Estudio del proceso de torrefacción del café (Coffea arabica) en tostador convencional

Costa Rica cuenta con una larga historia de producción de café de las variedades arábicas y de cosecha selectiva del fruto maduro, aspecto que ha marcado su desarrollo demográfico, identidad como nación y la han convertido en uno de los principales países productores de cafés especiales del mundo. Como país productor, el desarrollo técnico y científico entorno al procesamiento agrícola del café, se han dirigido al proceso de cosecha, al despulpado, a la fermentación y al secado, hasta obtener el café verde llamado grano de oro. La preparación de la bebida de café requiere que se realice la transformación de los granos mediante la torrefacción, proceso dinámico que requiere control específico de la temperatura y del tiempo. El objetivo del presente trabajo fue incluir el efecto de la masa en el estudio del proceso de torrefacción del café (Cojfea ara6icá). Se utilizaron granos de café provenientes del proceso de beneficiado húmedo, Coffea arabica L. variedad Caturra y Catuaí. El contenido de humedad inicial del café fue de 0,0873 ±0,0008 kg kg-1 y densidad aparente de 711,93 ± 1,80 kg/m3. El proceso de torrefacción del café, se realizó en un tostador convencional de construcción nacional. Se analizaron cuatro masas iniciales (400, 600, 800 y 1000 g), cuatro temperaturas de calentamiento del tostador (260, 280, 300 y 320 °C) y cuatro niveles de tostado: medio claro (MC); medio (M); moderadamente oscuro (MO); y oscuro (O). Al colocar una masa controlada dentro del tostador se producen caídas en la temperatura de la pared y de todo el ambiente interno del tostador, lo cual causa un comportamiento variable de la temperatura del tostador durante el proceso. Se adaptó un modelo de calentamiento para los granos de café durante la torrefacción, considerando que el calor es transferido al sólido para evaporar el agua contenida y elevar su temperatura. Asimismo, el cambio en la cantidad de masa afectó de manera significativa la razón de calentamiento de los granos durante el tueste, lo que a su vez, generó diferencia significativa en el tiempo de torrefacción. Se desarrolló un modelo matemático basado en la razón de calentamiento de los granos que representó adecuadamente el efecto de la masa en el proceso. El cambio en la coloración del café según la norma SCAA se asoció a la pérdida de masa total, con una diferencia de 2% entre niveles de tueste y su cinética de pérdida de masa es lineal. La expansión aparente de la masa de granos duplicó aproximadamente su volumen inicial, mostrando relación con el nivel de tueste y la cantidad de masa. La expansión del café durante el tueste fue semejante a un modelo lineal, descrito por la cinética de las reacciones químicas de orden cero, se ajustó el modelo en función de la masa y la temperatura inicial. La densidad aparente del café tostado disminuyó linealmente hasta 50% de su valor inicial y se determinó su dependencia con la masa. El nivel de tueste del café se representó por el cambio en la materia seca y su cinética se describe mediante un modelo matemático basado en la ley de las reacciones químicas de orden uno, se incorporó a la ecuación la variable de la masa inicial. La humedad del café tostado varió desde 2,5 hasta 1,0 % para los niveles de tueste medio claro y oscuro, respectivamente.Universidad de Costa Rica/[734-B5-A86]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería de BiosistemasUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS

