Nos últimos lessons do nosso Ciência da Torrefação course, exploramos a frente de evaporação que se forma dentro dos grãos de café à medida que são torrados. Na torrefação do café este fenómeno tem um estatuto quase mítico. Foi até apontado como uma possível causa de primeira rachadura, mas há muito pouco estudo direto sobre esse assunto e muitas conjecturas. 

Neste post, veremos mais de perto o que sabemos sobre como a umidade evapora durante a torra e explicaremos algumas das razões pelas quais a evaporação é tão importante para a forma como o café é torrado.

Quando a umidade evapora?

Infelizmente, é muito difícil medir com precisão o que acontece com a umidade do grão durante a torra. Existem essencialmente duas abordagens: retirar amostras de grãos em vários estágios durante a torra e medir o teor de umidade restante na amostra; ou medir a umidade liberada nos gases de exaustão.

Cada abordagem apresenta problemas: se você estiver medindo o teor de água das amostras do torrador, elas deverão ser resfriadas primeiro, durante o qual poderão continuar liberando umidade ou absorvê-la do ar. Para medir o teor de umidade com um forno de desidratação – o método mais preciso – os grãos podem precisar ser moídos, momento em que podem liberar mais umidade ou outros gases que afetariam o resultado (Schenker 2000).

A outra abordagem, medir a umidade na chaminé, é tecnicamente bastante desafiadora. Também torna difícil distinguir entre a umidade existente no grão que está sendo evaporado e a umidade extra criada em reações químicas durante a torra.

James Davison, engenheiro químico e fundador da Assadores de Williamstown, adotou a segunda abordagem para medir a umidade liberada pelos grãos durante a torra. Em seus resultados, mostrados no gráfico abaixo à direita, a quantidade total de água liberada representa cerca de 16% do peso inicial do feijão verde – mas uma quantidade substancial da água que ele detectou teria sido criada durante a torra.

O anemômetro feito sob medida usado para medir o fluxo de ar na chaminé de exaustão para os experimentos de James Davison

Tudo isso significa que é difícil ter certeza sobre o teor de umidade do grão durante a torra, e as tentativas de medi-lo geralmente dão resultados conflitantes. No entanto, a maioria das evidências disponíveis sugere que a umidade evapora continuamente durante toda a torra, e não apenas durante a chamada “fase de secagem” no início da torra.

Duas abordagens para medir perda de umidade. O gráfico da esquerda, adaptado de Schenker (2000), mostra o teor de umidade de amostras de grãos removidas em diferentes estágios da torra em um torrador de leito fluidizado operado a uma temperatura fixa. O gráfico da direita, de Davison (2019) baseia-se no teor de umidade medido nos gases de exaustão durante a torrefação. Essas medições foram feitas em um torrador de tambor e mostram um aumento distinto na evaporação de umidade em primeira rachadura. O teor total de água é calculado a partir da umidade evaporada na pilha e, portanto, inclui a água criada nas reações químicas durante a torra.

Mas isso não significa que o teor de umidade esteja diminuindo uniformemente em todo o grão. Em vez disso, na maior parte da torra, há uma separação clara entre uma região seca na parte externa do grão e uma região úmida na parte interna. Entre os dois há uma camada onde a umidade evapora e escapa do grão – a frente de evaporação.

A Frente de Evaporação

A ideia central da frente de evaporação é que a água deve primeiro escapar da camada externa do grão. No início da torra, a temperatura do grão aumenta mais rapidamente perto da superfície do grão e o calor viaja mais lentamente para as camadas internas. A umidade próxima à superfície do grão, portanto, evapora primeiro, criando uma camada de vapor d’água na parte externa do grão – a frente de evaporação.

