Sustainable solar roasting of coffee beans

With an annual income of $200 billion USD and an expected growth, the coffee industry has a significant economic impact in the food sector. Sold as whole-bean, instant coffee, coffee pods or capsules, coffee is one of the most marketed food products in the world with an extremely complex supply chain. Since sustainability is becoming an essential target for the process industry actions to improve the coffee production process need to be investigated. Specifically, this work is focused on the roasting process, being the most critical operation in terms of environmental impact and final quality of the product. To make this process more sustainable the fossil fuels, used today to heat up the roasting air, need to be replaced with alternative renewable energy. The study focused on the research of theoretical models able to predict and describe the coffee beans behavior during traditional and solar roasting. The models were evaluated through the use of data collected from bibliographic sources. The temperature and moisture profile of coffee beans during traditional roasting were firstly developed under the main assumptions of the process. Then three alternatives solutions were analyzed. The first faithfully simulate the traditional process with an hot air flow that pass through the beans and a system of parabolic trough to heat up the air was dimensioned. Then, beans were put in direct contact with concentrated solar energy in two different roasting configuration and with a temperature and moisture profile models the feasibility of the processes were evaluated. The main parameters considered are the roasting time, the final beans temperature and the flavour and taste of final product. The first two can be deduced from the formulation adopted for the various cases, while the third requires a specific laboratory analysis to effectively determine if the roasting with direct contact leads to the same quality of the traditional process.

Con un introito annuo di 200 miliardi di dollari e una crescita continua, l'industria del caffè ha un impatto economico significativo nel settore alimentare. Venduto in grani interi, caffè istantaneo, cialde o capsule, il caffè è uno dei prodotti alimentari più commercializzati al mondo con una filiera estremamente complessa. Dal momento che la sostenibilità sta diventando un obiettivo essenziale per le azioni del settore, è necessario investigare su quali possano migliorare il processo di produzione del caffè. Nello specifico, questo lavoro è focalizzato sul processo di tostatura, essendo l'operazione più critica in termini di impatto ambientale e qualità finale del prodotto. Per rendere questo processo più sostenibile i combustibili fossili, oggi utilizzati per riscaldare l'aria di torrefazione, devono essere sostituiti con energie rinnovabili alternative. Lo studio si è concentrato sulla ricerca di modelli teorici in grado di prevedere e descrivere il comportamento dei chicchi di caffè durante la tostatura tradizionale e solare. I modelli sono stati valutati attraverso l'utilizzo di dati raccolti da fonti bibliografiche. La temperatura e il profilo di umidità dei chicchi di caffè durante la tostatura tradizionale sono stati sviluppati in primo luogo sotto le principali ipotesi del processo. Poi sono state analizzate tre soluzioni alternative. Il primo simula fedelmente il processo tradizionale con un flusso di aria calda che passa attraverso i fagioli e un sistema di trogolo parabolico per riscaldare l'aria è stato dimensionato. Successivamente, i chicchi sono stati messi a contatto diretto con l'energia solare concentrata in due diverse configurazioni di tostatura e con modelli di temperatura e profilo di umidità è stata valutata la fattibilità dei processi. I principali parametri considerati sono il tempo di tostatura, la temperatura finale dei chicchi e il sapore e il gusto del prodotto finale. I primi due possono essere dedotti dalla formulazione adottata per i vari casi, mentre il terzo richiede una specifica analisi di laboratorio per determinare efficacemente se la torrefazione a contatto diretto porta alla stessa qualità del processo tradizionale.