New model of grain coffee temperature during roasting

XIII Congreso Latinoamericano y del Caribe de Ingeniería Agrícola, XIII CLIA 2018, San José, Costa Rica del 4 al 7 de junioEl tostado del café es analizado principalmente con modelos basados en transferencia de calor y masa, cuyas soluciones son complejas. Una solución práctica se deriva del calentamiento continuo de los granos; que puede analizarse como la derivada de la temperatura con respecto al tiempo. El objetivo del presente trabajo fue determinar un modelo matemático de calentamiento de los granos de café durante el proceso de torrefacción. Fueron utilizados granos de café C. arabica, en masas de 400, 600, 800 y 1000 g y contenido de humedad de 8,73 %b.h. Se utilizó un tostador convencional con quema a gas directo y una temperatura interna de 280 °C. La temperatura de los granos se registró mediante un termómetro infrarrojo sobre la superficie de la masa de los granos. El modelo matemático se definió a partir de la razón de calentamiento de los granos, la cual derivó en una ecuación no lineal con ajuste decreciente exponencial simple con tres parámetros. Las constantes del modelo fueron obtenidas por regresión no lineal para cada masa (R2 > 88%). Al integrar la ecuación de la razón de calentamiento con los valores iniciales de tiempo y temperatura de los granos, se obtuvo la ecuación que describe el calentamiento de los granos en función del tiempo con coeficiente de determinación mayor que 98,7%. El modelo desarrollado es muy práctico porque además de ajustar adecuadamente la temperatura final de los granos también es sensible a la cantidad de masa colocada en el tostador.Coffee roasting is mainly analyzed with models based on heat and mass transfer, whose solutions are complex. A practical solution is derived from the continuous heating of the grains; which can be analyzed as the derivative of temperature related to time. The objective of the present work was to determine a mathematical model of heating of coffee beans during the roasting process. C. arabica coffee beans were used, in masses of 400, 600, 800 and 1000 g and moisture content of 0.0873 kg kg-1. A conventional roaster with direct gas burning and an internal temperature of 280 °C was used. The temperature of the surface grains was recorded by an infrared thermometer. The mathematical model was defined based on the heating rate of the grains, which resulted in a non-linear equation with a simple exponential decay adjustment with three parameters. The coefficients of the model were obtained by non-linear regression for each mass (R2>88%). By integrating the equation of the heating ratio with the initial values of time and temperature of the grains, the equation described the heating of the grains as a function of time with coefficient of determination greater than 98.7%. The model developed is very practical because in addition to properly adjusting the final temperature of the beans is also sensitive to the amount of mass grains placed in the roaster.B5-A86 Optimización del proceso de torrefacción de café en tostador convencional, Vicerrectoría de Investigación, Universidad de Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería de Biosistema

Color kinetics for roasted coffee using image analysis IMAGEJ

Se estudió el nivel de color usando la escala L*, a* y b* para grano tostado de café (Coffea arábica), preparada para masas iniciales de 500 g con humedad inicial de 12,5 % b.h.. Se utilizó un tostador tipo convencional, donde se mantuvo estable la temperatura inicial del tostador y se produjeron cinco niveles de tostado. Cada muestra fue molida y las partículas fueron clasificadas por tamaño 60 mesh, luego fueron analizadas tomando fotografías, para las cuales se utilizó análisis de imágenes usando el software ImageJ. Se analizó el cambio de color a través de los valores de L*, a* y b* asociados al tiempo para los distintos grados de tueste y estudiaron los valores promedio para el total de pixeles y se encontró que la regresión de mejor ajuste corresponde a una curva polinómica de segundo grado con valores del coeficiente de determinación mayores al 98 %. Adicionalmente se encontró que entre mayor el grado de tostado, menor la desviación estándar de dichas escalas, mostrando mayor uniformidad en el análisis. Esto permite correlacionar de manera objetiva los grados de tueste de un modo que expresa la importancia de la metodología que es versátil, rápida y económica al hacer uso de software libre.Digital Image Processing has the potential to objectively correlate the color of coffee roast levels with a versatile, quick and economic methodology as it can use free software. Color levels were studied using the L*, a* y b* scale for the roasted Coffea Arabica species, prepared for a mass and initial humidity of 500 g and 12,5 % w.b., respectively. A rotary drum toaster was used, where the initial toaster temperature was kept constant and five different roasting levels were obtained. Each sample was milled and classified by size using a 60 mesh screen, and then analyzed capturing images which were later processed using the software ImageJ. Color differences were studied by the measured changes of the L*, a* y b values through time for the different roast degrees, for which an average pixel value was determined. A second degree polynomial equation was determined for the color kinetics, with coefficient of determination values higher than 98%. It was also discovered that the greater the roasting levels, the lower the standard deviation on pixel color values, showing more sample uniformity.Universidad de Costa Rica/[734-B5-A86]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería de Biosistema

