Triboelectrificación moliendo café
Triboelectrificación controlada por
humedad durante la molienda del café
Moisture-controlled
triboelectrification during coffee grinding
Traducción educativa cafetera sin deseos
comerciales de ningún tipo
Joshua Méndez Harper, Connor S. McDonald, Elias J. Rheingold, Lena
C. Wehn,
Robin E. Bumbaugh, Elana J. Cope, Leif E. Lindberg, Justin
Pham, Yong-Hyun Kim,3Josef
Dufek,
and Christopher H.
Hendon Hendon
Matter,
7(1) 266-283; enero 3 del 2024
https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.005
Destacados
•Identificar las propiedades del café que gobiernan la
polarización triboeléctrica del café.
•El contenido de humedad del grano entero por debajo del 2%
causa carga negativa de partículas.
•El agua externa pasiva la carga superficial pero no crea
grumos.
•Con parámetros fijos de preparación de espresso, la
reducción de carga aumenta la extracción de café.
Progreso y potencial
La molienda del café produce grandes cantidades de carga
estática debido tanto a la fractura como al roce. La carga provoca agregación y
descarga de partículas, un problema familiar en la producción industrial de
café. Este estudio demuestra que la magnitud de la carga depende del perfil
de tueste y, más importante aún, del contenido de humedad interna del café en
grano entero. En un esfuerzo por controlar la carga, demostramos que la
adición de agua externa mitiga su acumulación durante la molienda y promueve la
desagregación de las partículas. Se logran diferencias notables en los
parámetros de preparación. La implementación de nuestros hallazgos aborda
directamente una cuestión clave de la acumulación estática y la aglomeración de
partículas y destaca los desafíos de hacer predicciones de propiedades físicas
basadas en el color del grano.
Resumen
Los materiales granulares acumulan cargas superficiales
mediante triboelectrificación y fractoelectrificación, cargas resultantes de la
fricción y fractura del material, respectivamente. Estos procesos ocurren
durante la molienda del café e impactan la producción de café tanto a escala
entusiasta como industrial. Al adquirir café tostado comercialmente, así
como al tostar el nuestro, encontramos que el color del tueste y la aspereza
del molido impactan la carga; Los tuestes finos y más oscuros adquieren relaciones
carga-masa comparables a las que se infieren a partir de partículas en columnas
volcánicas y nubes de tormenta. Además, dilucidamos la influencia de la
humedad interna residual en la electrificación, concluyendo que la humedad
puede ajustar tanto la magnitud como la polaridad de la carga. Además de
las posibles aplicaciones tecnológicas, demostramos que la adición de agua
externa suprime simultáneamente la carga superficial y la acumulación de café
molido y da como resultado una dinámica de flujo notablemente diferente en los
formatos de espresso, lo que probablemente produce perfiles de sabor
marcadamente diferentes y extractos más concentrados.
Palabras clave
café
molienda
triboelectrificación
fractoelectrificación
tostado
café espresso
preparación de la bebida
agregación
flujo granular
Introducción
La triboelectrificación es el proceso físico en el que los
materiales adquieren carga superficial a partir de interacciones de fricción en
sus interfaces.1 La magnitud de la carga depende de la composición
del material de la interfaz2 y puede aprovecharse en tecnologías
emergentes para la generación de energía.3,4,5,6,7 El mecanismo La
acumulación electrostática es compleja y se oscurece aún más en materiales
granulares donde las colisiones son lo suficientemente energéticas como para
causar fracturas. En este régimen “fractoeléctrico”, se cree que el inicio y la
propagación de grietas cargan partículas mediante la transferencia de
electrones y/o iones en la interfaz de grieta caliente.8,9 Ya sea
que la carga de un material esté dominada por tribo o fractoelectrificación,
los flujos granulares generados por fracturas a menudo comprenden partículas
cuya densidad de carga superficial puede exceder el valor máximo teórico de 27
μC por metro cuadrado10,11,12,13 o relaciones carga-masa en el rango
de 0,1 a 100 nC por gramo.14,15 Sigue existiendo un interés
fundamental en el estudio del mecanismo y la magnitud de la carga y los métodos
para controlar el proceso, en particular para mitigar los efectos espurios como
las descargas electrostáticas y la aglomeración en entornos industriales.16,17,18,19,20
La electrificación de materiales químicamente complejos (por
ejemplo, alimentos, madera)21 presenta problemas únicos y complejos
en la ciencia de los materiales. Si bien la mayoría de los alimentos no están
sujetos a fracturas que resulten en una formación apreciable de carga
eléctrica, el café es un modelo de complejidad material, ya que todo el café se
muele y la composición química del café en grano depende de numerosos factores
(p. ej., tostado, origen). 22,23,24 Los efectos se enfatizan
particularmente en la preparación de espresso, donde el café debe molerse fino,
lo que le confiere grandes cantidades de carga estática. Aquí utilizamos el
café para proporcionar información fundamental sobre los procesos de
electrificación en materiales orgánicos compuestos de una variedad de
moléculas.
Demostramos que :
(1) los parámetros convencionales
del café (tostado, contenido interno de agua, ajuste de molienda) dictan la
carga del café tostado y ofrecemos una explicación de por qué,
(2) tanto los procesos
triboeléctricos como los fractoeléctricos ocurren durante la molienda, y la
mayoría de la carga proviene de eventos de fractura, y
(3) la carga depende del
contenido de agua interno y externo del grano de café, y un mayor contenido de
agua suprime la acumulación de carga. Para operaciones a escala industrial, la
carga incontrolada de café puede causar aglomeraciones, lo que genera heterogeneidades
en el producto y obstrucción de conductos. A nivel de elaboración de la bebida,
la agregación también puede afectar la accesibilidad líquido-sólido,25
lo que lleva a una extracción no homogénea y a un espresso impredeciblemente
desagradable.26 En el contexto de comprender los fundamentos de la
triboelectrificación y reforzar nuestros esfuerzos para elaborar un café más
reproducible y sustentable, este artículo ofrece estrategias para controlar la
carga de partículas de café y plantea oportunidades a partir de las mismas.
Resultados y discusión
Café
electrizante
Primero obtuvimos numerosos cafés
tostados comercialmente, analizando muchos de los principales países
productores y paradigmas de procesamiento del café. Estos cafés se clasifican
además según su método de procesamiento: natural (N), lavado (W) y descafeinado
(D), y todos son de origen único a menos que se designen como mezcla (B). Los
detalles completos de los cafés comerciales se presentan en la Tabla S1. El
color del café tostado se puede cuantificar utilizando un método
espectrofotométrico que coloca el café en la “escala gourmet Agtron”. 27
La escala varía de 0 (negro/carbonizado) a 150 (verde/sin tostar), y la mayoría
de los cafés especiales se encuentran dentro del rango de 40 a 90 medido en
nuestro espectrofotómetro. En la Figura 2 se presentan ejemplos.
Figura 1 Electrificación de
granos y partículas de café.