À medida que a temperatura do grão ultrapassa os 100°C, a pressão no interior do grão começa a aumentar à medida que o vapor se acumula mais rapidamente do que consegue escapar. A pressão pode chegar a 25 bars durante a torra (Bonnländer et al 2005) – mais do dobro da pressão que você encontrará em um pneu de bicicleta de pista olímpica. A alta pressão torna mais difícil a evaporação da água, de modo que o grão ainda contém água líquida, ou água ligada à estrutura do grão, bem acima do ponto de ebulição. Isto funciona da mesma forma que a caldeira de vapor da sua máquina de café expresso contém vapor e água a 120°C ou mais: a pressão evita que a água evapore, o que permite que a temperatura aumente para além da temperatura de ebulição normal.

Nas camadas externas do feijão, o vapor pode escapar pelos poros do feijão, a pressão cai e a água restante evapora. Nas camadas internas do feijão, o vapor não consegue escapar, pois está rodeado por vapor de alta pressão por todos os lados.

A frente de evaporação. O núcleo do grão (1) contém água líquida/ligada e vapor em alta pressão. O vapor não consegue escapar, pois está rodeado de alta pressão por todos os lados. O vapor escapa da camada externa do grão (2). Entre os dois está a camada onde a água líquida/ligada é capaz de se transformar em vapor – a frente de evaporação (3).

O resultado é uma camada seca na parte externa do grão, enquanto o centro ainda contém bastante umidade. À medida que a torra continua, a frente de evaporação move-se para dentro, em direção ao centro do grão, à medida que mais e mais vapor escapa do grão.

A importância da evaporação

Transformar água em vapor consome muita energia – a energia necessária é chamada de calor latente de vaporização. Compreender isto é fundamental para compreender como a evaporação da humidade afecta a forma como os grãos respondem ao calor no torrador.

Se você aquecer a água a uma taxa fixa, a temperatura da água aumentará gradualmente. Porém, a 100°C, algo estranho acontece. Você continua aplicando calor, mas a temperatura para de aumentar e a água fica a 100°C. Essa energia agora vai para transformar água em vapor, em vez de aumentar a temperatura da água. Na verdade, é necessária cinco vezes mais energia para transformar água em vapor do que para aquecer água de 0 a 100°C.

O calor latente de vaporização da água. À medida que você adiciona calor, a temperatura da água aumenta até 100°C, mas depois para. Qualquer calor adicional adicionado é usado para evaporação, até que toda a água se transforme em vapor.

Isso significa que na frente de evaporação, grande parte da energia absorvida pelo feijão vai para a vaporização da água, ao invés de aumentar a temperatura. Na camada externa do feijão, por outro lado, todo esse calor pode gerar reações químicas e aumentar a temperatura do feijão.

O efeito disso é que qualquer calor que penetre no grão é capaz de aumentar a temperatura da camada externa mais rapidamente do que a da camada interna.

Barreiras ao Calor

À medida que a torra avança, a camada externa também passa a atuar como barreira, reduzindo a quantidade de calor que atinge o centro do grão. Primeiro, a camada externa seca. O café seco conduz menos o calor do que o café úmido, de modo que a camada externa seca atua como uma barreira adicional para que o calor chegue ao centro. Em segundo lugar, a camada exterior começa a tornar-se mais porosa à medida que a estrutura celular se decompõe. Os poros são isolantes, porque estão cheios de gás – basta pensar em como funciona o poliestireno expandido. O resultado é que o aumento do volume dos poros torna a camada externa ainda menos eficaz na condução do calor para o centro.

Como a camada externa seca é menos eficiente na condução de calor para o grão, um gradiente de temperatura começa a se acumular, com a superfície do grão ficando mais quente. O miolo do grão, onde a estrutura ainda é úmida e densa, é mais eficaz na condução de calor. Qualquer calor que atinja esta zona é transferido para o núcleo mais facilmente, de modo que a temperatura dentro do núcleo do grão é mais homogêneo.

