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La tecnologia della torrefazione Solare di PuroSole

La tecnica della torrefazione del caffè per irraggiamento solare di PuroSole nasce dalla ricerca, quasi ossessiva, di sostituire con l’energia solare lo sfruttamento di risorse naturali non rinnovabili e di ridurre l’inquinamento ambientale conseguente. La tostatura del caffè è una pratica che risale al XV secolo e che nel corso del tempo si è evoluta passando dalle padelle perforate alle odierne torrefattrici computerizzate.

L’idea alla base di questa tecnica è di indurre la tostatura del chicco di caffè crudo, anziché dal contatto con aria rovente, come attualmente in uso, dal diretto irraggiamento solare, ovvero più precisamente non con il calore del sole, ma con l’irradiazione diretta dei suoi raggi luminosi.

Questa metodica innovativa ha inaspettatamente influito anche sulle caratteristiche organolettiche del caffè, tanto da indurci ad indagare sui processi fisici coinvolti e mettere così a confronto questa tecnica ad irraggiamento solare con la classica tecnica basata sull’aria calda.

Eco-Sostenibilità

La riduzione dei consumi energetici che la tostatura solare comporta, parzialmente dovuta anche alla più elevata efficienza energetica del sistema, deriva dalla completa eliminazione del riscaldamento dei grani tramite la combustione del gas, che è sostituito dal riscaldamento tramite irraggiamento solare.

Ovviamente, non bruciando il gas necessario per ottenere il calore necessario, ma utilizzando il calore indotto dal sole, questo sistema è decisamente più eco-sostenibile di qualsiasi altro classico metodo di torrefazione fino ad oggi utilizzato. Basti pensare che ogni 1000 kg di caffè tostati con il sole non si devono bruciare gli oltre 200 metri cubi di metano della tostatura classica, evitando così la produzione e l’immissione in atmosfera di oltre 400 Kg di CO2

Biologicità

I principi dell’attività di trasformazione dei prodotti, secondo il metodo biologico, sono fissati dall’art. 6 del regolamento CE n. 834/2007 da cui:

– trasformare in maniera accurata gli alimenti, preferibilmente avvalendosi di metodi biologici, meccanici e fisici.

E’ fuori discussione quindi il fatto che, sostituire la fase di tostatura del caffè mediante combustione di gas, con la tostatura ad irraggiamento solare, sia un sensibile miglioramento di uno degli stadi della trasformazione e che questo possa contribuire molto al consolidamento della filiera biologica.

La tecnica della tostatura classica

Per comprendere meglio le differenze di processo implicate nella nuova tecnica di tostatura con il sole rispetto alle tecniche oggi utilizzate, è necessaria una breve disamina sullo stato dell’arte di quest’ultime.

Da wikipedia:
“La torrefazione o tostatura è un processo generico di arrostimento, che sottopone una sostanza ad elevata temperatura, in maniera da disidratarla, ossidarla e in taluni casi anche carbonizzata parzialmente.”

La definizione data da wikipedia è abbastanza chiara ma necessita, nel caso specifico della tostatura del caffè, dell’accenno a due aspetti insidiosi e negativi che sono inevitabili in questo processo. La gassificazione e l’autocombustione. Per gassificazione ci riferiamo alla rapida trasformazione di oli e zuccheri in gas e la loro conseguente espulsione dal chicco in tostatura. Questo processo inizia quando la temperatura del grano di caffè supera i 100°C, con l’evaporazione dell’acqua. Successivamente, con l’aumentare della temperatura, vengono coinvolte altre sostanze in una complessa combustione e questo fino al raggiungimento della temperatura dei 200-220°C necessari alla tostatura. La dilatazione temporale di questo processo incrementa la perdita per espulsione come gas delle varie e complesse componenti del chicco in torrefazione, motivo per cui questa fase di tostatura deve essere completata in un tempo più ridotto possibile.