Los granos de café deben molerse,
un proceso que resulta en una electrificación significativa. El proceso
normalmente produce partículas con tamaños que oscilan entre 100 nm y 2 mm. La
distribución se controla mediante la configuración de molienda y la temperatura
del grano.28 En arquitecturas de molino de rebabas planas, como la
configuración alojada dentro del Mahlkönig EK 43 (un molino con rebabas de
acero de 98 mm; Figura 1C), la configuración de molienda está determinada por
la separación entre placas metálicas giratorias. Los ajustes de molienda más
finos dan como resultado más eventos de fractura, un mayor tiempo de contacto
con las rebabas de café y la producción de más finos (partículas inferiores a
100 μm) y partículas más pequeñas (partículas posteriores a 100 μm). Si bien el
rectificado puede provocar pequeñas descargas de chispas, especialmente si la
amoladora no está conectada a tierra, la principal consecuencia de la
electrificación es la formación de agregados de partículas mantenidas juntas por
fuerzas electrostáticas.
La carga neta adquirida por una
muestra de café se mide colocando una taza de Faraday debajo del conducto del
molino (Figura 1C). Luego, un electrómetro informa un voltaje proporcional a la
carga de la partícula con una sensibilidad de 10 nC/V. Aunque utilizamos 1 g (5
a 10 granos) de café en todos los experimentos, la cantidad de café molido que
entró en la taza de Faraday varió entre los experimentos (algo de material se
retiene en el espacio entre las rebabas). Para tener en cuenta esta variación,
normalizamos la carga medida por la masa recogida en la taza, lo que nos
permite calcular una relación carga-masa acumulada (Q/m) (es decir, la carga
total del café en la taza). Además, realizamos un experimento diferente para
separar las partículas positivas, negativas y neutras. Reemplazando la copa de
Faraday con un separador electrostático que consta de dos placas subparalelas
mantenidas a una diferencia de potencial de ∼
8,2 kV y moliendo 10 g de café, los granos cargados negativamente se
desplazan hacia la placa positiva y los granos positivos hacia la placa
negativa, y las partículas neutras netas caen directamente hacia abajo (Figura
1D). Luego se puede utilizar el análisis del tamaño de partículas por
difracción láser y de imágenes para determinar si la polaridad afecta las
distribuciones de tamaño, además de determinar un Q/m para cada contenedor.
Tendencias
generales en la electrificación de la molienda del café tostado comercialmente
Usando esta configuración
experimental, primero examinamos tres cafés mexicanos (Figura 2A). Esas
muestras mostraron carga neta positiva, neta negativa y tanto positiva como
negativa. Pero esos cafés fueron tostados por diferentes tostadores con
diferentes colores, y los datos sugieren, tal vez como era de esperar, que el
origen por sí solo no dicta la polaridad de la carga. La Figura 2B resume
el comportamiento de carga de aproximadamente 30 cafés en función del color de
Agtron. Aunque observamos cargas tanto positivas como negativas, las magnitudes
de la relación Q/m de las muestras positivas son generalmente más pequeñas
(<50 nC/g) que las de los cafés negativos (hasta 120 nC/g). Observamos
una relación débil entre el color del tostado y la carga, con carga positiva
ocurriendo solo en valores de Agtron superiores a 70. El contenido de humedad
interna post-tostado mostró una relación ligeramente mejor con el signo y la
magnitud de la carga (Figura 2C). Aquí, la transición de carga negativa
a positiva ocurre cuando el contenido de agua aumenta por encima de ~ 2% en
masa. La dispersión sustancial en las Figuras 2B y 2C probablemente refleja
que el color Agtron no es una propiedad única de ningún café en particular;
existen perfiles de tueste aparentemente infinitos que podrían usarse para
llegar a su color. Por ejemplo, se podría obtener un café oscuro tostándolo
a baja temperatura durante un tiempo prolongado o tostándolo caliente y rápido.
Además, el contenido de agua interna del café verde pretostado varía con el
tiempo y depende del ambiente de almacenamiento.29 Ambas variables
tienen un impacto significativo en la composición química del tueste30
y también se sabe que afectan las propiedades de la bebida resultante.31
Figura 2 Regímenes de carga de
cafés de origen comercial
Sin embargo, la relación entre el
contenido de agua en el café tostado y la transición de carga de negativa a
positiva es algo sorprendente dados otros informes sobre la disminución de las
relaciones Q/m con el aumento de la humedad.32 Una posibilidad es
que el cambio de polaridad refleje grados de tensión en el momento de la
fractura.33 En que funcionan, grados más bajos de tensión se
asociaron con carga negativa. Debido a que el café oscuro es más quebradizo,
pueden soportar menos tensión antes de fallar que sus contrapartes más dúctiles
y de tueste claro.34 Otra posibilidad es que el agua esté afectando
las propiedades físicas del café, lo cual discutiremos más adelante en este
artículo.
Además de realizar mediciones
netas de Q/m, también separamos partículas por polaridad y luego las
dimensionamos fotográficamente. En la Figura 2D se presenta un ejemplo de
distribución del tamaño de partículas de cafés positivos y negativos. Estos
datos sugieren que los cantos rodados (boulder) tienen una carga negativa
independiente del tostado, el proceso y el origen. La videografía de alta
velocidad revela que estos cantos rodados salen primero de la trituradora, lo
que explica por qué ocasionalmente observamos carga negativa ingresando a la
copa de Faraday al inicio de la molienda, incluso si la carga neta es finalmente
positiva (ver el recuadro en la Figura 2D y el tercer panel en la Figura 2A).).
Las partículas finas (<100 μm) tienden a estar ligeramente sesgadas hacia la
carga negativa o tienen abundancias positivas y negativas comparables. La
distribución de carga en partículas de tamaño mediano es más complicada.
Observamos un pico en la abundancia de partículas cargadas positivamente en
diámetros de 100 a 300 μm, independientemente de la polaridad de la carga neta.
Para los tuestes ligeros, la abundancia de partículas en este rango de tamaño
supera a la de los granos negativos. Para los cafés con valores de Agtron más
bajos, el máximo positivo todavía está presente, pero la cantidad de partículas
cargadas negativamente supera a las partículas positivas en todos los tamaños.
En otras palabras, la polaridad de las partículas en este rango intermedio
parece dictar la polaridad general de la relación Q/m neta de un café. Este
rango de tamaño también corresponde a los tamaños de las partículas que
normalmente se producen para la preparación del formato espresso, lo que se
suma al desafío cada vez mayor de preparar un espresso reproducible.26
Independientemente de las
abundancias relativas, las partículas positivas generalmente tienen diámetros
medios más pequeños que las negativas en todos los cafés (indicado en la Figura
2D por las flechas promedio). Esta carga bipolar dependiente del tamaño
proporciona información sobre los mecanismos básicos de electrificación que
funcionan durante la molienda. La observación de que las partículas más grandes
se cargan negativamente es consistente con la separación de cargas descrita por
James y colaboradores10 en el contexto de la fractura de la piedra
pómez volcánica. Aunque es probable que se cree un número igual de superficies
positivas y negativas durante cualquier evento de fractura determinado, esos
autores plantean la hipótesis de que los procesos posteriores de eliminación de
iones conducen a partículas de diferentes tamaños, concentrando cargas de
polaridad opuesta. Este sesgo (partículas negativas más grandes y partículas
positivas más pequeñas) es opuesto al que a menudo se reporta en sistemas puramente
triboeléctricos (es decir, procesos con poca o ninguna fractura).35
En esos contextos, la segregación de carga se ha atribuido al intercambio de
electrones atrapados. , polarización36 e iones hidratados.37
Por ahora, podemos resumir que los cafés de tueste oscuro parecen tener una
carga más negativa que los de tueste claro, que las partículas grandes llevan
carga negativa y que los cafés tostados comercialmente se cargan de una manera
aparentemente impredecible.
Aislando
el impacto del perfil de tueste
Los datos presentados en la
Figura 2 apuntan a un desafío general en la industria del café: las palabras
“claro”, “medio” y “oscuro” describen el color final y, hasta cierto punto,
proporcionan un punto de contacto para el perfil de sabor.38 Pero El
color tostado no proporciona suficiente información sobre la composición
química y la tribocarga resultante. La gran cantidad de dispersión en los
datos probablemente refleja los efectos compuestos del origen y el
procesamiento,39 además del perfil de temperatura utilizado para
pasar del verde al marrón.40,41 Muchos tostadores de café
comerciales tratan sus perfiles de tueste como propietarios, y esto Es
imposible calcular el perfil preciso examinando únicamente los granos enteros
tostados. Existe un valor académico en estandarizar los perfiles de tueste en toda
la industria, permitiendo así comparaciones directas entre cafés. Pero no
abogamos por esto a escala industrial, ya que eso esterilizaría un aspecto
artesanal de la industria. En lugar de ello, desarrollamos nuestros propios
perfiles con el objetivo de aislar el tueste mediante el desarrollo de cafés
sistemáticamente “más oscuros”.
Teniendo en cuenta que se sabe
que el contenido de humedad interna previo al tostado dicta la hinchazón
inducida por el tostado y otras propiedades,42 obtuvimos cafés con
un contenido de humedad representativo de los cafés especiales convencionales.
Obtuvimos un café verde etíope de la región de Yirgacheffe, “YirgZ”, que
presenta un 12% de humedad interna al momento del tostado. Este café se tostó
utilizando un Ikawa Pro100 para lograr cinco tuestes diferentes aumentando
sistemáticamente la temperatura del aire del espacio de cabeza terminal y el
tiempo en 2° C y 60 s,
respectivamente (Figura 3A, azul). Se generó un sexto
café agregando 8°C
y 180 s al quinto perfil. Además, se empleó un segundo perfil de tostado, que se diferencia por un parámetro que llamamos "tiempo Morse" (el tiempo empírico que tarda el termopar de espacio de cabeza en leer una
temperatura igual a la temperatura inicial en un tostador Ikawa). Los perfiles
Morse largos se construyeron en incrementos de 3°
C y 60 s (Figura 3A, morado). La Figura 3A muestra los perfiles para los
tuestes más cortos (sólidos) y más largos (punteados). En resumen, se lograron
12 tuestes disímiles; sus detalles se presentan en la Tabla S2.
Figura 3 El efecto del perfil
de tueste en la carga
Después de desgasificar durante
24 h, los cafés se molieron a una graduación en el molino de 2,0. La Figura 3B
muestra la relación Q/m de YirgZ en función del tiempo de tueste para los dos
perfiles. En ambos casos, la carga resultante es positiva para tuestes cortos
(es decir, cafés más ligeros), con una transición a una carga negativa a medida
que aumenta el tiempo de tueste. Sin embargo, observamos una transición más
temprana a la carga negativa para el tueste corto en Morse. Para probar si
estos comportamientos son específicos del YirgZ, repetimos el experimento de
tueste corto con un café mexicano lavado, Yogondoy (9% de humedad interna en el
momento del tueste). El resultado de este experimento auxiliar se presenta en
la Figura 3B (cuadrados grises). Dentro del margen de error, las relaciones Q/m
de los cafés etíopes y mexicanos tostados utilizando el mismo perfil de tueste
son comparables. Tal congruencia sugiere que el producto del tueste, más que
las características del café verde, determina en última instancia el
comportamiento de carga del café cuando se muele.
Podemos probar aún más la
hipótesis de que el tueste es un control principal de la carga al expresar
nuestros datos en términos de color del tueste y contenido de agua residual
(Figuras 3C y 3D, respectivamente). De acuerdo con los datos presentados en la
Figura 2, observamos una relación lineal débil entre el color y la
electrificación, con una transición de carga positiva a negativa en los colores
Agtron en la vecindad de 70–80. El café ligeramente tostado también retuvo
más humedad interna que los análogos de tostado más oscuro (Figura 3D). De
acuerdo con nuestros hallazgos en la Figura 2C, observamos una transición
abrupta a la carga negativa con contenidos de agua <2%. En particular, el
contenido de humedad interna parece ser un muy buen predictor de la carga (error
cuadrático medio [RMSE] = 7,93 para carga versus contenido de humedad en
comparación con RMSE = 19,37 para carga versus Agtron). Además, la
deshidratación sigue una relación exponencial entre la humedad y la carga, en
línea con el perfil de deshidratación de los plátanos,43 las
semillas44 y otros alimentos. En conjunto, estos datos sugieren que el
contenido interno de agua es un factor principal en el comportamiento de
electrificación del café tostado.
Carga
en función del ajuste de la molienda
Los ajustes de molido más finos
requieren más fracturas para que el café salga de la cámara de molido. Además,
la teoría cinética predice que los flujos de partículas más finas tienen
temperaturas granulares más altas (siempre que las partículas tengan una
inercia significativa para superar la modificación del fluido de la temperatura
granular45), y los granos individuales sufren un gran número de colisiones.46
Por lo tanto, la molienda más fina debería generar más carga a través de
ambas fracciones. - y triboelectrificación, independientemente de la
polaridad. Para probar esta hipótesis, realizamos los mismos experimentos
presentados en la Figura 2 pero en diferentes configuraciones de molienda. En
la Figura 4A se muestran dos ejemplos, que revelan que los ajustes más
gruesos producen una carga más baja, independientemente de si el café tiene
carga positiva (Amatepec, W) o carga negativa (Kicking Horse, D).
Figura 4 Carga en función del
ajuste de la molienda y el tueste
La tendencia general es que la
magnitud Q/m aumenta a medida que el café se muele más fino. Sin embargo, se
observa un comportamiento inesperado en los ajustes de molienda más finos. Por
ejemplo, Amatepec muestra una gran dispersión en los valores de la relación Q/m
y el examen microscópico revela que la variación se atribuye a la formación de
agregados, es decir, partículas que se adhieren entre sí y a otras superficies
de la trituradora (Figura 4B). El efecto se ejemplifica en las muestras de
Kicking Horse, donde las partículas más finas tienen una carga superficial aún
mayor y dan como resultado una reducción menor en la electrificación observada
en el ajuste de molienda más fino. Atribuimos esta reducción a la rápida
formación de los agregados, análoga a los que se muestran en la Figura 4B.
Además, nuestras mediciones
revelan que los cafés de tueste oscuro producen partículas mucho más finas
cuando se muelen en la misma configuración (Figura 4C). El café más oscuro
de nuestro conjunto de datos muestra un cambio de -100 μm en el tamaño de las
partículas en relación con el café más claro. Estos datos se basan en un
estudio anterior que demostró que cuatro cafés de tueste claro producían
tamaños de partículas similares28 porque tenían un color de tueste
similar. La Figura 4C ofrece una explicación de por qué los cafés más
oscuros pueden producir tomas de espresso más lentas para los mismos parámetros
de preparación. Puede que no sólo se deba al aumento del contenido volátil40
sino también a la reducida permeabilidad del lecho.
