Modeling the physical properties and heat and mass transfer of the coffee beans during roasting

Objetivou-se com este trabalho avaliar e modelar a variação das propriedades físicas do grão de café em diferentes condições de torrefação e desenvolver um modelo físico capaz de estimar o perfil de temperatura no interior do grão durante o processo, levando em conta tais variações. Foram utilizados grãos de café arábica com teor de água inicial de 0,129 kg a kgms-1, torrados em um torrador de queima de gás direto com cilindro rotativo a 45 rpm. Foram fixadas 5 temperaturas do ar no interior do cilindro (200, 220, 240, 260 e 280 oC). Os grãos foram torrados de forma unitária, sendo suspensos no centro do tambor por um termopar que registrava a temperatura a cada 5 s. A convecção e a radiação foram os tipos de transferência de calor que dominaram o processo. O teor de umidade e as propriedades físicas (volume, área superficial, massa específica) do grão foram determinadas a cada 20 s. Modelos empíricos foram ajustados para representar a variação das propriedades em função do teor de água. Observou-se que a expansão volumétrica é isotrópica em temperaturas de torra maiores de 220 °C. A massa específica variou linearmente com a umidade, apresentando uma maior queda para a temperatura de 280 °C. Para a predição da temperatura do grão foram realizados duas análises: inicialmente uma análise concentrada, considerando uma temperatura homogênea dentro do grão, depois foi feito uma análise tendo em conta as diferenças espaciais de temperatura no interior do grão. Desenvolveu-se um modelo dinâmico discretizado pelo método das diferenças finitas levando em conta o fluxo endotérmico (gerado pela evaporação da água do grão), o fluxo exotérmico (gerado pelas reações de pirólise depois de 150 °C) e o fluxo de calor proporcional ao coeficiente global de transferência de calor (h) envolvendo a convecção e a radiação. O modelo foi ajustado aos dados experimentais de temperatura do grão e calculou-se o coeficiente global de transferência para cada temperatura de processo. Os valores de h variaram entre 60 e 110 W/m-2 °C-1 para a análise concentrado e entre 70 e 160 W/m-2 °C-1 para a análise espacial. As temperaturas estimadas pelo modelo mostraram um bom ajuste com os dados experimentais constituindo assim uma ferramenta complementar para o controle do processo em tempo real e para avaliar a influência das variáveis do processo na qualidade final do produto.The aim of this study was to evaluate and model the variations of the physical properties of coffee bean in different roasting conditions and develop a physical model to estimate the temperature profile inside the grain during the process taking into account such variations. Arabica coffee beans with initial water content of 0.129 kg a kgms-1, were roasted in a drum roaster with direct gas burning at 45 rpm. Five temperatures were set to air inside the drum (200, 220, 240, 260 and 280 °C). Each grain was roasted as a unit, being suspended in the drum center by a thermocouple wich recorded the temperature every 5 seconds. Convection and radiation were the heat transfer mechanisms that dominated the process. The moisture content and the physical properties (volume, surface area, bulk density) of grain were measured every 20 s. Empirical models were adjusted to represent the variation of properties depending on the water content. It was observed that the volumetric expansion of the grain is isotropic at temperatures greater than 220 °C. Density varied linearly with moisture, with a further fall at temperature of 280 °C. For predicting the grain temperature two analyzes were conducted: initially a lumped analysis, considering a homogeneous temperature within the grain, after, an analysis was made taking into account the spatial distribution of temperature inside the grain. A dynamic model discretized by the finite differences method was develop taking into account the endothermic stream (generated by water evaporation), exothermic flux (generated by pyrolysis reactions after 150 °C) and the overall heat flow involving convection and radiation. The model was fitted to the experimental data of grain temperature. Then, the overall heat transfer coefficient for each process temperature was calculated. The h values ranged between 60 and 110 W/m2°C-1 for lumped analysis and between 70 and 160 W/m2°C-1 for spatial analysis. Temperatures estimated by the model showed a good fit with the experimental data thus constituting a complementary tool for the real-time control process and to evaluate the influence of process variables on the product quality.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio