UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BIOSISTEMAS “Estudio del proceso de torrefacción del café (Coffea arabica) en tostador convencional” Trabajo Final de Graduación presentado ante la Escuela de Ingeniería de Biosistemas como requisito para optar por el grado de Licenciatura de Ingeniería Agrícola Royner Abarca Mora Ciudad Universitaria Rodrigo Facio San José, Costa Rica 2017 “Estudio del proceso de torrefacción del café (Coffea arabica) en tostador convencional” Trabajo Final de Graduación presentado ante la Escuela de Ingeniería Biosistemas como requisito para optar por el grado de LICENCIATURA DE INGENIERÍA AGRÍCOLA Royner Abarca Mora Sustentante Aprobado por el Tribunal Examinador: Ing. Guillermo A. Vargas Elías, M. Sc. Ing. Mauricio Bustamante Román, Lic. Director, Equipo Asesor Presidente, Equipo examinador Ing. Giovanni Carmona Villalobos, Lic. Ing. Juan Roberto Mora Chávez, Lic. Miembro, Equipo Asesor Miembro, Equipo examinador Ing. Alberto Miranda Chavarría;M. BA. Miembro, Equipo Asesor i DEDICATORIA A mis padres y hermanos... Todos los logros de mi formación profesional y personal, son una prueba real de la gran capacidad con la que todos nacemos, y que, gracias a su apoyo incondicional, se ven reflejados en estos grandes momentos. ii AGRADECIMIENTOS A Guillermo, por la confianza depositada en mi para desarrollar el presente trabajo; por la amistad que a lo largo de este tiempo mantuvimos, que nos permitió cultivar la pasión por lo que hacemos, ¡Buen café! A Giovanni, por estar siempre dispuesto a motivarnos y transmitirnos la sabiduría y pasión por nuestra profesión. Al personal administrativo y técnico del Centro de Investigación en Granos y Semillas CIGRAS, por toda la ayuda y servicios, pero ante todo por el buen trato para mi persona. A la Escuela de Ingeniería Agrícola, mediante su profesorado y medios académicos cultivaron en mí el amor por la profesión. A la Universidad de Costa Rica, mediante la Oficina de Becas y Ayuda Socioeconómica, y el Programa de Residencias Estudiantiles, sirvieron de mucho apoyo para culminar mis estudios. A todos los amigos y amigas, cultivados en mi estancia en las Residencias Estudiantiles, compañeros y compañeras de la carrera, los cuales siempre llevo presentes y recuerdo con mucho cariño. A mis padres Walter y Leyla, que con sus enseñanzas y sacrificios me llevaron hasta este día. A mis hermanos Waldin, Walter y Julieth, por ser mis compañeros y amigos de vida. iii ÍNIDICE GENERAL ÍNIDICE DE FIGURAS.......................................................................................................... vii ÍNDICE DE CUADROS............................................................................................................ x RESUMEN............................................................................................................................... xii INTRODUCCIÓN....................................................................................................................xiv CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO...........................................................................................1 1. 1 Generalidades................................................................................................................1 1.2 Cultivo y desarrollo de los cafetos en Costa Rica......................................................2 1.3 El beneficiado del café.................................................................................................3 1.4 Torrefacción..................................................................................................................4 1.4.1 Técnicas de los diversos sistemas de torrefacción............................................. 6 1.4.2 Cambios físicos.....................................................................................................9 1.4.3 Cambios químicos...............................................................................................10 1.4.4 Medición de los grados de tueste .......................................................................12 1.5 Participación en el mercado internacional de café tostado.....................................12 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Y MATERIALES............................................................13 2. 1 Elaboración de las pruebas........................................................................................ 13 2.2 Materia prima............................................................................................................. 13 2.3 Proceso de torrefacción..............................................................................................14 2.4 Determinación de la temperatura..............................................................................14 2.4.1 Medidor infrarrojo..............................................................................................15 2.4.2 Sistema de recolección de datos con termopares............................................. 15 2. 5 Pérdida de masa.......................................................................................................... 17 2.6 Evaluación del color...................................................................................................17 2.6.1 Escala de medición Agtron................................................................................ 17 2.7 Masa específica aparente........................................................................................... 18 2.8 Variación volumétrica aparente................................................................................19 2.9 Modelo de expansión aparente.................................................................................. 20 iv 2.9.1 Ley de la cinética de las reacciones químicas.................................................. 20 2.9.2 Efecto de la temperatura.................................................................................... 21 2.10 Determinación del contenido de humedad............................................................... 21 2.11 Materia seca................................................................................................................22 2.12 Capacidad de trabajo del tostador.............................................................................23 2.13 Modelo de calentamiento del cilindro rotativo........................................................23 2.13.1 Ley de enfriamiento de N ewton.........................................................................23 2.14 Modelos de calentamiento de los granos................................................................. 25 2.14.1 Modelo de calentamiento................................................................................... 25 2.14.2 Modelo de calentamiento propuesto................................................................. 29 2.15 Modelo de variación de la materia seca................................................................... 29 2.15.1 Ley de la cinética de las reacciones químicas.................................................. 29 2.15.2 Efecto de la temperatura.................................................................................... 30 2.16 Análisis estadístico.....................................................................................................31 CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................... 33 3.1 Evaluación térmica del tostador convencional.........................................................33 3.1.1 Calentamiento del tostador................................................................................33 3.1.2 Evaluación de la p ared interna del tostador......................................................35 3.1.3 Evaluación de la temperatura interna................................................................ 38 3.1.4 Evaluación del tiempo de recuperación de la temperatura del sistema......... 42 3.2 Calentamiento de la masa granos durante el proceso de torrefacción...................47 3.2.1 Modelo de calentamiento................................................................................... 47 3.2.2 Modelo matemático basado en la naturaleza de calentamiento de los granos de café 51 3.2.3 Temperatura final del grano tostado................................................................. 58 3.2.4 Relación entre la temperatura final de la masa de granos y la temperatura interna el tostador...............................................................................................................62 3.3 Efecto de la temperatura de calentamiento, masa inicial y grado de tueste sobre el tiempo de torrefacción ........................................................................................................... 64 3.3.1 Evaluación de la capacidad de trabajo..............................................................68 v 3.3.2 Efecto de la masa inicial sobre el tiempo de tostado.......................................70 3.3.3 Modelo de predicción del tiempo de torrefacción........................................... 72 3.4 Variación de las propiedades físicas del café en la torrefacción............................ 74 3.4.1 Pérdida de masa en el tostado............................................................................74 3.4.2 Cinética de pérdida de masa durante el tueste................................................. 76 3.4.3 Expansión aparente.............................................................................................78 3.4.4 Cinética de la expansión aparente durante el tostado por efecto de masas.... 80 3.4.5 Densidad aparente...............................................................................................83 3.4.6 Cambios en la densidad aparente por efecto del tostado.................................86 3.4.7 Densidad aparente en función del tiempo de torrefacción.............................. 87 3.4.8 Materia seca........................................................................................................ 89 3.4.9 Cinética del cambio en la materia seca durante el tostado por efecto de masas. 92 3.4.10 Humedad final..................................................................................................... 96 CONCLUSIONES...................................................................................................................100 RECOMENDACIONES......................................................................................................... 101 REFERENCIAS.......................................................................................................................102 ANEXOS................................................................................................................................. 105 vi ÍNIDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Estructura del grano de café.....................................................................................1 Figura 1.2. Principales zonas productoras de café en Costa Rica............................................ 2 Figura 1.3. Torrefacción del café - principales aspectos...........................................................5 Figura 1.4. Principios mecánicos de tostado..............................................................................7 Figura 1.5. Principales familias constituyentes del café (promedios del café arabica)........ 11 Figura 1.6. Costa Rica: exportaciones de café tostado, 2004-2013....................................... 12 Figura 2.1. Preparación y adecuación de las muestras............................................................13 Figura 2.2. Tostador convencional, marca BENDIG / modelo ECO-2000.......................... 14 Figura 2.3. Medidor infrarrojo para registro de temperatura de masa de granos y pared interna del cilindro..................................................................................................................... 15 Figura 2.4. Sistema de recolección de datos de temperatura integrado................................. 16 Figura 2.5. Vista de corte lateral del tostado - Esquema de registro de temperaturas......... 16 Figura 2.6. Tabla Agtron sobre grados de torrefacción.......................................................... 17 Figura 2.7. Densímetro, equipo para medición de densidad aparente...................................18 Figura 2.8. Estufa MMM Group/ modelo VENTICELL/ serie 111.......................................22 Figura 3.1. Modelos de calentamiento de cilindro rotativo (pared) e interior del tostador convencional (aire).....................................................................................................................33 Figura 3.2. Relación de la temperatura interna y temperatura del cilindro en el calentamiento..............................................................................................................................35 Figura 3.3. Efecto de la masa sobre la temperatura de la pared del cilindro.........................36 Figura 3.4. Comportamiento de la temperatura de interior del tostador al introducir la masa de granos..................................................................................................................................... 39 Figura 3.5. Efectos principales de los factores sobre la temperatura interna........................ 41 Figura 3.6. Efectos de las interacciones de los factores sobre el cambio en la temperatura interna..........................................................................................................................................42 Figura 3.7. Registro de torrefacción y recuperación del tostador.......................................... 43 Figura 3.8. Efectos principales de los factores sobre el tiempo de recuperación..................43 vii Figura 3.9. Efectos de las interacciones de los factores sobre el tiempo de recuperación. ..44 Figura 3.10. Ajuste polinómico del tiempo de recuperación como función de la temperatura inicial...........................................................................................................................................45 Figura 3.11. Cinética de calentamiento de los granos (Tg) para diferentes masas y mismo grado de tueste (oscuro).............................................................................................................47 Figura 3.12. Modelo de calentamiento de la masa de granos de café durante el proceso de torrefacción con bandas de confianza a 95%, para cuatro masas...........................................49 Figura 3.13. Comparación de la temperatura de los granos experimental y el modelo matemático de Pabis (n=2330)..................................................................................................50 Figura 3.14. Ajustes no lineales para la razón de calentamiento de la masa de granos....... 51 Figura 3.15. Ajustes no lineales para la razón de calentamiento de la masa de granos....... 52 Figura 3.16. Modelo de calentamiento de los granos según su masa inicial - Modelo matemático propuesto................................................................................................................ 55 Figura 3.17. Modelo de calentamiento de la masa de granos de café durante el proceso de torrefacción con bandas de confianza a 95%, para cuatro masas - Modelo propuesto........57 Figura 3.18. Comparación de la temperatura de los granos experimental y el modelo matemático propuesto................................................................................................................ 58 Figura 3.19. Efecto de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre la temperatura final de grano.............................................................................................................................. 59 Figura 3.20. Efectos de las interacciones entre los factores sobre la temperatura final de grano............................................................................................................................................60 Figura 3.21. Temperatura de la masa de granos para los cuatro grados de tueste................ 61 Figura 3.22. Relación entre la temperatura de la masa de granos tostados (Tg) y la temperatura interna del tostador (Ti), aire en contacto con el grano..................................... 62 Figura 3.23. Efectos principales de los factores sobre el tiempo de torrefacción.................64 Figura 3.24. Efectos de las interacciones de los factores sobre el tiempo de torrefacción. .. 66 Figura 3.25. Efectos principales de los factores sobre la capacidad de trabajo.................... 69 Figura 3.26. Efecto de la masa de granos crudos sobre el tiempo de tueste (t).................... 70 Figura 3.27. Modelos de ajuste para los parámetros del efecto de masa sobre el tiempo de tueste y la pérdida de masa........................................................................................................72 Figura 3.28. Comparación del modelo de predicción del tiempo de torrefacción (n=48). ...73 viii Figura 3.29. Efectos principales de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre el porcentaje de pérdida de masa.................................................................................................. 74 Figura 3.30. Cinética de pérdida de masa (AM), para las masas de grano crudo evaluadas.77 Figura 3.31. Efectos principales de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre expansión aparente de los granos tostados...............................................................................79 Figura 3.32. Modelo lineal de ajuste para la expansión aparente del café tostado............... 81 Figura 3.33. Ajuste del valor pre exponencial de la ecuación de expansión aparente por masa inicial................................................................................................................................. 