Debido a que una molienda más
fina genera más carga, una relación directa entre tueste y carga debe incluir
una corrección empírica para la diferencia en los tamaños de partículas que se
muestran en la Figura 4C. Para hacer esto, podemos cambiar manualmente la
configuración de molienda y monitorear los datos del tamaño de las partículas
hasta que los cafés de tueste oscuro y claro produzcan la misma distribución de
tamaño. En la práctica, esto significó moler tuestes oscuros con una
configuración ligeramente más gruesa, 2,3, para lograr la misma
distribución de tamaño de partículas que nuestro café molido más claro con 2,0.
La Figura S2 revela que las variaciones en el tamaño de las partículas por sí
solas no pueden explicar las tendencias que observamos en la Figura 2. Es
decir, los cafés de tueste oscuro acumulan más carga superficial negativa
durante la molienda que sus parientes más claros, independientemente de las
diferencias de tamaño.
Cómo
influye la mecánica granular en la electrificación
Con el impacto del tueste y la
molienda aislados (donde los tuestes oscuros y la molienda fina producen la
mayor carga), a continuación, buscamos investigar el impacto de la mecánica
granular en la electrificación durante la molienda del café. Se han dedicado
muchos esfuerzos a determinar el papel de la fragmentación y la carga
triboeléctrica en los flujos granulares,35,47,48 y algunos autores
invocan un origen fisicoquímico común para la carga.49,50. Aunque
este asunto sigue sin resolverse, parece que los flujos que sí incluyen
fractura de material se comportan de manera diferente que aquellos que no la
incluyen. Por ejemplo, Lim y sus colegas demostraron que las partículas de
café premolido se acumulaban aproximadamente de -2 a -5 nC/g simplemente
frotándolas sobre un sinfín mezclador de acero inoxidable y contra sí mismas.18
En contraste, los cafés molidos en nuestros experimentos ganaron Q/m absoluto.
relaciones superiores a 100 nC/g. Esto sienta las bases para la hipótesis de
que los procesos de fragmentación son, en gran medida, responsables de la
carga electrostática del café.
Para aislar el impacto de la
fractura, permitimos que el café molido pasara por el molino por segunda vez en
una configuración más gruesa, evitando una trituración adicional. Sin eventos
de fractura adicionales, la mayor parte de la carga debería surgir de las
interacciones café-café y café-rebabas. El recuadro de la Figura 5 muestra la
distribución del tamaño de las partículas antes y después de que el café
atravesara el molino por segunda vez, primero en la configuración 2,0 y segundo
con una apertura de rebaba mucho mayor (configuración 6,0). Se seleccionó esta
última configuración porque se demostró empíricamente que no altera la
distribución del tamaño de las partículas al volver a molerse (consulte la
Figura S4 para obtener más detalles). Las diferencias mínimas entre las
distribuciones de partículas indican que las partículas de café premolido son
lo suficientemente pequeñas como para salir de la cámara de molienda sin
fracturarse más, pero aun así acumulan algo de carga. Para evaluar la
generalidad de esta observación, realizamos estos experimentos en siete cafés
(Figura 5). Los cafés dos veces molidos (negros) adquirieron significativamente
menos carga que sus homólogos molidos primariamente (grises). De hecho,
observamos una reducción de la carga de hasta un 90%, y la mayoría de los cafés
premolidos adquieren relaciones Q/m en el rango de 5 a 10 nC/g. Estos valores
son comparables a los hallazgos realizados por Lim y otros18 durante
la fluidización del café en polvo. Si bien no podemos aislar las interacciones
entre el roce entre café y café y las rebabas, este experimento apunta a una
observación general de que la reducción de la fractura reduce en gran medida
la carga.
Figura 5 Molienda de café dos
veces para evaluar el papel de la fractura en la electrificación
Molienda
con agua externa suplementaria y su impacto en la elaboración de la bebida
Recordando la progresión hacia la
carga cero/positiva con el aumento de la humedad interna (Figura 3D), a continuación,
buscamos comprender el impacto de agregar humedad externa. Se supone que este
proceso, conocido en la industria del café como la “Técnica de la Gota de
Ross”, se presentó originalmente en un foro de mensajes en línea.51,52,53
Como anécdota, los baristas han observado que la incorporación de pequeñas
cantidades de agua líquida en el café en grano entero antes de molerlo da como
resultado una carga aparentemente reducida. En nuestras manos, también resultó
en que el molino retuviera una masa casi nula, una observación que tiene
implicaciones para reducir el desperdicio y aumentar la calidad de las bebidas.
Quizás revisemos esto en un estudio futuro, pero por ahora, estamos más
interesados en si la adición de agua neutraliza los efectos de la fracto y
triboelectrificación o modula la agregación de partículas a través de fuerzas
capilares. De hecho, si bien la abundancia de agua parece impedir la
acumulación de carga,54 trabajos recientes sugieren que pequeñas
cantidades de agua libre durante la electrificación granular pueden producir
comportamientos inesperados. Por ejemplo, Grosjean y Waitukaitis55
demostraron que el agua puede cambiar el comportamiento de carga de forma
aleatoria e irreversible. Hu y sus colegas descubrieron que el voltaje de
circuito abierto de un nanogenerador triboeléctrico aumenta con la humedad
relativa hasta valores del 50%.56 También realizamos experimentos de
humedad (Figura S4) y descubrimos que la humedad solo afectaba la carga por
encima de aproximadamente el 60% de humedad relativa (RH).), en línea con
Hu et al.56
Para evaluar el impacto de la
adición de agua, introdujimos agua sistemáticamente al café en grano y molido
en la configuración 2.0. Las relaciones Q/m en función del agua agregada se
presentan en la Figura 6A. Todos los cafés de origen comercial de diferente grado
de tostión oscura, contenido de humedad y origen/métodos de procesamiento (ver
Tabla S1) muestran una reducción sistemática en la carga a medida que aumenta
el contenido de agua externa. A medida que el contenido de agua se acerca a 20
μL/g, la carga se acerca a 0 nC/g. Realizamos experimentos adicionales para
aislar el impacto de la humedad ambiental y descubrimos que, si bien la
humedad puede comenzar a reducir la carga por encima del 60% de HR (ver
Figura S4), todas nuestras mediciones se realizaron entre 25% y 45% de HR y
en gran medida no se vieron afectadas por el agua de la humedad atmosférica.
Este resultado es algo sorprendente dado que la mayor parte de la carga
proviene de eventos de fractoelectrificación y el agua sólo se introduce en la
superficie de los granos enteros casi instantáneamente antes de la molienda
(evitando la absorción y la humectación homogénea del interior del café).
Aquí, el agua puede estar actuando para reducir las temperaturas interfaciales
durante la fractura (el café sale del enfriador de la cámara en presencia de
agua; ver Figura S5), o tal vez esté facilitando algún otro proceso físico, por
ejemplo, permitiendo una rápida transferencia de iones solvatados.
Figura 6 La humedad externa
controla la carga de la superficie y provoca la desagregación de partículas.
