ITUB20156318A1 - Metodo ed apparecchiatura di tostatura - Google Patents

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ITUB20156318A1
ITUB20156318A1 ITUB2015A006318A ITUB20156318A ITUB20156318A1 IT UB20156318 A1 ITUB20156318 A1 IT UB20156318A1 IT UB2015A006318 A ITUB2015A006318 A IT UB2015A006318A IT UB20156318 A ITUB20156318 A IT UB20156318A IT UB20156318 A1 ITUB20156318 A1 IT UB20156318A1
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ITUB2015A006318A
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Carlo Scolari
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Scolari Eng S P A
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Description

Metodo ed apparecchiatura di tostatura
La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad una apparecchiatura per la tostatura di un prodotto alimentare, in particolare caffè.
US 6 260479 descrive un metodo di tostatura del caffè che si basa sul fenomeno dello schioppettio (“popping") o criccatura (“cracking") cui sono sottoposti i grani di caffè durante un processo di tostatura in cui i grani di caffè sono sottoposti a pirolisi. In particolare, questo documento osserva che l’andamento del suono che accompagna la tostatura del caffè può essere diviso in tre fasi: un suono di sottofondo che occorre all’ inizio del riscaldamento della carica di caffè fino al suono di primo crack che occorre all’inizio del processo di pirolisi; un periodo intermedio di livello ridotto del suono, tra il primo ed il secondo crack; ed un suono di secondo crack di livello aumentato quando la pirolisi raggiunge il culmine. US 6 260 479 osserva, inoltre, che il suono di primo crack ed il suono di secondo crack hanno intensità maggiore del suono del periodo intermedio. Inoltre, in una banda di frequenze percepibili dall’orecchio umano, variabile da circa 971 a circa 9.172 Hz, questo documento osserva che all’aumentare della frequenza aumenta la distinzione tra il livello del suono del periodo intermedio ed il livello dei suoni di primo e secondo crack. Sulla base di queste osservazioni, US 6 260 479 descrive un metodo di tostatura del caffè comprendente le fasi di: caricare una carica di grani di caffè da tostare in una camera di tostatura; sottoporre la carica ad un flusso di aria calda in modo tale da portare a pirolisi i grani di caffè; stabilire il punto in cui la pirolisi della carica inizia mediante analisi del suono di criccatura (cracking) generato dai grani del caffè per identificare la prima occorrenza del suono che è indicativa dell’inizio della pirolisi; una volta stabilito l’inizio della pirolisi, attivare un timer per una durata temporale prestabilita; al termine della durata temporale prestabilita, generare un segnale di uscita per terminare il processo di tostatura e scaricare il caffè tostato dalla camera di tostatura.
Il problema tecnico dell’invenzione è quello di mettere a disposizione un metodo e ad una apparecchiatura che consentano di migliorare il processo di tostatura di un prodotto alimentare quale, ad esempio, il caffè. In particolare, un obiettivo dell’invenzione è rendere, a livello industriale, il processo di tostatura estremamente accurato ed affidabile così da garantire l’ottenimento di un prodotto tostato di ottima qualità.
La Richiedente ha trovato che il suddetto problema tecnico può essere risolto mediante metodo di tostatura secondo la rivendicazione 1 , così come un’apparecchiatura secondo la rivendicazione 14.
In particolare, in un suo primo aspetto la presente invenzione riguarda un metodo per la tostatura di un prodotto alimentare comprendente le fasi di:
- caricare una carica di un predeterminato tipo del prodotto alimentare in un dispositivo di tostatura;
- impostare parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura secondo valori di riferimento iniziali per detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, così da avviare un riscaldamento del prodotto, atto a portare a tostatura il prodotto;
- controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto mediante le fasi di:
* ricavare, istante per istante, un valore di una grandezza sonora relativa ad un suono emesso dal prodotto, detto suono essendo rilevato in un intervallo di frequenze comprendente sia frequenze percepibili dall’orecchio umano sia frequenze di ultrasuoni;
* confrontare il valore della grandezza sonora ricavato ad ogni istante con un valore che la grandezza sonora assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di detta grandezza sonora rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare;
* regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura in funzione del risultato emerso da detto confronto.
In un suo secondo aspetto, la presente invenzione riguarda un’apparecchiatura per la tostatura di un prodotto alimentare comprendente:
- un dispositivo di tostatura atto a ricevere una carica di un predeterminato tipo del prodotto alimentare da tostare, il dispositivo di tostatura comprendendo un sensore sonoro operante in un intervallo di frequenze comprendente sia frequenze percepibili dall’orecchio umano sia frequenze di ultrasuoni;
- un dispositivo di controllo per regolare il funzionamento del dispositivo di tostatura operando su parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura; - una banca dati atta a memorizzare, per ciascuno di una pluralità di tipi di prodotto, una rispettiva curva di tostatura di una grandezza sonora rispetto al tempo e rispettivi valori di riferimento iniziali per detti parametri di funzionamento; in cui il dispositivo di controllo è configurato per:
- impostare inizialmente detti parametri di funzionamento secondo i rispettivi valori di riferimento iniziali associati in detta banca dati a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, cosi da avviare un riscaldamento del prodotto atto a portare a tostatura il prodotto; e
- controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto:
* ricavando, istante per istante, un valore di una grandezza sonora di un suono emesso dal prodotto, detto suono essendo rilevato da detto sensore sonoro;
* confrontando il valore della grandezza sonora ricavato ad ogni istante con un valore che la grandezza sonora assume, in corrispondenza di detto istante, nella rispettiva curva di tostatura di detta grandezza sonora rispetto al tempo, associata in detta banca dati a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare; e
regolando istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura in funzione del risultato emerso da detto confronto.