83 Figura 3.34. Efectos principales de los factores sobre la densidad aparente (kg-m-3) de los granos de café tostado................................................................................................................84 Figura 3.35. Efectos de las interacciones de los factores sobre la densidad aparente.......... 85 Figura 3.36. Efecto de la masa sobre la variación de la densidad aparente, para cada grado de tueste...................................................................................................................................... 88 Figura 3.37. Efectos principales de los factores sobre el cambio de materia seca................90 Figura 3.38. Efectos de las interacciones de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre el cambio de materia seca.....................................................................................91 Figura 3.39. Modelos de cinética de la materia seca...............................................................93 Figura 3.40. Ajuste del valor pre exponencial de la ecuación de materia seca por masa inicial...........................................................................................................................................96 Figura 3.41. Análisis de la media de humedad de los granos de café tostado...................... 97 Figura 3.42. Efectos de la interacción de los factores sobre la humedad final del café tostado......................................................................................................................................... 99 ix ÍNDICE DE CUADROS Cuadro 1.1. Principios básicos en la tecnología moderna de tostado...................................... 7 Cuadro 1.2. Cambios macroscópicos durante la torrefacción.................................................. 9 Cuadro 1.3. Porcentaje aproximado de las pérdidas de materia seca por grado de tueste. ... 11 Cuadro 3.1. Relación de la temperatura del cilindro rotativo y la temperatura interna iniciales del tostador, durante condiciones de operación........................................................34 Cuadro 3.2. Cambios en la temperatura de la pared por efecto del enfriamiento y calentamiento durante el tostado...............................................................................................37 Cuadro 3.3. Parámetros estadísticos del modelo a ajuste para la temperatura de la pared. .. 38 Cuadro 3.4. Parámetros estadísticos del ajuste matemático para el comportamiento de la temperatura interna del tostador, por el efecto de masas........................................................ 40 Cuadro 3.5. Tiempos medios de recuperación según la temperatura inicial del tostador (n=48)..........................................................................................................................................45 Cuadro 3.6. Parámetros estadísticos determinados para el modelo de regresión no lineal del calentamiento de los granos durante el tueste de café - Modelo Pabis................................. 48 Cuadro 3.7. Parámetros estadísticos de las regresiones de cinética de calentamiento......... 53 Cuadro 3.8. Parámetros estadísticos determinados para el modelo de regresión no lineal del calentamiento de los granos durante el tueste - Modelo propuesto.......................................56 Cuadro 3.9. Parámetros estadísticos de los modelos de calentamiento de la masa de granos. .................................................................................................................................................... 61 Cuadro 3.10. Cambio promedio en el tiempo de tueste por el diferencial máximo entre los factores de temperatura, masa y grado de tueste..................................................................... 65 Cuadro 3.11. Comparativo del tiempo de torrefacción por temperatura y masa iniciales, para cada grado de tueste (n=3)................................................................................................ 67 Cuadro 3.12. Parámetros estadísticos de los modelos de masa inicial como función del tiempo..........................................................................................................................................71 Cuadro 3.13. Pérdidas de masa total de los granos de café por grado de tueste (n=48).......75 Cuadro 3.14. Análisis estadístico del modelo lineal de la cinética de pérdida de masa.......77 Cuadro 3.15. Parámetros estadísticos del modelo lineal de ajuste de la cinética de expansión aparente....................................................................................................................................... 81 x Cuadro 3.16. Valores de ajuste de modelo de cinética de expansión aparente (K0) por masa. .................................................................................................................................................... 82 Cuadro 3.17. Densidad aparente del café tostado por efecto de masa para la temperatura de 280 °C (n=3)...............................................................................................................................86 Cuadro 3.18. Variación de la densidad aparente por Grado de tueste (n=48).......................87 Cuadro 3.19. Parámetros estadísticos de los modelos de densidad aparente en función del tiempo de torrefacción............................................................................................................... 89 Cuadro 3.20. Variación en la materia seca por grado de tueste (n=48).................................91 Cuadro 3.21. Parámetros estadísticos de la regresión de la cinética de materia seca...........94 Cuadro 3.22. Tiempo de inicio de las reacciones de torrefacción asociado a la temperatura de la masa de granos y el coeficiente de ajuste K0.................................................................. 95 Cuadro 3.23. Humedad final promedio del café por grado de tueste (n=48)........................ 98 xi RESUMEN 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 xii 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. xiii INTRODUCCIÓN La estrategia de producir café de calidad en un país como Costa Rica, ha logrado alcanzar los mercados finos de café en el mundo. Actualmente, Estados Unidos es uno de sus principales mercados; el precio de venta y el reconocimiento del café diferenciado han marcado el éxito de los programas dedicados a alcanzar tal fin (ICAFE, 2016). El mercado del café cuenta con una marcada separación entre los países que son productores y los consumidores. Dicha clasificación se puede apreciar por su participación en el mercado de las exportaciones de café; ya sea café oro (clasificación arancelaria 0901.1) o café tostado (clasificación arancelaria 0901.2), es decir, los países que lideran los mercados de exportación de café oro son diferentes a los países líderes en exportación de café tostado (López, 2014). Según López (2014), para el período de 2009-2013, Costa Rica contaba con una participación de apenas un 2% del mercado exportador de café oro, liderado por Brasil (27%), Vietnam (12%) y Colombia (10%).Para el mercado exportador de café tostado, los países con mayor participación fueron: Suiza (21%), Italia (15%), Alemania (14%) y Estados Unidos (9%); los aportes de Costa Rica, Brasil, Colombia, entre otros, no se ven reflejados en dichas estadísticas, lo que consecuentemente en los últimos años, los ha llevado a intentar vincularse en las etapas de mayor valor agregado. La cadena de producción de café, iniciando desde la plantación hasta la comercialización, se compone de procesos que van agregando valor al producto final. Se estima que, para la actividad de torrefacción, el incremento del valor agregado del café es de un 29%, siendo una de las mayores proporciones de valor junto con la venta minorista, la cual representa un incremento de un 21% en la cadena de valor (López, 2014). Lo anterior fomenta estudiar futuros mercados meta de café tostado, los cuales, según la Organización Internacional del Café, ICO (2015) e iniciando por Costa Rica, tiene consumo per cápita es de 3,43 kg, mientras que para los países nórdicos (Finlandia, xiv Noruega, Dinamarca, Islandia y Suecia) el consumo per cápita es de 12,17 kg; 9,51 kg; 8,21 kg; 7,90 kg y 7,14 kg; respectivamente. Estados Unidos, es el principal país importador de café costarricense, cuenta con un consumo per cápita de 4,24 kg. Los datos anteriores muestran la superioridad y el potencial de compra que pueden tener estos países. Por consiguiente, se vuelve importante realizar esfuerzos por crecer en esos grandes mercados de consumo de bebida con alta calidad. El proceso de tostado de café se produce cuando se introducen los granos verdes de café (café oro) en tostadores con temperaturas entre 180 °C y 240° con tiempos de 8 a 15 minutos. Lo anterior depende del grado de tostado que se quiera preparar (ICO, 2015). Para realizar preparación de la bebida de café es necesario que los granos sean tostados y molidos, utilizando la torrefacción en la transformación de los granos para el consumo como bebida, mediante la torrefacción. La vinculación a mercados de alta calidad con productos de valor agregado, como lo es el café tostado, requiere grados de innovación en los productos finales. Lo anterior, considerando que existen empresas consolidadas que dominan esos nichos de mercado, es aquí donde el desarrollo científico que se pueda realizar, permite obtener los mejores productos y características de calidad que aseguren los mercados internacionales y nacionales. El presente trabajo tiene como objetivo analizar el conjunto de parámetros de operación en el proceso de la torrefacción del café, y a su vez analizar cada una de las variables respuesta, de acuerdo con las condiciones de temperatura en el calentamiento, tiempo y masa para los distintos índices de torrefacción establecidos. xv OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Estudiar el proceso de la torrefacción de café (Cojfea ara6icá) en tostador convencional obteniendo diferentes grados de tostado. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Describir el comportamiento térmico del tostador convencional durante el proceso de torrefacción. 2. Analizar el mecanismo de calentamiento (estático o transitorio) de los granos de café durante el proceso de la torrefacción. 3. Estimar el efecto de la cantidad de masa y temperatura inicial sobre el tiempo de la torrefacción, pérdida de masa, expansión aparente, densidad aparente, materia seca y humedad final del café. xvi CAPÍTULO 1. MARCO TEÓRICO 1.1 Generalidades La planta de café es perteneciente al género taxonómico Coffea de la familia Rubiaceae; en dicho género se agrupan cerca de 70 especies de plantas. Las dos principales especies utilizadas en los cultivares de café alrededor del mundo corresponden a Coffea arabica y Coffea canephora var. Robusta (Wintgens, 2004). Los primeros indicios de la domesticación del café lo ubican en Etiopia. Sin embargo, muchas de las escrituras evidencian la existencia de cultivares de café en la península arábica (Yemen), cerca del siglo XII. En los próximos 300 años, la bebida estimulante consumida de forma caliente, fue preparada al tostar y moler los granos de café, llamado qawha (una palabra general para los vinos u otros estimulantes) por los árabes y cahveh por los turcos (Illy & Viani, 2005). Los frutos de café generalmente están conformados por dos granos. Cada grano se encuentra envuelto en una piel plateada, la cual, junto al grano son cubiertos por el pergamino. Alrededor del pergamino, se encuentra el musilago y la pulpa, posteriormente todo es envuelto por la carcara (Kuit et al, 2004). grano de café (endosperma) cortecentra| piel plateada (tegument« pergamino (endocarpio capa de pectina pulpa (mesocarpio) piel exterior (pericarp Figura 1.1. Estructura del grano de café. Fuente: (Kuit et al, 2004) 1 1.2 Cultivo y desarrollo de los cafetos en Costa Rica Costa Rica cuenta con un 100% de los cultivares de café con la especie Arábica, de las variedades Caturra y Catuaí; lo anterior debido a la calidad del café al evaluar sus con propiedades organolépticas únicas. Costa Rica desde 1989 se prohíbe por Ley la siembra de café Robusta por inferior calidad de taza (ICAFE, 2016). Las principales zonas de cultivo del café en Costa Rica, se encuentran localizadas y organizadas por las ocho regiones cafetaleras (Figura 1.2), las cuales son las principales zonas productoras de café. Cada una de esas ocho regiones cuenta con características climáticas y geográficas específicas, que producen diversidad de cafés para todos los gustos (ICAFE, 2016). Las ocho regiones con productividad están distribuidas entre las zonas bajas, menos de 1.200 m.s.n.m., las cuales presentan un café más liviano (densidad aparente baja), y las zonas altas, arriba de los 2.000 m.s.n.m., de origen volcánico, donde el café es más fuerte o más ácido y también más aromático (ICAFE, 2016). Costa Rica O Valle Central O Tres Ríos o Turrialba Brunca » Guanacaste O Tarrazú O Orosi O Valle Occidental Figura 1.2. Principales zonas productoras de café en Costa Rica. Fuente: (ICAFE, 2016) 2 La calidad del café es afectada por la taxonomía de la planta, las operaciones de procesamiento desempeñan un papel fundamental sobre ella. Según Meira (2008), el procesamiento es una de las operaciones que influencia directamente la calidad del producto final, ya sea procesamiento por la vía húmeda o por la vía seca. 1.3 El beneficiado del café Según en ICAFE (2016), Costa Rica cuenta con 130 plantas beneficiadoras para el procesamiento del fruto del café, las cuales, cuentan con mano de obra calificada que permite la obtención de calidades uniformes en el grano al final del proceso. En Costa Rica la medida oficial para cuantificar la entrega a los beneficiadores de café, es el doble hectolitro (0,20 m3), y su calidad en la entrega es supervisada por personal calificado. Algunas plantas procesadoras utilizan paralelamente procesos automatizados de medición volumétrica y másica, lo que permite facilitar controles en la fruta durante el proceso (ICAFE, 2016). Según Wintgens (2004), existen básicamente tres formas de procesamiento del grano de café. El procesamiento seco, el húmedo y un proceso intermedio a los dos anteriores: semi-seco. El beneficiado seco consiste en secar la fruta de café inmediatamente después de realizada la cosecha. Cerca del 90% de los cafés arábicos brasileños utilizan esta técnica de procesamiento, a pesar de que sea una técnica más común para la variedad robusta. El proceso de secado natural se realiza generalmente en grandes espacios, usualmente de concreto y que, con la ayuda de la radiación solar, permiten secar el café en fruta, con espesores de 30 a 40 mm. Uno de los factores más importante de este tipo de beneficiado, es que los procesos de secado deben iniciar mucho antes que los de fermentación, ya que, de lo contrario, la calidad del café disminuiría. Los tiempos de secado son dependientes de las condiciones psicrométricas del aire ambiente que circule sobre el café. El secado artificial, el cual es utilizado bajo temperaturas generalmente menores a 50°C y con equipos que varían en estructura y aplicación del calor (Clarke & Macrae, 1987). 3 El beneficiado húmedo según Clarke & Macrae (1987), es utilizado generalmente para procesar cafés de alta calidad, comúnmente para los países latinoamericanos que siembran café arabica. Las labores de procesamientos son mucho más complejas y requieren equipos especializados por cada labor a realizar. Las principales labores se pueden resumir de la siguiente forma: limpieza inicial, clasificación, despulpado, fermentación, limpieza y secado, las cuales utilizan generalmente cantidades considerables de agua. El beneficiado húmedo para los cafés de Costa Rica permite preservar la calidad que ha sido desarrollada en campo. El sistema es costoso, pero es el método más apto para el procesamiento de los cafés finos costarricenses (ICAFE, 2016). En cuanto al efecto sobre la calidad sensorial, Meira (2008) indica que los cafés naturales (vía seca) en la bebida presentan mejor cuerpo que los cafés despulpados (vía húmeda), con un aroma más acentuado y una acidez leve y placentera. 1.4 Torrefacción Al final del proceso de beneficiado el café cuenta con un 12% de contenido de humedad base húmeda promedio, en dicha condición es almacenado. El proceso de preparación consiste en el pelado del grano (desprendimiento del pergamino), pasa por procesos de limpieza de impurezas y clasificación por tamaño, densidad y color, para finalmente ser empacado para exportación o para iniciar el proceso se torrefacción (ICAFE, 2016). El proceso de torrefacción de café es un proceso de aplicación de calor sobre los granos de café crudos. Sin embargo, la importancia de tal proceso radica en el control de la temperatura en el momento justo, y la finalización del proceso cuando la liberación de los aromas y la coloración homogénea de los granos sea la adecuada (Illy & Viani, 2005). Según Clarke & Macrae (1987), la torrefacción es un proceso dependiente de la temperatura y el tiempo, en el cual se introducen cambios físicos y químicos en el grano de café verde. Hay una pérdida de materia seca, la cual se da principalmente por las 4 transformaciones en dióxido de carbono y agua (agua de constitución) y los productos volátiles de la pirólisis. Transporte de calor exterior .• por convección, radiación y ■ contacto Vaporización de agua endotérmica Reacciones exotérmicas Crecimiento volumétrico Pérdida de masa seca Transporte dependiente de la temperatura Cambio de las propiedades materiales Figura 1.3. Torrefacción del café - principales aspectos. Fuente: (Illy & Viani, 2005) Según lo indicado por Illy & Viani (2005), el grano de café conformado por una geometría finita de forma complicada y con estructura interna heterogénea, sufre ante la admisión de calor cambios geométricos que modifican su volumen y alteraciones en su estructura interna. A su vez, el comportamiento de la temperatura interna adquiere componentes tridimensionales sobre el estado de equilibrio con los límites móviles desconocidos, es decir, un comportamiento complejo de describir. El proceso de tostado se compone en una transferencia de calor y masa combinados superpuestos a reacciones endotérmicas y exotérmicas. Como consecuencia de la aplicación de calor, se generan campos diferenciales de temperatura, variaciones en las presiones internas y re-distribución de la humedad dependiente del tiempo y posición; (Illy & Viani, 2005). 5 Según Sivetz & Desrosier (1979) citados por Vargas (2011) y Mendes (2012), el proceso de torrefacción puede ser dividido en tres etapas: secado, torrefacción y enfriamiento. En la primera etapa se da la pérdida de masa debido a la evaporación de agua y liberación de compuestos volátiles. En la segunda etapa, se dan reacciones exotérmicas de pirólisis, en la cual suceden modificaciones a la composición química de los granos, por causa de liberación del gas carbónico. Finalmente, la tercera etapa, es necesario detener el proceso de torrefacción, por ello, se baja la temperatura de los granos con aire a temperatura ambiente, y se evita la carbonización de los granos. El grano entero de café es caracterizado por el proceso de tostado al que ha sido sometido; llamado grado de tueste, que se refleja en la coloración externa del grano, el desarrollo de sabores, la pérdida de masa seca que se produjo, y los cambios químicos en los componentes específicos. En términos simples, los grados de tueste se pueden llamar “claro”, “medio” o “oscuro”. Además, dependiendo de la velocidad en la que ocurra el proceso de torrefacción en: tostado “rápido” (tiempos de tostado en pocos minutos o menos) o tostado “convencional” (con tiempos de tostado en el orden de 12 a 15 minutos), pero generalmente tiempos intermedios de 5 a 8 minutos (Clarke & Macrae, 1987). Según Clarke & Macrae (1987), el grado de tueste es importante para determinar las características de sabor de los extractos que se elaboran posteriormente a partir del café tostado, en los que la mezcla de grados de tueste y velocidad de tueste, están asociados a los llamados cafés de alta calidad. 1.4.1 Técnicas de los diversos sistemas de torrefacción El cilindro rotativo ha sido el método de tostado más utilizado; sin embargo, existen otras técnicas de diseño que permiten la utilización de otros equipos para el tostado de café (Clarke & Macrae, 1987). 6 Figura 1.4. Principios mecánicos de tostado. Fuente: (Clarke & Vitzthum, 2001) Cuadro 1.1. Principios básicos en la tecnología moderna de tostado. Fuente: (Illy & Viani, 2005) Tipo Principio Características • Horizontal/Vertical. • Con/Sin pared perforadas. • Calentamiento directo por flujo convectivo de aire caliente. • Calentamiento indirecto por las Cilindro rotativo paredes del cilindro. (Rotating cylinder) • Operación por lotes. • Operación continua por el transporte interno. • Temperatura del aire: 400 a 500 °C. • Tiempos de tostado: 8,5 a 20 min. 7 • Calentamiento directo por flujo convectivo de aire caliente. • Operación continua a través de la Tazón (Bowl) corriente del aire; efecto rotativo. • Temperatura del aire: 480 a 550 °C. • Tiempos de tostado: 3 a 6 min. • Calentamiento directo por flujo convectivo de aire caliente. Tambor fijo (Fixed • Operación por lotes. drum) • Temperatura del aire: 400 a 450 °C. • Tiempo de tostado: 3 a 6 min. • Calentamiento directo por flujo de aire. Lecho fluidizado • Operación por lotes. (Fluidized bed) • Temperaturas del aire: 240 a 270 °C. • Tiempo de tostado: 5 min.______ • Calentamiento directo por flujo de aire. • Operación por lotes. Tostado rápido: • Temperatura del aire: 310 a 360 Traducir °C. (Spouted bed) • Tiempo de tostado: 1,5 a 6 min. Tostado lento: • Temperatura del aire: 230 a 275 °C. • Tiempo de tostado: 10 a 20 min. • Entrada de aire tangencial. • Movimiento en espiral ascendente Traducir de los granos. (Swirling bed) • Transferencia directa de calor de un lecho compacto en movimiento. • Temperaturas del aire: 280 °C. • Tiempos de tostado: 1,5 a 3 min. 8 1.4.2 Cambios físicos Durante el tostado ocurren cambios apreciables, principalmente asociados a los incrementos de la temperatura. El café tostado presente cambios como en apariencia con coloraciones de marrón a negro, resistencia mecánica baja que lo hace muy frágil, incremento del volumen hasta un 100 % (tueste oscuro), disminución de la densidad (300 a 450 kg/m3) en contraste con el café crudo (550 a 700 kg/m3), muchos macro y micro poros, rompimiento en la estructura celular y el contenido de humedad debe estar cerca del 1%, si no hay enfriamiento con agua (Illy & Viani, 2005). Además de los cambios indicados, Clarke & Macrae (1987) mencionan la liberación de los aceites, que se da de forma progresiva al incrementar el grado de tueste. Cuadro 1.2. Cambios macroscópicos durante la torrefacción. Fuente: (Illy & Viani, 2005) Cambios de tem peratura Efecto en el grano (°C) Transición líquido-vapor del agua (secado). Sucede 20 - 130 decoloración. Primer máximo endotérmico. Coloración amarilla e 130 - 140 hinchazón del grano con comienzo del pardeamiento no enzimático. Formación de gases e inicio de evaporación. Serie compleja de picos endotérmicos y exotérmicos. Cambios de color a marrón claro. Aumento de volumen y 140 - 160 microporos. Eliminación de los restos de piel plateada. Grano muy frágil. Formación de pequeñas fisuras en la superficie del grano. Inicio de la liberación de aromas. 160 - 190 El efecto de tostado se mueve hacia la estructura interna del 9 grano. Micro fisuras dentro del grano. Liberación de humo. Escapes de gran cantidad de volumen de dióxido de 190 - 220 carbono hacen el grano poroso. Sabor a tostado típico aparece. 1.4.3 Cambios químicos Los cambios químicos tienen lugar para cada uno de los diferentes componentes que contiene el café crudo, los cuales durante el proceso dan lugar a características de sabor y aroma. Sin embargo, durante el proceso hay dos factores principales a tomar en cuenta, la pérdida de materia seca (Cuadro 1.4), y la liberación y retención del dióxido de carbono (Clarke & Macrae, 1987). Según Illy & Viani (2005), durante el proceso de tostado, el agua (agua contenida en los granos crudos y el agua generada por las reacciones) junto al dióxido de carbono se liberan. Los mismos, acompañados por algunas cantidades de monóxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles. El agua y el dióxido de carbono son generados por las reacciones de Meillard, lo que conduce a cambios en la coloración, las melanoidinas, y principalmente los compuestos orgánicos volátiles. Además, el agua y el dióxido de carbono pueden ser generados por las reacciones de pirolisis (Illy & Viani, 1995). 10 Cuadro 1.3. Porcentaje aproximado de las pérdidas de materia seca por grado de tueste. Fuente: (Clarke & Macrae, 1987) Grado de tueste Porcentaje de pérdida de masa seca* Claro 1 - 5 Medio Oscuro 8 - 12 Muy oscuro > 12 *En base seca del peso de café crudo Figura 1.5. Principales familias constituyentes del café (promedios del café arabica). Fuente: (Illy & Viani, 2005) Según Clarke & Macrae (1987), después de evaporarse toda el agua contenida al inicio en el café crudo, bajo condiciones apropiadas la temperatura de inicio del tostado se lleva acabo, cuando los granos de café llegan a una temperatura de 200 °C, momento en el cual, se dan las reacciones exotérmicas. 11 OO - 5 1.4.4 Medición de los grados de tueste La medición del color u obtención de los diferentes grados de tueste, se basa en la experiencia del encargado del tostador, mediante la inspección visual con una escala cualitativa. En la práctica industrial son tomadas muestras de café para un determinado grado de tueste y se realizan mediciones finales cuantitativas por lecturas de reluctancia por medidores adecuados. Generalmente se procede a tostar el café, se enfría y muele, para un tamaño de partícula específico que permita su uso como indicador para obtener posteriores grados de tueste (Clarke & Macrae, 1987). 1.5 Participación en el mercado internacional de café tostado Según López (2014), las exportaciones de café tostado en Costa Rica representaron en la última década del periodo (2004-2013), un promedio de 3,4 millones de USD, los cuales corresponden a 538 toneladas, esto es un 1% del valor y volumen del total de las exportaciones café, el resto 99% corresponden a café oro (café verde), el cual exportó un total de 279,3 millones de USD y 86 475 toneladas. Aunque la participación del café tostado en el mercado de exportaciones es bajo, para el periodo (2004-2013) se presentó un incremento promedio del valor exportado cada año de 12,6% y el volumen un 7,9%. En estas ventas participaron 15 empresas cuyo producto llegó a 25 países. Figura 1.6. Costa Rica: exportaciones de café tostado, 2004-2013. Fuente: (López, 2014) 12 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Y MATERIALES 2.1 Elaboración de las pruebas El presente trabajo se desarrolló en el Centro de Investigaciones de Granos y Semillas (CIGRAS), en la Facultad de Ciencias Agroalimentarias de la Universidad de Costa Rica (UCR). 2.2 Materia prima Se utilizó granos de café provenientes del proceso de beneficiado húmedo fu ll washing) con calidad SHB (Strictly Hard Bean), de la cosecha 2015-2016, con tamaño de 100% sobre zaranda o criba #15, Coffea arabica L. variedad Caturra y Catuaí. El contenido de humedad inicial en base húmeda del café es de 0,0873 ±0,0008 kg-kg-1 y con densidad aparente de 711,93 ± 1,80 kg/m3. Cada muestra se colocó en bolsas plásticas de polietileno y se almacenó en una cámara fría con una temperatura promedio de 10,0 ±0,1 °C. Con ello, se mantienen las condiciones iniciales del producto antes de los procesos de torrefacción. Previo al proceso de la torrefacción, las muestras deben ser retiradas de las cámaras frías y exponerse a temperatura ambiente por aproximadamente 12 horas. Figura 2.1. Preparación y adecuación de las muestras. 13 2.3 Proceso de torrefacción Para realizar el proceso de torrefacción del café, se utilizó un tostador convencional marca BENDIG y modelo EC0-2000. El tostador tiene un cilindro rotativo perforador a velocidad constante (60 RPM), calentamiento con quema de gas propano y una capacidad de 2,0 kg de café crudo, según las especificaciones del fabricante. El consumo de gas se mantiene constante mediante un regulador de presión instalado en el cilindro de alimentación y una válvula de control, lo que garantiza un flujo estable durante todo el proceso. El tostador cuenta con un sistema de enfriamiento por presión negativa y velocidad constante. Figura 2.2. Tostador convencional, marca BENDIG / modelo EC0-2000 Fuente: (Bendig, 2016) 2.4 Determinación de la temperatura El estudio del proceso de torrefacción se realizó al definir cuatro temperaturas iniciales del tostador. Las temperaturas preliminarmente definidas son alcanzadas mediante un flujo constante de energía del quemador hacia el cilindro rotativo, es decir, el consumo de gas constante; por lo que, conociendo previamente la temperatura máxima y mínima (curva de calentamiento), se ubican dentro del rango permisible las cuatro temperaturas. 14 Las temperaturas utilizadas para realizar el experimento son 260, 280, 300 y 320 °C, las cuales son registradas mediante un termopar tipo K, colocado en la cámara interna del tostador. 2.4.1 Medidor infrarrojo Para medir la temperatura de la masa de granos y el cilindro rotativo, se utilizó un termómetro infrarrojo portátil, marca General®, que proporciona lecturas desde -32 hasta 1650 °C, con un tiempo de respuesta de 0,5 s, una precisión de 0,1 °C. Las temperaturas registradas corresponden a la pared interna del cilindro y a la masa de granos en el proceso de tostado. Figura 2.3. Medidor infrarrojo para registro de temperatura de masa de granos y pared interna del cilindro. 2.4.2 Sistema de recolección de datos con termopares Se utilizó un escáner de temperatura marca Cole-Parmer Instrument Company y de fabricación Barnant Company, modelo 92000-00 Benchtop 115V. El escáner cuenta con doce canales; a estos se les colocan cables termopar tipo K para censar temperatura. Las temperaturas a medir son: la temperatura del ambiente dentro del cilindro, la temperatura del ambiente exterior. 15 Los datos registrados por el sistema de recolección, son enviados mediante un cable con conexión al puerto serial de la computadora, con sistema operativo Windows XP y con procesador Intel. El software de interface utilizado es ScanLink, versión 2.0. Figura 2.4. Sistema de recolección de datos de temperatura integrado. 1. Sensor termopar tipo K. 2. Punto de medición en pared de cilindro. 3. Punto medición en masa de granos. 4. Sensor infrarrojo masa de granos. 5. Sensor infrarrojo pared cilindro. 6. Computadora. 7. Sistema de escáner de temperatura. 8. Quemador de gas. Figura 2.5. Vista de corte lateral del tostado - Esquema de registro de temperaturas. 16 2.5 Pérdida de masa Posterior al proceso de torrefacción, los granos son enfriados mediante aire a temperatura ambiente. Debido al proceso de torrefacción se tiene una pérdida de masa; ésta se evalúa mediante la colocación de la muestra en una balanza digital, con precisión de 0,01 g. La pérdida de masa se determina mediante la ecuación (1): |mf - m0| AM = — ------ -- • 100% (1) m 0 donde, AM es la pérdida de masa de la muestra (%); mo, es la masa de la muestra de granos al inicio del proceso (kg); m¡, es el valor de la masa de la muestra de grano al finalizar el proceso de torrefacción (kg). 2.6 Evaluación del color 2.6.1 Escala de medición Agtron La torrefacción es clasificada según el color de los granos en: media clara (MC); media (M); moderadamente oscura (MO); y oscura (O). Lo anterior según la escala de colores correspondiente a la Tabla Agtron: SCAA#65; SCAA#55; SCAA#45; y SCAA#35; respectivamente. La evaluación se realiza de manera directa contra los patrones de color. Figura 2.6. Tabla Agtron sobre grados de torrefacción. Fuente: (Vargas, 2011) 17 2.7 Masa específica aparente La masa específica aparente o densidad aparente, es determinada mediante la aplicación de la norma INTE/ISO 6669:2009 Café Oro - Determinación de la densidad a granel por caída libre de los granos enteros, se utiliza un “densímetro”, el cual consiste en un tanque alimentador (embudo) por el cual se dejan fluir los granos de café en caída libre, a un recipiente de volumen conocido 1 000 mililitros (1 litro). Además de ello, con una espátula con borde recto para nivelar la cantidad de grano en el recipiente. Figura 2.7. Densímetro, equipo para medición de densidad aparente El cambio en la densidad aparente, es determinado mediante la ecuación (2). Ap = ( Po - Pf) • 100% (2) ' po ' donde, Ap es el cambio en la densidad aparente (%); po es la densidad aparente inicial de los granos verdes (kg/m3); pf es la densidad aparente de la masa de granos para un determinado grado de tostado (kg/m3). 18 2.8 Variación volumétrica aparente La variación volumétrica aparente de la masa de los granos durante el proceso de torrefacción, es evaluada por medio de la relación entre el volumen para cada grado de tueste y el volumen inicial de café verde, mediante la ecuación (3). (3) donde, y es la variación volumétrica aparente (adimensional); Vf es el volumen de la masa de granos para un determinado grado de tueste (m3); Vo es el volumen inicial de los granos verdes (m3). Es por ello que, conociendo la relación existente entre la densidad aparente y el volumen, se procede, según la ecuación (4). m v = - (4) donde, V es el volumen de la muestra (m3); p es la densidad aparente (kg/m3); m es la masa de la muestra (kg). Se procede a sustituir en la ecuación (3), (5) donde, y es el índice de expansión de los granos (adimensional); pf es la densidad aparente de la masa de granos para un determinado grado de tueste (kg/m3); mf es la masa de granos para un determinado grado de tueste (kg); po es la densidad aparente inicial de los granos verdes (kg/m3); mo es la masa inicial de los granos verdes (kg). 19 2.9 Modelo de expansión aparente 2.9.1 Ley de la cinética de las reacciones químicas La ley general de las reacciones químicas se describe mediante la ecuación (6), utilizada por Vargas (2016), para determinar modelos de expanción durante el proceso de torrefacción en café arabica. - d t = ± k ^ n (6) donde, k es el coeficiente de variación de la expansión volumétrica de los granos (%-m"1); d y variación de la expansión volumétrica de los granos de café tostados (%); dt es la variación del tiempo en que ocurren las reacciones (min); n es el orden de la reacción (adimensional). La expansión aparente durante el proceso de torrefacción fue considerada como una reacción de orden cero (n=o). La ecuación (6) se puede utilizar para describir el proceso de la expansión volumétrica de los granos de café en la torrefacción, según la ecuación (7). i = k (7) Una solución de la ecuación (7) y que permite aproximar los valores de expansión volumétrica, corresponde a la siguiente. ^ = k • t + C (8) Donde, y es el valor de la expansión aparente en el tiempo (%); k es el coeficiente de variación de la expansión aparente de los granos (%-min1); C es una constante de integración y ajuste de la ecuación (%). 