Publicado: 14 de septiembre de 2022

El frente de evaporación

En los últimos lesson de nuestro Ciencia del tostado course, hemos estado explorando el frente de evaporación que se forma dentro de los granos de café mientras se tuestan. En el tueste del café este fenómeno tiene un estatus casi mítico. Incluso se ha promocionado como una posible causa de primer crack, pero hay muy pocos estudios directos sobre este tema y muchas conjeturas. 

En esta publicación, veremos más de cerca lo que sabemos sobre cómo se evapora la humedad durante el tueste y explicaremos algunas de las razones por las que la evaporación es tan importante para la forma en que se tuesta el café.

 

¿Cuándo se evapora la humedad?

Desafortunadamente, es muy difícil medir con precisión lo que sucede con la humedad del grano durante el tueste. Básicamente, existen dos enfoques: tomar muestras de granos en varias etapas durante el tueste y medir el contenido de humedad restante en la muestra; o medir la humedad que se desprende de los gases de escape.

Cada enfoque presenta problemas: si está midiendo el contenido de agua de las muestras del tostador, primero deben enfriarse, tiempo durante el cual podrían continuar liberando humedad o absorbiéndola del aire. Para medir el contenido de humedad con un horno de deshidratación, el método más preciso, es posible que sea necesario moler los granos, momento en el que pueden liberar más humedad u otros gases que afectarían el resultado (Schenker 2000).

El otro enfoque, medir la humedad en la chimenea de escape, es técnicamente bastante desafiante. También hace que sea difícil distinguir entre la humedad existente en el grano que se evapora y la humedad adicional que se crea en las reacciones químicas durante el tostado.

James Davison, ingeniero químico y fundador de Tostadores de Williamstown, tomó el segundo enfoque para medir la humedad que desprenden los granos durante el tostado. En sus resultados, que se muestran en el gráfico a continuación a la derecha, la cantidad total de agua liberada representa alrededor de 16% del peso inicial de las judías verdes, pero una cantidad sustancial del agua que detectó se habría generado durante el tueste.

El anemómetro hecho a medida que se usa para medir el flujo de aire en la chimenea de escape para los experimentos de James Davison

Todo esto significa que es difícil estar seguro del contenido de humedad en el grano durante el tostado, y los intentos de medirlo a menudo arrojan resultados contradictorios. Sin embargo, la mayoría de las pruebas disponibles sugieren que la humedad se evapora continuamente durante todo el tueste, en lugar de solo durante la llamada "fase de secado" al comienzo del tueste.

Dos enfoques para medir pérdida de humedad. El gráfico de la izquierda, adaptado de Schenker (2000), muestra el contenido de humedad de las muestras de granos extraídas en diferentes etapas del tueste en un tostador de lecho fluido operado a una temperatura fija. El gráfico de la derecha, de Davison (2019) se basa en el contenido de humedad medido en los gases de escape durante el tostado. Estas medidas se tomaron en un tostador de tambor y muestran un pico distintivo en la evaporación de humedad en primer crack. El contenido total de agua se calcula a partir de la humedad evaporada en la pila y, por lo tanto, incluye el agua creada en las reacciones químicas durante el tostado.

Pero esto no significa que el contenido de humedad esté disminuyendo uniformemente en todo el frijol. En cambio, para la mayor parte del tueste, hay una clara separación entre una región seca en el exterior del grano y una región húmeda en el interior. Entre los dos hay una capa donde la humedad se evapora y escapa del frijol: el frente de evaporación.

 

El frente de evaporación

La idea central del frente de evaporación es que el agua tiene que escapar primero de la capa exterior del grano. Al comienzo del tueste, la temperatura del grano aumenta más rápidamente cerca de la superficie del grano y el calor viaja más lentamente hacia las capas internas. Por lo tanto, la humedad cerca de la superficie del grano se evapora primero, creando una capa de vapor de agua en la parte exterior del grano: el frente de evaporación.