Debido a que tanto la tribocarga
como la fractocarga pueden originarse a partir de ionización electrónica,
transferencia de iones nucleares o una combinación de ambas,57
desarrollamos aún más un experimento para suprimir la transferencia de iones
mediante la inclusión de iones directamente en la solución humectante. Si la
transferencia de iones es un mecanismo operativo, la inclusión de agua salada
debería producir una carga notablemente reducida, diferente a la del agua pura.
La Figura 6B revela que la inclusión de NaCl, ya sea a 0,5 o 1,0 M, muestra la
misma reducción de carga fractoeléctrica que la del agua pura. Estos datos nos
llevan a concluir que la
electrificación iónica probablemente no sea el mecanismo de carga del café sino
más bien la transferencia de electrones.
Para deducir si las partículas de
café estaban formando agregados neutros, examinamos tanto las distribuciones de
tamaño de partículas de difracción láser como la agrupación electrostática
(Figuras 6C y 6D). A partir de la distribución del tamaño de las partículas,
queda claro que la inclusión de incluso pequeñas cantidades de agua (tan bajas
como 5 μL/g) da como resultado una reducción inmediata de los agregados
electrostáticos de cantos rodados y finos (la región de agrupación en la Figura
6C). De la Figura 6D, los datos revelan que un café con carga positiva pasa a
neutral, con un ligero aumento correspondiente en la formación de partículas
negativas. En conjunto, suponemos que el agua pasiva directamente la
formación de cargas fractoeléctricas y triboeléctricas en el café y provoca la
desagregación de partículas. Por lo tanto, el enfoque de adición de agua
parece lograr dos objetivos clave en la molienda del café al reducir la carga
electrónica tanto positiva como negativa y reducir la formación de grumos, y
debería dar como resultado diferencias notables en la dinámica del flujo
durante la preparación.
El impacto de la adición de agua
durante la molienda se demostró al preparar un poco de espresso. Allí, todos
los parámetros del espresso se mantuvieron constantes (se usaron 18,0 g de café
en masa seca para producir 45,0 g de extracto de café líquido, se molió en la
configuración 1,0, se apisonó a 196 N y se preparó usando agua a 94 °C,
mantenida a una presión estática de agua de 7 bar con una preinfusión de 2 s),
y el tiempo de disparo y el caudal dependieron, por tanto, del tamaño de
partícula y la permeabilidad del lecho de espresso. A partir de los datos
presentados en la Figura 7, se observan varias diferencias físicas. En primer
lugar, el tiempo de disparo es casi un 50% más largo para el café producido
con la adición de agua. Entendemos que esto se debe a una mayor densidad del
lecho de café (pastilla); Debido a que los finos y los gruesos no se atraen
electrostáticamente entre sí, el tamaño promedio de las partículas es
menor. En segundo lugar, a pesar de esto, las primeras gotas de café llegan a
la taza aproximadamente al mismo tiempo (10 s). Al final del shot, el
espresso preparado sin agua agregada a los granos enteros produce una
concentración en taza de 8,2% de sólidos disueltos totales (TDS), mientras que
la adición de agua produce una taza con 8,9% de TDS. Quizás el aumento en la
concentración podría atribuirse simplemente a un mayor tiempo de contacto, pero
como destacamos en un artículo anterior,26 los shots con el mismo
grado de extracción, pero diferentes parámetros de tiempo deberían tener
sabores marcadamente diferentes.
Figura 7 Dependencia del tiempo de colado (shot) y del caudal con y sin agua añadida al café en grano entero
Finalmente, también examinamos el
caudal durante todo el colado (shot). Debido a que el lecho de café se hincha
simultáneamente y al mismo tiempo se erosiona, planteamos la hipótesis de que
el proceso debería describirse mediante una función sigmoidea/logística donde
el caudal se aproximará a una constante a medida que el lecho de café espresso
se acerca a una resistencia constante (antes de que el lecho se destruya o se hagan
canales). Al ajustar sigmoides a un promedio de tres tomas de espresso para las
muestras molidas húmedas y secas, podemos calcular la velocidad a la que el proceso
en el lecho avanza hasta alcanzar el flujo de equilibrio. Para las muestras
de café molido en seco, la tasa es casi 2 veces mayor que la de las muestras de
café molido en húmedo. Esto, junto con el punto medio de los ajustes
sigmoidales, es decir, el tiempo necesario para alcanzar el punto de inflexión
en el caudal, revela que las shots preparadas sin la adición de agua durante la
molienda alcanzan caudales de equilibrio aproximadamente al mismo tiempo que
tarda el shot preparado con la adición de agua hasta alcanzar su punto de
inflexión. En otras palabras, esta es una evidencia concluyente que sugiere que
el café molido en seco está produciendo un lecho con vías notablemente más
porosas. En comparación con exactamente el mismo café, pero molido en húmedo,
podemos concluir que la molienda húmeda da como resultado menos espacio dentro
del lecho compactado y probablemente un contacto más homogéneo con el agua
durante la duración del shot. Recordando que nuestro estudio anterior26 destacó
que los ajustes de molienda más finos producían una extracción desigual y
variable, ahora ofrecemos una solución a esta variación. La adición de
agua durante la molienda debería producir perfiles de sabor marcadamente
diferentes, y esperamos que, si luego se alterara tanto la masa del café
como el ajuste de molienda, el proceso debería dar como resultado un espresso
altamente reproducible.
¿Cuál
es el papel del agua en la pasivación de cargas?
Está claro que la humedad
controla la carga. Sin embargo, la base precisa de esta observación sigue
siendo enigmática. Una posibilidad la ofrece un estudio reciente de Shin y sus
colegas58, donde la magnitud y la polaridad de la electrificación se
predicen a partir de un efecto termoeléctrico interfacial. En resumen, la carga
de un material se puede predecir a partir de su "factor
triboeléctrico", un descriptor que relaciona el coeficiente de Seebeck (S)
de un material y la raíz cuadrada de la densidad (ρ), el calor específico (c) y
la conductividad térmica (k) del material:
El signo de S está determinado
por el tipo de portador de carga si condujeran electricidad, es decir, positivo
para un hueco y negativo para un electrón, y la magnitud de S depende de la
banda prohibida electrónica -electronic band gap-
(Banda: Se refiere a un grupo de orbitales
con energía similar, brindando una perspectiva más amplia de la estructura
electrónica de un material.)
(es decir, los S de los metales son casi cero)
y la ubicación del nivel de Fermi. El nivel de Fermi de la mayoría de los
metales utilizados en las fresas de las amoladoras (por ejemplo, acero con
recubrimientos de nitruro de titanio, carbono similar al diamante) se sitúa ca.
−5,0 eV en relación con el vacío.59,60,61 Debido a que los valores
de ρ y k de los metales son muy altos, el factor triboeléctrico de las rebabas
sería muy pequeño y positivo. Observamos que otras composiciones de rebabas
producirán efectos de carga marcadamente diferentes. Por ahora, suponiendo que
el tribofactor de las rebabas se trate como constante, podemos estimar cómo los
parámetros del café (tostado, contenido de agua, ajuste de molienda) pueden
afectar el tribofactor de las partículas de café al alterar S, ρ, c y k62,63
y deducir tendencias cualitativas en la electrificación.