Le rivendicazioni dipendenti sono relative a caratteristiche preferite dell'invenzione. In almeno uno dei suddetti aspetti, l'invenzione comprende una o più delle seguenti caratteristiche preferite che di seguito sono descritte.
Preferibilmente, il riscaldamento del prodotto viene effettuato esponendo il prodotto ad un flusso di aria calda.
Preferibilmente, detti parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura comprendono almeno uno tra: temperatura dell’aria calda e velocità del flusso dell’aria calda.
Preferibilmente, il dispositivo di tostatura comprende un reattore in cui viene caricato il prodotto e detti parametri di funzionamento comprendono almeno uno tra: temperatura dell’aria calda, velocità del flusso dell’aria calda e velocità di rotazione di almeno un organo rotante del reattore. L’organo rotante può essere un tamburo rotante o pale mescolatrici interne ad uno statore esterno del reattore. Preferibilmente, detta grandezza sonora è indicativa dell’ampiezza del suono emesso dal prodotto. Ad esempio, essa è indicativa della pressione o intensità sonora del suono emesso dal prodotto.
In una forma di realizzazione preferita, si prevede una fase di ricavare, istante per istante, la frequenza del suono emesso dal prodotto e di identificare il tipo del prodotto alimentare sulla base della frequenza ricavata nel tempo.
Preferibilmente, si prevede una fase di verificare che il confronto del valore della grandezza sonora venga effettuato sulla base di una curva di tostatura di detta grandezza sonora rispetto al tempo che è effettivamente associata al tipo di prodotto alimentare identificato.
In una forma di realizzazione preferita, la fase di controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto comprende anche le fasi di:
* ricavare istante per istante un valore di una temperatura indicativa della temperatura raggiunta dal prodotto durante il riscaldamento;
* confrontare il valore della temperatura ricavato ad ogni istante con un valore che la temperatura assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di temperatura rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare,
in cui la fase di regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura viene effettuata anche in funzione del risultato emerso da detto confronto sul valore della temperatura.
In una forma di realizzazione preferita, la fase di controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto comprende anche le fasi di:
* determinare istante per istante un valore dell’energia sonora rilasciata dal prodotto fino a quell’istante;
* confrontare il valore dell’energia sonora ricavato ad ogni istante con un valore che l’energia sonora assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di energia sonora rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, e
in cui la fase di regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura viene effettuata anche in funzione del risultato emerso da detto confronto sul valore dell’energia sonora.
In una forma di realizzazione preferita, la fase di controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto comprende anche le fasi di:
* determinare istante per istante un valore indicativo del calore trasferito al prodotto fino a quell’istante;
* confrontare il valore indicativo determinato ad ogni istante con un valore che il calore trasferito assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di calore trasferito rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, e
in cui la fase di regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura viene effettuata anche in funzione del risultato emerso da detto confronto sul valore indicativo del calore trasferito.
Preferibilmente, il prodotto è composto da grani di caffè o di orzo o pezzi di frutta secca.
In una forma di realizzazione, nel dispositivo di tostatura viene caricata una carica di una miscela di almeno due tipi del prodotto alimentare. In tal caso, i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura vengono preferibilmente impostati secondo valori di riferimento associati a detta miscela. Inoltre, le operazioni sopra menzionate di confronto vengono preferibilmente effettuate sulla base di curve di tostatura associate a detta miscela.
Preferibilmente, quando il prodotto è tostato, si prevede di memorizzare in una banca dati i valori ricavati o determinati istante per istante della grandezza sonora e/o della temperatura e/o dell’energia sonora e/o del calore trasferito e di associarli a detto predeterminato tipo (o miscela) del prodotto alimentare come curve di tostatura di grandezza sonora e/o di temperatura e/o di energia sonora e/o di calore trasferito.
Preferibilmente, quando il prodotto è tostato, si prevede di memorizzare in una banca dati le regolazioni fatte istante per istante dei parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura e di associarle a detto predeterminato tipo (o miscela) del prodotto alimentare come valori di riferimento predeterminati per detti parametri di funzionamento.
Il dispositivo di tostatura può comprendere almeno un secondo sensore sonoro operante in un intervallo di frequenze comprendente sia frequenze percepibili dall'orecchio umano sia frequenze di ultrasuoni.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno meglio dalla seguente descrizione dettagliata di alcune sue forme di realizzazione preferite, fatta con riferimento ai disegni allegati. Le differenti caratteristiche nelle singole configurazioni possono venire combinate tra loro a piacere secondo la descrizione precedente, qualora ci si dovesse avvalere dei vantaggi risultanti in modo specifico da una particolare combinazione.
In tali disegni,
la figura 1 mostra schematicamente un’apparecchiatura di tostatura secondo una forma di realizzazione dell'invenzione;
la figura 2 mostra tre esempi di curve, due di pressione sonora rispetto al tempo ed una di energia sonora rispetto al tempo;
la figura 3 mostra tre esempi di curve, due di temperatura rispetto al tempo ed una di potenza calorica del bruciatore rispetto al tempo.
La figura 1 mostra un’apparecchiatura 100 per la tostatura di un prodotto alimentare quale, ad esempio, caffè, orzo, frutta secca ed altri prodotti simili, atti ad essere sottoposti a tostatura.
Anche se nel seguito si farà riferimento, in particolare, alla tostatura di caffè, gli insegnamenti dell’invenzione si possono applicare anche agli altri prodotti alimentari.
L’apparecchiatura 100 comprende un dispositivo di tostatura 10 ed un dispositivo di controllo 20.