L’evento di autocombustione, invece, interessa la fase finale della tostatura, quando la temperatura si avvicina ai 200°C. Infatti, a questa temperatura inizia la carbonificazione e all’interno del chicco si innesca un processo di combustione auto-alimentata, che continua a innalzarne la temperatura anche senza l’apporto di un riscaldamento esterno. Per questo motivo, poco dopo il raggiungimento di questa fase, è necessario un rapido raffreddamento del caffè appena tostato per abbattere la temperatura al suo interno ed evitare che lo stesso si consumi per completa autocombustione.

Dopo queste precisazioni passiamo di seguito a descrivere, sempre brevemente, le due odierne principali tecniche di torrefazione.

Stato dell’arte: le due principali tecniche odierne di torrefazione.

Sempre da Wikipedia:

” Nella torrefazione del caffè i grani vengono sottoposti a temperature di 200-220 °C mentre vengono agitati. I metodi di torrefazione sono essenzialmente due: “a letto fluido“, nel quale i chicchi di crudo vengono investiti con getti d’aria calda a temperature tra i 300°C ed i 400°C per pochi minuti, rimanendo in sospensione nella camera di tostatura (da qui il nome del processo); ed “a tamburo rotante“, in cui si utilizza un tamburo metallico al cui interno sono presenti coclee o alette per rivoltare continuamente il prodotto ed uniformarne la tostatura, in cui un bruciatore a gas convoglia l’aria calda necessaria al processo, per un tempo di circa 15-20 minuti secondo il tipo di caffè, la capacità della tostatrice ed il gusto del torrefattore. Mentre nel primo sistema il caffè viene tostato molto più esternamente che all’interno, comportando anomalie gustative e di preparazione, il secondo metodo migliora nettamente, uniformando la tostatura, la resa aromatica del caffè. È sufficiente aprire un chicco a metà agendo sul solco chiaro ed osservare l’interno per rendersi conto della bontà o meno del processo di torrefazione subìto. “

Come riportato da wikipedia, nei due sistemi tradizionali di tostatura il calore viene trasmesso al grano di caffè per convezione dell’aria, molto forzata nel caso del “letto fluido” e più moderata nel caso del “tamburo rotante“. Semplificando, la tostatura con “letto fluido” equivale alla cottura degli alimenti nel forno di casa con modalità termo-ventilata, mentre la tostatura a “tamburo rotante” equivale alla cottura degli alimenti nel forno di casa con modalità normale: con la termoventilazione la cottura sarà più intensa e più rapida, ma cuocerà gli alimenti ancora più all’esterno che all’interno di quanto non avvenga con la normale cottura in forno. In entrambi i casi comunque, il calore viene ceduto dall’aria riscaldata a 300°C – 400°C all’intero grano di caffè tramite il contatto con lo strato esterno del chicco stesso.

Anche se nelle moderne torrefazioni la temperatura ed il flusso dell’aria vengono controllati da sistemi automatizzati che permettono di determinare in modo preciso il profilo di tostatura, cioè la curva di temperatura del grano di caffè durante tutto il processo, inevitabilmente con le due tecniche appena descritte, ogni singolo chicco di caffè risulterà tostato sempre di più all’esterno che all’interno, ovvero il chicco sarà sempre tostato troppo all’esterno e poco all’interno. D’altra parte aumentare il tempo di tostatura, seppure a temperatura più bassa, per migliorare l’uniformità, comporterebbe una prolungata evaporazione e combustione degli zuccheri e degli oli interni al chicco con conseguente riduzione delle caratteristiche organolettiche di un buon caffè. Quindi sintetizzando possiamo cosi riassumere:

tostatura veloce = chicco non omogeneo
tostatura lenta = degradazione delle caratteristiche organolettiche

La complessità nella ricerca del miglior compromesso nella modulazione dei vari fattori che influenzano il delicato processo della torrefazione, peraltro specifica per ogni diversa origine del caffè, è il motivo principale per cui ancora oggi questa pratica è considerata un’arte. 

La tostatura per irraggiamento a luce solare.