El número de Agtron es
proporcional a la banda prohibida electrónica, los cuales se reducen con
tuestes más oscuros. Esto debería hacer que el coeficiente Seebeck del café
disminuya con el tueste y, en consecuencia, también debería hacerlo su
tribofactor. Esta hipótesis generalmente se alinea con la observación de que
las moléculas orgánicas oxidadas tienen orbitales desocupados bajos y explica
la similitud en la carga entre el café y otros medios orgánicos.2 Además,
debido a que la molienda causa calor (ver Figura S5), y asumiendo que la cy k
casi no cambian para la mayoría de los cafés, pero los cafés oscuros
generalmente resultan en partículas más pequeñas, los cafés más oscuros
deberían calentarse más y producir una carga cada vez más negativa. Esta
concentración de carga negativa en partículas pequeñas “cálidas” ha sido
invocada previamente por Gu y sus colaboradores para explicar el hecho de que a
menudo se observa que las partículas de arena más pequeñas, arrastradas por el
viento, llevan carga negativa.64
El factor que complica la
situación sigue siendo el papel del agua interna residual. Una posibilidad
es que el agua esté afectando el pH interno, lo que a su vez cambia el
potencial químico interno o el nivel de Fermi en 60 mV por unidad de pH.65
A un pH más bajo, el S debería aumentar. Sin embargo, el concepto de pH se
oscurece en la matriz del café, donde las actividades de los protones son
diferentes a las de los ácidos solvatados. El concepto quizás todavía sea
instructivo, ya que los cafés de tueste claro generalmente contienen más ácido
y humedad que sus análogos de tueste oscuro.66 La adición de agua
externa puede servir para muchos propósitos, incluida la reducción de los
gradientes térmicos durante la molienda, lo que afecta la química de la
superficie de las rebabas metálicas, o facilitar la recombinación de portadores
de carga nominalmente atrapados. Claramente, hay muchas preguntas
fundamentales sin respuesta y esperamos que este estudio provoque más trabajo
en el campo.
Perspectivas y conclusiones
Al estudiar el café tostado tanto
de origen comercial como interno, queda claro que muchos factores juegan un
papel en la determinación de la magnitud de la carga durante la molienda. El
contenido de humedad interna residual tiene un efecto de primer orden, con
tuestes más claros (>2 % de humedad interna) que muestran una carga
positiva. Los cafés más secos provocan una transición a una carga en gran
medida negativa. La magnitud de la polaridad puede entonces ser modulada por el
ajuste del molido, con un molido más grueso produciendo menos carga que un
molido más fino. No parecía haber dependencia del origen o del método de
procesamiento. En cambio, podemos especular que es la interacción entre
el color y el contenido de humedad lo que gobierna la carga, y destacamos que
después del tostado, el color puede no cambiar mucho, pero la humedad interna
dependerá de la edad, el ambiente, etc. ¿Quizás esta sea la razón por la
que los cafés de origen comercial se comportan de manera menos predecible que
nuestros tuestes de muestra?
Además, los cafés claros,
medios y oscuros y sus perfiles de tueste pueden presentar regímenes de carga
marcadamente diferentes, incluso para cafés con los mismos valores Agtron. Esto
pone de relieve que los paradigmas de tostado modernos son altamente artesanales
y plantean desafíos fundamentales para el uso de café de origen comercial en
entornos académicos. Esto es importante tanto a pequeña como a gran escala, lo
que potencialmente eleva el control de calidad en las instalaciones de
tostación. De manera similar, uno podría imaginarse utilizar la carga del café
en grano y molido como marcador para una serie de métricas de calidad química y
física. ¿Podrían detectarse defectos químicos monitoreando la
electrificación de granos enteros utilizando la técnica de laminación
presentada en la Figura 1?
Demostramos que la carga del
café depende menos del contenido de agua inicial del café verde y más del
contenido de agua terminal (tanto interna como externa) de los granos tostados.
Mediante la inclusión de pequeñas cantidades de agua externa, el café se
desgruma y suprime eficazmente la carga durante la molienda. El mismo
proceso ofrece tentadoras oportunidades para introducir iones en las partículas
del café utilizando agua salada. Uno podría imaginar el desarrollo de la
mineralización “en la caldera” para producir agua de elaboración de la bebida67
-de diseño in situ -sin el riesgo de dañar las calderas en la preparación del
espresso. Con ese fin, también demostramos que la inclusión de agua en el
café en grano entero da como resultado una dinámica de flujo marcadamente
diferente en la preparación del espresso, lo que sin duda producirá diferencias
en la calidad de la taza. Se anima al lector inspirado a experimentar
utilizando la técnica de adición de agua, pero a incluir además tanto la masa
del café (que controla la proporción de preparación y la fuerza resultante)
como el ajuste de molienda (que controla la restricción del flujo y el tiempo
de contacto resultante) como variables. Una
implementación amplia puede revelar que unos simples chorros de agua han
resuelto los problemas de grumos, canalización y extracciones deficientes, al
tiempo que ayudan a lograr el espresso más sabroso.
Procedimientos
experimentales
Disponibilidad de recursos
Contacto principal: El contacto
principal para este artículo es
Christopher H. Hendon chendon@uoregon.edu.
Disponibilidad de materiales: Este
estudio no generó ningún reactivo nuevo.
Disponibilidad
de datos y códigos
Los datos que respaldan este
estudio están disponibles para descargar desde Figshare:
https://doi.org/10.6084/m9.figshare.23277320.v2
El tostado del café se realizó
utilizando una máquina Ikawa Pro100. Los perfiles de tueste están disponibles
para descargar.68 El color del café/grado de tueste y el contenido
de agua interna tanto del café tostado de origen comercial como del tostado
interno se midieron utilizando el Dipper KN-201 y el Roastrite RM-800,
respectivamente. El Roastrite compensa las variaciones de temperatura y humedad
ambiente.
La molienda del café se realizó
en un molino de fresas planas Mahlkönig EK 43 utilizando fresas de café
originales. Las rebabas se alinearon utilizando la herramienta de alineación de
rebabas de Mahlkönig. Se estableció una configuración de molienda de 0,0 cuando
las rebabas se juntaron para crear un chirrido. Las alineaciones axial, radial
y angular se midieron aplicando un marcador a los bordes más externos de las
rebabas y luego llevando las rebabas a la configuración de rectificado 0,0. Las
rebabas estaban suficientemente alineadas donde se habían eliminado todos los
marcadores radiales y había homogeneidad en la distribución de la molienda a
partir del análisis del tamaño de partículas por difracción láser. Las
mediciones láser se realizaron en un Malvern Mastersizer 2000 con el sistema de
alimentación de partículas sólidas Scirocco 2000. La velocidad de alimentación
por vibración y la presión del aire se ajustaron al 60 % y 2 bar,
respectivamente. Los parámetros del procedimiento operativo estándar (SOP)
fueron tres mediciones por alícuota, un retraso de 2 s entre mediciones, un
índice de refracción y una absorción estimados de 1,59 y 0,1, respectivamente
(similar al chocolate), un tiempo de medición de 10 s, 10.000 instantáneas de
medición, un tiempo de fondo de 5 segundos y 5000 instantáneas de fondo. Los
datos brutos de los gráficos presentados en las Figuras 5 y 6 están disponibles
para descargar.68 El café dos veces molido en la Figura 5 se obtuvo
moliendo primero a 2,0 y luego a 6,0. Estos ajustes se determinaron
empíricamente aislando cuando la distribución del tamaño de las partículas no
cambió durante la segunda molienda (consulte la Figura S4 para obtener más
detalles). Los ajustes de molienda inferiores a 6,0 mostraron un aumento menor
en los finos debido a eventos de fractura aleatoria de partículas grandes. Los
datos sin procesar por triplicado se pueden encontrar en línea.68
Las imágenes fotográficas se recolectaron utilizando un microscopio Keyence
VHZ-100UR.
