTR
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ai
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RT
1
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0
ai
a
0
ai
thexpTTTT 0
Introduzione
Modellazione
Caratteristiche Fisiche
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
RT
Eexpkk
AAkdt
dA CCkdt
dC
1
1
100
1AA
1tK
AA
AA
RT
Eexpkk
tTT tTT
1
1
100
1CC
1tK
CC
CC
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tK
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10
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1
1
10
1e1
AA
1tKlim1
AA
1tKlim
10
10
Introduzione
Piano Sperimentale
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Dati Sperimentali
Esplorazione del legame tra decorso termico e proprietà fisiche
Modello Riscaldamento
Modellazione Cinetica Proprietà Fisiche
Simulazione Riscaldamento
ValidazioneModello Riscaldamento
Simulazione Completa Tostatura
ValidazioneModello Tostatura
Prove di Riscaldamento: 160°C , 180°C , 200°C , 220°C
Prove di Tostatura: 160°C , 180°C , 200°C , 220°C
a 5 , 15 , 30 , 45 , 60 minuti
Introduzione
Validazione del Modello
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
0
50
100
150
200
250
300
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
Tempo (s)T
emp
ratu
ra (
°C)
Dati Sperimentali
Temperatura Volumetrica
Temperatura Superficiale
Dati Sperimentali
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60 70
Tempo (s)
Tem
per
atu
ra (
°C)
Dati Sperimentali
T Volumetrica
T Superficiale
Dati Sperimentali
Raffreddamento
R.Eggers, M.v.Blittersdorff, C.Fischer, H.K.Cammenga (2004), Temperature Field during Roasting of Coffee Beans, 20th ASIC Coll., 2004
Introduzione
Validazione del Modello
Riscaldamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500 600 700
Tempo (s)
Tem
per
atu
ra (
°C)
ModelloCampionePrevisto
31C1600P m/Kg966m1302V/AKg/J3895C4.01.9W%W
Km/W465.24U 2
Kg/J3439CKg/J3610CKg/J3761C C2200PC2000PC1800P
Km/W00772.0h 2
0.006
0.0065
0.007
0.0075
0.008
0.0085
0.009
160 180 200 220
Temperatura (°C)
UA
/V
(1/
s)
Introduzione
Validazione del Modello
Riscaldamento e Raffreddamento
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
0
50
100
150
200
250
0 100 200 300 400 500 600 700
Tempo (s)
Tem
per
atu
ra (
°C)
ModelloCampionePrevisto
31C1600P m/Kg966m1302V/AKg/J3895C4.01.9W%W
Km/W465.24U 2
Kg/J3439CKg/J3610CKg/J3761C C2200PC2000PC1800P
Km/W00772.0h 2
0
50
100
150
200
250
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00Tempo (s)
Te
mp
era
tura
(°C
) ModelloCampionePrevisto
Introduzione
Validazione del Modello
Evoluzione Massa
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
0.77
0.82
0.87
0.92
0.97
1.02
0 1000 2000 3000 4000
Tempo (s)M
/Mo
160
180
200
220
160-mod
180-mod
200-mod
220-mod-predicted
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0 1000 2000 3000 4000Tempo (s)
V/V
o
160
180
200
220
160-mod
180-mod
200-mod
220-mod-pred
Evoluzione Volume
Introduzione
Validazione del Modello
Colore
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Luminosità
0
50
100
150
200
250
0 1000 2000 3000 4000
Tempo (s)
Lu
min
osi
tà H
SL
160°C-Model
180°C-Model
200°C-Model
220°C-Mod-Previsione
160°C
180°C
200°C
220°C
0
50
100
150
200
250
0 50 100 150 200 250Luminosità-HSL (0-255)
Ad
ob
e R
GB
199
8 (0
-255
) Modello-Rosso
Modello-Verde
Modello-Blu
Rosso
Verde
Blu
Introduzione
Conclusioni
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni
Introduzione
Conclusioni
Modellazione Riscaldamento
Modellazione Caratteristiche
Piano Sperimentale
Validazione Modello
Conclusioni