1. Gli aspetti positivi della fisica del processo

La peculiarità della torrefazione mediante irraggiamento a luce solare consiste in una migliore uniformità del grado di tostatura tra la parte esterna e la parte interna del chicco ed una maggiore conservazione delle sue proprietà naturali con conseguente esaltazione delle sue caratteristiche organolettiche. Questo perché la tostatura solare permette di ottenere chicchi tostati uniformemente in tempi ridotti rispetto alle tecniche tradizionali prima descritte, eliminando anche la necessità di una convezione forzata dell’aria. Il metodo di torrefazione per irraggiamento a luce solare, descritto in questo documento, si basa essenzialmente sul riscaldamento dei grani di caffè attraverso l’energia elettromagnetica della luce emanata dal sole.

L’idea alla base di questa nuova tecnica nasce dal’osservazione del chicco di caffè ancora crudo. Infatti quello che è stato notato, e che ha dato il via allo studio di questo metodo innovativo di torrefazione, è che il grano di caffè crudo non è completamente opaco.

Il chicco di caffè crudo, è di colore verde chiaro e parzialmente translucido, ovvero non completamente opaco alla luce e quando illuminato dall’esterno la luce penetra all’interno del chicco dal quale viene assorbita e convertita in calore a diverse profondità in funzione della lunghezza d’onda. La luce del sole ha una caratteristica speciale che non è praticamente riproducibile da nessun tipo di dispositivo generatore di luce artificiale: ha uno spettro di colori molto ampio. Questo vuol dire che contiene tutte le diverse lunghezze d’onda, dalla gamma degli ultravioletti a quella degli infrarossi.

Questo aspetto fa si che il calore è “generatoall’interno del grano di caffè contemporaneamente a diverse profondità e non soltanto propagato dall’esterno verso l’interno come invece accade con il tradizionale riscaldamento a contatto con l’aria calda. I fotoni che penetrano la superficie del grano di caffè, cedono energia durante il loro percorso in modo diverso in funzione sia della loro frequenza e sia del colore del chicco, e che a sua volta cambia con il grado di tostatura.

Inoltre in questa tecnica, la funzione dell’aria è addirittura opposta a quella tradizionale. Infatti, l’aria che avvolge il chicco, non essendo riscaldata dai raggi solari in virtù della sua trasparenza, sarà sempre più fredda del chicco stesso, contrastando in tal modo l’aumento della temperatura sulla superficie del grano di caffè e contribuendo alla riduzione del gradiente di temperatura tra l’esterno e l’interno del chicco stesso.

Un altro effetto visibile della torrefazione per irraggiamento a luce solare è la rapida bruciatura della pellicola interna, effetto che ne aiuta il distacco e la successiva eliminazione. L’energia luminosa che raggiunge il chicco fa infatti salire molto rapidamente la temperatura della leggera pellicola.

2) Gli aspetti critici della fisica del processo

L’aspetto più delicato della fisica di questo processo è dato dalla estrema direzionalità della luce. Per tostare correttamente il caffè, durante tutta la fase di cottura, ogni chicco deve essere direttamente illuminato dai diversi angoli ciclicamente e allo stesso tempo senza rimanere troppo esposto all’intensa luce dalla stessa angolazione per troppo tempo. Infatti la temperatura, di un chicco di caffè esposto a questa intensità di luce, può salire di quasi 10°C al secondo(*). Al contrario del classico processo di riscaldamento con l’aria calda, che penetra e circola in ogni spazio libero tra i chicchi durante la tostatura, la luce colpirà soltanto i grani di caffè antistanti che incontra, e che naturalmente coprono i chicchi retrostanti lasciandoli in ombra. E’ da sottolineare che l’energia per la tostatura, in questa tecnica, non può raggiungere il caffè in nessun altro modo: se un chicco non è irraggiato direttamente può rimanere quasi completamente crudo anche se immerso insieme al resto del caffè perfettamente tostato.

(*) Per esempio, un grano di caffè di crivello 18 che a metà tostatura pesa 170 mg., ha una sezione massima di circa 90 mm² di superficie. Tenendo conto che il calore specifico del caffè è di circa 1.4 (J/g x °C), questo grano, assorbendo un energia di 2.25 Watt quando illuminato con una radiazione luminosa solare di intensità pari a 2.5 MegaLux, può subire un innalzamento di temperatura di 9.4 °C al secondo.