La cuantificación de Q/m se
realizó utilizando una copa de Faraday hecha a medida, mecanizada para
adaptarse al conducto del molino EK 43. Luego se midió la carga de las
partículas que ingresaban a la copa mediante un electrómetro Keithley 614 que
operaba en modo culombio con un ajuste de rango de ± 2 nC (ver Figura 1C).
Luego se pesó el café recogido en la taza de Faraday utilizando una balanza
genérica de laboratorio para obtener su masa. Luego se utilizaron la masa y la
carga para calcular la relación Q/m. Se empleó la misma configuración de taza
de Faraday para medir la respuesta triboeléctrica de los granos de café enteros
rodando por una rampa vibratoria recubierta que se presenta en la Figura 1A.
Las mediciones de polaridad de
carga de partículas se realizaron utilizando el separador electrostático
siguiendo una configuración presentada en un estudio previo.35 El
sistema que se muestra en la Figura 1C consta de dos electrodos subparalelos de
1 m de largo con una diferencia de potencial de 8,2 kV. El campo eléctrico
separa las partículas según la polaridad de la carga y las partículas se
recogieron en contenedores negativos, neutros y positivos en la base del
separador.
Las soluciones de agua utilizadas
para la reducción de la carga fractoeléctrica se construyeron a partir de agua
de ósmosis inversa de un Pentair Conserv 75E y se mineralizaron utilizando
cloruro de sodio obtenido de Sigma-Aldrich. Se utilizó una pipeta para
introducir agua en el café en grano entero y el café se agitó en un recipiente
sellado para asegurar una distribución homogénea. Las muestras se prepararon
por triplicado.
El café en grano entero se
almacenó en bolsas de vacío impermeables al H2O y se mantuvo a
-20°C. Se dejó que el café se equilibrara a temperatura ambiente en la bolsa de
vacío antes de molerlo. Las mediciones de humedad se realizaron en glove box (cámara
cerrada en la que se proyecta un par de guantes desde aberturas laterales,
utilizada especialmente en laboratorios e incubadoras de hospitales para evitar
la contaminación).y se permitió que el molino alcanzara el equilibrio con el
agua atmosférica. No se permitió que el café se equilibrara para aislar el
papel del agua interna frente al agua externa. De lo contrario, todos los
experimentos se realizaron en aire a 25°C ±2°C,
20% – 45% RH y 101 ± 1 kPa.
El espresso se preparó utilizando
una Victoria Arduino Black Eagle preparado a una presión de agua estática de 7
bares, con agua a 94°C y una proporción de preparación fija de 18 g de café
para producir 45,0 g de espresso. El café molido se apisono usando un PUQpress
Q1, configurado para aplicar 196 N, y se añadió una pantalla difusora normcore
de 58,5 mm en la parte superior del lecho compactado. Los datos del caudal se
calcularon a partir del cambio gravimétrico medido en la báscula.
Expresiones de gratitud
El trabajo fue posible gracias a donaciones de
café verde y tostado de Square Mile, Tailored, Transcend, Onyx, Farmers Union,
Passenger, Reverie, Stumptown, Sweet Bloom, Gracenote, Blueprint, Phil and
Sebastian, Tim Wendelboe, Archetype, Colonna, Ona, Gorilla Gear, SuperJoy, Cà
Phê, Proud Mary, Black & White, gget, George Howell, S&W Craft, Klatch,
Monogram, Mother Tongue, Allegro, Keurig Dr. Pepper, Intelligensia, Counter
Culture, Federico Barrueta y Philip Andrango. Agradecemos a Nuova
Simonelli por proporcionar la máquina de espresso y los molinillos, a Ikawa por
proporcionar el tostador, a Acaia por proporcionar las balanzas, a PUQpress por
proporcionar un tamper Q1 y a Pentair por proporcionar el sistema de filtración
de agua por ósmosis inversa. Agradecemos a Scott Rao por sus útiles debates
sobre las ambigüedades en la descripción de los perfiles de tueste. J.M.H. y
J.D. reconocen el apoyo de la subvención n.º del DOE. 242649 y la subvención
IDS de la NASA 1911057Z4. C.H.H. reconoce el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias
bajo la subvención no. 2237345 y el apoyo de la Fundación Camille y Henry
Dreyfus. Este trabajo fue apoyado por la Coffee Science Foundation, respaldada
por el apoyo financiero de Nuova Simonelli. Y.-H.K. fue apoyado por la
Fundación Nacional de Investigación de Corea (subvención n.°
2019R1A6A1A10073887)
Contribuciones
de autor
El estudio fue concebido por
J.M.H., J.P., R.E.B., J.D. y C.H.H. El café fue tostado por L.C.W. y J.M.H. Las
mediciones de difracción láser fueron realizadas por E.J.R., C.S.M., R.E.B.,
L.E.L. y J.M.H. Las mediciones triboeléctricas fueron realizadas por J.M.H.,
L.E.L. y R.E.B. Las mediciones de espresso fueron realizadas e interpretadas
por E.J.C. y C.H.H. J.M.H. y C.H.H. escribió el manuscrito y todos los autores
contribuyeron a la versión final.
Declaración
de intereses
Los autores declaran no tener
conflictos de intereses.
Matter, Volumen 7
Información suplementaria
Triboelectrificación
controlada por humedad durante la molienda del café
Joshua Méndez Harper, Connor S.
McDonald, Elias J. Rheingold, Lena C. Wehn, Robin E. Bumbaugh, Elana J. Cope,
Leif E. Lindberg, Justin Pham, Yong-Hyun Kim, Josef Dufek y Christopher H.
Hendon
Figura S1. Perfiles de tueste de
los 12 tostados internos. Los gráficos de temperatura versus tiempo para cada
muestra de café tostado en el Ikawa Pro100. Los tostados dieron como resultado
los valores numéricos presentados en la Tabla S2. Corto y largo se refieren a
tiempos Morse en Ikawa.
