Cinética do aquecimento, expansão volumétrica e perda de massa em grãos de café durante a torrefação

Abstract

Objetivou-se com este trabalho estudar a transferência de calor e massa nas etapas do processo de torrefação do café pela cinética do aquecimento, da expansão volumétrica e a perda de massa dos grãos. Para diferenciar as cinéticas do aquecimento dos grãos foram empregadas quatro temperaturas iniciais do processo (290, 310, 345 e 380°C), que diminuíram devido às condições não isotérmicas da parede, em contato com os grãos. As cinéticas foram adaptadas a um modelo físico de aquecimento dos grãos, considerando que o calor transferido aos grãos é usado tanto para o aquecimento da massa quanto para a evaporação da água na superfície dos grãos. A cinética do aquecimento dos grãos foi ajustada adequadamente a torra dos grãos de café em função da temperatura do torrador. Observou-se nos primeiros minutos de torra que a temperatura dos grãos aumentou bruscamente, após um ponto de inflexão, atingiu uma tendência linear até o final do processo. A transferência de massa foi analisada pelas mudanças físicas causadas pelos gases liberados durante o processo tanto de vapor quanto de dióxido de carbono, o que permitiu separar o processo em duas etapas; de secagem e de torrefação. Foi desenvolvido um modelo matemático baseado na lei das reações químicas para representar o efeito dos gases na expansão volumétrica dos grãos e na transformação da massa seca. A cinética da expansão aparente e a de perda de massa seca do café dependeram diretamente da temperatura do torrador, pelo que foi adequadamente representado pelo modelo de Arrhenius, onde foram determinadas as respectivas energias de ativação para cada etapa.

The objective was to study heat and mass transfer during steps of roasting coffee process by kinetics of grain temperature, swelling and loss mass. The kinetics of grains temperature was associated to initial process temperature (290, 310, 345 and 380°C), which decreased due to non-isothermal conditions of wall in contact with coffee grains. The kinetics of grain temperature were adapted to physical model of heating, whereas the heat transferred to grain is used both for evaporation of water and for heating on the grain surface. The kinetic model of grain temperature was appropriately adjusted for temperature of coffee roaster. The grain temperature was increased sharply to an inflection point, after that, it was observed a linear trend by the end of process. The mass transfer was analyzed for physical changes in grains caused by gases released, as steam and as carbon dioxide, which separated the process in two steps, drying and roasting. A model based on the law of chemical reactions to represent the effect of gases in the volumetric expansion of grains and the transformation of organic mass was developed. The swelling kinetics and lost organic mass were directly depended of temperature roaster, so it was appropriately represented by the Arrehnius model which determined the activation energy for each step.