Il dispositivo di tostatura 10 comprende un reattore 12 ed un generatore di un flusso di aria calda 14 comprendente un bruciatore 13, un ventilatore 15 ed un ciclone 18 atto a filtrare l’aria in ingresso al reattore 12. Il reattore 12 è atto ad alloggiare una carica di grani di caffè da tostare. Nella forma di realizzazione illustrata in figura 1, il reattore 12 comprende un tamburo rotante. Preferibilmente, il tamburo rotante 12 è dotato di alette (non illustrate) per favorire il rimescolamento dei grani di caffè durante la torrefazione. In alternativa, il reattore 12 può essere del tipo statico, vale a dire privo di elementi mobili, in cui i grani di caffè vengono movimentati solamente grazie al flusso di aria calda, oppure può essere dotato di uno statore esterno cilindrico e di pale mescolatrici interne rotanti, atte a movimentare i grani di caffè.
Il flusso di aria calda generato dal generatore di flusso di aria calda 14 è convogliato, in modo opportuno, all’interno del reattore 12.
Il dispositivo 10 comprende anche un sensore di temperatura 11 ed almeno un sensore sonoro. Nella forma di realizzazione illustrata, il dispositivo 10 comprende due sensori sonori 16, ad esempio un microfono ed un accelerometro.
I due sensori sonori 16 sono atti a rilevare suoni in un intervallo di frequenze che comprende sia frequenze udibili dall’orecchio umano sia frequenze di ultrasuoni. Preferibilmente, i due sensori sonori 16 hanno una frequenza massima inferiore o uguale a 50KHz. Preferibilmente, l'intervallo di frequenze è compreso tra 0Hz e 50 KHz. Preferibilmente, i due sensori sonori 16 hanno una risposta in frequenza lineare a partire da circa 20Hz fino a circa 50 KHz. Inoltre, sono in grado di sopportare temperature operative fino a 70-120 °C.
Una volta che i grani di caffè sono caricati nel reattore 12, il flusso di aria calda in esso convogliato investe i grani di caffè che vengono così sottoposti ad un processo di riscaldamento atto a tostare il caffè.
II processo di tostatura viene effettuato sotto il controllo del dispositivo di controllo 20.
Il processo di tostatura è un processo molto delicato e complesso che richiede un controllo fine ed in continuo di parametri di funzionamento del dispositivo 10 per garantire che il prodotto tostato soddisfi caratteristiche desiderate in termini, ad esempio, di aroma, colore e sapore. Tali parametri di funzionamento sono, ad esempio, la temperatura dell’aria calda riscaldata dal bruciatore 13, la velocità di rotazione del tamburo rotante o delle pale mescolatrici dello statore esterno cilindrico del reattore 12 e la velocità del flusso di aria calda generato dal ventilatore 15. Essi possono, dunque, essere aggiustati intervenendo sul bruciatore 13, sul motore di azionamento (non mostrato) del tamburo rotante o delle pale mescolatrici e sul ventilatore 15.
Ad esempio, la temperatura dell’aria riscaldata dal bruciatore 13 può essere compresa tra 380 e 650 °C in modo da ottenere delle temperature finali comprese tra 200 e 240 °C per i grani di caffè riscaldati nel reattore 12. La velocità del flusso di aria calda generato dal ventilatore 15 può essere compresa tra 0,5 e12 metri/secondo.
Il dispositivo di controllo 20 comprende, ad esempio, un PLC 22 (controllore a logica programmabile), un computer 24 (quale un PC) ed una banca dati 26 (che può essere memorizzata nel PC). Il computer 24 ha preferibilmente un’interfaccia grafica (non mostrata) per consentire ad un utente di immettere comandi e/o dati e visualizzare informazioni. Il PLC è atto a regolare i parametri di funzionamento del dispositivo 10 mediante un sistema di controllo PID (Proporzionale-lntegrale-Derivativo).
La Richiedente osserva che la struttura cellulare dei grani di caffè varia al variare delle caratteristiche genetiche, legate al genere, specie e varietà del caffè, delle caratteristiche agronomiche, legate alle condizioni climatiche di coltivazione, e delle caratteristiche dei processi di post raccolta ed essicazione. Il risultato è che grani di caffè appartenenti a tipi diversi di caffè possono differire tra loro per forma, massa, densità, composizione chimica, percentuale di umidità ed altre proprietà simili; dove per tipo di caffè si intende un insieme di caratteristiche che definisce la struttura cellulare del chicco. Trattandosi di prodotto vegetale è comunque chiaro che grani di caffè appartenenti allo stesso tipo di caffè presenteranno comunque delle leggere differenze, dovute ad esempio ad una diversa esposizione al sole nella stessa pianta di caffè.
Ne consegue che grani di caffè appartenenti a tipi o miscele di caffè diversi reagiscono al calore in modo diverso per cui -durante il processo di tostaturanecessitano di essere tostati secondo curve di tostatura di temperatura rispetto al tempo diverse, ognuna specificatamente studiata per tostare al meglio i grani di caffè a seconda della loro struttura cellulare.
E’ dunque necessario tostare i grani di caffè secondo curve di temperatura diverse a seconda del tipo o miscela di caffè a cui i grani appartengono.
Un esempio di curva di tostatura di temperatura (°C) rispetto al tempo t (in secondi) è mostrato in figura 3, curva C, dove è riportata la temperatura rilevata dal sensore di temperatura 1 1 durante un processo di tostatura iniziato indicativamente in corrispondenza di t = Osec. e terminato indicativamente in corrispondenza di t = 660sec.
