Der Einfluss der Wärmeübertragungsraten (Konduktion, Konvektion, Strahlung) in Rösttrommeln auf das Wärmeeindringvermögen zum Bohnenkern

Analyse komplexer Wärmeübertragungsmechanismen und Änderungen der Bohneneigenschaften in Rösttrommeln

Der Kaffeeröstprozess ist ein physikochemischer Vorgang, der komplexe Mehrphasenströmungen und thermodynamische Veränderungen vereint. Diese Studie untersucht eingehend, wie Konduktion, Konvektion und Strahlung das interne Wärmeeindringen in Bohnen innerhalb eines Trommelrösters regulieren und welche Auswirkungen die resultierenden Änderungen der Glasübergangstemperatur $(T_g)$ auf die Zellstruktur der Bohnen haben. In den frühen Röstphasen behält die Bohne einen gummiartigen Zustand bei, der durch ihren Feuchtigkeitsgehalt plastifiziert wird, was die physische Kerngrundlage für das Wärmeeindringen und die strukturelle Veränderung darstellt.

Bestimmungsgleichungen für die Wärmeübertragung und die Röstenergiebilanz

Thermische Energie innerhalb eines Trommelrösters wird auf die Oberfläche der Rohbohnen übertragen und diffundiert allmählich in den Kern. Die drei Hauptpfade der Wärmeübertragung können physikalisch wie folgt modelliert werden:

• Konduktion: Tritt durch direkten Kontakt zwischen Trommeloberfläche und Bohnenpartikeln auf und folgt dem Fourier-Gesetz. $q_{cond} = -k A \\nabla T$, wobei $k$ die Wärmeleitfähigkeit der Bohne und $A$ die Kontaktfläche ist.
• Konvektion: Energieübertragung durch heiße Luft (strömendes Gas), bestimmt durch das Newtonsche Abkühlungsgesetz. $q_{conv} = h A (T_g - T_s)$, wobei $h$ der konvektive Wärmeübergangskoeffizient ist, welcher von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt.
• Strahlung: Energie, die von der beheizten inneren Trommelwand emittiert wird, basierend auf dem Stefan-Boltzmann-Gesetz. $q_{rad} = \\epsilon \\sigma A (T_{surr}^4 - T_s^4)$

Diese Wärmequellen werden in die transiente Energiebilanzgleichung integriert, die die Rate of Rise (RoR) im Bohnenkern bestimmt. Das Folgende ist die Gesamtenergiebilanzgleichung für das System.

$m C_p \\frac{dT_s}{dt} = q_{cond} + q_{conv} + q_{rad} - \\dot{m}_w \\Delta H_{vap} + Q_{rxn}$

In der obigen Gleichung repräsentiert der Term $\\dot{m}_w \\Delta H_{vap}$ die latente Wärme der Feuchtigkeitsverdampfung, ein wesentlicher endothermer Faktor, der die RoR während der Trocknungsphase unterdrückt. Da die Feuchtigkeit nach dem mittleren Röstpunkt verdampft, nimmt die Größe dieses Terms ab, was zu einem scharfen Anstieg der RoR führt.

Glasübergangstemperatur $(T_g)$ und physikalische Zustandsänderungen der Zellwände

Die Polymermatrix von Rohbohnen nutzt Feuchtigkeit als Weichmacher, um ihre Glasübergangstemperatur $(T_g)$ zu regulieren. Gemäß der Gordon-Taylor-Beziehung ist die $T_g$ einer Polymermischung wie folgt definiert:

$T_g = \\frac{w_1 T_{g1} + k w_2 T_{g2}}{w_1 + k w_2}$

wobei $w_1$ und $w_2$ die Massenanteile der Kaffeefeststoffe bzw. der Feuchtigkeit sind. Zu Beginn der Röstung senkt der hohe Feuchtigkeitsgehalt in der Bohne die $T_g$ und hält die Zellwände in einem gummiartigen Zustand. In diesem Zustand tritt eine plastische Verformung der Zellwände aufgrund von externem Druck und Dampfdruck leicht auf. Da jedoch Feuchtigkeit verloren geht, steigt die $T_g$ scharf an und das System geht um den "First Crack" herum in einen glasartigen Zustand über. Zu diesem Zeitpunkt werden die Bohnen spröde und ihre poröse Struktur $(\\epsilon \\approx 0.3 \\sim 0.5)$ wird fixiert.

Experimentelle Analysedaten

Phase	Hauptmechanismus	Bestimmender Faktor der Wärmeübertragung	Physikalischer Zustand
Trocknung	Feuchtigkeitsverdampfung	Konvektion $(q_{conv})$	Gummiartig
Maillard	Bildung von Aromavorläufern	Strahlung $(q_{rad})$	Übergangszone
Pyrolyse	$CO_2$-Freisetzung/Sprödigkeit	Konduktion $(q_{cond})$	Glasartig

Insgesamt hängt eine erfolgreiche Röstung von der präzisen Steuerung dieser thermodynamischen Gleichgewichte und materialwissenschaftlichen Phasenübergangspunkte ab. Um die endotherme Kraft von $Q_{evap}$ zu verwalten, muss ein Röster die anfängliche konvektive Wärmeübertragung maximieren und die Strahlung ordnungsgemäß regulieren, wenn $Q_{rxn}$ nach dem Crack zu einer exothermen Reaktion übergeht, um so ein gleichmäßiges Wärmeeindringen bis zum Bohnenkern zu erreichen. Die Effizienz des Wärmeeindringens, bevor die Zellstruktur vollständig in einen glasartigen Zustand aushärtet, ist ein kritischer physikalischer Faktor, der den endgültigen Geschmack und Körper des Kaffees bestimmt.