20 2.9.2 Efecto de la tem peratura La tasa de variación de la expansión aparente se relaciona con la temperatura del tostador, según el modelo de Arrhenius, mediante la ecuación (9). (9) donde, ko es un factor pre-exponencial (min-1); Ea es la energía de activación de la expansión aparente de los granos de café durante el tueste (J-mol-1); Rg es la constante de los gases ideales (8,3145 J-mol-1-K-1); Ta es la temperatura absoluta del tostador (K). Al integrar las Ecuaciones (8) y (9), se obtiene una ecuación de la variación relativa de la materia seca. (10) 2.10 Determinación del contenido de humedad El contenido de humedad es determinado, al usar la norma INTE ISO 6673:2011 Café verde - Determinación de la pérdida de masa a io5 °C. Para ello se realizan tres repeticiones con masa constante. A cada una de ellas se le medirá el peso inicial. La temperatura de la estufa es de 105 °C ± 1 °C y se tienen tiempos de exposición de 16 h a presión atmosférica. La estufa utilizada de la marca MMM Group, modelo VENTICELL y serie 111. 21 Figura 2.8. Estufa MMM Group/ modelo VENTICELL/ serie 111. Fuente: (MMM-Group, 2006) 2.11 Materia seca La materia seca se obtiene mediante la siguiente ecuación, en la cual se relaciona con el contenido de humedad y la cantidad de masa. MS = (1 - CHbh) • m (11) donde, MS es la materia seca (kg); CHbh es el contenido de humedad en base húmeda (decimal); m es el valor de la masa de la muestra (kg). El cambio en la materia seca como una propiedad que varía en el tostado del café, se evalúa mediante la ecuación (12). (12) donde, AMS es el cambio en la materia seca (porcentaje); MSi es la materia seca inicial (kg); MSf es la materia seca final (kg). Al integrar las ecuaciones (11) y (12), se obtiene. 22 A M s = / [ l - C H b h ] ^ mo - [ l - C Hbhf] ^ mf3 . ioo% a 3 ) V [ l - CHbh¡] • m0 ) donde, AMS es el cambio en la materia seca (porcentaje); CHbh i es el contenido de humedad en base húmeda inicial de los granos verdes (decimal); mo es la masa inicial de los granos verdes (kg); CHbh f es el contenido de humedad en base húmeda para un determinado grado de tueste (decimal); mf es la masa de granos para un determinado grado de tueste (kg). 2.12 Capacidad de trabajo del tostador La capacidad de trabajo del tostador es la cantidad de masa capaz de procesar en el tiempo. Dicho parámetro se ve afectador por muchas variables, tales como: variedad, humedad inicial, cantidad de masa, temperatura, grado de tueste. Todas las variables afectan directamente el tiempo de tueste, el cual se contabiliza como tiempo de proceso y tiempo de recuperación. La capacidad de trabajo del tostador para un grado de tueste particular, se determina mediante la ecuación (14). m 0 Ct = í T + í ' (14) donde, C t, es la capacidad de trabajo (kg/h); mo, es la masa inicial de granos verdes (kg); tr, es el tiempo de tostado (h); tR, es el tiempo de recuperación a la temperatura de tostado. 2.13 Modelo de calentamiento del cilindro rotativo 2.13.1 Ley de enfriamiento de Newton La ecuación de calentamiento del cilindro toma como bases teóricas, las consideraciones hechas para aplicar el modelo de Ley enfriamiento de Newton, definido con la ecuación (15). Q = h - A - ( T - T a) (15) 23 donde, Es la razón de transferencia de calor hacia el cilindro rotativo (W); h, es el coeficiente de transferencia de calor por convección (W-m-2-K-1); A, es el área superficial del cilindro rotativo (m2); T, es el valor de la temperatura del cilindro (K); Ta, es el valor de la temperatura de calentamiento del tostador (K). Al hacer la sustitución T=T-Ta, La ecuación (15), toma la siguiente forma. Q = h • A • T (16) Teniendo la ecuación de transferencia de calor sensible a un cuerpo, que expresa relación lineal entre la energía perdida (enfriamiento) o ganada (calentamiento) y la variación de la temperatura experimentada por el sistema. dT Q = m - C p -— (17) Es la razón de transferencia de calor hacia el cilindro rotativo (W); m, es la masa del cilindro (kg), Cp, es el calor específico del metal del cilindro (J-kg-1-°C-1); dT/dt, es cambio de la temperatura en el tiempo (°C- s-1). Al igualar las ecuaciones (16) y (17), despejar para el cambio de temperatura en el tiempo. dT h -A ■T (18) dt m • Cp Al hacer la sustitución, h -A k = -m----- Cpp- (19) Se obtiene una ecuación diferencial simple - homogénea de orden uno. T= - T = 0 (20) Cuya solución para las condiciones iniciales te = 0 y T(tc) = T0-Ta. T(t) = Ta + (T0 - Ta) - ek t (21) 24 2.14 Modelos de calentamiento de los granos 2.14.1 Modelo de calentamiento El presente modelo de calentamiento para el secado de productos agrícolas propuesto por Pabis, Jayas, & Cenkowski (1998), contiene las siguientes consideraciones: 1. La temperatura del sólido es uniforme durante todo el proceso. 2. Las condiciones de secado son constantes. 3. Todas las dimensiones del sólido son constantes. 4. Las propiedades físicas del sólido son constantes. Al considerar un sólido expuesto a un certamen de condiciones de secado. La temperatura del aire (ta) es mayor a la temperatura inicial promedio del sólido (t0). El calor suplido al sólido eleva la temperatura del sólido y vaporiza el agua contenida, descrito mediante la ecuación de calor transferido al grano: qd = q@ + qv (22) Donde, qd, es la tasa de transferencia de calor al grano (W); qt, es la tasa de transferencia de calor sensible para calentamiento del grano (W); qv, es la tasa de transferencia de calor latente para evaporar agua del grano (W). La tasa de transferencia de calor al grano: 4d = - h • A • (T - Ta) (23) Donde, h, es el coeficiente global de transferencia de calor (W-m-2-°C-1); A, área de intercambio de la superficie del sólido; T, temperatura del grano en cualquier momento (°C); Ta, temperatura del aire de calentamiento usada en el secado (°C). La tasa se calor sensible para el calentamiento del grano: 25 dT qt = c • Psw • v • — (24) Donde, c, es la capacidad calórica del grano húmedo (J-kg-1-°C-1); psw, es la densidad aparente unitaria del grano húmedo (kg-m-3); V, es el volumen unitario del grano húmedo (m3); dT/dt, es el cambio de la temperatura en el tiempo (°C-s-1). La tasa de transferencia de calor latente para evaporar el agua del grano: qv hv • psd • V • j. (25) Donde, hv, es el calor latente de vaporización (J-kg-1); psd, es la densidad aparente unitaria del grano seco (kg-m-3); V, es el volumen unitario del grano húmedo (m3); dX/dt, es la cinética de secado (%/s). El modelo de Pabis y Henderson (Pabis, Jayas, & Cenkowski, 1998) incluye un factor de forma en la cinética de secado: dX dt (26) Donde, 0 , es el factor de forma del sólido; K, es la constante de secado del modelo; Xo y Xe son el contenido de humedad inicial y en equilibro, respectivamente (%) Al incluir las ecuaciones (23), (24), (25) y (26), en la ecuación (22) y despejando para dT/dt: dT dt (27) Se define una constante S y B para agrupar algunos parámetros: 26 s = -_hwv ^• Epsdd --• -O-- -•- -K-- (X0 - X e) (28) c psw h • A B = -c- --P-s-w-- "¡V7 (29) Sustituyendo en la ecuación (27), dT — = -B • (T - Ta) + S • e_K t (30) dt Se define la variable Q(t): Q(t) = S • e_K t (31) Sustituyendo la variable de temperatura T, T = (T - Ta) (32) Sustituyendo en la ecuación (3o), se obtiene una ecuación diferencial lineal de primer orden: ddt + B • T = Q(t) (33) SOLUCIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIAL: 1. Caso Homogéneo. Q(t) = 0 (34) dT — + B-T = 0 (35) dt dT —— = —B • T (36) dt dT j - = - J Bdt (37) ln(T) = - B • t + C (38) T = e_B t+c = e_B t • ec (39) 27 T = d • e—Bt (40) 2. Caso general (ecuación (29)): T = C(t) • e—Bt (41) Se aplica variación de parámetros para encontrar el valor de C(t), en cuyo caso la ecuación (41), debe cumplir la ecuación (33): dT — = C'(t) • e—Bt - C(t) • B • e—Bt (42) Sustituyendo las ecuaciones (41), (42) y (31), en la ecuación (33) y resolviendo para C'(t): C'(t) • e—Bt - C(x) • B • e—Bt + B • C(x) • e—Bt = S • e—Kt (43) e—Kt C'(t) = S • —Brt = S • e(B—K) t (44) J C '(t)d t = J Y • e ([—\ ) ]dt (45) C(t) = • e(B—K)t + c2 (46) Sustituyendo en la ecuación (41), S t T (t') |))((tto\) ---B------K-- -e—Kt + c2 • e—B t (47)2 to T(t) = T-Ta / t = t T - Ta = K ̂e @ + C2 • e—B t (48) • T(to) = To-Ta / to = 0 T o - T a = B ^ T K + C2 (49) Despejando c2 y sustituyendo en la ecuación (48), 28 C2 = ( T o - T a ) - B T T K (50) Ecuación de calentamiento en el tiempo, T(t) = Ta + b ^ ^ k • (e—K t - e—B t) + (To - Ta) • e—Bt (51) 2.14.2 Modelo de calentamiento propuesto La razón de calentamiento se calcula mediante la ecuación (52), dT Tn+1 - Tn - ^ ( t n+i) = n+1 _ n (52) dt t n+1 t n Donde, dt/dt es la razón de calentamiento (°C/s); Tn+i es la temperatura de la masa de granos en el tiempo n+1 (°C); Tn es la temperatura de la masa de granos en el tiempo n (°C) La ecuación de calentamiento del grano, se obtiene al dar solución a la ecuación diferencial de orden uno, según la ecuación (53). T = P(t) (53) P(t)dt (54) jd T ( t ) = j La solución al sistema anterior, se obtiene al resolver con los parámetros iniciales. >o = 0 b(to) = bo 2.15 Modelo de variación de la materia seca 2.15.1 Ley de la cinética de las reacciones químicas La ley general de las reacciones químicas se describe mediante la ecuación (55). dM = ± e • Mf (55) d> 29 donde, k es el coeficiente de variación de la masa seca de los granos (%-min-1); dM variación de la masa seca de los granos de café tostados (%); dt es la variación del tiempo en que ocurren las reacciones (min); n es el orden de la reacción (adimensional). Al considerarse que la masa seca del café durante el proceso de torrefacción no varía desde el inicio y que la variación comienza en el momento en que ocurren las reacciones químicas de transformación, en donde ocurre transporte de componentes volátiles y CO2 hacia afuera del grano. La transformación de la materia seca en el proceso de torrefacción fue considerada como una reacción de primer orden (n=1). La ecuación (55) se puede utilizar para describir el proceso de la torrefacción de la materia seca en los granos de café, según la ecuación (56). dM — = fc • M (56) d> Una solución de la ecuación (56), corresponde a la siguiente. —M = e fc-(t-to) (57) Mo V J Donde, M es el valor de la masa seca en el tiempo (%); Mo es el valor inicial de masa seca (%); k es el coeficiente de variación de la masa seca de los granos (%-min-1); to es el tiempo en el que inician las reacciones químicas de la materia seca (min). 2.15.2 Efecto de la tem peratura La tasa de variación de la materia seca se relaciona con la temperatura del tostador, según el modelo de Arrhenius, mediante la ecuación (9). Al integrar las Ecuaciones (57) y (9), se obtiene una ecuación de la variación relativa de la materia seca. 30 M (59) 2.16 Análisis estadístico Se aplicó un diseño experimental factorial de 43, con un total de 3 factores y 4 niveles de factor. • Factor A: Temperatura (Cuantitativo). • Factor B: Masa (Cuantitativo). • Factor C: Grado de tueste (Cualitativo) Se realizaron un total de 64 tratamientos con tres repeticiones, para un total de 192 corridas. Se evaluaron 4 temperaturas de calentamiento del tostador (260, 280, 300 y 320 °C), cuatro masas iniciales (400, 600, 800 y 1000 g) y se obtuvieron los cuatro tipos de tostado: Medio claro (MC); media (M); moderadamente oscura (MO); y oscura (O). Los niveles del Factor C (Grado de tueste), se realizaron mediante la inspección visual con asesoría de una persona con entrenamiento en tostado y utilizando la escala de color del SCAA, que permite obtener los diferentes grados de tueste. Los datos obtenidos son sometidos a un análisis de varianza y comparados con la prueba F. Variables respuesta: tiempo, temperatura del grano, temperatura de la pared, temperatura interna, pérdida de masa, materia seca, densidad aparente; Variación Volumétrica (expansión aparente), humedad final y color. El software estadístico utilizado para el diseño experimental y el análisis fue Minita® 17.1.0. Para el ajuste de los modelos matemáticos utilizados, fue utilizado el programa SIGMA PLOT 12.0. El grado de ajuste de los modelos, fue evaluado a partir de la magnitud del coeficiente de determinación (r2), del error medio relativo (P) y de la desviación estándar (SE), según las ecuaciones (60) y (61). (60) 31 S £ = vI ^ Z Z F 1 (61) donde, Y es el valor observado experimentalmente; Y es el valor estimado por el modelo; n es el número de datos observados; GLR son los grados del residuo (número de datos observados menos el número de parámetros del modelo). 32 CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Evaluación térmica del tostador convencional 3.1.1 Calentamiento del tostador En la Figura 3.1, se muestra la forma en la que el sistema pared cilindro y ambiente interno del tostador convencional de cilindro horizontal eleva su temperatura, por efecto del calor recibido de la combustión en el quemador de gas; el calentamiento descrito se realiza sin producto en el interior del tostador. 0 5 10 15 20 25 Tiempo t (min) Figura 3.1. Modelos de calentamiento de cilindro rotativo (pared) e interior del tostador convencional (aire). El calentamiento del cilindro Tc(t) permite ajustar la Ecuación (21), que considera como bases teóricas la Ley de enfriamiento de Newton, aplicado a calentamiento. El modelo se ajustó con un coeficiente de correlación (r2) de 99,51%, los parámetros Ta y k se obtuvieron con un valor-p menor a 0,0001, y la desviación estándar del modelo fue 6,86%, tomando como valor inicial de la temperatura de T0 = 19,0 °C. 33 Los parámetros del modelo se aproximaron para 8 repeticiones de calentamiento, obteniéndose que la temperatura de calentamiento del sistema es Ta = 390,22 °C y el valor de la constante de calentamiento k = 0,1316 min-1. En el Cuadro 3.1, se muestran las medias resumen de las temperaturas iniciales de la pared del tostador, para las condiciones de operación. Dichas temperaturas se relacionan con la temperatura interna del tostador al inicio de cada prueba. Cuadro 3.1. Relación de la temperatura del cilindro rotativo y la temperatura interna iniciales del tostador, durante condiciones de operación. Tem peratura interna Temperatura pared Dif. de Temp. Tiempo calentamiento Ti (°C) Tp (°C) AT (°C) tc (min) 261,9 ± 0,9 312,3 ± 8,2 A 50,4 ± 8,4 A 10,58 ± 1,07 280,8 ± 0,8 333,6 ± 5,1 B 52,8 ± 5,4 B 12,54 ± 2,35 300,7 ± 1,3 359,0 ± 3,1 C 58,3 ± 3,1 B 16,85 ± 0,54 320,5 ± 0,7 368,0 ± 4,3 D 47,5 ± 4,3 C 22,45 ± 0,73 Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p > 0,05) En la Figura 3.2, se muestra el ajuste realizado para la temperatura interna como función de la temperatura del cilindro. El ajuste se realiza tomando los valores predichos por el modelo de calentamiento del cilindro y asociándolos en el tiempo con los valores de temperatura interna. 34 Figura 3.2. Relación de la temperatura interna y temperatura del cilindro en el calentamiento. Para el ajuste de la temperatura interna y la temperatura del cilindro, se aproximó un modelo polinómico de grado 2, con el cual se obtuvo un coeficiente de relación (r2) de 99,98 %. Los parámetros de la ecuación fueron obtenidos para un valor-p menor a 0,0001 y la desviación estándar del modelo (SE) fue de 0,60 %. Para cada una de las pruebas de tostado siempre fue necesario realizar pruebas preliminares de calentamiento y tostado de café, ya que el sistema debe estabilizarse en su totalidad por los distintos gradientes de temperatura que se encuentran presentes en la estructura y proceso dentro del tostador. 3.1.2 Evaluación de la pared interna del tostador En la Figura 3.3, se observa la variación de temperatura de la pared del cilindro rotativo durante el tiempo de tostado, la cual, disminuyó al ser introducida la masa de granos en el interior y posteriormente se presenta un incremento de temperatura. La diferencia entre la temperatura de la masa de granos y la pared fue de al menos 12 veces considerando que la temperatura inicial promedio de los granos fue de 24,7 °C. 35 Tiempo t (min) Figura 3.3. Efecto de la masa sobre la temperatura de la pared del cilindro. El mejor modelo matemático fue un ajuste exponencial decreciente - lineal, los coeficientes de correlación varían desde 66 a 85%, para las masas menores (400 y 600 g) y mayores (800 y 1000 g), respectivamente. Lo anterior se asocia a una mayor variación de la temperatura de la pared que sucede con poca masa y proceso rápido. El proceso de torrefacción en un tostador convencional de cilindro rotativo se realiza en condiciones transitorias, según el comportamiento de la pared interna del tostador (Vargas, 2016), lo que hace complejo los análisis del comportamiento de los fenómenos de transferencia de energía, aspecto que se comprueba en el presente trabajo y se ilustra en la Figura 3.3. En la Cuadro 3.2 se muestran los gradientes de enfriamiento y calentamiento ocurridos al introducir las cuatro masas evaluadas. 36 Cuadro 3.2. Cambios en la temperatura de la pared por efecto del enfriamiento y calentamiento durante el tostado. Masa Enfriamiento Calentamiento mi (g) -AT1 (°C) +AT2 (°C) 400 56 11 600 74 19 800 91 28 1000 102 35 El gradiente de temperatura de la pared del tostador se incrementa conforme se incrementa la masa colocada en el interior, para las condiciones de enfriamiento y calentamiento descritas. El cambio en la temperatura del cilindro ocurre una vez colocada la masa de granos, el gradiente de caída de la temperatura interna aumenta conforme se incrementó la masa colocada en el interior. Mendes (2012) y Vargas (2016) determinaron que existe un gradiente de caída de temperatura en la pared interna del tostador con variaciones desde 30 a 45 °C, que ocurren como consecuencia de la introducción de una masa constante de 350 g y elevar la temperatura del tostador ajustando el regulador de quema de gas, lo que está de acuerdo con la masa de 400 g, evaluada en la presente investigación. En el Cuadro 3.3, se muestran los parámetros estadísticos asociados al modelo ajustado para la temperatura de la pared del cilindro. 37 Cuadro 3.3. Parámetros estadísticos del modelo a ajuste para la temperatura de la pared. 