In questo contesto, la Richiedente osserva che il controllo di un processo di tostatura del caffè effettuato solamente sulla base di curve di temperatura può risultare carente in alcune situazioni. Infatti, la temperatura che viene rilevata dal sensore di temperatura 11 è data sia dalla temperatura deN’aria calda che investe i grani di caffè sia dalla temperatura dei grani di caffè stessi, che è più bassa di quella deN’aria calda. Ne consegue che, in caso di diminuzione del flusso di aria calda (ad esempio a causa di un intasamento del ciclone 18), la temperatura rilevata dal sensore di temperatura 11 si avvicina a quella reale del caffè (vale a dire, risulta più bassa di quella misurata in presenza del flusso di aria calda completo). Pertanto, un controllo automatico del processo di tostatura basato sulla sola curva di temperatura, rilevando un abbassamento di temperatura, porterebbe, in questa situazione, ad aumentare la temperatura del bruciatore 13 per riportare la temperatura rilevata dal sensore di temperatura 11 a quella attesa secondo la curva di temperatura. Ciò potrebbe essere molto pericoloso perché porterebbe ad un aumento non dovuto della temperatura dei chicchi di caffè che potrebbe portare -ad esempio in una fase esotermica del processo di tostatura- ad un incendio del prodotto con seguente esplosione del reattore 12.
La Richiedente osserva, inoltre, che il controllo del processo di tostatura del caffè effettuato solamente sulla base di curve di temperatura potrebbe risultare non univocamente accurato. Infatti, la temperatura -pur essendo una grandezza fondamentale per l’innesco della trasformazione chimica dei grani di caffè - non è indicativa della effettiva evoluzione della loro trasformazione chimica. Ne consegue che due cariche di grani di caffè etichettate come appartenenti allo stesso tipo di caffè, ma aventi in realtà strutture cellulari diverse (ad esempio perché provenienti da due raccolti diversi), sarebbero comunque tostati secondo una stessa curva di temperatura. Ciò potrebbe portare a due risultati molto diversi di tostatura (ad esempio una carica potrebbe essere essiccata ma non tostata) e, comunque, a risultati di tostatura insoddisfacenti (ad esempio in termini di aroma e sapore).
Analizzando il suono emesso dai grani di caffè durante un processo di tostatura in un intervallo di frequenze comprendente sia frequenze udibili sia frequenze di onde ultrasoniche, la Richiedente ha trovato che il tipico rumore prodotto è il risultato di innumerevoli fenomeni impulsivi di durata molto breve e caratterizzati da emissione spettrali di tipo "bianco". E dunque possibile discriminare i soli eventi dovuti al processo di torrefazione minimizzando gli effetti dei rumori di impianto, limitando la banda di osservazione a frequenze per le quali il rapporto segnale/rumore è estremamente vantaggioso. In particolare, la Richiedente ha trovato che oltre ai suoni di primo e secondo pop (o crack) riportati in letteratura e rilevabili in un intervallo di frequenze udibili dall’orecchio umano, vi è un’emissione continua di suoni rilevabili durante tutto il processo di tostatura. Ciò è mostrato, a titolo di esempio, in figura 2 dove la curva A’ mostra un esempio di pressione sonora P (Pascal) rispetto al tempo t (in secondi), che è stata ricavata (come spiegato in dettaglio nel seguito) rilevando -in un intervallo di frequenze compreso tra 0 Hz e 50 KHz- il suono emesso dai grani di caffè durante un processo di tostatura, iniziato indicativamente in corrispondenza di una temperatura di 120 °C ed di un tempo t = 0 sec. e terminato in corrispondenza di circa 220°C e t - 660 sec.
Come si può notare dalla curva A’ di figura 2, oltre ai suoni di primo e secondo pop, rispettivamente in corrispondenza di t = 420 sec. e t = 660sec., vi è un’emissione sonora rilevabile durante tutto il processo di tostatura che può, quindi, essere utilizzata come variabile di controllo per un controllo in continuo del processo di tostatura.
In particolare, considerando che il suono emesso nel tempo dai grani di caffè è indicativo dell’evoluzione della trasformazione chimica dei grani di caffè, la Richiedente ha trovato che controllando istante per istante il processo di tostatura del caffè sulla base di tale suono è possibile tostare il caffè in modo estremamente accurato ed affidabile, tenendo conto della trasformazione chimica che, istante per istante, sta effettivamente avvenendo nei grani di caffè.
Nell’esempio sopra menzionato di intasamento del ciclone 18 o di funzionamento anomalo del sensore di temperatura 11, ciò consente, ad esempio, di comprendere prontamente se i grani di caffè stanno per incendiarsi. A sua volta, nell’esempio sopra menzionato delle due cariche di grani di caffè etichettate come appartenenti allo stesso tipo di caffè ma aventi in realtà strutture cellulari diverse, ciò permette di intervenire sulla carica di caffè che non sta tostando correttamente, cambiando prontamente i parametri di funzionamento del dispositivo 10 in modo tale da far vibrare i grani di caffè secondo una curva (grandezza sonora rispetto al tempo) di tostatura di riferimento.
La Richiedente ha dunque osservato che ogni tipo o miscela di grani di caffè può essere caratterizzato sia da una curva di tostatura di temperatura rispetto al tempo sia da una curva di tostatura di una grandezza sonora (ad esempio, la pressione sonora P espressa in Pascal) rispetto al tempo.
Sulla base di questa osservazione, la Richiedente ha trovato che il processo di tostatura può essere controllato (regolando i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura 10) ricavando -istante per istante- la temperatura misurata dal sensore di temperatura 11 e una grandezza sonora del suono rilevato dai due sensori sonori 16 ed effettuando un aggiustamento continuo dei parametri di funzionamento del dispositivo 10 in modo tale che la temperatura e la grandezza sonora ricavate riproducano le curve di tostatura di riferimento.