Figura S2. Corrección empírica de
la variación del tamaño de molienda debido al color del tueste. Primero se
molieron cuatro cafés arbitrarios, desde oscuro (1) hasta claro (4), a 2,0 y se
midió su tamaño de partícula y carga. Para tener en cuenta la diferencia en la
distribución del tamaño de las partículas debido al tueste, se cambió la
configuración de molienda para que las distribuciones del tamaño de las
partículas de cada café coincidieran entre sí. En efecto, esto se logró
moliendo el café más oscuro 0,3 veces más grueso. Se observó una pequeña
reducción en la carga, pero la mayor parte de la carga persiste, lo que resalta
que una variación en el tamaño de las partículas debido al tueste no es la
razón determinante para una mayor carga en los cafés oscuros.
|
Nombre |
Finca/productor |
Origen |
Proceso |
Tostador |
Color Agtron Gourmet |
% Agua |
|
Bensa |
Caficultor pequeño |
Etiopia |
lavado |
Moodtrap |
104.2 |
* |
|
Da Lat |
desconocido |
Vietnam |
lavado |
Cá Phé |
92.2 |
1.8 |
|
Yunnan |
desconocido |
China |
natural |
Super Joy |
90.2 |
2.0 |
|
El Vergel
Carbonic |
El Vergel |
Colombia |
natural |
Finca el
Vergel |
86.3 |
2.3 |
|
Huila |
Caficultor pequeño |
Colombia |
natural |
Heart |
82.8 |
2.9 |
|
Reina |
Finca Gascón |
Guatemala |
lavado |
Manhattan |
81.8 |
* |
|
Jinotega
Rainforest |
Caficultores
Gold Mountain |
Nicaragua |
lavado |
Farmers Union |
81.1 |
1.9 |
|
Yogondoy |
Garcia Luna |
México |
lavado |
Farmers Union |
81 |
1.7 |
|
Intro |
Caficultores
pequeños |
Brasil/Etiopia |
mezcla
natural |
Tailored |
80.8 |
1.8 |
|
Tacámbaro |
El Pantano |
México |
natural |
El Apapacho
(Mau) |
79.6 |
2.6 |
|
Red Brick |
La Serranía/El
Palmarito |
Colombia/Guatemala |
Mezcla lavado |
Square Mile
Coffee |
77 |
2.0 |
|
Bekele |
Hache |
Etiopia |
natural |
Farmers Union |
75.9 |
1.6 |
|
Amatepec |
El Equimite |
México |
lavado |
Café Mexiquense |
75.6 |
2.2 |
|
Turihamwe |
JNP Coffee |
Burundi |
lavado |
Mother Tongue |
75.2 |
2.2 |
|
Women’s Group
Unicycle com |
desconocido |
Colombia |
Mezcla lavado |
L.A. Coffee |
75.1 |
1.8 |
|
Kolla Bolcha |
Caficultores pequeños |
Etiopia |
lavado |
Vesta |
75 |
2.2 |
|
Temascaltepec |
Federico
Barrueta |
México |
lavado |
Exploradores
de café |
74.2 |
* |
|
Jinotega
natural |
Caficultores
Gold Mountain |
Nicaragua |
natural |
Farmers Union |
72.5 |
2.0 |
|
Tacámbaro |
El Pantano |
Mexico |
lavado |
El Apapacho
(Mau) |
70.5 |
2.4 |
|
Tarrazu |
Caficultores pequeños |
Costa Rica |
lavado |
George Howell |
69.1 |
1.2 |
|
Planadas |
Varios |
Colombia |
Decaf |
Farmers Union |
66.4 |
1.3 |
|
Blonde
espresso |
desconocido |
Latinoamérica/África
oriental |
Mezcla lavado |
Starbucks |
65.2 |
1.3 |
|
Raku anaeróbico |
desconocido |
México |
natural |
Exploradores
de café |
63.9 |
1.7 |
|
Robusta |
Cereza Robusta
orgánica |
India |
lavado |
Keurig Dr.
Pepper |
59.2 |
1.3 |
|
Mané |
desconocido |
México |
Mezcla lavado |
Mané |
57.7 |
2.2 |
|
Dulce Vida |
desconocido |
Indonesia |
Mezcla lavado |
Farmers Union |
56.2 |
1.1 |
|
Pike’s Place |
desconocido |
Latinoamérica |
Mezcla lavado |
Starbucks |
52 |
1.0 |
|
Kicking Horse |
desconocido |
América Central
y del Sur |
Mezcla lavado
decaf |
Kicking Horse |
42.2 |
1.0 |
|
Super Crema |
desconocido |
Brasil,
India, Colombia, Indonesia, Vietnam |
Mezcla múltiple |
Lavazza |
50.9 |
1.6 |
|
Boneshaker |
desconocido |
Colombia/Honduras |
Mezcla lavado |
Reverie |
67.0 |
1.2 |
Tabla S1.
Detalles de los cafés de origen comercial. * las entradas no fueron medidas.
Tabla S2.
Detalles del perfil de tueste de los cafés tostados internos. Las curvas
objetivo están disponibles para descargar desde
DOI:10.6084/m9.figshare.23277320.
Figura S3.
Determinación empírica del cambio en la distribución del tamaño de las
partículas después de moler café en aperturas sucesivamente mayores.
a) Primero se
molió café a 2,0 y se midió su distribución del tamaño de partículas (curva
verde continua). Si se vuelve a pasar café molido por el molinillo con el mismo
nivel de molienda (2,0), observamos una reducción significativa del tamaño de
las partículas (curva discontinua negra). Moler el café en aperturas más
grandes (por ejemplo, a 3,0; curva discontinua de color verde oscuro) reduce la
fragmentación adicional. A 6,0 (curva verde punteada), ya no observamos
conminución adicional de partículas.
b) El tamaño
medio de partículas después de una operación de molienda primaria con un ajuste
de 2,0 (símbolo negro, vacío) y el tamaño medio de partículas de café molido en
varias aperturas de fresa (2,0-6,0). Los números entre paréntesis corresponden
a los datos presentados en a). La barra horizontal gris representa la
incertidumbre en el tamaño medio de partículas de la molienda primaria en 2,0.
Tenga en cuenta que el reafilado a 6,0 genera una incertidumbre similar
molienda 2.0. Exploramos el
efecto de la humedad relativa ambiental (HR) variable en la electrificación,
molimos café dentro de una cámara ambiental a una HR en el rango de 20-70% a 25
+/- 2 °C. Se permitió que
los cafés y el molino se equilibraran dentro de un ambiente dado durante 90
minutos, ya que trabajos anteriores han demostrado que dicho tiempo de
residencia es crítico para la formación de posibles películas de agua sobre
materiales granulares.1 Tanto para cafés positivos como negativos,
no observamos una correlación clara en el comportamiento de carga con la
humedad entre 20 y 45 % RH. Este rango
se superpone con el intervalo de variación de la humedad en la habitación donde
realizamos todos los demás experimentos en este trabajo (barra horizontal). En
otras palabras, las variaciones en la electrificación reportadas en este
trabajo provienen de factores distintos a las condiciones ambientales. Sin
embargo, observamos que con un %RH superior a ~60% se produce una ligera
disminución en la carga. Si bien esta observación es congruente con trabajos
experimentales previos sobre electrificación granular,1,2 nuestros
experimentos se llevaron a cabo muy lejos de este régimen.
Figura S5. Temperatura antes y
después de la molienda, con y sin adición de agua a los granos enteros. a) Sin
agua añadida, moler 18,0 g de café aumenta su temperatura ~12 ºC. b) La adición
de agua a temperatura ambiente al café en grano entero produce un aumento de
sólo ~5 ºC. Las imágenes térmicas se recogieron en un FLIR TG267.
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Información del artículo
Historial
de publicaciones
Publicado:
6 de diciembre de 2023
Aceptado:
3 de noviembre de 2023
Recibido
en forma revisada: 15 de septiembre de 2023
Recibido:
7 de junio de 2023
Identificación
https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.005
Copyright
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