A medida que la temperatura del grano supera los 100 °C, la presión dentro del grano comienza a aumentar a medida que el vapor se acumula más rápido de lo que puede escapar. La presión puede alcanzar los 25 bares durante el tueste (Bonnlander et al 2005) — más del doble de la cantidad de presión que encontrarás en un neumático de bicicleta de pista olímpica. La alta presión hace que sea más difícil que el agua se evapore, por lo que el frijol aún contiene agua líquida, o agua unida a la estructura del frijol, muy por encima del punto de ebullición. Esto funciona de la misma manera que la caldera de vapor de su máquina de espresso contiene vapor y agua a 120 °C o más: la presión evita que el agua se evapore, lo que permite que la temperatura aumente más allá de la temperatura de ebullición habitual.

En las capas externas del frijol, el vapor puede escapar a través de los poros del frijol, la presión cae y el agua restante se evapora. En las capas internas del frijol, el vapor no puede escapar porque está rodeado por vapor a alta presión por todos lados.

El frente de evaporación. El núcleo del grano (1) contiene agua líquida/ligada y vapor a alta presión. El vapor no puede escapar porque está rodeado de alta presión por todos lados. El vapor se escapa de la capa exterior del frijol (2). Entre los dos está la capa donde el agua líquida/ligada puede convertirse en vapor: el frente de evaporación (3).

El resultado es una capa seca en el exterior del frijol, mientras que el centro aún contiene mucha humedad. A medida que continúa el tueste, el frente de evaporación se mueve hacia adentro, hacia el centro del grano, a medida que más y más vapor escapa del grano.

 

La importancia de la evaporación

Convertir el agua en vapor requiere mucha energía; la energía requerida se llama calor latente de vaporización. Comprender esto es clave para comprender cómo la evaporación de la humedad afecta la forma en que los granos responden al calor en la tostadora.

Si calienta agua a un ritmo fijo, la temperatura del agua aumenta gradualmente. Sin embargo, a 100°C, sucede algo extraño. Sigues aplicando calor, pero la temperatura deja de aumentar y el agua se mantiene a 100°C. Esa energía ahora se destina a convertir el agua en vapor, en lugar de aumentar la temperatura del agua. De hecho, se necesita cinco veces más energía para convertir el agua en vapor que para calentar el agua de 0 a 100 °C.

. calor latente of vaporisation of water. As you add heat, the temperature of water increases up to 100°C but then stops. Any further heat added is used for evaporation, until all the water has turned to steam.

Esto significa que en el frente de evaporación, gran parte de la energía absorbida por el grano se va a vaporizar el agua, en lugar de aumentar la temperatura. En la capa externa del frijol, por otro lado, todo ese calor puede generar reacciones químicas y aumentar la temperatura del frijol.

El efecto de esto es que cualquier calor que penetre en el grano puede aumentar la temperatura de la capa exterior más rápido que la capa interior.

 

Barreras al Calor

A medida que avanza el tueste, la capa exterior también comienza a actuar como una barrera, reduciendo la cantidad de calor que llega al centro del grano. En primer lugar, la capa exterior se seca. El café seco conduce menos el calor que el café húmedo, por lo que la capa exterior seca actúa como una barrera adicional para que el calor no llegue al centro. En segundo lugar, la capa externa comienza a volverse más porosa a medida que se descompone la estructura celular. Los poros son aislantes porque están llenos de gas; solo piense en cómo funciona el poliestireno expandido. El resultado es que el mayor volumen de poros hace que la capa exterior sea aún menos eficaz para conducir el calor hacia el centro.

Dado que la capa exterior seca es menos buena para conducir el calor hacia el grano, comienza a acumularse un gradiente de temperatura, siendo la superficie del grano la más caliente. El núcleo del frijol, donde la estructura aún está húmeda y densa, es más efectivo para conducir el calor. Todo el calor que llega a esta zona se transfiere al centro más fácilmente, por lo que la temperatura dentro del centro del grano es más homogeneidad.

