Разработка режимных параметров обжаривания для кофе с заданными свойствами

Abstract

В статье представлена разработка режимных параметров процесса обжаривания кофейных зерен, полученная на основе теории подобия и анализа размерностей. Актуальность исследования обусловлена необходимостью стандартизации и автоматизации процессов термической обработки в пищевой промышленности, а также потребностью в инструментах прогнозирования качества конечного продукта при варьировании свойств сырья и конструктивных параметров оборудования. В ходе исследования выполнен обзор современных подходов к моделированию тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах, включая многофазные модели, учитывающие эволюцию пористости, и кинетические модели химических превращений. Также представлены результаты расчетов зависимости изменения свободной энергии Гиббса от температуры и зависимости изменения энтропийно связанной энергии от температуры. С помощью метода анализа размерностей получено критериальное уравнение, связывающее угол наклона температурного профиля с мощностью теплоподвода, теплофизическими свойствами зерна и его начальной влажностью. Выделены два безразмерных комплекса – M и B, которые характеризуют соответственно равномерность прогрева зерна и баланс между подводимой тепловой мощностью и аккумулирующей способностью материала. Предложенные критерии универсальны и адаптируемы для различных типов обжарочных аппаратов и сортов сырья. Экспериментальная верификация модели выполнена на зернах Coffea arabica различного географического происхождения. Сравнение расчетных и экспериментальных температурных профилей с помощью статистической обработки данных показало высокую сходимость, что подтверждает адекватность модели. Практическая значимость работы заключается в создании уникального инструмента для прогнозирования температурного профиля, сокращении объема экспериментальных исследований и стандартизации процесса обжаривания для различных партий сырья с заданными свойствами. Кроме того, использование безразмерных критериев открывает возможности для масштабирования процесса с лабораторных установок на промышленное оборудование. Направления дальнейших исследований включают интеграцию модели с системами автоматического управления, учет кинетики химических реакций и вариабельности внутренней структуры зерен для повышения точности прогнозирования органолептических свойств готового продукта. This work presents the development of regime parameters for the coffee bean roasting process, obtained on the basis of similarity theory and dimensional analysis. The relevance of the study is determined by the need for standardization and automation of thermal processing operations in the food industry, as well as by the demand for tools to predict the quality of the final product when varying the raw material properties and the design parameters of the equipment. In the course of the research, a review of modern approaches to modeling heat and mass transfer in capillary-porous bodies was performed, including multiphase models accounting for porosity evolution and kinetic models of chemical transformations. The results of calculations of the temperature dependence of the Gibbs free energy change, as well as the temperature dependence of the entropy-bound energy change, are also presented. By means of dimensional analysis, a criterion equation was derived that relates the slope of the temperature profile to the heat input power, the thermophysical properties of the bean, and its initial moisture content. Two dimensionless complexes – M and B – were identified, which characterize the uniformity of bean heating and the balance between the supplied thermal power and the accumulating capacity of the material, respectively. The proposed criteria are universal and adaptable to various types of roasting apparatus and raw material varieties. Experimental verification of the model was performed on Coffea arabica beans of different geographical origins. Comparison of the calculated and experimental temperature profiles using statistical data processing showed high convergence, which confirms the adequacy of the model. The practical significance of the work lies in the creation of a unique tool for predicting the temperature profile, reducing the scope of experimental studies, and standardizing the roasting process for different batches of raw materials with specified properties. Furthermore, the use of dimensionless criteria opens up possibilities for scaling the process from laboratory setups to industrial equipment. Directions for further research include the integration of the model with automatic control systems, consideration of the kinetics of chemical reactions, and the variability of the internal bean structure to improve the accuracy of predicting the organoleptic properties of the finished product.