Dottorando: MICHELE BASILE Relatore: Prof. IRENEO KIKIC DICAMP-Università degli Studi di Trieste...

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

http://images.google.it/imgres?imgurl=http://www.dicamp.univ.trieste.it/Default_files/image005.jpg&imgrefurl=http://www.dicamp.univ.trieste.it/&h=139&w=127&sz=6&tbnid=_f_UacEbunRR-M:&tbnh=88&tbnw=80&hl=it&start=20&prev=/images%3Fq%3Ddicamp%26svnum%3D10%26hl%3Dit%26lr%3D

http://images.google.it/imgres?imgurl=http://www-dinma.univ.trieste.it/images/Logo_Univ.gif&imgrefurl=http://www-dinma.univ.trieste.it/&h=681&w=818&sz=17&tbnid=eawICfLNyHhIEM:&tbnh=119&tbnw=143&hl=it&start=1&prev=/images%3Fq%3Duniversit%25C3%25A0%2Bdi%2Btrieste%26svnum%3D10%26hl%3Dit%26lr%3D

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



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

Caffè Verde

Caffè Verde Pre-lavorato

Caffè Tostato


Introduzione

Introduzione

La tostatura



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

Modifiche Chimiche

05

101520253035404550%

su

bas

e se

cca

Caffè Verde

Caffè Tostato


Introduzione

Introduzione

La tostatura



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

Modifiche Fisiche

• Variazione del colore

• Aumento Volumetrico

• Essiccamento

• Perdita di massa secca


Introduzione

Introduzione

La tostatura Grado di Cottura



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



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



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

Calore Ceduto dal Gas

Reazioni Esotermiche

Reazioni Endotermiche

Perdite di Entalpia


Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

...dt

dTmC

dt

dTmC acquaacquacaseccosec

dt

dmTC

dt

dmTCh

dt

dmh

dt

dmTThA... acqua

avaporecasec

avolatilireazcasec

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sa

acquacasectot mmm


Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

...dt

dTmC

dt


dt

dmTC

dt

dmTCh

dt

dmh

dt

dmTThA... acqua

avaporecasec

avolatilireazcasec

evapacqua

sa

acquacasectot mmm

CT10944.1exp107880.1m

m 23

0


Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

T;mmmmm 0totacquacasectot

dt

dmTC

dt

dmTCh

dt

dmh

dt

dmTThA... acqua

avaporecasec

avolatilireazcasec

evapacqua

sa

...dt

dTmC

dt



Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni


T;mmmT;mmm:hp 0acquaacquaacqua0caseccaseccasec

dt

dmTC

dt

dmTCh

dt

dmh

dt

dmTThA... acqua

avaporecasec

avolatilireazcasec

evapacqua

sa

...dt

dTmC

dt



Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni


T;mmmT;mmm:hp 0acquaacquaacqua0caseccaseccasec

dt

dT

dT

dm

dt

dme

dt

dT

dT

dm

dt

dmcaseccasecacquaacqua

dt

dmTC

dt

dmTCh

dt

dmh

dt

dmTThA... acqua

avaporecasec

avolatilireazcasec

evapacqua

sa

...dt

dTmC

dt



Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

...dt

dT)T(h

dT

dmTThA

dt

dTTmC

dt

dTTmC evap

acquasaacquaacquacaseccosec

dt

dT

dT

dmTC

dt

dT

dT

dmTC

dt

dTTh

dt

dm... acqua

avaporecasec

avolatilireazcasec

...

Tm

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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...

saLtot TThAdt

dT)T(CTm


Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



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

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...

Tm

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dT

dm

Tm

1

Tm

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dt

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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



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni

saLtot TThAdt

dT)T(CTm


Introduzione

Modellazione

Riscaldamento



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



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



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



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



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



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



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



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



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




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




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




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




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

.....RT

E

RThtexpTTR

EE

RT

Eexp

RThtexpTTR

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ktK a

0

ai

a

0

ai

RT

1

RT

EE

RT

Eexp

RT

EE

h

k...

0

ai

a

0

ai

thexpTTTT 0


Introduzione

Modellazione




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

tKAA

tK

tK

AA

1

1

10

1

1

1

10

1e1

AA

1tKlim1

AA

1tKlim

10

10


Introduzione

Piano Sperimentale



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



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


Riscaldamento



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


Riscaldamento e Raffreddamento



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


Evoluzione Massa



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


Colore



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



Piano Sperimentale

Validazione Modello

Conclusioni


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