Secondo una forma di realizzazione preferita, ogni volta che una carica di un predeterminato tipo o miscela di caffè viene caricata nel reattore 12, il dispositivo di controllo 20 è dunque configurato per ricavare il predeterminato tipo o miscela di caffè cui appartiene la carica (ad esempio mediante inserimento di opportuni dati di ingresso da parte dell’utente e lettura di tali dati). Dopodiché, il dispositivo di controllo 20 è atto a recuperare dalla banca dati 26, per il predeterminato tipo o miscela di caffè ricavato: una curva di tostatura di temperatura rispetto al tempo (ad esempio tipo la curva C di figura 3), che fornisce valori di riferimento teorici che la temperatura misurata dal sensore di temperatura 11 deve riprodurre nel tempo durante un tempo predefinito di tostatura; una curva di tostatura di pressione sonora rispetto al tempo (ad esempio tipo la curva A di figura 2, dettagliata meglio nel seguito), che fornisce valori di riferimento teorici che la pressione sonora del suono rilevato dai due sensori sonori 16 deve riprodurre nel tempo durante il tempo predefinito di tostatura; e curve di valori per i parametri di funzionamento del dispositivo 10, che forniscono i valori di riferimento teorici che tali parametri (ad esempio, la temperatura dell’aria riscaldata dal bruciatore 13, la velocità di rotazione del tamburo o delle pale mescolatrici del reattore 12 e la velocità del flusso di aria generato dal ventilatore 15) devono assumere nel tempo durante il tempo predefinito di tostatura per riprodurre le due curve di tostatura di temperatura rispetto al tempo e di pressione sonora rispetto al tempo.
Una volta recuperati tali dati dalla banca dati 26, il dispositivo di controllo è atto ad impostare i parametri di funzionamento del dispositivo 10 secondo i valori di riferimento teorici che tali parametri devono assumere all’inizio del tempo predefinito di tostatura. Dopodiché, il dispositivo di controllo è atto ad azionare il bruciatore 13, il reattore 12 ed il ventilatore 15 secondo i parametri di funzionamento cosi impostati in modo da avviare il processo di tostatura dei grani di caffè.
Una volta avviato il processo di tostatura, il dispositivo di controllo 20 è atto a controllare in continuo, in retroazione, il funzionamento del dispositivo di tostatura 10, in particolare mediante le fasi di:
* ricavare istante per istante (ad esempio ogni decimo di secondo) il valore della pressione sonora del suono rilevato dai due sensori sonori 16;
* confrontare il valore della pressione sonora ricavata ad ogni istante con il valore che la pressione sonora assume in corrispondenza di detto istante nella curva di tostatura di pressione sonora rispetto al tempo;
* ricavare istante per istante la temperatura misurata dal sensore di temperatura 11 ;
* confrontare la temperatura ricavata ad ogni istante con il valore che la temperatura assume, in corrispondenza di detto istante, nella curva di tostatura di temperatura rispetto al tempo;
* regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura 10 in funzione del risultato emerso da detti confronti.
In particolare, come detto sopra, la fase di regolazione viene effettuata in modo tale da fare sì che i valori misurati di temperatura e di pressione sonora riproducano le rispettive curve teoriche di tostatura.
La fase di regolazione viene portata avanti fino a che dalle fasi di confronto non emerge che la tostatura dei grani di caffè è avvenuta. A questo punto, il dispositivo di controllo è atto a scaricare il prodotto dal reattore 12 così da arrestare il processo di tostatura.
In una forma di realizzazione preferita, il dispositivo di controllo 20 è anche atto a ricavare, istante per istante, la frequenza sonora del suono emesso dai grani di caffè ed a confrontarla con il valore che la frequenza sonora assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di frequenza sonora rispetto al tempo (non mostrata). Considerato che una tale curva rappresenta un’impronta digitale di ogni tipo di caffè, consentendo di identificare univocamente il tipo o miscela di caffè cui appartengono i grani sotto tostatura, questo confronto è utile per verificare che il tipo o miscela di caffè per cui è stato impostato il funzionamento del dispositivo di tostatura 10 (prelevando dalla banca dati 26 le curve associate a tale tipo di caffè) sia effettivamente il tipo o miscela di caffè cui appartiene la carica di caffè sotto tostatura. In caso di mancata corrispondenza, o, detto in altre parole, se la frequenza sonora misurata nel tempo non riproduce la curva teorica di frequenza sonora rispetto al tempo, significa che il caffè appartiene ad un tipo o miscela di caffè diverso dal tipo/miscela di caffè per cui è stato impostato il funzionamento del dispositivo di tostatura 10. Ciò potrebbe accadere, ad esempio, per un errato inserimento di dati di ingresso da parte dell’utente o perché i grani di caffè -nonostante siano stati etichettati come appartenenti ad un certo tipo/miscela di caffè- risultano avere struttura cellulare diversa (ad esempio perché proveniente da un raccolto diverso). In tal caso, il dispositivo di controllo 20 è preferibilmente atto a selezionare dalla banca dati 26 le curve più appropriate da utilizzare per il controllo in retroazione del dispositivo di tostatura 10 durante la tostatura di tali grani di caffè.
Preferibilmente, nella presente descrizione e rivendicazioni, l’espressione “istante per istante’’ è usata per indicare istanti di rilevazione di un processo effettuato in continuo, ad esempio, ogni decimo di secondo.
Preferibilmente, il sensore di temperatura 11 ha una sensibilità tale da rilevare variazioni anche molto piccole di temperatura (ad esempio di 0.05 °C). Inoltre, i sensori sonori 16 hanno una sensibilità elevata, ad esempio uguale a 15mV/Pa nel caso di microfono o 100mV/g nel caso di accelerometro. Ciò consente di riprodurre la pendenza delle curve di tostatura con sostanziale continuità.