El frente de evaporación evita que el calor llegue al centro del grano. En la capa externa del frijol (1), la estructura del frijol está expandida y porosa y el contenido de humedad es bajo, por lo que no conduce el calor de manera efectiva a las capas internas. Esto da como resultado un fuerte gradiente de temperatura entre el exterior y el interior del grano. En el frente de evaporación (2), la humedad absorbe calor y se convierte en vapor. El centro del frijol (3), que es más denso y tiene un mayor contenido de humedad que la superficie, conduce el calor de manera más efectiva que la superficie, por lo que el centro tiene una mayor homogeneidad temperatura

 

Modelado del Frente de Evaporación

No podemos ver el frente de evaporación directamente; solo suponemos que está ahí porque así es como se comporta el secado en otros materiales. Sin embargo, podemos predecir lo que sucede mediante el uso de modelos matemáticos. En una serie de artículos, los investigadores de la Universidad de Oxford y Jacobs Douwe Egberts construyeron un modelo matemático para describir el comportamiento de la humedad dentro del grano durante el tostado.

Descubrieron que su modelo predecía dos zonas muy distintas dentro del frijol: una zona de alta presión en el centro, que continuaba con vapor y agua líquida o unida, y una zona distinta en el borde del frijol que estaba completamente seca, con un espacio estrecho. frente de evaporación entre ellos (Fadai et al 2016).

El frente de evaporación, según lo predicho por el modelado. La región i contiene vapor y agua líquida/ligada a alta presión, y se contrae gradualmente a medida que el frente de evaporación se mueve hacia adentro. La región ii está completamente seca. Adaptado de Fadai y otros (2016)

Sorprendentemente, su modelo sugiere que la temperatura es casi la misma en todo el grano. Esto podría implicar que el efecto del frente de evaporación en la transferencia de calor es relativamente pequeño, y que la forma en que la humedad escapa del grano es más importante para determinar cómo se tuesta un café que la facilidad con la que el calor penetra en el centro.

La diferencia de temperatura entre el centro y la superficie del grano quizás dependa de las condiciones de tueste. Schenker (2000) insertó una diminuta sonda de temperatura en un frijol para medir la diferencia entre la temperatura dentro del frijol y la temperatura de la pila de frijol, dada por la sonda de 'temperatura del frijol'. El grado de alineamiento entre la temperatura del núcleo y la pila de granos dependía de la velocidad general del tueste: los tuestes más rápidos y calientes mostraron una diferencia mayor, mientras que en el tueste más lento, la temperatura del núcleo del grano alcanzó la temperatura de la pila alrededor de la mitad del proceso. tostar.

Temperatura de la pila de granos y del núcleo de los granos durante el tostado en un tostador de lecho fluido que opera a temperaturas fijas. La temperatura del centro del grano va a la zaga de la pila de granos, pero eventualmente se pone al día en el tueste más lento. Se utilizaron tres perfiles: alta temperatura, corto tiempo (HTST); temperatura media, tiempo medio (MTMT); y baja temperatura, largo tiempo (LTLT). Adaptado de Schenker (2000)

 

El Frente de Evaporación y la Primera Grieta

El frente de evaporación tiene otro efecto importante. A medida que aumenta la temperatura del frijol, en algún momento el material del frijol experimenta una transición de un estado gomoso a un frágil uno, llamado transición vítrea. La temperatura a la que esto sucede depende de la cantidad de humedad: si hay más humedad, la transición vítrea ocurre a una temperatura más baja.

Incorporar esto en el modelo del frente de evaporación tiene un efecto interesante: a cierta temperatura, el núcleo del grano experimenta la transición vítrea ya que tiene más humedad y se vuelve gomoso y capaz de expandirse con la acumulación de presión de vapor. La capa exterior del frijol, por otro lado, permanece frágil porque es más seco y, por lo tanto, resiste esa expansión. A medida que aumenta la temperatura del grano, se acumula estrés a medida que la región interna trata de hincharse pero está contenida por el frágil capa exterior. Este estrés podría ser la causa de primer crack (Fadai et al 2019).

Obtener una mejor comprensión de cómo escapa la humedad del grano puede explicar mucho más sobre el tostado del café de lo que pensábamos anteriormente. Si la tensión creada entre las capas interna y externa de los granos es la causa de primer crack, luego modificar cómo escapa la humedad del grano, o controlar cuándo ocurre la transición vítrea en las diferentes capas del café, podría tener profundas implicaciones para controlar el perfil general de tueste.

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