Le caratteristiche organolettiche

La tostatura rapida e uniforme che l’irraggiamento solare agevola, è senza dubbio uno dei punti a favore di questa tecnica di torrefazione. Ma non è l’unico: infatti l’altro aspetto importante insito in questa innovativa tecnica è l’assenza della convezione forzata dell’aria sul chicco di caffè. Nei sistemi tradizionali di torrefazione sia a letto fluido che a tamburo rotante, l’aria è fatta circolare forzatamente tra i chicchi di caffè in quanto unico vettore del calore tra il bruciatore a gas, che genera l’energia termica, ed il caffè, che la deve assorbire. Una volta che la molecola di aria ad alta temperatura (300-400°C) è stata a contatto diretto con il chicco di caffè, si raffredda nel cedere il suo calore al chicco stesso e deve essere sostituita da una nuova molecola di aria calda. Per questo motivo l’aria viene sempre mantenuta in circolazione, esattamente come accade con un asciugacapelli.

Questa circolazione forzata però trascina via con sé anche i prodotti aerei della trasformazione fisica che avviene nel chicco.
Nella tostatura per irraggiamento, al contrario, il chicco è sempre circondato dai suoi stessi vapori prodotti dalla trasformazione degli oli e degli zuccheri. Trasformazione che è conseguenza della reazione chimica indotta dal calore generato all’interno del chicco stesso dalla radiazione luminosa. Per fare un paragone è un po’ come la differenza di cottura tra la carne lessa e la carne arrosto. Nella carne lessa buona parte delle sostanze prodotte dalla cottura finirà nell’acqua calda (che si trasformerà in brodo), mentre nell’arrosto la quasi totalità del prodotto di cottura resterà al suo interno. Come quindi possiamo aspettarci, questa differente tecnica di torrefazione produce dei
differenti risultati organolettici.

L’analisi chimica obiettiva di questi risultati è piuttosto complessa, così come lo è quella sul caffè tostato tradizionalmente, questo a causa delle centinaia di reazioni chimiche diverse che avvengono nel processo di tostatura. D’altro canto un giudizio basato su un’analisi soggettiva sarebbe chiaramente di parte. Comunque, per ciò che vale e a solo titolo di curiosità dei test degustativi, basati su comparazioni in doppio cieco, sono stati eseguiti da un piccolo gruppo di volontari. Lo stesso caffè crudo mono origine (Santos – Brasile) è stato tostato sia da torrefazioni classiche che da questo impianto innovativo e, nel 100% dei confronti, la valutazione della tostatura solare è stata sempre considerata superiore a quella tradizionale in riferimento ai parametri di: aroma, acidità, retrogusto, corpo e cremosità. Naturalmente è possibile effettuare nuovi test di degustazione tostando i caffè di diversa origine e qualità sull’impianto pilota.

La tecnica di irraggiamento a concentrazione

L’energia solare, così come ci arriva, non ha la sufficiente intensità per essere utilizzata direttamente per la torrefazione del caffè. Per ottenere il riscaldamento del caffè crudo con l’aumento di temperatura nel tempo necessario ad una corretta torrefazione, la luce solare deve essere concentrata. L’intensità della luce solare per una tostatura completata in un tempo compreso tra i 5 e i 20 minuti deve avere un valore da 2 a 8 Megalux ovvero da venticinque a cento volte circa l’intensità del sole in una giornata con il cielo limpido. Per ottenere questa intensità luminosa il sole viene riflesso da diversi specchi, ognuno dei quali con una dimensione della superficie simile a quella del contenitore da riscaldare, che puntano tutti sullo stesso obbiettivo. In questo modo l’intensità della luce ottenuta sarà uguale alla somma di tutti i fasci di luce inviati dai riflettori utilizzati. Per mantenere il fascio luminoso così prodotto un punto fisso durante tutto il giorno vengono utilizzati degli apparecchi chiamati eliostati a concentrazione, i quali sono strumenti motorizzati che cambiano automaticamente l’inclinazione degli specchi in funzione del cambiamento della posizione del sole. Questi eliostati che raccolgono l’energia solare sono collocati all’aperto per poter captare al meglio il sole da ogni angolo e indirizzare la luce riflessa concentrandola verso una camera di torrefazione che contiene il caffè da tostare.