Mass effect on coffee roasting time

Conocer cómo afecta la cantidad de masa el proceso de torrefacción del café se ha vuelto una necesidad, esto ante las distintas capacidades con las que cuentan los tostadores disponibles en el mercado, los cuales deben garantizar un tiempo de tostado aproximadamente entre 8 a 15 minutos, sin afectar la calidad final del café tostado. El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de la cantidad de masa inicial sobre el tiempo de tostado en tostador convencional. Para ello, se utilizó café de beneficiado con calidad sensorial tipo gourmet, con una distribución de tamaño con 70% sobre zaranda #20, densidad aparente de 637,0 ± 4,2 kg·m-3 y con un contenido de humedad de 0,1255 kg·kg-1. Se definieron cinco masas (250, 500,750, 1000 y 1250g), y la temperatura inicial del tostador fue 321 ± 1 °C. Se alcanzó el nivel de tueste medio con pérdida de masa de 16,2 ± 0,6% con tres repeticiones para cada tratamiento. Se obtuvo que el tiempo de tostado se incrementó proporcionalmente al aumento de la masa, estableciéndose una relación lineal entre la masa inicial y el tiempo de torrefacción del café con un coeficiente de determinación de 99,5 %. Los tiempos de tostado fueron: 4,6 ± 0,1; 8,8 ± 0,1; 13,4 ± 0,2, 16,4 ± 0,2 y 20,1 ± 0,6 minutos, respectivamenteThe coffee roasters must roast the green beans between 8 to 15 minutes for quality preservation, when grain mass increase also increases the roasting times. It is necessary to know a relationship between the mass and time, thus other roasting process parameters. The objective of this study was to evaluate the effect of the quantity of initial mass over roasting time in drum roaster. It was used coffee grains with gourmet quality, with a size distribution with 70% on mesh # 20, bulk density of 637,0 ± 4,2 kg·m-3 and a moisture content of 0,1255 kg·kg-1. The initial roaster temperature was 321 ± 1 ° C and samples of 250, 500, 750, 1000 and 1250 g were initially defined with three replicates for each treatment. The level medium roast was obtained with mass loss of 16,2 ± 0,6%. The roasting time increases proportionally to increase in mass, with a linear relationship between the initial mass and roasting time, and a determination coefficient of 99,5%. The roasting times were 4,6 ± 0,1; 8,8 ± 0,1; 13,4 ± 0,2; 16,4 ± 0,2 and 20,1 ± 0,6 minutes, respectivelyUniversidad de Costa Rica/[734-B5-A86]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS

Infrared sensor used for the capture of data from cooling process in roasted coffee

El enfriamiento del café es una etapa esencial en el tueste de los granos, debe realizarse inmediatamente para detener las reacciones químicas y evitar el tueste excesivo. El objetivo del trabajo fue monitorear el proceso de enfriamiento del café tostado con un sensor infrarrojo de bajo costo. Se utilizó aire a temperatura ambiente para enfriar el café y se requirió de un ventilador centrífugo para succionar el aire a través de los granos. Se usó un sensor infrarrojo conectado al microcontrolador Arduino UNO, que registró temperaturas a cada segundo. El sensor infrarrojo resultó eficaz para monitorear la temperatura en la superficie de los granos de café recién tostados. Se determinó que la ecuación exponencial decreciente basada en la Ley de Enfriamiento de Newton ajustó los datos adecuadamente con un coeficiente de determinación mayor que 99,7 %. Con el sensor se determinó que al aumentar la masa de café disminuyó la capacidad enfriamiento del sistema.Coffee cooling is an essential step in the roasting of the beans, it must be done immediately to stop the chemical reactions and avoid excessive roasting. The objective of the work was to monitor the cooling process of roasted coffee with a low cost infrared sensor. Air was used at room temperature to cool the coffee and a centrifugal fan was required to suck air through the grains. An infrared sensor connected to the Arduino UNO microcontroller was used, which recorded temperatures every second. The infrared sensor was effective in monitoring the surface temperature of freshly roasted coffee beans. It was determined that the decreasing exponential equation based on Newton's Law of Cooling adequately adjusted the data with a coefficient of determination greater than 99.7%. With the sensor it was determined that as the coffee mass increased, the cooling capacity of the system decreased.Universidad de Costa Rica/[734-B5-A86]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Centro para Investigaciones en Granos y Semillas (CIGRAS)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ingeniería::Facultad de Ingeniería::Escuela de Ingeniería de Biosistema