La suddetta fase di regolazione istante per istante dei parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura 10 viene effettuata mediante un algoritmo apposito. Tale algoritmo stabilisce, ad esempio, il verso (vale a dire se aumentare o diminuire il valore dei parametri), l'entità (vale a dire di quanto cambiare il valore dei parametri) e la priorità di regolazione (vale a dire su quale/i intervenire per primo/i) dei vari parametri in funzione del risultato emerso dai suddetti confronti. Ad esempio, per quanto riguarda la priorità di regolazione dei parametri di funzionamento, l’algoritmo può essere configurato in modo tale che -se la temperatura rilevata ad un determinato istante dal sensore di temperatura 11 è inferiore al valore teorico corrispondente nella rispettiva curva di tostatura- il dispositivo di controllo 20 è atto ad intervenire prima sulla temperatura deN’aria calda, poi -se necessario- sulla velocità del flusso di aria generato dal ventilatore 15 ed, infine, anche sulla velocità del tamburo rotante o delle pale mescolatrici del reattore 12. Inoltre, per quanto riguarda il verso e l’entità della regolazione dei parametri di funzionamento, in caso di temperatura rilevata inferiore rispetto a quella teorica, l’algoritmo può essere configurato in modo tale da aumentare i valori di tali parametri di una quantità prestabilita in funzione della differenza determinata tra temperatura rilevata e temperatura teorica.
In una forma di realizzazione preferita, il dispositivo di controllo 20 è atto a controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura 10, anche mediante le fasi di:
* determinare istante per istante l’energia sonora rilasciata dai grani di caffè fino a quell’istante;
* confrontare l’energia determinata ad ogni istante con il valore che l’energia sonora assume in corrispondenza di detto istante in una curva di tostatura di energia sonora rispetto al tempo;
* determinare istante per istante il calore trasferito ai grani di caffè fino a quell’istante;
* confrontare il calore determinato ad ogni istante con il valore che il calore trasferito assume in corrispondenza di detto istante in una curva di tostatura di calore trasferito rispetto al tempo; e
* regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura 10 anche in funzione del risultato emerso da detti confronti.
A tal fine, una volta ricavato il predeterminato tipo di caffè cui appartengono i grani di caffè della carica caricato nel dispositivo di tostatura 10, il dispositivo di controllo 20 è atto a recuperare dalla banca dati 26: una rispettiva curva di tostatura di energia sonora accumulata rispetto al tempo, che fornisce valori di riferimento teorici che l’energia sonora accumulata dal suono rilevato dal sensore di temperatura 11 deve riprodurre nel tempo durante un tempo predefinito di tostatura; ed una rispettiva curva di tostatura di calore trasferito accumulato rispetto al tempo, che fornisce valori di riferimento teorici che il calore trasferito accumulato deve riprodurre nel tempo durante il tempo predefinito di tostatura. Istante per istante, l’energia sonora può essere determinata sulla base della pressione sonora ricavata fino a quell’istante. Ad esempio, l’energia sonora può essere determinata calcolando l’integrale della pressione sonora ricavata fino a quell’istante (quest’ultima essendo rappresentabile da una curva tipo la curva A di figura 2). L’integrale può, ad esempio, essere calcolato su intervalli di tempo progressivi (ad esempio su 3 secondi, 30 secondi, 60 secondi etc. etc.). Un esempio di curva indicativa dell’energia sonora En rispetto al tempo è mostrato in figura 2 come curva B.
A sua volta, istante per istante, il calore trasferito può essere determinato sulla base della potenza calorica del bruciatore 13 o sulla base della temperatura dell’aria calda in ingresso al reattore 12 e del flusso dell’aria calda. Ad esempio, il calore trasferito può essere determinato calcolando l’integrale di una curva rappresentativa della potenza calorica del bruciatore 13 rispetto al tempo oppure sulla base dell’integrale di una curva rappresentativa della temperatura dell’aria calda in ingresso al reattore 12 rispetto al tempo e di informazioni relative al flusso dell’aria calda nel tempo. L'integrale può, ad esempio, essere calcolato su intervalli di tempo progressivi (ad esempio su 3 secondi, 30 secondi, 60 secondi etc. etc.).
In figura 3, oltre alla curva C, sono mostrati due esempi di curve D ed E, rispettivamente di potenza calorica Q del bruciatore 13 e temperatura T dell’aria calda in ingresso al reattore 12 rispetto al tempo t.
In questa forma di realizzazione preferita, in cui la regolazione istante per istante dei parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura 10 viene effettuata anche sulla base del calore trasferito e dell’energia sonora, il suddetto algoritmo sarà preferibilmente configurato per regolare i vari parametri di funzionamento del dispositivo 10 in funzione del risultato emerso complessivamente dai confronti di temperatura, pressione sonora, calore trasferito e energia sonora. Un controllo in retroazione del funzionamento del dispositivo di tostatura 10, basato su un’analisi del calore trasferito e dell’energia sonora rilasciata, oltre che su un’analisi di temperatura e pressione sonora, consente vantaggiosamente di anticipare la regolazione dei parametri di funzionamento a seconda del calore trasferito e dell’energia sonora rilasciata. Ad esempio, se l’energia sonora rilasciata dai grani di caffè è più bassa di quella teorica attesa, si può prevedere di intervenire prontamente ad aumentare la temperatura dell’aria riscaldata, ancora prima di rilevare una diminuzione della temperatura ricavata rispetto a quella teorica. Inoltre, tale tipo di controllo consente vantaggiosamente di commisurare accuratamente l’entità della regolazione dei parametri di funzionamento. In particolare, ciò viene effettuato in modo inversamente proporzionale ai valori di calore trasferito ed energia sonora calcolati. Ad esempio, infatti, in caso di rilevazione di una temperatura ricavata più bassa rispetto a quella teorica, si può prevedere di aumentare la temperatura dell’aria riscaldata di un’entità maggiore o minore a seconda che il calore trasferito e/o energia sonora rilasciata siano minori o maggiori di quelli teorici attesi. Inoltre, da una analisi del calore trasferito ai grani di caffè si può stabilire se la trasformazione chimica in divenire si trova in una fase endotermica o esotermica. In caso di rilevazione di una temperatura ricavata più bassa rispetto a quella teorica, si può quindi prevedere di aumentare la temperatura dell’aria riscaldata di un’entità più o meno alta a seconda che la trasformazione chimica sia in fase endotermica o esotermica. Inoltre, grazie alla regolazione effettuata sulla base di variabili sia termiche sia sonore, si ha un controllo svincolato dalla energia termica accumulata dal reattore 12 (vale a dire, svincolato dal fatto che il reattore 12 sia più o meno caldo oppure freddo ad inizio della torrefazione di una nuova carica di caffè).