 

Il ricevitore contenitore del caffè può essere disposto sia all’aperto di fronte agli eliostati o all’interno di un edificio provvisto di un apertura a vetro per il passaggio della luce riflessa proveniente gli specchi. Poiché i raggi del sole che arrivano sulla terra viaggiano quasi paralleli, la distanza tra gli eliostati che raccolgono il sole ed il ricevitore con il caffè da tostare può essere di diverse decine di metri senza alcuna perdita di energia. Dal punto di vista energetico per ogni kg. di caffè crudo è necessario almeno un chilowatt di energia radiante. Infatti, per far evaporare i 200 gr. di acqua mediamente contenuti in un kg., il caffè crudo assorbe 520 kilojoule che, con una energia di irraggiamento di 1 Kw corrispondono a circa 9 minuti (520 secondi). Questa evaporazione dell’acqua corrisponde circa alla perdita di peso che si ha nel caffè tostato rispetto a quello crudo. Terminata la fase di evaporazione, la restante metà dell’energia fornita dal sole è utilizzata per portare la temperatura del chicco da poco sopra i 100°C ai 200-220°C necessari a terminare il processo di torrefazione. Per assicurare questa energia necessaria alla torrefazione, per ogni kg. di caffè crudo servono circa 2 mq. di specchi di collettore solare. Quindi per es. per tostare 30 kg. servono 60 mq. di superficie esposta al sole che indirizzerà il fascio concentrandolo sul contenitore del caffè da tostare.

Un aspetto che deve essere preso in considerazione con questa tecnica di tostatura è che il trasferimento di energia verso il chicco in torrefazione è direzionale. La luce che investe il grano di caffè lo fa principalmente da una direzione preferenziale, al contrario del sistema di tostatura ad aria calda che invece circonda completamente il chicco. Per questo motivo il sistema di contenimento e miscelazione del caffè deve essere progettato con molta cura per permettere ad ogni singolo grano di essere esposto alla luce con un ciclo breve e per una discreta frazione del tempo totale di esposizione.

Un aspetto che deve essere preso in considerazione con questa tecnica di tostatura è che il trasferimento di energia verso il chicco in torrefazione è direzionale. La luce che investe il grano di caffè lo fa principalmente da una direzione preferenziale, al contrario del sistema di tostatura ad aria calda che invece circonda completamente il chicco. Per questo motivo il sistema di contenimento e miscelazione del caffè deve essere progettato con molta cura per permettere ad ogni singolo grano di essere esposto alla luce con un ciclo breve e per una discreta frazione del tempo totale di esposizione.

Il risparmio energetico

 Anche se non è tra i principali aspetti positivi di questa tecnica, il risparmio energetico derivante dall’eliminazione della fonte principale di energia termica necessaria ai bruciatori a gas, sostituita da una risorsa illimitata e gratuita come quella solare, determina una, se pur minima, comunque apprezzabile riduzione dei costi di produzione. Considerando che la fase di tostatura tradizionale di un kg. di caffè richiede orientativamente 6 MJ (il metano ha 37 MJ per mc), ci vogliono 162 mc di metano per tostare un tonnellata di caffè. Anche considerando un costo industriale del metano di 0.20 €/mc sono circa 32 € di risparmio ogni 1000 Kg. di caffè.

