مهندسی دمای شارژ در رست قهوه

از ترمودینامیک تا فرمول عملی

نویسنده: حمیدرضا زمانی‌پور

فایل مقاله PDF – 19 

مقدمه

در هر فرآیند رست، لحظه‌ای وجود دارد که در ظاهر ساده است، اما در حقیقت بنیان تمام منحنی حرارتی را می‌سازد:

لحظه‌ای که دانه‌های سبز قهوه درون درامی داغ فرو می‌ریزند . این لحظه در زبان مهندسی «دمای شارژ» نام دارد ، اما در زبان طعم ، «نقطه‌ی آغاز زندگی دانه‌ی قهوه» است. دمای شارژ، یکی از پارامترهایی است که بیشترین اثر را بر مسیر گرمایی رست دارد ، و کوچک‌ترین تغییر در آن می‌تواند نتیجه‌ای کاملاً متفاوت در فنجان ایجاد کند. با این حال ، در اغلب کتاب‌ها و کارگاه‌های آموزشی ، دمای شارژ بر پایه‌ی تجربه تعریف می‌شود نه بر اساس علم فیزیک . بسیاری از رسترها تنها با آزمون و خطا به دمای مطلوب می‌رسند ، بی‌آنکه بدانند پشت آن عدد چه منطق ترمودینامیکی نهفته است  .

علم امروز قهوه ، در پی جایگزینی شهود با دانش است . و همان‌طور که علم رست در دهه‌ی گذشته به سوی اندازه‌گیری نرخ استخراج ، دمای هسته ، و رفتار گازها پیش رفت ، اکنون نوبت به فهم علمیِ لحظه‌ی آغاز رسیده است . در این نوشتار، دمای شارژ از دیدگاه فیزیک ، شیمی ، و مهندسی حرارت تحلیل می‌شود و در پایان ، فرمولی ساده و کاربردی برای تعیین آن ارائه خواهد شد .

فصل نخست: فیزیک دانه‌ی سبز و ظرفیت گرمایی

دانه‌ی سبز قهوه ، ترکیبی پیچیده از مواد آلی ، کربوهیدرات‌ها ، پروتئین‌ها ، چربی‌ها ، و حدود ۸ تا ۱۲ درصد آب است . ساختار سلولی آن مانند شبکه‌ای متخلخل عمل می‌کند که گرما را به آرامی از سطح به عمق منتقل می‌سازد . در مهندسی حرارت ، هر ماده ظرفیت گرمایی مخصوص خود را دارد ؛ یعنی میزان انرژی‌ای که برای افزایش یک درجه‌ی سانتی‌گراد در هر کیلوگرم از آن ماده نیاز است . ظرفیت گرمایی دانه‌ی سبز تابعی از رطوبت است، زیرا بخش عمده‌ای از گرمای اولیه صرف گرم کردن آب درون سلول‌ها و سپس تبخیر آن می‌شود .

مطالعات آزمایشگاهی نشان داده‌اند که ظرفیت گرمایی ویژه‌ی دانه‌ی قهوه در رطوبت ۹ درصد حدود ۱٫۵۶ kJ/kg·K است و با هر یک درصد افزایش رطوبت، حدود ۰٫۰۷ kJ/kg·K افزایش می‌یابد  . به زبان ساده ، دانه‌ی خشک‌تر سریع‌تر گرم می‌شود اما حرارت را نیز زودتر از دست می‌دهد ، در حالی که دانه‌ی مرطوب‌تر گرمایش کندتری دارد ولی گرما را به شکل یکنواخت‌تری در خود نگه می‌دارد. در نتیجه ، رسترهایی که با قهوه‌های مرطوب‌ کار می‌کنند ، ناگزیرند دمای شارژ را چند درجه بالاتر تنظیم کنند تا افت حرارتی ابتدای رست جبران شود .

این مقاله در 15 فصل اصلی و 19 صفحه نگارش شده است .

جمع‌بندی نهایی

دمای شارژ ، نقطه‌ی آغاز منحنی رست است ؛ نقطه‌ای که در آن ، علم ترمودینامیک به زبان طعم ترجمه می‌شود . مدل فرمول اختصاصی ما نشان می‌دهد که این عدد را می‌توان با سه ورودی ساده محاسبه کرد و نیازی به آزمون و خطای حسی نیست . قهوه‌های عربیکا شسته ، به‌دلیل چگالی بالا و نفوذ گرمای کند ، به دمای شارژ بالاتر نیاز دارند تا انرژی اولیه‌ی لازم تأمین شود . در مقابل ، روبوستاها و عربیکاهای طبیعی به‌دلیل ساختار متخلخل‌تر و چگالی پایین‌تر ، به انرژی کمتری نیاز دارند و باید دمای شارژ آن‌ها کاهش یابد. در ارتفاعات بالا ، فشار هوا کمتر است و گرما کندتر منتقل می‌شود ؛ پس دمای شارژ باید افزایش یابد . در رسترهای بستر سیال، دمای شارژ پایین‌تر ولی نرخ گرمایش سریع‌تر است .

در نهایت ، با شناخت متغیرهای فیزیکی هر رست چگالی ، رطوبت ، ظرفیت و فشار محیط می‌توان دمای آغاز را دقیق تعیین کرد و مسیر طعم را از ثانیه‌ی اول هدایت نمود . دمای شارژ در واقع زبان فیزیک است که از درون درام با رستر سخن می‌گوید ؛ اگر آن را بفهمیم ، می‌توانیم میان علم و احساس، میان حرارت و عطر ، تعادل بسازیم.

منابع علمی :

. Fabbri, L. et al. (2011–2022)
Heat and mass transfer modeling during coffee roasting, Journal of Food Engineering

منبع اصلی داده‌های ظرفیت گرمایی، انتقال حرارت، و مدل دینامیک RoR.

. Perren, M. & Escher, J.P. (2007)
A dynamic model for coffee roasting, Journal of Food Engineering, 78(4), 1142–1152.

شامل معادلات انرژی، تبخیر و همرفت در فازهای خشک‌سازی و توسعه.

. Czerny, T., Grosch, W., et al. (2020)
Modeling of heat and mass transfer in coffee roasting, Thermal Science and Engineering Progress.

داده‌های عددی درباره‌ی ضرایب انتقال گرما (η_h) و مدل‌سازی CFD.

. Illy, A. & Viani, R. (2015)
Espresso Coffee: The Science of Quality, Elsevier.

فصل‌های ۵ و ۶ درباره‌ی رفتار ترمودینامیکی قهوه و ساختار سلولی.

. Fabbri, L., Severini, C. (2021)
The effect of bean moisture and density on thermal diffusivity of green coffee, Food Research International.

بررسی تأثیر مستقیم رطوبت و چگالی بر ضریب رسانش حرارتی.

. Schenker, S. et al. (2000)
Modeling the temperature profile inside a coffee bean during roasting, Journal of Food Science.

اولین مدل عددی حرارت درون‌دانه‌ای، مفید برای فصل مدل‌سازی موضعی دما.

. Crozier, A., and Chapman, M. (2020)
Energy efficiency in coffee roasting systems: comparison of drum and fluid bed roasters, Energy Reports.

مرجع مقایسه‌ای درباره‌ی راندمان و اختلاف عملکرد درام و بستر سیال.

۸. ISO 18862:2016
Green coffee — Determination of moisture and density — Reference method

استاندارد بین‌المللی برای اندازه‌گیری دقیق ورودی‌های مدل.