A frente de evaporação evita que o calor chegue ao centro do grão. Na camada externa do grão (1), a estrutura do grão é expandida e porosa e o teor de umidade é baixo, por isso não conduz calor de forma eficaz para as camadas internas. Isso resulta em um gradiente acentuado de temperatura entre o exterior e o interior do grão. Na frente de evaporação (2), a umidade absorve calor e se converte em vapor. O centro do grão (3), que é mais denso e tem maior teor de umidade que a superfície, conduz o calor de forma mais eficaz que a superfície, de modo que o centro tem mais homogêneo temperatura

Modelando a Frente de Evaporação

Não podemos ver diretamente a frente de evaporação – apenas presumimos que ela esteja lá porque é assim que a secagem se comporta em outros materiais. No entanto, podemos prever o que acontece usando modelagem matemática. Em uma série de artigos, pesquisadores da Universidade de Oxford e Jacobs Douwe Egberts construíram um modelo matemático para descrever o comportamento da umidade dentro do grão durante a torra.

Eles descobriram que seu modelo previu duas zonas muito distintas dentro do grão: uma zona de alta pressão no centro, continuando tanto com vapor quanto com água líquida ou ligada, e uma zona distinta na borda do grão que estava completamente seca - com um estreito frente de evaporação entre eles (Fadai et al 2016).

A frente de evaporação, conforme previsto pela modelagem. A região i contém vapor e água líquida/ligada em alta pressão e encolhe gradualmente à medida que a frente de evaporação se move para dentro. A região ii está completamente seca. Adaptado de Fadai et al (2016)

Surpreendentemente, o modelo deles sugere que a temperatura é quase a mesma em todo o grão. Isto poderia implicar que o efeito da frente de evaporação na transferência de calor é relativamente pequeno, e que a forma como a humidade escapa do grão é mais importante para determinar como um café torra do que a facilidade com que o calor penetra no centro.

A diferença de temperatura entre o centro e a superfície do grão talvez dependa das condições de torra. Schenker (2000) inseriu uma pequena sonda de temperatura em um grão para medir a diferença entre a temperatura dentro do grão e a temperatura da pilha de grãos, conforme fornecida pela sonda de “temperatura do feijão”. O grau de alinhamento da temperatura do núcleo e da pilha de grãos dependia da velocidade geral de torra - torras mais rápidas e mais quentes mostraram uma diferença maior, enquanto na torra mais lenta, a temperatura do núcleo do grão alcançou a temperatura da pilha de grãos na metade do caminho. assar.

Temperatura da pilha e do núcleo do grão durante a torra em um torrador de leito fluidizado operando em temperaturas fixas. A temperatura central do grão fica atrás da pilha de grãos, mas eventualmente alcança a torra mais lenta. Foram utilizados três perfis: alta temperatura, curto tempo (HTST); temperatura média, tempo médio (MTMT); e baixa temperatura, longo tempo (LTLT). Adaptado de Schenker (2000)

A Frente de Evaporação e Primeira Rachadura

A frente de evaporação tem outro efeito importante. À medida que a temperatura do grão aumenta, em algum ponto o material do grão sofre uma transição de um estado emborrachado para um estado de borracha. frágil um – chamado de transição vítrea. A temperatura em que isso acontece depende da quantidade de umidade – se houver mais umidade, a transição vítrea ocorre em uma temperatura mais baixa.

Incorporar isso ao modelo da frente de evaporação tem um efeito interessante: a uma determinada temperatura, o núcleo do grão sofre a transição vítrea por ter mais umidade, tornando-se emborrachado e capaz de se expandir com o aumento da pressão do vapor. A camada externa do feijão, por outro lado, permanece frágil porque é mais seco e resiste a essa expansão. À medida que a temperatura do grão aumenta, a tensão aumenta à medida que a região interna tenta inchar, mas é contida pelo frágil camada externa. Esse estresse pode ser a causa primeira rachadura (Fadai et al 2019).

Compreender melhor como a umidade escapa do grão pode explicar muito mais sobre a torrefação do café do que pensávamos anteriormente. Se a tensão criada entre as camadas interna e externa dos grãos for a causa do primeira rachadura, modificar a forma como a umidade escapa do grão ou controlar quando a transição vítrea ocorre nas diferentes camadas do café pode ter implicações profundas no controle do perfil geral da torra.