L’efficienza energetica

L’irraggiamento solare riscalda principalmente i soli grani di caffè, e non l’aria da cui sono circondati. Teoricamente la tostatura per irraggiamento potrebbe avvenire tranquillamente anche in aria fredda, e anche se nella realtà la temperatura dell’aria a contatto dei chicchi sale, l’energia ceduta dai chicchi all’aria è comunque minima, tant’è vero che, se per tostare il caffè crudo in maniera tradizionale è necessario scaldare l’aria a 300-400°C con una potenza di almeno 5 Kw per kg., nel caso della tostatura per irraggiamento solare è sufficiente una potenza di un solo Kw. per kg. , questo perché la temperatura massima all’interno del contenitore è proprio quella del caffè e che arriverà a 200-220°C solo al termine della tostatura. L’utilizzo di più basse temperature, con la conseguente riduzione delle problematiche connesse all’isolamento termico e alla necessità di un sistema di recupero dell’energia termica, rendono questa tecnica decisamente molto più efficiente dei sistemi tradizionali di torrefazione. Un’altra caratteristica positiva dell’irraggiamento diretto è la totale assenza di inerzia termica del contenitore. La tostatura infatti comincia istantaneamente a freddo appena il caffè viene illuminato dalla luce solare, senza nessuna necessità di preriscaldare alcunché nella macchina. Anche questo contribuisce all’elevata efficienza energetica complessiva di questo sistema.

La produttività

Pur considerando tutti i lati positivi legati all’utilizzo dell’energia solare nel procedimento di tostatura del caffè, è da considerare bene un aspetto critico che invece richiede una speciale organizzazione, cioè quello legato alla discontinuità della disponibilità dell’energia solare stessa. Per la sua particolarità, il sistema di torrefazione a concentrazione richiede un’illuminazione solare abbastanza costante durante tutta la fase di tostatura. Questo aspetto purtroppo limita l’utilizzo di questa tecnica alle sole giornate in cui sia prevedibile, con una buona attendibilità, un cielo sereno in cui il sole non venga coperto dalle nuvole con troppa frequenza. E’ infatti molto importante che, una volta iniziato il processo di tostatura, questa non venga interrotta nei 5-20 minuti successivi. Il processo di innalzamento della temperatura del caffè in torrefazione deve essere mantenuto sotto controllo e rispettare le tolleranze massime ammesse dal suo profilo di tostatura. Questa limitazione, pur essendo di fatto l’unico aspetto critico di questa tecnica di torrefazione, influenza in modo rilevante gli orari, i giorni ed i luoghi in cui sia possibile applicarla.

Per esempio i due grafici, sopra riportati, ci mostrano il numero di cicli di tostatura che si sarebbero potuti effettuare negli anni 2014 e 2015 nella zona di Roma. Le barre verdi indicano, per ogni settimana dell’anno, i periodi di almeno 20 minuti consecutivi di piena insolazione, e cioè senza alcuna interruzione da nuvole di passaggio. Naturalmente in funzione del luogo, la formazione e il movimento delle nuvole seguirà regole diverse, così come anche il numero di ore di insolazione cambiano in funzione della latitudine del luogo stesso. In ogni caso quello che possiamo notare, osservando i due grafici relativi alla zona di Roma, è che la distribuzione probabilistica di avere un cielo sereno per almeno 20 minuti, è relativamente costante nell’arco dell’intero anno solare. Un dato importante che si evince dai grafici, è il numero totale di cicli possibili ogni anno, che nei due casi mostrati, è di circa 3000. Per fare un paragone con una macchina per torrefazione classica che lavora otto ore al giorno a pieno ritmo, una torrefazione solare installata nella zona di Roma lavorerebbe l’equivalente di circa tre ore al giorno.

Fortunatamente questo aspetto critico può essere contenuto dalla capacità del caffè, sia crudo che tostato, di essere stoccato per lunghi periodi nei silos. Una attenta pianificazione stagionale in funzione del luogo in cui viene installato l’impianto, permetterà di ottenere una buona produttività. Ricordiamo infine che, diversamente da come possa sembrare, l’intensità della radiazione solare in inverno non è molto diversa da quella che si ha in estate. La differenza è solo nella diversa inclinazione con cui la radiazione raggiunge il suolo e del numero di ore giornaliere in cui è fruibile. Questo solo per sottolineare che, a parte la diversa produttività oraria tra i mesi dell’anno, non ci sono sostanziali differenze nella qualità risultato finale

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