400 g 600 g 800 g 1000 g Coeficientes de regresión A 67,7380 80,4560 100,6507 99,9939 B 1,1150 0,9295 0,8990 0,9549 C 3,3994 3,3420 3,4957 3,2100 y0 271,5024 251,4653 231,9621 222,6978 Valor-p A <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 B <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 C <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 y0 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Parámetros estadísticos R 0,8120 0,8183 0,9236 0,9246 r2 0,6593 0,6696 0,8531 0,8549 Adj. r2 0,6549 0,6683 0,8517 0,8541 SE 7,7136 7,3764 5,3072 5,1982 Prueba-t A 18,6285 38,8461 38,7539 40,2578 B 7,9010 17,6451 19,7997 24,5968 C 5,2295 15,5446 23,2956 40,0516 y0 77,7829 160,7016 170,1442 266,4809 Los modelos fueron aproximados con desviaciones estándar de los modelos (SE) menores a 7,71% y los parámetros “a”, “b”, y “y0” con valores-p menores a 0,0001; lo que permite concluir que el modelo exponencial decreciente - lineal, aproxima adecuadamente el comportamiento de la pared interna del tostador, por efecto de las masas colocadas. 3.1.3 Evaluación de la tem peratura interna En la Figura 3.4, se muestra el registro de la temperatura interna del tostador registrado en el aire. La temperatura disminuye por el efecto de la masa colocada en el 38 interior. Dicha caída se presenta debido al diferencial de temperaturas entre la masa de granos (Tpromedio=24,7°C) y el sistema. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Tiempo t (min) Figura 3.4. Comportamiento de la temperatura de interior del tostador al introducir la masa de granos. Para la evaluación realizada por masa, se aproximó un modelo combinado exponencial decreciente - lineal, el cual en todos los casos obtuvo un coeficiente de correlación (r2) del 99%. La importancia del estudio de este parámetro, radica que en la industria la mayoría de los sensores de temperatura son colocados en la cámara interna del tostador, por la facilidad constructiva lo cual permite un buen registro de lo sucedido en el interior, es decir, permite interpretar el tueste y existe buena correlación con la temperatura de los granos. En el Cuadro 3.4, se muestran los parámetros estadísticos para los modelos ajustados a la temperatura interna del tostador, tomando como temperatura inicial 280 °C. 39 Cuadro 3.4. Parámetros estadísticos del ajuste matemático para el comportamiento de la temperatura interna del tostador, por el efecto de masas. 400 g 600 g 800 g 1000 g Parámetros de regresión A 89,7258 114,6875 122,0400 122,4467 B 1,1480 0,8170 0,9105 0,9200 C 8,0752 7,8544 6,7267 6,3233 y0 190,8230 164,7584 154,3400 142,8751 Valor-p A <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 B <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 C <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 y0 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Parámetros estadísticos R 0,9974 0,9982 0,9970 0,9974 r2 2 0,9948 0,9963 0,9940 0,9949 Adj. r2 0,9946 0,9962 0,9939 0,9948 SE 1,0059 1,0830 1,5662 1,6607 Prueba-t A 115,7512 164,3359 138,7273 136,1060 B 51,3447 71,9812 63,8424 67,1348 C 59,0642 92,7251 97,4617 135,9616 y0 259,6716 253,6734 257,4100 298,8928 El valor-p de los coeficientes del ajuste fue menor a 0,0001 y la desviación estándar del modelo fue menor a 1,66%. El efecto de los factores de la investigación sobre la temperatura interna se analiza mediante el cambio provocado sobre la temperatura inicial del tostador (AT). En la Figura 3.5, se muestran los efectos principales de la temperatura inicial, masa y grado de tueste. 40 Figura 3.5. Efectos principales de los factores sobre la temperatura interna. El análisis estadístico determinó que existen diferencias significativas por efecto de los incrementos en los niveles de factor en la temperatura y masa (p<0,0001), y grado de tueste (p=0,0333), para un 95% de confianza. Los incrementos en el factor de temperatura (+20 °C) aumentan la caída de temperatura en +11,7 °C, mientras que los incrementos de masa (+200 g) aumentan el diferencial en +15,7 °C. En la Figura 3.6, se ilustran las interacciones entre los factores temperatura, masa y grado de tueste. Es apreciable que no existen interacciones entre los factores para las combinaciones, por lo que los efectos obedecen a los factores de manera individual. 41 M asa (g) * Temp. (°C) G.Tueste (GT * Tem p. (°C) Temp. (°C) , , i i ▲-------- ▲---------▲-------- ▲♦ - -------♦ --------- • 260 — B — 280 300 Temp. (°C) * M asa (g) G.Tueste (GT * M asa (g) < Masa (g)_ A •a 400CÜ ▲-------- A---------A -------- ▲ •4 - -------♦ ---------# ---------♦ 600 .25 T3 ▼ __ _ — • 800 — A - 1000 Tem p. (°C) * G.Tueste (GT M asa (g) * G.Tueste (GT G.T ueste (GT — • — Medio claro Medio Mos. oscuro — A - Oscuro Tem p. (°C) M asa (g) G.Tueste (GT Figura 3.6. Efectos de las interacciones de los factores sobre el cambio en la temperatura interna. El mínimo cambio reportado se dio para la masa menor (400 g) y temperatura menor (260 °C); caso similar en la condición de temperatura y masa mayores (320 °C y 1000 g), en el cual se presenta el máximo cambio de temperatura. Dichos tiempos mínimos y máximos (2,12 ±0,06min y 3,73 ±0,14min) corresponden a los tiempos de ocurrencia de las caídas de temperatura mínimas y máximas (57,4 ±0,6°C y 138,4 ±0,5°C), respectivamente. La caída de temperatura interna dentro del tostador fue reportada por Schenker (2000), al evaluar dos masas (320 y 400 kg) en un tostador industrial del tipo tazón giratorio. Para cada evaluación, se registró una caída en la temperatura como consecuencia del ingreso de la masa de granos verdes. 3.1.4 Evaluación del tiempo de recuperación de la tem peratura del sistema El tiempo de recuperación es el tiempo necesario para que el tostador recupere la temperatura inicial a la cual se está realizando el proceso de torrefacción, después de realizada la extracción de la masa con un grado de tueste definido. En la Figura 3.7, se ilustra el comportamiento típico de la temperatura interna del sistema de torrefacción, en un 42 tostador convencional. En dicha figura se señalan dos zonas en el tiempo, que corresponden respectivamente a: (A) tiempo de torrefacción y (B) tiempo de recuperación. Figura 3.7. Registro de torrefacción y recuperación del tostador. A) tiempo de tostado; B) tiempo de recuperación. En la Figura 3.8, se muestran los efectos de la temperatura, masa y grado de tueste sobre el tiempo de recuperación de la temperatura interna del tostador. Temp. (°C) Masa (g) G.T ueste 9 C £ 8 DCL 7 U SO- 6 / CL • ---- -— • £Q) 5 ■ 0,05) Según lo mostrado en el Cuadro 3.5, el tiempo de recuperación del tostador para los diferentes tratamientos evaluados, depende principalmente de la temperatura inicial del tostador. Conforme se incrementa la temperatura inicial del tostador, mayor es el tiempo de recuperación. Dicha dependencia se describe mediante un modelo polinómico de grado dos, como se muestra en la Figura 3.10. ¡ . j a 2 • ‘rvsT, Ajuste polinomial —I----------------- 320 340 Figura 3.10. Ajuste polinómico del tiempo de recuperación como función de la temperatura inicial. 45 Para el ajuste polinómico se obtuvo un coeficiente de relación (r2) de 99,37%, el valor-p para los parámetros del modelo fue menor a 0,3525 y la desviación estándar del modelo de 0,40%. 46 3.2 Calentamiento de la masa granos durante el proceso de torrefacción 3.2.1 Modelo de calentamiento En la Figura 3.11, se muestra la evaluación del calentamiento de la masa de granos en movimiento, el mismo ocurre de manera constante ya que el tostado se obtuvo de manera continua, sin interrupción en la cantidad de calor suministrada por el tostador. Para dicho ajuste es utilizada la Ecuación (51), considerando la temperatura promedio inicial de la masa de granos verdes T0 = 24,7 °C. O hO-a c£Zc - 150°C). 50 El modelo utilizado en la presente investigación subestima el calor adicionado por las reacciones de torrefacción, provocando que las aproximaciones de la constantes del modelo sean superestimadas, además, la cinética de calentamiento de los granos en un tostador convencional es diferente al tostador de lecho fluidizado, por las condiciones isotérmicas en las que se lleva a cabo el proceso, en donde predomina la transferencia de energía mediante la convección (Bustos, 2015; Vargas , 2016; Hernández et al, 2007; Fabbri et al, 2011) 3.2.2 Modelo matemático basado en la naturaleza de calentamiento de los granos de café Para realizar el cálculo de cada una de las razones de calentamiento, se procedió a calcular las diferencias de temperatura cada 15 s. En la Figura 3.14 y 3.15, se muestra el ajuste no lineal para los valores de la razón de calentamiento de las masas, para cuales presenta ajuste decreciente exponencial simple con tres parámetros. Figura 3.14. Ajustes no lineales para la razón de calentamiento de la masa de granos. a) 400 g b) 600 g. 51 ■0.5 --------------------------- 1--------------------------- 1--------------------------- 1---------------------------1--------------------------- - 0.5 - |--------------------------- 1--------------------------- 1--------------------------- 1--------------------------- 1--------------------------- 0 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000 Tiempo t (s) Tiempo t (s) Figura 3.15. Ajustes no lineales para la razón de calentamiento de la masa de granos. c) 800 g d) 1000 g Mediante las razones calculadas, es apreciable que al inicio de la torrefacción sucede un fenómeno de calentamiento de manera rápida. Dicha razón de calentamiento sucede aproximadamente durante los primeros 2 minutos y posteriormente se da un calentamiento constante hasta el final del proceso, lo que está de acuerdo para tostadores convencionales en procesos no isotérmicos mencionado por Vargas (2016). En el Cuadro 3.7 y 3.8, se muestran los parámetros respectivos a los ajustes realizados para cada masa evaluada, el coeficiente de correlación (r2) para todas las masas fue mayor a 88%, los parámetros del modelo y0, a y b fueron determinados con un valor-p menor que 0,0001. 52 Cuadro 3.7. Parámetros estadísticos de las regresiones de cinética de calentamiento. 400 g 600 g 800 g 1000 g Coeficientes de regresión y0 0,3065 0,2011 0,1974 0,1797 A 4,7980 2,9076 4,1014 3,2708 B 0,0404 0,0209 0,0374 0,0307 Valor-p y0 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 A <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 B <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Parámetros estadísticos R 0,9402 0,9673 0,9481 0,9458 r2 2 0,8840 0,9357 0,8989 0,8944 Adj. r2 0,8783 0,9318 0,8944 0,8900 SE 0,2137 0,1252 0,1370 0,1283 Prueba-t y0 8,3231 7,9954 9,1926 9,1056 A 8,7104 14,3228 10,2507 11,6258 B 8,5543 10,2450 9,4683 9,7888 Es importante que la desviación estándar del ajuste estimado del modelo (SE) sea ser menor al 10%, lo cual para efectos del ajuste en esta investigación fue menor al 0,14%, lo que demuestra que el modelo se adecuó a las masas estudiadas. De los ajustes obtenidos para las diferentes cinéticas de calentamiento, se obtiene la ecuación (48), la cual es un ajuste general. dT — = Ko + a - e - ^ (48) donde, 53 Ko, es un parámetro inicial para la razón de calentamiento (°C/s); a, es un factor pre- exponencial (°C/s); b, es la constante de calentamiento (s-1). Al resolver la ecuación (48), se obtiene: T |) o = K o ^ t ^ ^ e -bt + c1 (49) b @o Para las condiciones iniciales te = 0; T(t0) = T0, To = - b + ci (50) C i = b + To (51) Sustituyendo la ecuación (49) y evaluando la condición para Tn+1, se obtiene la ecuación general de calentamiento de la masa de granos. a T(t) = To + Ko • t + b • ( l — e ) (52) En la Figura 3.16, se muestra la evaluación de calentamiento de la masa de granos en movimiento para el modelo propuesto. Para dicho ajuste es utilizada la temperatura promedio inicial de la masa de granos verdes T0 = 24,7 °C. 54 O ------1------1------ (------(------1------1------1------1------ O 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo t (min) Figura 3.16. Modelo de calentamiento de los granos según su masa inicial - Modelo matemático propuesto. El modelo se ajustó adecuadamente para los datos de calentamiento de la masa de granos de café durante la torrefacción. En el Cuadro 3.9, se observan los parámetros del ajuste del modelo para cada masa, además, el coeficiente de correlación (r2) para todas las masas fue mayor a 99%, los parámetros del modelo Ko, a y b fueron determinados con un valor-p menor que 0,0001. La desviación estándar del ajuste estimado del modelo (SE) debe ser menor al 10%, lo cual para efectos del ajuste en esta investigación fue menor al 4,4%, lo que demuestra que el modelo se adecuó a las masas estudiadas. 55 Cuadro 3.8. Parámetros estadísticos determinados para el modelo de regresión no lineal del calentamiento de los granos durante el tueste - Modelo propuesto. 400 g 600 g 800 g 1000 g Coeficientes de regresión K0 15,7492 11,3073 9,3319 7,4484 A -153,6766 -119,2672 -96,9938 -80,0694 B 1,2170 1,0210 0,9068 0,7761 Valor-p K0 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 A <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 b <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 Parámetros estadísticos R 0,9938 0,9973 0,9976 0,9982 r2 2 0,9876 0,9947 0,9953 0,9963 Adj. r2 0,9876 0,9947 0,9953 0,9963 SE 5,2232 3,2930 3,2303 2,7967 Prueba-t K0 54,8872 111,1684 158,5880 182,2626 a -54,9997 -93,0161 -113,5085 -115,0170 b 36,9979 65,8154 82,7386 86,7013 56 Figura 3.17. Modelo de calentamiento de la masa de granos de café durante el proceso de torrefacción con bandas de confianza a 95%, para cuatro masas - Modelo propuesto. Al igual que en el caso anterior, la amplitud de las bandas de predicción disminuye conforme se incrementa la masa, manifestando nuevamente que el efecto de transferencia calor por conducción predomina al incrementarse la masa dentro del tostador. En la Figura 3.18, se muestra la comprobación del modelo de calentamiento de la masa de granos respecto a los valores reales de temperatura. 57 300 250 O~ 200 | 150 Cct <1> o> *“ 100 50 0 4­ 0 50 100 150 200 250 300 ^~g_calculado (X ) Figura 3.18. Comparación de la temperatura de los granos experimental y el modelo matemático propuesto. El modelo de temperatura propuesto, presentó un ajuste general (r2) de 99,47%, donde se aprecia que los valores iniciales de temperatura de la masa de granos no se ajustan necesariamente al modelo, lo que obedece a la naturaleza poco uniforme de la temperatura al inicio del proceso de torrefacción. Fabbri et al. (2011) y Bottazi et al. (2012) determinaron la existencia de un gradiente de temperatura entre la superficie y el centro de los granos de café, durante el proceso de torrefacción; con un valor promedio de 14°C, con una duración de 300 s (5 min) después de colocada la masa en el tostador, lo que puede asociarse al calentamiento poco uniforme de los granos en su superficie. 3.2.3 Temperatura final del grano tostado En la Figura 3.19, se muestra el efecto de los factores temperatura, masa y grado de tueste, sobre la temperatura final del grano de café tostado. 58 Figura 3.19. Efecto de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre la temperatura final de grano. El incremento en la temperatura del tostador (+20 °C) provocó efectos sobre la temperatura final de la masa de granos, estadísticamente fue similares en las temperaturas de 260 y 280 °C (p>0,05). La diferencia de temperatura final de la masa de café tostado para el tratamiento de mínima y máxima temperatura inicial del tostador es de 3,84 °C, lo que puede llegar a ser imperceptible, por el comportamiento térmico que se desarrolla dentro del tostado. Es decir, los incrementos en la temperatura de calentamiento no llegan a ser representativos para diferenciar la temperatura final del proceso por su efecto sobre el café tostado. El aumento en la cantidad de granos con incrementos en masa (+200 g) generó disminuciones significativas en la temperatura final del café tostado para los diferentes grados de tueste, es decir, al incrementar la masa se obtiene un mismo grado de tueste a una temperatura menor del grano. Las diferencias entre las masas de 400 y 600 g pueden llegar hasta los 10 °C, mientras que las masas de 600, 800 y 1000 g presentan diferencias de 5 °C, en la temperatura final del proceso, según se observa en Figura 3.19. 59 Los incrementos en el grado de tueste (+grado tueste) generan aumentos en valor final de la temperatura del café tostado, dichos aumentos son aproximadamente de 10 °C entre grados de tueste, lo que está de acuerdo con Vargas (2016), que obtuvo muestras a cada 10°C de café tostado, lo que generó diferencias en los grados de tueste con cambios de temperatura del tostador y masa constante (350 g). En la Figura 3.20, se muestran las interacciones entre los factores del experimento y su efecto sobre la temperatura final del grano (Tg). Masa (g) * Temp. (°C) G.Tueste (GT * Temp. (°C) Temp. (°C) • 260 — ■— 280 ~ + - 300 Temp. (°C) * Masa (g) G.Tueste (GT * Masa (g) Masa (g) — • — 400 600 ~ + - 800 — ▲ - 1000 Temp. (°C) * G.Tueste (GT Masa (g) * G.Tueste (GT G.T ueste (GT 260 . ___ . -A • Claro 240 Medio ■------mr- • C * - ^ Mod. oscuro 220 — A - Oscuro Temp. (°C) Masa (g) G.Tueste (GT Figura 3.20. Efectos de las interacciones entre los factores sobre la temperatura final de grano. En la Figura 3.20 se observa que no hay interacción entre los factores del experimento y que el efecto sobre de la temperatura final del café tostado obedece a los efectos de los factores de manera individual. Los modelos lineales representan el calentamiento de la masa de granos cuando se llega a cada grado de tueste, se ajustaron con un coeficiente de correlación (r2) mayor a 96%, con una desviación estándar de los modelos menor a 2,55% y los parámetros fueron obtenidos con un valores-p menores 0,0178, según se muestra en la Figura 3.21. 60 0 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo t (min) Figura 3.21. Temperatura de la masa de granos para los cuatro grados de tueste. En el Cuadro 3.10 y 3.11, se muestran los parámetros estadísticos asociados a cada uno de los coeficientes de los modelos de temperatura de la masa de granos de café para los diferentes grados de tueste. Cuadro 3.9. Parámetros estadísticos de los modelos de calentamiento de la masa de granos. 400 g 600 g 800 g 1000 g Coeficientes de ajuste y0 146,1553 124,8971 124,7678 129,9462 a 16,4335 13,0489 9,8771 7,3555 Valor-p y0 0,0088 0,0074 0,0044 0,0009 a 0,0178 0,0087 0,0058 0,0015 61 Parámetros estadísticos R 0,9822 0,9913 0,9942 0,9985 r2 0,9647 0,9826 0,9885 0,9970 Adj. r2 0,9471 0,9739 0,9828 0,9956 SE 2,5553 2,0417 1,6034 0,8538 Prueba-t y0 10,5771 11,5345 15,0009 33,6011 a 7,3936 10,6203 13,1139 25,9353 3.2.4 Relación entre la tem peratura final de la masa de granos y la tem peratura interna el tostador En la Figura 3.22, se muestra la relación entre la temperatura final del grano y la temperatura interna del tostador (aire). 0 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 Temp. interna T¡ (°C) Figura 3.22. Relación entre la temperatura de la masa de granos tostados (Tg) y la temperatura interna del tostador (Ti), aire en contacto con el grano. El modelo lineal que relaciona la temperatura de la masa de granos con la temperatura interna del tostador, durante en el rango de temperaturas de los tuestes 62 comerciales, obtuvo un coeficiente de correlación (r2) de 94,44 %, los parámetros a y yo del modelo se obtuvieron para un valor-p menor a 0,0001 y la desviación estándar del modelo fue 3,15 %. Al igualar las temperaturas de la masa de granos y la temperatura interna, es posible determinar la temperatura de equilibrio, en la cual, la masa de granos en calentamiento alcanza el equilibrio con la temperatura interna del tostador. A partir de ahí, la temperatura de la masa de granos es mayor a la interna. Esto se consigue haciendo Ti = Tg, al despejar de la ecuación presentada en la Figura 3.22, se obtiene que la temperatura de equilibrio es aproximadamente 219,1 °C. Los cracks son explosiones, rupturas o quebramientos de la estructura del grano de café, como consecuencia de la salida de CO2 y el vapor de agua, para la temperatura de 219,1 °C durante la ejecución de las pruebas reportó la mayor incidencia de cracks, posterior al primer crack para las masas de 600, 800 y 1000 g se reportó para la temperatura de la 210 °C, momento en el que se obtuvo el grado de tueste medio claro. 63 3.3 Efecto de la temperatura de calentamiento, masa inicial y grado de tueste sobre el tiempo de torrefacción En la Figura 3.23 se muestra el efecto de los factores de temperatura, masa y grado de tueste sobre el tiempo de torrefacción (t). Dicho gráfico se construye con las medias ajustadas de los efectos de cada factor sobre el tiempo de tostado. Figura 3.23. Efectos principales de los factores sobre el tiempo de torrefacción. Del análisis estadístico, se obtiene que existe un efecto significativo de cada uno de los factores analizados (p<0,0001), sobre el tiempo de tueste, para un nivel de confianza de un 95%. El efecto de los incrementos de temperatura en 20 °C, significó disminuciones en el tiempo de tostado de 0,50 min, los efectos de los incrementos en la masa de 200 g, aumentaron el tiempo de tueste en aproximadamente 2,40 min y el efecto de incrementar el grado de tueste, causa aumentos de 0,90 min. Todos los valores anteriores, son promedios obtenidos a partir de los modelos lineales de tiempo como función de los factores del experimento, gráfico de efectos (Figura 3.23). 64 Los incrementos en la temperatura de calentamiento del tostador no aportaron mayor significancia en el tiempo de tueste, para la temperatura menor (260 °C) los tiempos son los adecuados, según las recomendaciones que permiten mantener la calidad, sin embargo, la masa es un factor importante que afecta más el tiempo de torrefacción. En el Cuadro 3.12 se muestra el cambio promedio en el tiempo de tostado por causa del incremento máximo en los niveles de los factores de la investigación, el mayor efecto por incremento del factor se obtiene al variar la masa (400 - 1000 g) en el cual el tiempo se incrementa en promedio 7,18 min, mientras que pasar del grado de tueste medio claro al oscuro incrementa el tiempo de tueste 2,64 min; la temperatura muestra un efecto opuesto a los anteriores, ya que el variar la temperatura de 260 hasta 320 °C disminuyó el tiempo de tueste 1,43 min en promedio. Cuadro 3.10. Cambio promedio en el tiempo de tueste por el diferencial máximo entre los factores de temperatura, masa y grado de tueste. Factor AMáx.1 At (min) Temperatura 60 °C -1,43 Masa 600 g 7,18 Grado de tueste M.C. - O. 2,64 Al analizar la interacción entre factores (Figura 3.24), se obtiene que no existe una interacción entre los factores del experimento temperatura y masa, ya que los aportes en el tiempo son constantes para todas las evaluaciones y gráficamente son paralelas. El aporte de significancia sobre el tiempo es debido a los factores individuales y no como resultado de su interacción. 1 AMáx.: corresponde a la diferencia entre el los niveles superior e inferior de los factores de temperatura (T), masa (M) y grado de tueste (GT). 65 Tem p. (°C) • 260 280 - - A - - 300 Masa (g) • 400 600 800 ▲ 1000 G.T ueste • Medio Claro Medio Mod. oscuro Oscuro Tem p. (°C) Masa (g) G.Tueste Figura 3.24. Efectos de las interacciones de los factores sobre el tiempo de torrefacción. El mayor tiempo de tostado se obtuvo para la temperatura de 260 °C, la masa de 1000 g y el grado de tueste oscuro (16,17±0,04 min), y el menor tiempo para la temperatura de 320 °C, la masa de 400 g y grado de tueste medio claro (4,39±0,05 min). En el Cuadro 3.13, se muestran los tiempos necesarios para obtener los grados de tueste, para cada una de las masas y temperaturas evaluadas. El análisis de los tiempos se realiza evaluando el efecto de la masa y la temperatura, para cada grado de tueste, es decir; el análisis de medias se realizó por columna. Se realiza una categorización utilizando el factor Grado de tueste, ya que, para efectos industriales, los grados de tueste se consideran productos distintos, por las características físicas que los mismos contienen. 66 Cuadro 3.11. Comparativo del tiempo de torrefacción por temperatura y masa iniciales, para cada grado de tueste (n=3). Temp. Masa Tiempo Ti (°C) mi (g) t (min) Medio claro Medio Mod. Oscuro Oscuro 400 5,52 ± 0,17 K 6,23 ± 0,18 I 6,82 ± 0,12 J 7,33 ± 0,12 I 262 600 7,67 ± 0,08 H 8,11 ± 0,20 G 9,48 ± 0,12 F 10,23 ± 0,03 G 800 9,81 ± 0,05 E 10,87 ± 0,13 D 12,04 ± 0,21 C 12,76 ± 0,06 D 1000 12,26 ± 0,09 A 13,32 ± 0,03 A 14,29 ± 0,05 A 16,17 ± 0,04 A 400 5,36 ± 0,03 K 6,08 ± 0,18 I 6,38 ± 0,12 K 6,95 ± 0,03 I 281 600 7,68 ± 0,13 H 8,39 ± 0,11 G 9,11 ± 0,09 G 9,92 ± 0,17 G 800 9,56 ± 0,05 E 10,57 ± 0,26 D 11,39 ± 0,13 D 12,45 ± 0,10 D 1000 11,62 ± 0,10 B 12,83 ± 0,03 B 14,08 ± 0,23 A 15,68 ± 0,36 B 400 4,71 ± 0,16 L 5,59 ± 0,14 J 5,99 ± 0,11 L 6,38 ± 0,09 J 600 6,96 ± 0,01 I 8,01 ±301 0,03 G 8,63 ± 0,14 H 9,10 ± 0,06 H 800 8,79 ± 0,08 F 9,89 ± 0,12 E 10,86 ± 0,13 E 11,91 ± 0,26 E 1000 11,13 ± 0,35 C 11,83 ± 0,12 C 12,82 ± 0,08 B 13,93 ± 0,03 C 400 4,39 ± 0,05 L 5,01 ± 0,03 K 5,49 ± 0,02 M 5,90 ± 0,07 K 321 600 6,31 ± 0,08 J 7,15 ± 0,17 H 8,10 ± 0,03 I 8,71 ± 0,06 H 800 8,36 ± 0,03 G 9,48 ± 0,02 F 10,64 ± 0,05 E 11,38 ± 0,08 F 1000 10,48 ± 0,14 D 11,76 ± 0,04 C 12,87 ± 0,07 B 13,94 ± 0,08 C Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p > 0,05) Según ICO (2016) y Clarke & Macrae (1987), el tiempo de tueste para cafés de calidad debe ser aproximadamente entre 8 a 15 minutos, de tal forma que se mantengan las características de calidad del café tostado. En la presente investigación todos los tiempos de los diferentes tratamientos cumplen con los tiempos especificados, lo que permite afirmar 67 que las condiciones de calentamiento y masa definidos, permiten obtener los diferentes grados de tueste manteniendo la calidad del café. Vargas (2011) determinó que la torrefacción a alta temperatura permite obtener tiempos inferiores a 15,8 minutos, para los cuales las evaluaciones de la calidad de taza obtuvieron buenas puntuaciones, además, estableció como límite de tiempo para obtener cafés con buena puntuación, tiempos menores a 17 minutos en torrefacción. Los resultados de esta investigación están de acuerdo con Nagaraju et al (1997), quienes compararon las masas de 1000 y 750 g, determinando que diferencias de 250 g generaron diferencias significativas en el tiempo de tostado, cuando se trabajó con el mismo tipo de tueste en los granos y bajo las mismas condiciones de temperatura de proceso, con la diferencia que el tostador trabajó con aire caliente y la forma del grano fue elipsoidal denominado como caracolillo (peabeans coffee). 3.3.1 Evaluación de la capacidad de trabajo La capacidad de trabajo del tostador es la cantidad de masa capaz de procesar en un tiempo determinado, afectado por la cantidad de masa colocada en el interior, la temperatura de operación y el grado de tueste objetivo. Al conocer los tiempos de tostado para las diferentes condiciones de operación, se puede realizar una evaluación de la capacidad de trabajo del tostador para hacer un uso eficiente de la energía y optimizar el tiempo de proceso. En la figura 3.25, se muestran el efecto sobre la capacidad de trabajo de los incrementos para los niveles de los factores de temperatura, masa y grado de tueste en tostador convencional. 68 Figura 3.25. Efectos principales de los factores sobre la capacidad de trabajo. Del análisis estadístico, los factores de temperatura de calentamiento, masa y grado de tueste tienen un efecto significativo (p<0,0001) sobre la capacidad de trabajo del tostador, con una confianza de la prueba de 95%. El efecto de la temperatura muestra que incrementos de 20 °C, provocan disminuciones en la capacidad de trabajo en 0,34 kg/h, mientras que incrementos de 200g en los niveles de masa, incrementan la capacidad de trabajo en 0,26 kg/h, finalmente, incrementos en los niveles del factor grado de tueste, disminuyen la capacidad en 0,13 kg/h. La mayor capacidad de trabajo se obtuvo para la temperatura de 260 °C, masa de 1000 g y grado de tueste Claro (4,09 kg/h), mientras que la menor capacidad de trabajo se obtuvo con la temperatura de 320 °C, masa de 400 g y grado de tueste Oscuro (1,83 kg/h). A mayor temperatura de proceso, disminuye el tiempo de tueste y aumentan los tiempos de recuperación del sistema, lo cual impacta de forma negativa la capacidad de trabajo. 69 3.3.2 Efecto de la masa inicial sobre el tiempo de tostado La masa demostró tener un efecto superior al de la temperatura sobre el tiempo de tostado, de ahí que sea importante analizar el comportamiento de este proceso, de manera que permita aproximar los tiempos de tostado a partir de la masa que se va a procesar. En la Figura 3.26, se muestra la relación lineal de la masa de granos crudos con el tiempo de proceso, para cuatro grados de tueste, con un coeficiente de determinación de 99%. Figura 3.26. Efecto de la masa de granos crudos sobre el tiempo de tueste (t). La ecuación general de la Figura 3.26, muestra el efecto lineal de la masa inicial sobre el tiempo de torrefacción, se muestra en la ecuación (62). mi(t) = y0 + a • t (62) donde, mi es la función de masa inicial en el tiempo (g); yo es un valor de intersección de la ecuación de ajuste sobre el eje y (g); a es la pendiente de la ecuación de ajuste que describe la razón de masa en el tiempo (g-min-1); t es el tiempo (min) 70 En el Cuadro 3.14, se muestran los parámetros del modelo lineal por cada grado de tueste. Al estudiar el parámetro a (pendiente), describe la relación entre la masa inicial y el tiempo, se observa que conforme se incremente el grado de tueste, disminuye dicho valor. La razón principal es que, al incrementar la masa consecuentemente se incremente el tiempo para obtener una condición determinada de tueste, es decir; existe una interacción entre los grados de tueste y la masa inicial, los resultados están de acuerdo a lo encontrado por Abarca et al. (2016), con evaluaciones de masa cada 250 g (250 - 1250 g) y café C. arabica. Cuadro 3.12. Parámetros estadísticos de los modelos de masa inicial como función del tiempo. Mod. Claro Medio oscuro Oscuro Coeficientes de regresión yo -126,3535 -143,7804 -105,2573 -81,8912 A 96,6338 89,1187 78,6363 69,5100 Valor-p yo 0,0373 0,0025 0,0330 0,0844 A 0,0009 <0,0001 0,0006 0,0010 Parámetros de regresión R 0,9991 0,9999 0,9994 0,9990 r2 0,9983 0,9999 0,9989 0,9980 Adj. r2 0,9974 0,9998 0,9983 0,9971 SE 13,1104 3,7168 10,4920 13,9710 Prueba-t yo -5,0307 -19,8174 -5,3657 -3,2204 A 34,0820 120,3128 42,6009 31,9788 71 3.3.3 Modelo de predicción del tiempo de torrefacción Estudiar el efecto de la masa de granos crudos sobre el tiempo, permite determinar un modelo que aproxime de forma práctica los tiempos de tueste para condiciones predeterminadas por un usuario tostador. Es por ello, que se propone el siguiente modelo basado en la masa inicial y en un parámetro físico cuantificable como lo es la pérdida de masa total. Al despejar la ecuación (62) para obtener una función de tiempo dependiente de la masa inicial (mi). t(mi) = m/ - yo (63) En la Figura 3.27, se muestran los ajustes de los parámetros de la Cuadro 3.14 asociados a cada uno de los grados de tueste según la pérdida de masa total (AM). Figura 3.27. Modelos de ajuste para los parámetros del efecto de masa sobre el tiempo de tueste y la pérdida de masa. De la Figura 3.27, se obtienen los respectivos ajustes y0 = 9,1459 • A M- 232,5062 (64) 72 a = 146 ,8704-4 ,9059 •AM (65) Las ecuaciones (64) y (65) fueron obtenidas con un coeficiente de relación de 67,99% y 99,17%, respectivamente. Las desviaciones estándar de ambos modelos son 18,53% y 1,33%. Al sustituir en la Ecuación (63), se obtiene una ecuación del tiempo de torrefacción como función de la masa inicial y el grado de tueste, representado como una pérdida de masa. m, - 9,1459 • AM + 232,5062 t (mi,AM) = 146 ,8704-4 ,9059 •AM (66) En la Figura 3.28, se muestra le relación entre el tiempo de tostado determinado experimentalmente y el tiempo de tostado calculado, en el cual el modelo lineal cuenta con un coeficiente de ajuste (r2) de 99,57%, una desviación estándar del modelo de 0,19%, lo cual valida la ecuación (66) como un buen modelo de predicción del tiempo de tostado a partir de la masa inicial y el cambio de masa durante la torrefacción asociado a un grado de tueste. 0 4 6 8 10 12 14 16 18 ^calculado Figura 3.28. Comparación del modelo de predicción del tiempo de torrefacción (n=48). 73 3.4 Variación de las propiedades físicas del café en la torrefacción 3.4.1 Pérdida de masa en el tostado Según Clarke & Macrae (1987), los grados de tueste generalmente son obtenidos subjetivamente por la experticia de un maestro tostador, el cual los asocia a un color, según la normativa de la SCAA. La apreciación más evidente de los cambios ocurridos en el tueste se manifiesta en la coloración externa, que va desde marrón claro hasta casi negro. Los grados de tueste se pueden relacionar con la pérdida de masa total. En la Figura 3.29, se muestra el efecto de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre la pérdida de masa. Dicha figura, se elabora con los efectos netos (medias ajustadas) por factor. Figura 3.29. Efectos principales de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre el porcentaje de pérdida de masa. El incremento de los niveles de los factores temperatura, masa y grado de tueste, tienen efecto sobre la pérdida de masa total, para un nivel de confianza de la prueba de 95%. El efecto de la temperatura (p=0,002) y masa (p=0,006) se considera constante en los niveles de factor analizados, sin embargo; el mayor efecto sobre la pérdida de masa total se 74 presentó por causa de los cambios en el grado de tueste (p<0,0001), observado en la Figura 3.29. En el Cuadro 3.15 se muestran los 4 grados de tueste asociados a los valores de pérdida de masa total. Las diferencias entre los valores medios oscilan entre 1,6 - 2,1 % en la pérdida de masa de los granos tostados. El análisis estadístico de la información muestra diferencias significativas dentro de grados de tueste iguales, sin embargo; la apreciación física (color) según la escala Agtron, no mostró diferencia entre tratamientos cuando la diferencia entre los valores de pérdida de masa fue menor a 1%. Cuadro 3.13. Pérdidas de masa total de los granos de café por grado de tueste (n=48). Grado de Pérdida de masa Tueste AM (%) Claro 10,13 ± 0,39 A Medio 12,06 ± 0,36 B Moderadamente Oscuro 13,68 ± 0,35 C Oscuro 15,81 ± 0,49 D Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p > 0,05) El estudio realizado por Vargas (2011), caracterizó los grados de tueste de los granos de café con la pérdida de masa total, como sigue: Medio claro (15,85%), Medio (17,02%), Moderamente oscuro (18,74%) y Oscuro (20,58%), con granos de café C. arabica y con contenido de humedad inicial de 0,1386 kga-kgms-1. Otros autores como Mendes (2012) y Schwartzberg (2002), aproximaron los grados de tueste a partir de la pérdida de masa total de los granos. Dichos autores trabajaron con una materia prima con una humedad de 0,1289 kga-kgms-1 y otras variedades (C. canephora), sin embargo, dicho parámetro caracterizó de manera óptima los grados de tueste. 75 Según Illy & Viani (1995), la distribución porcentual de la pérdida de masa total durante el tueste es de 90% correspondiente a agua, de la cual 72% es agua del contenido de humedad inicial y 18% agua generada por las reacciones de pirolisis. El restante 10% de la pérdida total es principalmente debido a la liberación de CO2 y pequeñas cantidades de compuestos volátiles que se forma en el proceso. Los valores de pérdida de masa total del presente trabajo no se asemejan a los estudios consultados, lo que se atribuye al contenido de humedad más bajo en la materia prima utilizada, sin embargo, la variable pérdida de masa total resulta como un buen indicador del grado de tueste. Según la información anterior se define como una condición de Isonivel (mismo grado de tueste) los valores de pérdida de masa que se encuentren dentro del rango de valores de ±0,50 %. 