In una forma di realizzazione preferita, le suddette fasi di ricavare istante per istante il valore della pressione sonora del suono rilevato dai sensori sonori 16 e l’energia sonora rilasciata dai grani di caffè fino a quell’istante vengono effettuate acquisendo in tempo reale il segnale proveniente dai due sensori sonori 16 ed effettuando le seguenti elaborazioni:
conversione del segnale in uscita dai due sensori sonori 16 in unità ingegneristiche (ad esempio, Pascal)
filtraggio passabanda del segnale con frequenze di banda impostabili (tipicamente da 7.500 a 40.000 Hz)
calcolo del livello rms (valore quadratico medio) espresso in (Pa) per porzioni di segnale di durata impostabile (tipicamente 100 ms)
calcolo del valore di picco (Pa) per porzioni di segnale di durata impostabile (tipicamente 100 us)
calcolo della differenza fra valore di picco e valore rms istante per istante ed estrazione del livello percentile 99 su una finestra mobile di durata impostabile (tipicamente 100 ms)
a partire da misure effettuate in real-time ed espresse in Pa (rappresentabili da una curva tipo la curva A’ di figura 2), estrazione dei livelli (espressi in Pa) dei picchi che superano un predeterminato ed impostabile livello di soglia (tipicamente superiore a 0.5 Pa) la cui durata sia superiore ad un intervallo anch'esso impostabile ed espresso in numero di istanti di rilevazione (tipicamente 3)
- interpolazione dei suddetti picchi cosi da ottenere istante per istante i valori della pressione sonora del suono rilevato dai due sensori 16 (rappresentabili da una curva tipo la curva A di figura 2), da confrontare poi con i rispettivi valori teorici di riferimento
- istante per istante, calcolo del livello in Pa del picco e somma ai precedenti livelli in modalità energetica (somma dei quadrati) cosi da ottenere istante per istante i valori dell’energia sonora rilasciata dai grani di caffè fino a quell’istante (rappresentabili da una curva tipo la curva B di figura 2), da confrontare poi con i rispettivi valori teorici di riferimento.
In funzione dei parametri del processo di torrefazione e delle caratteristiche del prodotto tali curve assumono andamenti differenti sia in termini di rapidità di crescita (durante le tipiche due fasi ad emissione rumorosa) sia in termini di valori assoluti. E' inoltre possibile calcolare la derivata della suddetta curva B per rappresentare la velocità del processo.
Dalla descrizione fatta si comprenderà che la banca dati 26 è atta a memorizzare una pluralità di tipi predeterminati di caffè e, per ciascuno di essi, una rispettiva curva di tostatura di temperatura rispetto al tempo, una rispettiva curva di tostatura di pressione sonora rispetto al tempo, una rispettiva curva di tostatura di energia sonora rispetto al tempo, una rispettiva curva di tostatura di calore trasferito rispetto al tempo, una rispettiva curva di tostatura di frequenza sonora rispetto al tempo e rispettive curve di valori per i parametri di funzionamento del dispositivo 10, che forniscono, in funzione del tempo, valori di riferimento teorici per tali parametri (ad esempio, la temperatura deN’aria riscaldata dal bruciatore 13, la velocità di rotazione del tamburo rotante o delle pale mescolatrici del reattore 12 e la velocità del flusso di aria generato dal ventilatore 15).
In una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, il dispositivo di controllo 20 è preferibilmente atto ad aggiornare automaticamente la banca dati 26 secondo un processo di autoapprendimento. In particolare, il dispositivo di controllo 20 è preferibilmente atto a memorizzare, al termine di ciascun processo di tostatura di una carica di caffè, le curve di tostatura di temperatura, pressione sonora, calore trasferito ed energia rilasciata nonché le curve di valori per i parametri di funzionamento del dispositivo 10 che sono state effettivamente utilizzate nel processo di tostatura appena terminato. Tali curve verranno associate nella banca dati 26 in associazione al tipo di caffè della carica appena tostata per sostituire curve preesistenti con curve più aggiornate o per aggiungere un nuovo tipo di caffè nella banca dati 26. A questo proposito, si osserva che se nel reattore 12 viene caricata una carica di caffè appartenente ad un nuovo tipo o miscela di caffè (vale a dire, che non è presente nella banca dati 26), il dispositivo 20 di controllo -note le curve C, A, B, D di tostatura di temperatura, pressione sonora, calore trasferito ed energia rilasciata (ad esempio perché fornite come dati di ingresso da un utente) per tale tipo/miscela di caffè - controllerà il processo di tostatura sulla base di curve di valori per i parametri di funzionamento del dispositivo 10 che sono relative a tipi/miscele di caffè simili (scelte sulla base di criteri predeterminati); dopodiché memorizzerà le curve effettivamente utilizzate durante il processo di tostatura per caratterizzare il suddetto tipo di caffè nella banca dati 26.
Secondo il metodo e l’apparecchiatura dell’invenzione, la tostatura viene quindi effettuata mediante un controllo continuo in retroazione dei parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura 10, sulla base di variabili termiche e sonore (temperatura, pressione sonora, calore trasferito e energia sonora) ricavate dai grani di caffè sotto tostatura. Il controllo viene vantaggiosamente effettuato sia sulla base di valori istantanei delle variabili termiche e sonore sia sulla base di valori tendenziali determinati su archi temporali impostabili. Ciò consente vantaggiosamente di tostare il caffè (o prodotto alimentare simile) in modo estremamente accurato ed affidabile, secondo una procedura che è in grado di adattare continuamente il funzionamento del dispositivo di tostatura 20 all’effettiva evoluzione della trasformazione chimica in atto nei grani di caffè.