3.4.2 Cinética de pérdida de masa durante el tueste A pesar de que la pérdida de masa asociada a un grado de tueste no depende de la temperatura del proceso ni la masa, la velocidad en la que ocurre dicho cambio puede llegar a ser dependiente de dichos factores. En la Figura 3.30, se muestran las cinéticas de pérdida de masa durante el proceso de torrefacción. La pérdida de masa para los grados de tueste comercial, son alcanzados de forma lineal, es decir; son proporcionales en el tiempo. 76 18 280 ° ¿ AM(t) = y3+ a *t 16 -- E -§12 + s. .Medio 0 400 g A 600 g □ 800 g CL 10 * 100 0g -------Ajuste lineal ...... Isoniveles -h -+- O 4 10 12 16 18 Tiempo t (min) Figura 3.30. Cinética de pérdida de masa (AM), para las masas de grano crudo evaluadas. La cinética de pérdida de masa fue ajustada a modelos líneas con un coeficiente de relación (r2) de 99%. Las desviaciones estándar de los modelos de ajuste fueron menores a 0,21% y los parámetros de los modelos y0 y a fueron obtenidos con valores-p menores a 0,0213. Cuadro 3.14. Análisis estadístico del modelo lineal de la cinética de pérdida de masa. 400 g 600 g 800 g 1000 g Coeficientes de regresión y0 -7,8308 -7,6932 -7,1493 -5,8636 a 3,3315 2,3599 1,8013 1,3811 Valor-p y0 0,0213 0,0209 0,0195 0,0079 a 0,0031 0,0029 0,0026 0,0008 77 Parámetros estadísticos R 0,9969 0,9971 0,9974 0,9992 r2 2 0,9937 0,9941 0,9948 0,9984 Adj, r2 0,9906 0,9912 0,9922 0,9977 SE 0,2149 0,2130 0,1954 0,1159 Prueba-t y0 -6,7397 -6,8113 -7,0528 -11,1735 a 17,8256 18,4136 19,6237 35,8864 La cinética de pérdida de masa representada por el valor de la constante a , disminuye conforme se incrementa la masa inicial colocada en el tostador. Dicho comportamiento es similar al determinado por Vargas et al. (2016), Mendes (2012) y Bustos (2015), en el que obtuvieron incrementos en las cinéticas de pérdida de masa lineales al aumentar la temperatura del tostador y mantener la masa constante. 3.4.3 Expansión aparente La expansión es un parámetro físico que cuantifica el cambio de volumen de la muestra de café, después del proceso de torrefacción. En la Figura 3.32, se muestran los efectos de la temperatura, masa y grado de tueste sobre dicho parámetro. 78 Figura 3.31. Efectos principales de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre expansión aparente de los granos tostados. Del análisis de estadística se obtiene que los cambios en los distintos niveles de los factores, temperatura, masa y grado de tueste, generan deferencias significativas en los valores de expansión aparente (p<0,0001), para una confianza de la prueba de 95%. El efecto de la temperatura sobre la expansión no permite concluir de qué manera afectan los cambios de dicho factor sobre la expansión aparente, sin embargo, dicho efecto es más apreciable al variar la masa o grado de tueste. Las temperaturas superiores (300 y 320 °C) muestran un efecto similar con valores superiores de expansión, respecto a las temperaturas inferiores (260 y 280 °C), los cuales se manifiestan como efectos estadísticamente similares (p>0,05). Los incrementos en la masa (200 g) provocan disminuciones en expansión (6%), los cuales pueden llegar a ser proporcionales a su incremento, excepto para la masa de 1000 g. La masa menor (400 g) presentó los valores mayores de expansión y la masa mayor (1000 g) los menores valores en dicha variable. ■ Los grados de tueste muestran un efecto positivo sobre la expansión aparente, la cual es proporcional al incremento de tueste (14%). Es decir, al incrementar el grado de 79 tueste, se incrementó su expansión, obteniéndose el valor máximo de expansión de 86% para el grado de tueste oscuro. Mendes (2012) obtuvo que los valores de expansión volumétrica se incrementan conforme se alcanza un mayor grado de tueste y tienen poca influencia por la temperatura de torrefacción; además reportó valores de expansión máxima de 71% cuando obtuvo grados de tueste oscuro y con granos de café C. canephora. 3.4.4 Cinética de la expansión aparente durante el tostado por efecto de masas. La expansión aparente de los granos de café durante la torrefacción es lineal con respecto al tiempo y manifiesta comportamientos asociados a los procesos de secado y torrefacción (Vargas, 2014; Bustos, 2015; Mendes, 2012). En la Figura 3.34, se muestra el modelo a ajuste lineal para la expansión aparente, descrito mediante las cinéticas de reacciones de orden cero (n=0). Dicho modelo fue utilizado por Vargas (2014) para la etapa de torrefacción, asociándolo a un efecto de la temperatura de la pared del tostador mediante el modelo de Arrhenius, determinó que la energía de activación (Ea) para iniciar el proceso de expansión del grano de café durante la torrefacción es 25.936,58 J-mol"1. Es posible utilizar los valores encontrados por dicho autor ya que las condiciones y tipo de tostador, tipo de grano (C. arabica) y el modelo de calentamiento ajustados al presente trabajo, cuentan con todas las similitudes. 80 Figura 3.32. Modelo lineal de ajuste para la expansión aparente del café tostado. El modelo lineal de expansión aparente se ajustó con un coeficiente de relación (r2) mayor a 96,55%. La desviación estándar (SE) de los modelos fue 0,03% y los parámetros del modelo “Ko” y “C” fueron obtenidos con valores-p menores a 0,0696. En el Cuadro 3.18 y 3.19 se muestran los estadísticos respectivos para los modelos de ajuste. Cuadro 3.15. Parámetros estadísticos del modelo lineal de ajuste de la cinética de expansión aparente. 400 g 600 g 800 g 1000 g Parámetros de regresión K0 37,8198 30,4240 24,5356 19,7116 C -0,6606 -0,9274 -1,0269 -1,0316 Valor-p K0 0,0174 0,0046 0,0043 0,0004 C 0,0696 0,0130 0,0102 0,0009 81 Parámetros estadísticos R 0,9826 0,9954 0,9957 0,9996 r2 2 0,9655 0,9908 0,9914 0,9992 Adj. r2 0,9482 0,9862 0,9870 0,9988 SE 0,0340 0,0202 0,0202 0,0068 Prueba-t K0 7,4761 14,6770 15,1454 50,8996 C -3,5905 -8,6771 -9,8113 -33,3890 En la Figura 3.35, se muestra la relación existente entre el valor pre exponencial de la ecuación de expansión aparente. Fue necesario aplicar la función logarítmica para encontrar un ajuste estadísticamente mayor. El Cuadro 3.19 muestra los valores con los cuales se construye la relación entre el factor pre exponencial. Cuadro 3.16. Valores de ajuste de modelo de cinética de expansión aparente (K0) por masa. Masa Valor Valor M0 (g) K0 (min-1) Ln(K0) 400 37,8198 3,6328 600 30,4240 3,4152 800 24,5356 3,2001 1000 19,7116 2,9812 82 3.7 2 .9 -I-----------1---------------------- 1---------------------- 1---------------------- 1---------------------- 400 600 800 1000 1200 Masa m0 (g) Figura 3.33. Ajuste del valor pre exponencial de la ecuación de expansión aparente por masa inicial. El modelo lineal de ajuste para el valor de K0 y m0 presentó un coeficiente de relación de 99%, la desviación estándar del modelo fue de 0,0011% y los parámetros del modelo se obtuvieron con un valor-p menor a 0 ,0001. Al hacer el respectivo despeje, se obtiene la ecuación (67) que relaciona el K0 con la masa inicial m0, en el modelo de expansión aparente. K0 = e(4,0668-0,0011 m0) (67) El modelo de expansión aparente del café tostado como función del tiempo, masa inicial y temperatura de la pared, se describe con la ecuación (68). /-25.936,58\ ^ ( t , rn0, b j = e(̂ ,0,,8—0,0011m_) • 8, / / ' Figura 3.34. Efectos principales de los factores sobre la densidad aparente (kg-m-3) de los granos de café tostado. La temperatura, masa inicial y grado de tueste muestran un efecto sobre la densidad aparente final del café tostado (p<0,0001), para una confianza de la prueba de 95%. Los incrementos en la temperatura no muestran un efecto considerable sobre la densidad aparente del café tostado. Al agrupar los efectos de las temperaturas de 260 - 280 °C y 300 - 320 °C, respectivamente; se obtiene una disminución promedio de 20 kg/m3, entre ambos grupos (p>0,05). Los incrementos de masa afectan de manera positiva la densidad aparente de los granos, con valores promedio de +13,54 kg/m3, es decir; permiten obtener valores mayores de densidad aparente, según el gráfico de efectos principales en la Figura 3.34. El incremento en los grados de tueste en el café afecta de manera negativa la densidad aparente, es decir, al incrementar un grado de tueste la densidad aparente disminuye en -41,85 kg/m3. En la Figura 3.35, se muestran los efectos principales de las interacciones de los factores de la investigación. 84 Masa (g) * Temp. (°C) G.Tueste * TemL- (°C) 450 Tem p . (°C) 400 — m— 260 350 ■ — u - 280 300 CL Tem L. (°C) * Masa (g) G.Tueste * Masa (g) Masa (g) ■foö — • — 400 Tf3ö 600"iCfl 800 QCÜ — ▲ - 10000} TemL- (°C) * G.Tueste Masa (g) G.Tueste■a G.T ueste450 .2 — • — M edio c la roT3 400 M edio 350 r - M od. oscuro — a - O scu ro .¿P,Nô X̂ ° ^i? o* O A Tem L. (°C) Masa (g) Figura 3.35. Efectos de las interacciones de los factores sobre la densidad aparente. La interacción entre Grado tueste - Masa muestra una disminución de los valores de densidad aparente al aumentar el grado de tueste hasta converger en valores similares en el grado de tueste oscuro, lo que corresponde a una uniformidad de los granos para los tuestes oscuros. El menor valor de densidad aparente (304,23 ± 3,08 kg/m3) para el café tostado se obtuvo con la temperatura de 320 °C, masa de 600 g y grado de tueste Oscuro; y el mayor valor de densidad (489,23 ± 6,13 kg/m3) se obtuvo para la temperatura de 280 °C, masa de 1000 g y grado de tueste Medio Claro, lo anterior ubica los valores de densidad con una diferencia de 185 kg/m3, por encima del valor reportado por Vargas (2011) quien obtuvo una franja de variación de 100 kg/m3, para granos de café C. arabica con tueste medio claro (382 kg/m3) y oscuro (289 kg/m3). Los valores de densidad encontrados están de acuerdo a lo reportado por Illy & Viani (2005), en los que la densidad aparente presenta valores de 300 a 450 kg/m3 en café tostado; en contraste con el café crudo 550 a 700 kg/m3. En el Cuadro 3.20, se muestra el efecto de la masa inicial sobre la densidad final de café tostado por grado de tueste, para la temperatura de 280 °C. 85 Cuadro 3.17. Densidad aparente del café tostado por efecto de masa para la temperatura de 280 °C (n=3). Masa Densidad aparente mi ____________________________ pf (kg/m3)_______________________ (g) Claro Medio Mod. Oscuro Oscuro 400 413,63 ± 2,13 D 376,81 ± 2,53 C 357,13 ± 4,63 B 316,20 ± 3,52 B 600 438,50 ± 5,01 C 402,16 ± 0,82 B 367,21 ± 1,21 B 323,69 ± 14,44 A B 800 471,35 ± 3,61 B 423,68 ± 10,18 A 388,81 ± 5,69 A 339,27 ± 1,73 A 1000 489,23 ± 6,13 A 434,02 ± 2,87 A 384,57 ± 7,46 A 338,24 ± 2,06 A Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p > 0,05) Los efectos de la masa por grado de tueste tienden a disminuir conforme se incrementa el grado de tueste, es decir, las diferencias de los tratamientos entre las masas por grado de tueste pierden significancia entre más oscuro sea el tueste según lo observado en el Cuadro 3.21, lo que está de acuerdo al análisis mostrado en la Figura 3.37, sobre la interacción entre Grado de tueste y Masa. El método del densímetro, utilizado para determinar la densidad aparente de los granos tostados reportó valores de incertidumbre de las mediciones entre 0,79 - 16,00 kg/m3, lo que está de acuerdo con Vargas (2011), que obtuvo valores máximos de variación de 11,1 kg/m3; al utilizar un método similar (One-pint dry U.S. Vol. 0,55061 L). La densidad aparente de los granos de café tostado disminuye al incrementarse su temperatura durante el proceso de torrefacción, dicho resultado está de acuerdo con los trabajos realizados por Mendes (2012) con granos de café C. canephora. 3.4.6 Cambios en la densidad aparente por efecto del tostado Según Mendes (2012), la densidad aparente de los granos de café presenta un cambio como consecuencia del proceso de torrefacción; esto debido a la pérdida de agua en la etapa de secado, a la pérdida de materia seca y la expansión de los granos de café durante 86 la etapa de torrefacción. Los cambios en la densidad aparente permiten agrupar por grado de tueste, tal como se muestra en el Cuadro 3.21. Cuadro 3.18. Variación de la densidad aparente por Grado de tueste (n=48). Grado de Cambio en densidad aparente Densidad aparente promedio Tueste Ap (%) kg/m3 Medio Claro 37,07 ± 3,47 448,00 ± 24,71 Medio 43,08 ± 3,21 405,21 ± 22,84 Mod. Oscuro 48,81 ± 2,24 364,41 ± 15,93 Oscuro 54,75 ± 1,67 322,11 ± 11,89 Los valores de densidad aparente de los granos tostados varían más de un 50%, al considerar los valores para los grados de tueste oscuro en relación al valor del grano crudo 711,93 ± 1,80 kg/m3, lo que corresponde al resultado obtenido y reportado por Mendes (2012), Vargas (2011) e Illy & Viani (1995). En su estudio Mendes (2012) y Vargas (2011) determinaron que la temperatura tiene poca influencia en los valores finales de densidad aparente por grado de tueste para cafés de las variedades C. Canephora y C. arabica, respectivamente; lo cual se reafirma mediante esta investigación. 3.4.7 Densidad aparente en función del tiempo de torrefacción El estudio de la densidad aparente de los granos de café en función del tiempo, permite generar modelos de predicción de las calidades o grados de tueste deseados, dicho comportamiento se describe mediante las cinéticas de densidad, que muestran la rapidez que disminuye la densidad durante el proceso de torrefacción. En la Figura 3.38, se muestra que la variación de la densidad aparente en el tiempo es linealmente decreciente, ubicados en el rango de valores de tueste comercial. 87 Figura 3.36. Efecto de la masa sobre la variación de la densidad aparente, para cada grado de tueste. En tostadores convencionales los modelos lineales de pérdida de masa fueron estudiados por Vargas (2011), estableciendo relaciones de variación de la densidad aparente con la temperatura del tostador, el autor obtuvo que la tasa de pérdida de densidad aparente se aumenta con el incremento de la temperatura. La variación de la densidad aparente por efecto del incremento en masa fue asociado a una menor expansión volumétrica de los granos de café tostado, ya que la pérdida de masa fue similar en cada grado de tueste obtenido, mediante los Isoniveles, que indican una condición similar de grado de tueste. Vargas (2011) asocia la densidad aparente como indicador de la calidad final del grano tostado, con la cual se puede evaluar de manera indirecta el grado de tueste del café; dicho supuesto se ve alterado cuando se varía la masa de café colocada dentro del tostador, que para efectos del presente trabajo obtuvo valores de densidad similares, pero con diferente grado de tueste, condición observada principalmente para los grados de tueste medio claro hasta moderadamente oscuro, ver Figura 3.36. 88 En el Cuadro 3.22, se muestran los parámetros estadísticos correspondientes a los modelos lineales de variación de la densidad aparente del café tostado, los cuales obtuvieron coeficientes de correlación (r2) mayores a 98%, una desviación estándar de los modelos menor a 8,23% y los parámetros de ajuste se obtuvieron con valores-p menores a 0,0054. Cuadro 3.19. Parámetros estadísticos de los modelos de densidad aparente en función del tiempo de torrefacción. 280 °C 400 g 600 g 800 g 1000 g Coeficientes de ajuste y0 742,7872 831,2512 904,4477 914,9595 a -60,8769 -51,1037 -45,3681 -37,1467 Valor-p y0 0,0012 <0,0001 <0,0001 0,0017 a 0,0046 0,0002 0,0002 0,0054 Parámetros estadísticos R 0,9954 0,9998 0,9998 0,9946 r2 0,9909 0,9997 0,9996 0,9893 Adj, r2 0,9864 0,9995 0,9994 0,9839 SE 4,7378 1,1014 1,3955 8,2393 Prueba-t y0 28,9924 142,3103 124,9385 24,5168 a -14,7722 -77,1034 -69,2076 -13,5729 3.4.8 M ateria seca La materia seca es estudiada analizando el cambio que sucede tras el proceso de torrefacción, mediante la masa total y el contenido de humedad de los granos tostados. 89 Según Illy & Viani (2005), el cambio en la materia seca ocurre tras consumirse debido a las reacciones de Meillard, en las que se liberan de compuestos volátiles y CO2, y también durante los procesos de pirolisis. En la Figura 3.39 se muestra el cambio en la materia seca reportado al final del tueste, como una condición final del producto, que no depende de la temperatura, ni de la masa involucrados en el proceso de torrefacción, únicamente depende del grado de torrefacción al que se lleve el producto. Figura 3.37. Efectos principales de los factores sobre el cambio de materia seca. Lo anterior, para una confiabilidad del modelo estadístico de 95%, en el que no existe un efecto significativo por causa de los aumentos en los niveles de los factores de temperatura y masa, más sí es significativo por causa del factor grado de tueste. Al analizar la interacción de los factores temperatura y masa sobre el cambio de la materia seca, según la Figura 3.38, es concluyente que no existe una interacción de los factores sobre la variable estudiada y que la significancia en el modelo únicamente es aportada por la relación existente con el grado de tueste del café tostado. 90 Masa (g) * Temp. (°C) G.Tueste * Temp. (°C) Tem p. 8 (°C) 6 • 260 280 è? 4 - -A - - 300 Temp. (°C) * Masa (g) G.Tueste * Masa (g) Masa (g) 8 • 400 600 6 800 4 ▲ 1000 Temp. (°C) * G.Tueste Masa (g) G.Tueste G.Tueste 8 • Medio Claro ------ 4. ----— ------- ♦ ♦ ------- ♦--------* -------♦ Medio 6 ^ i --------- Mod. oscuro 4 • -------- * -------- --------- • — Oscuro é? Temp. (°C) Masa (g) G.Tueste Figura 3.38. Efectos de las interacciones de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre el cambio de materia seca. Los cambios en la materia seca permiten caracterizar los grados de tueste, según la clasificación presentada por Clarke & Macrae (1987) e indicada en el Cuadro 1.5. En el Cuadro 3.24 se muestran los valores de cambio en la materia seca para los grados de tueste definidos en el presente trabajo y clasificados según la indicación anterior. Cuadro 3.20. Variación en la materia seca por grado de tueste (n=48). Grado de Cambio de materia seca 2Escala Tueste AMS (%) AMS Medio Claro 3,99 ± 0,24 A Claro Medio 5,30 ± 0,32 B Medio Moderadamente Oscuro 6,66 ± 0,36 C Medio Oscuro 8,76 ± 0,51 D Oscuro Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p > 0,05) 2 Escala AMS: Basado en la clasificación de pérdida de materia seca según Clarke & Macrae (1987). 91 Vargas (2011) obtuvo que cambios en la materia seca permiten diferenciar grados de tueste independiente de la temperatura del tostador, con granos de café arabica y contenido de humedad inicial 0,1386 kg-kg"1, para cambios en la materia seca de 5,4; 6,5;8,4 y 10,7%; y grados de tueste medio claro, medio, moderadamente oscuro y oscuro, respectivamente; lo cual se comprueba mediante el presente trabajo, validándose que el cambio de materia seca caracteriza los grados de tueste del café. 3.4.9 Cinética del cambio en la materia seca durante el tostado por efecto de masas. En la Figura 3.39, se muestran las cinéticas de materia seca para las masas evaluadas y el ajuste respectivo para la ecuación de la Ley de las reacciones químicas, con un orden de las reacciones de n=1. El modelo de cinética de reacciones de orden uno (n=1) fue utilizado por Vargas (2016), dicho autor determinó que la energía de activación (Ea) para iniciar el proceso de variación de la materia seca es de 36 793,3 J-mol"1, cuando utilizó granos de café crudos de la variedad C. arabica, con tamaño uniforme, limpio y sin defectos, además; utilizó un tostador convencional con las mismas características al usado en el presente trabajo, utilizó gas como fuente de energía y con capacidad de trabajo con masas pequeñas. 92 Figura 3.39. Modelos de cinética de la materia seca. El incremento en los grados de tueste se traduce en mayor cambio en la materia seca de los granos tostados y un mayor tiempo de permanencia en el tostador. El tiempo también es ve afectado por la masa de granos crudos colocada dentro del tostador, a mayor masa se requiere mayor tiempo para alcanzar una condición similar (Isonivel), es decir; obtener un mismo grado de tueste. El coeficiente de relación (r2) de los respectivos ajustes fue mayor a 98%, la desviación estándar de los modelos ajustados (SE) fue menor a 0,33% y el valor-p para los parámetros K0 y te del ajuste fue menor a 0,0781. En el Cuadro 3.24 se muestran los valores para cada una de las masas evaluadas. 93 Cuadro 3.21. Parámetros estadísticos de la regresión de la cinética de materia seca. 400 g 600 g 800 g 1000 g Coeficientes de regresión K0 695,6479 495,8007 380,1136 263,8223 t0 2,4395 3,3204 4,2167 3,6664 Valor-p K0 0,0026 0,0016 0,0060 0,0101 t0 0,0071 0,0050 0,0180 0,0781 Parámetros estadísticos R 0,9977 0,9985 0,9945 0,9907 r2 2 0,9954 0,9971 0,9890 0,9815 Adj. r2 0,9930 0,9956 0,9836 0,9722 SE 0,1544 0,1395 0,2428 0,3273 Prueba-t K0 19,6764 25,1177 12,8994 9,8916 t0 11,8059 14,0258 7,3560 3,3656 Para cada uno de los tiempos to, los cuales corresponden al inicio de las reacciones de se aproximó la temperatura a la cual se encuentra la masa de granos, según se muestra en el Cuadro 3.25; los tiempos de inicio de las reacciones se incrementan al aumentar la masa de granos crudos, exceptuando la masa de 1000 g. La temperatura de los granos fue aproximada mediante el uso de las ecuaciones de ajuste del Apartado 3.2 de la presente investigación, correspondiente al modelo físico de calentamiento de los granos de café (Pabis). 94 Cuadro 3.22. Tiempo de inicio de las reacciones de torrefacción asociado a la temperatura de la masa de granos y el coeficiente de ajuste K0. Masa Tiempo Temperatura Valor Valor M0 (g) t0 (min) Tg (°C) K0 (min-1) Ln(K0) 400 2,4395 180,3 695,6479 6,5448 600 3,3204 173,2 495,8007 6,2062 800 4,2167 166,9 380,1136 5,9405 1000 3,6664 146,5 263,8223 5,5753 Vargas (2016) determinó que el inicio de las reacciones para una masa de 350 g con evaluaciones por temperatura (290, 310, 345 y 355 °C) es aproximadamente 5 minutos después de colocada la masa y que la temperatura de los granos es de 180 °C, la cual está de acuerdo a los resultados obtenidos para la masa de 400 g en la presenta investigación. Según Schwartzberg (2002), las reacciones exotérmicas que determinan los aromas, color y sabor, suceden para temperaturas de los granos entre 150 a 180 °C, momento en el que se inicia el consumo de la materia seca, lo que está de acuerdo con los resultados obtenidos a partir del modelo de cinética de materia seca; ajustado para las masas de 400 hasta 1000 g. Es posible ajustar el modelo de materia seca a los efectos de las masas utilizadas, por lo que se toma el valor de K0. En la Figura 3.40 y es ajustado a un modelo de masas, según se muestran los valores en el Cuadro 3.25. 95 7.0 + Ln(k0) vs Masa inicial -------- Ajuste lineal 6.5 -- m, c 6.0 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Masa inicial m0 (g) Figura 3.40. Ajuste del valor pre exponencial de la ecuación de materia seca por masa inicial. Tal como se muestra en la Figura 3.40, se ajustó un modelo lineal para el logaritmo natural de K0 como función de la masa, obtuvo un coeficiente de relación (r2) de 99,67%, la desviación estándar del modelo (SE) fue 0,03% y para los parámetros del modelo yo y a el valor-p fue menor a 0,0016. Al despejar de la ecuación de ajuste se obtiene la ecuación (69). K0 = e(7,1777-0,0016-m0) (69) El modelo final de materia seca como función de la masa inicial y el tiempo. e(7,1777-0,0016 m (70) 3.4.10 Humedad final En la Figura 3.41, se muestran los efectos principales de los factores temperatura, masa y grado de tueste sobre la cantidad de agua contenida en los granos de café tostado, la presencia de dicha humedad sucede a razón del agua contenida al inicio y el agua generada por las reacciones químicas de la torrefacción (Illy & Viani, 2005). 96 Figura 3.41. Análisis de la media de humedad de los granos de café tostado. Del análisis estadístico se concluye que los incrementos en los niveles de los factores de temperatura, masa y grado de tueste, generan diferencias significativas sobre los valores de humedad final, lo anterior para un estadístico de la prueba de p<0,0001, y una confianza de 95%. Los incrementos en los niveles de temperatura muestran una relación aleatoria sobre la humedad final del café tostado, los valores de humedad final se pueden agrupar en las temperaturas de 260 y 280 °C, como efectos estadísticamente similares (p>0,05), para los que se encuentran los valores mayores de humedad final; mientras que las temperaturas de 300 y 320 °C, sí presentan significancia en la prueba (p<0,05) y agrupan los valores menores de humedad final. No es posible determinar el efecto de los incrementos de temperatura de calentamiento sobre los valores de humedad final del café tostado. Los incrementos en los niveles de masa, disminuyen la humedad final del café tostado en -0,1 %. Las masas de 400 y 600 g no muestran un efecto significativo sobre los valores finales de humedad (p>0,05), mientras que las masas 800 y 1000 g, sí muestran un efecto significativo. El efecto de la masa sobre la humedad final de los granos de café 97 tostado no se considera con magnitud para diferenciar tratamientos a nivel práctico o industrial, dado el rango en el que se ubican los valores de humedad final del café tostado. Los incrementos en los niveles de grado de tueste (+grado tueste), disminuyen significativamente la humedad final del café tostado. El efecto de dichos incrementos es mayor al causado por los factores temperatura y masa. Los valores máximos de humedad se asocian al grado de tueste medio claro y los valores mínimos al grado de tueste oscuro. En el Cuadro 3.26, se muestran las medias del contenido de humedad final, asociadas a los valores medios ajustados de tiempo y temperatura final de los granos al finalizar el tueste. Al incrementarse el tiempo de estadía de los granos en el tostador disminuye el contenido de humedad final y con ello se incrementa la temperatura final de los granos. Cuadro 3.23. Humedad final promedio del café por grado de tueste (n=48). „ , , Humedad final (base _ Grado de Tiempo húmeda) Tem peratura de granos tueste t (min) CHf (%) Tg (°C) Medio Claro 8,16 ± 2,46 2,49 ± 0,28 A 238,40 ± 12,42 Medio 9,07 ± 2,59 1,71 ± 0,25 B 237,56 ± 12,83 Mod. Oscuro 9,94 ± 2,82 1,31 ± 0,19 C 239,99 ± 13,59 Oscuro 10,80 ± 3,19 1,08 ± 0,25 D 241,82 ± 14,36 Medias con una letra común no son significativamente diferentes (p > 0,05) En la Figura 3.44, se muestran los efectos de las interacciones de los diferentes factores. Es apreciable que existe una interacción de los factores Masa y Temperatura sobre los valores de humedad final, sin embargo, su interacción no genera diferencias considerables en los valores de humedad final. No existe interacción entre la masa y 98 temperatura con el grado de tueste que determine diferencias considerables en la humedad final. 3 Masa (g) * Temp. (°C) G.Tueste * Temp. (°C) Temp. (°C) 2 • 260 e-' 280 TfOJ 1 300■CoÜ Temp. (°C) * Masa (g) G.Tueste * Masa (g) 3 Masa (g) -• — 400 600 X-— ^ i 800 -▲ - 1000 Temp. (°C) * G.Tueste Masa (g) G.Tueste 3 G.T ueste • -----^ • Medio claro 2 ---------- — ■ — Medio■-------- -----------■--------- ■ Mod. oscuro - ± - Oscuro # n f # # wtO .6.■£ > ,>>t O ,>y.O ^ ^ o* 0* Temp. (°C) Masa (g) G.Tueste Figura 3.42. Efectos de la interacción de los factores sobre la humedad final del café tostado. El valor mínimo de humedad final del café tostado se presentó para la temperatura de 300 °C, masa de 800 g y grado de tueste oscuro (CHf =0,79%), el valor máximo se obtuvo para la temperatura de 260 °C, masa de 400 g y grado de tueste medio claro (CHf =2,85%). Los tiempos de permanencia dentro del tostador fueron 11,91 y 5,52 min, respectivamente. La difusión es un mecanismo lento y requiere tiempo para desplazar la humedad del interior hacia el exterior. Entre más tiempo dure el proceso mayor cantidad de agua puede eliminarse; pero si es muy rápido no habrá tiempo para su transporte. Resultados similares fueron obtenidos por Vargas (2011), Mendes (2012) e Illy & Viani (1995), en los cuales el porcentaje de humedad al final de los granos de café tostados se encuentra cercano al 1%, por lo que para efectos de la investigación el tono obtenido para medio claro, triplica dichos valores citados por los autores. 99 CONCLUSIONES El estudio del comportamiento térmico del tostador convencional permitió conocer tanto las condiciones de temperatura máxima de operación como el tiempo requerido. La variación de la temperatura del tostador por el efecto de colocar una masa controlada en el interior, se ajustó adecuadamente a un modelo matemático exponencial - lineal, el cual permitió asociar la temperatura del aire en el interior de la cámara de torrefacción a la temperatura del grano. La masa colocada en el interior del tostador afectó significativamente la rapidez de calentamiento de los granos, esta rapidez se compone de dos etapas separadas por un punto de inflexión, la primera etapa es caracterizada por un calentamiento brusco y la segunda etapa por calentamiento a razón constante. El calentamiento de los granos fue representado por la ecuación del modelo físico de secado adaptado satisfactoriamente al tostado. También se desarrolló un nuevo modelo matemático que ajustó adecuadamente la temperatura de los granos durante su torrefacción e incluyó satisfactoriamente el efecto de la masa inicial. El incremento de temperatura de calentamiento y cantidad de masa demostró un efecto lineal sobre el tiempo de tostado del café, cuando se obtuvo diferentes grados de tueste. El tiempo de tueste obtenido se encuentran dentro del rango recomendado en las normas internacionales, lo que garantiza la calidad de la bebida del café procesado. El efecto de la cantidad de masa en las propiedades físicas del café durante la torrefacción permitió establecer las cinéticas relacionadas a la pérdida de la masa total, la expansión aparente, la disminución de la densidad aparente y la transformación de la materia seca. 100 RECOMENDACIONES Evaluar el efecto combinado de la cantidad de masa inicial y la temperatura del tostador, variando la entrada de gas al quemador del tostador. Determinar el efecto del contenido de humedad inicial del café crudo sobre sobre las variables respuesta al realizar el proceso de torrefacción y principalmente sobre el tiempo de proceso. Las cinéticas de las propiedades físicas del café y la rapidez del proceso de la torrefacción deben asociarse a las características sensoriales y exigencias de los mercados consumidores, con el fin de orientar siempre por la vía de la calidad el proceso. 101 REFERENCIAS Abarca et al. (2016). Efecto de la masa sobre el tiempo de tostado en café. XII Congreso Latinoamericano y del Caribe de Ingeniería Agrícola (págs. 557-562). Bogotá, Colombia: ISBN 978-958-57102-6-9. Alfaro, V. (2015). Efectos de la altitud sobre las características físicas y organolépticas del café de la Zona de los Santos (Tesis de Licenciatura). San José, Costa Rica: Universidad de Costa Rica. Bendig. (15 de noviembre de 2016). Torrefacción-Tostadores. Obtenido de Bendig Maquinaria S.A.: www.bendig.co.cr Bottazzi et al. (2012). A numerical approach for the analysis of the coffee roasting process. Journal o f Food Engineering 112, 243-252. Bustos, J. D. (2015). Modelagem das propiedades físicas e da transferencia de calor e massa dos graos de café durante a torrefagao (Tese de Doutorado). Minas Gerais, Brasil: Universidade Federal de Vigosa. Clarke, R. J., & Macrae, R. (1987). Coffee, Volumen 2, Tecnology. Crown House, Linton Road, Barking, Essex IG11 8JU, England: ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS LTD. Clarke, R. J., & Vitzthum, O. G. (2001). Coffee. Recent developments. Osney Mead, Oxford: Blackwell Science Ltd. Fabbri et al, A. (2011). Numerical Modeling of Heat and Mass Transfer during Coffee Roasting Process. Journal o f Food Engineering 105, 264-269. Hernández et al, J. A. (2007). Analysis of the heat and mass transfer during coffee batch roasting. Journal o f Food Engineering 78, 1141-1148. 102 ICAFE. (Enero de 2016). Nuestro Café. Obtenido de Instituto del Café de Costa Rica: http://www.icafe.go.cr ICO. (Enero de 2015). About Coffee. Obtenido de International Coffee Organization: http://www.ico.org Illy, A., & Viani, R. (1995). Expresso Coffee: The Chemistry o f Quality. London: Academic Press. Illy, A., & Viani, R. (2005). Espresso Coffee: The Science of quality. San Diego, California, USA: Elsevier Academic Press. INTECO. (2011). INTE ISO 6673:2011. Café verde. — Determinación de la pérdida de masa a 105°C. Segunda Edición. Costa Rica: Secretaría: INTECO. Kuit et al, M. (2004). Manual for Arabica cultivation. Highway 9, km 19 • Cam Lo, Quang Tri: Tan Lam Agricultural Product Joint Stock Company. López, K. (2014). El mercado mundial del café tostado. Costa Rica: PROCOMER, Dirección de Inteligencia Comercial. Meira, F. (2008). Pos-colheita do cafe. Lavras, Brasil: Editora Universidade Federal de Lavras. Mendes, F. (2012). Cinética de secagem, propiedades físicas e higroscópicas dos frutos e caracterizagao do processo de torrefagao dos graos de Coffea canephora (Tese de Doutorado). Minas Gerais, Brasil: Universidade Federal de Vigosa. MMM-Group. (12 de noviembre de 2006). Laboratory ovens-VENTICELL. Obtenido de MMM-Group: www.mmm-medcenter.de Nagaraju et al, V. D. (1997). Studies on roasting of coffee beans in a spouted bed. Journal of Food Engineering 31, 263-270. 103 Pabis, S., Jayas, D., & Cenkowski, S. (1998). Grain Drying, Theory and Practice. United States of America: John Wiley & Sons, Inc. Schenker, S. (2000). Investigations on the hot air roasting o f coffee beans. Zurich: Swiss Federal Institute of Technology. Schwartzberg, H. G. (2002). Modeling Bean Heating during Batch Roasting of Coffee Beans. In Engineering and Food for the 21st Century, 1036. Vargas et al. (2016). Kinetics of mass loss of arabica coffee during roasting process. Engenharia Agrícola. ISSN: 1809-4430 (on-line). V.36, n. 2, 300-308, April 2016. Vargas, G. A. (2011). Avaliagao das propriedades físicas e qualidade do café em diferentes condigoes de torrefagao. Vigosa, Minas Gerais, Brasil: Universidade Federal de Vigosa. Vargas, G. A. (2016). Cinética do aquecimento, Expansao volumétrica e perda de massa en graos de café durante a torrefagao. Minas Gerais, Brasil: Universidade Federal de Vigosa. Westland, S., & Ripamonti, C. (2004). Computational Colour Science using MATLAB. England: John Wiley & Sons Ltd. Wintgens, J. N. (2004). Coffee: Growing, Processing, Sustainable Production. A guide for growers, processors, traders, and researchers. Federal Republic of Germany: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 104 ANEXOS Gráficas de residuos para tiempo recup. (min) G ráfica d e pro bab ilidad n o rm a l .5 o------ .5 .0 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 Residuo estandarizado Valor ajustado H isto g ram a v s . o rden ou -2 -5 4.5 -3.0 -1.5 0.0 1.5 3.0 Residuo estandarizado Orden de observaciói Gráficas de residuos para t (min) Gráfica de pro bab ilidad no rm a l v s . a justes -4 -2 0 2 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 Residuo estandarizado Valor ajustado H isto g ram a vs . o rden 4 -3 -2 -1 0 1 2 3 1 20 40 60 80 100 120 140 160 Residuo estandarizado Orden de observación 105 Gráficas de residuos para Tem p_grano (°C) Gráfica d e pro bab ilidad n o rm a l v s . a justes • • • • ! -3.O Residuo estandarizado Valor ajustado H isto g ram a v s . o rden U n i -2.25 -1.5O -O.75 O.OO O.75 1.5O 2.25 3.OO 1 2O 4O 6O 8O 1OO 12O Residuo estandarizado Orden de observaciói Gráficas de residuos para AM S (%) Gráfica de pro bab ilidad no rm a l vs . a justes -5.O 6 8 Residuo estand Valor ajustado H isto g ram a vs . orden Residuo estand; Orden de obseivación 1G6 o estandarizado