Claims (14)

  1. Rivendicazioni 1. Metodo per la tostatura di un prodotto alimentare comprendente le fasi di: - caricare una carica di un predeterminato tipo del prodotto alimentare in un dispositivo di tostatura; - impostare parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura secondo valori di riferimento iniziali per detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, cosi da avviare un riscaldamento del prodotto, atto a portare a tostatura il prodotto; - controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto mediante le fasi di: * ricavare, istante per istante, un valore di una grandezza sonora relativa ad un suono emesso dal prodotto, detto suono essendo rilevato in un intervallo di frequenze comprendente sia frequenze percepibili dall' orecchio umano sia frequenze di ultrasuoni; * confrontare il valore della grandezza sonora ricavato ad ogni istante con un valore che la grandezza sonora assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di detta grandezza sonora rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare; * regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura in funzione del risultato emerso da detto confronto.
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il riscaldamento del prodotto viene effettuato esponendo il prodotto ad un flusso di aria calda.
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detti parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura comprendono almeno uno tra: temperatura deH’aria calda e velocità del flusso deH’aria calda.
  4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui dispositivo di tostatura comprende un reattore in cui viene caricato il prodotto e detti parametri di funzionamento comprendono almeno uno tra: temperatura delfaria calda, velocità del flusso delfaria calda e velocità di rotazione di almeno un organo rotante del reattore.
  5. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta grandezza sonora è indicativa della pressione o intensità sonora del suono emesso dal prodotto.
  6. 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente anche una fase di ricavare, istante per istante, la frequenza del suono emesso dal prodotto e di identificare il tipo del prodotto alimentare sulla base della frequenza ricavata nel tempo.
  7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, comprendente anche una fase di verificare che il confronto del valore della grandezza sonora venga effettuato sulla base di una curva di tostatura di detta grandezza sonora rispetto al tempo che è effettivamente associata al tipo di prodotto alimentare cosi identificato.
  8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto comprende anche le fasi di: * ricavare istante per istante un valore di una temperatura indicativa della temperatura raggiunta dal prodotto durante il riscaldamento; * confrontare il valore della temperatura ricavato ad ogni istante con un valore che la temperatura assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di temperatura rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, in cui la fase di regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura viene effettuata anche in funzione del risultato emerso da detto confronto sul valore della temperatura.
  9. 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto comprende anche le fasi di: * determinare istante per istante un valore dell’energia sonora rilasciata dal prodotto fino a quell’istante; * confrontare il valore dell’energia sonora ricavato ad ogni istante con un valore che l’energia sonora assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di energia sonora rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, e in cui la fase di regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura viene effettuata anche in funzione del risultato emerso da detto confronto sul valore dell’energia sonora.
  10. 10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto comprende anche le fasi di: * determinare istante per istante un valore indicativo del calore trasferito al prodotto fino a quell’istante; * confrontare il valore indicativo determinato ad ogni istante con un valore che il calore trasferito assume, in corrispondenza di detto istante, in una curva di tostatura di calore trasferito rispetto al tempo, associata a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, e in cui la fase di regolare istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura viene effettuata anche in funzione del risultato emerso da detto confronto sul valore del calore trasferito.
  11. 11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il prodotto è composto da grani di caffè o di orzo o pezzi di frutta secca.
  12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 1, 8, 9 o 10, in cui, quando il prodotto è tostato, si prevede di memorizzare in una banca dati i valori ricavati o determinati istante per istante della grandezza sonora e/o della temperatura e/o dell’energia sonora e/o del calore trasferito e di associarli a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare come curve di tostatura di grandezza sonora e/o di temperatura e/o di energia sonora e/o di calore trasferito.
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 1, 8, 9 o 10, in cui, quando il prodotto è tostato, si prevede di memorizzare in una banca dati le regolazioni fatte istante per istante dei parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura e di associarle a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare come valori di riferimento predeterminati per detti parametri di funzionamento.
  14. 14. Apparecchiatura per la tostatura di un prodotto alimentare comprendente: - un dispositivo di tostatura atto a ricevere una carica di un predeterminato tipo del prodotto alimentare da tostare, il dispositivo di tostatura comprendendo un sensore sonoro operante in un intervallo di frequenze comprendente sia frequenze percepibili dall’orecchio umano sia frequenze di ultrasuoni; - un dispositivo di controllo per regolare il funzionamento del dispositivo di tostatura operando su parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura; - una banca dati atta a memorizzare, per ciascuno di una pluralità di tipi di prodotto, una rispettiva curva di tostatura di una grandezza sonora rispetto al tempo e rispettivi valori di riferimento iniziali per detti parametri di funzionamento; in cui il dispositivo di controllo è configurato per: - impostare inizialmente detti parametri di funzionamento secondo i rispettivi valori di riferimento iniziali associati in detta banca dati a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare, cosi da avviare un riscaldamento del prodotto atto a portare a tostatura il prodotto; e - controllare in retroazione il funzionamento del dispositivo di tostatura durante il riscaldamento del prodotto: * ricavando, istante per istante, un valore di una grandezza sonora di un suono emesso dal prodotto, detto suono essendo rilevato da detto sensore sonoro; * confrontando il valore della grandezza sonora ricavato ad ogni istante con un valore che la grandezza sonora assume, in corrispondenza di detto istante, nella rispettiva curva di tostatura di detta grandezza sonora rispetto al tempo, associata in detta banca dati a detto predeterminato tipo del prodotto alimentare; e * regolando istante per istante i parametri di funzionamento del dispositivo di tostatura in funzione del risultato emerso da detto confronto.
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