EL PROCESO EN MOVIMIENTO

¿Cómo mezcla el tambor el café?

Reproducir la escena o elegir una etapa. La animación simplifica el mecanismo; lo que sigue aporta los detalles y las referencias disponibles.

▶ Reproducir el proceso01Demasiado lento: el lecho se desliza02Rodadura, luego cascada03Las paletas: la cortina en el aire caliente04Demasiado rápido: la catarata05Fr = 1: pegado a la pared

Demasiado lento: el lecho se desliza

En un tambor que gira demasiado despacio, o cuya pared es demasiado lisa para arrastrar el café, el lecho no rueda: se desliza en bloque contra el metal. Son entonces siempre los mismos granos los que tocan una pared precalentada a 250 o 300 °C, y ese contacto prolongado chamusca una de sus caras, el defecto que se llama scorching.

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1. Demasiado lento: el lecho se deslizaEn un tambor que gira demasiado despacio, o cuya pared es demasiado lisa para arrastrar el café, el lecho no rueda: se desliza en bloque contra el metal. Son entonces siempre los mismos granos los que tocan una pared precalentada a 250 o 300 °C, y ese contacto prolongado chamusca una de sus caras, el defecto que se llama scorching.
2. Rodadura, luego cascadaMás rápido, la pared arrastra el lecho hacia arriba y su superficie empieza a fluir: es la rodadura, luego la cascada cuando la superficie se abomba. Estos regímenes se comparan con el número de Froude, la fuerza centrífuga en relación con la gravedad; la rodadura y la cascada se sitúan entre 0,0001 y 0,1. La superficie se renueva, pero el grano permanece en el lecho, contra la pared y sus vecinos.
3. Las paletas: la cortina en el aire calienteLas paletas, aletas fijadas en el tambor, levantan el café por encima del lecho y lo sueltan en cortina. En el lecho, el grano avanza a menos de 0,5 m/s y recibe el calor de la pared; en vuelo, cruza el aire caliente a 0,5 a 2 m/s, y este lo calienta por convección. En un tambor de 16 cm, 42 y 56 revoluciones por minuto dan un número de Froude de 0,16 y 0,28.
4. Demasiado rápido: la catarataA 78 revoluciones por minuto, el número de Froude alcanza 0,54: los granos ya no caen en cortina, son proyectados a través del tambor, es la catarata. El grano que se aligera al tostarse vuela más lejos a igual velocidad. Con una carga pequeña, más granos están en vuelo, otros permanecen más tiempo contra la pared, y la tanda se calienta de forma menos pareja.
5. Fr = 1: pegado a la paredCuando la fuerza centrífuga iguala la gravedad, el café ya no cae: gira pegado a la pared, sin ninguna mezcla. Esta velocidad crítica vale 42,3 dividido por la raíz del diámetro en metros, en revoluciones por minuto: 106 para un tambor de 16 cm, 60 para 50 cm, 42 para un metro. Un tambor grande debe, pues, girar más despacio que uno pequeño para mezclar de la misma manera.

Para retener: La velocidad del tambor decide dónde pasa su tiempo el grano, contra el metal, en el lecho o en el aire, y por tanto de dónde le viene su calor.

En la historia: El cilindro de Evans ya llevaba aletas en 1824; la trayectoria de un grano en un tambor no se midió hasta 2023, siguiendo un grano marcado.

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La sección sobre el perfil nombra tres palancas: el calor, el flujo de aire y la velocidad del tambor, «que regula el contacto con la pared». Las dos primeras tienen su literatura, sus curvas y sus disputas. La tercera pasa por un ajuste de instalación, que se fija una vez y se olvida. Sin embargo, es ella la que decide algo que la sonda no ve: dónde está el grano durante el tueste, y por tanto por qué camino le llega el calor.

Un grano, en un tambor, solo conoce tres situaciones. Está enterrado en el lecho, la masa de café tendida en el fondo del cilindro, apretado entre sus vecinos. Está contra la pared, el metal que la llama calienta por debajo. O está en el aire, soltado por una paleta, y atraviesa el aire caliente que barre el tambor. La sección 05 describió los tres modos de transferencia del calor: la conducción por contacto, la convección por el aire, la radiación de la pared y de la llama. El mezclado hace de nexo entre ambos: reparte el tiempo del grano entre los lugares donde domina cada uno de esos modos.

Lámina VII, secciones 05 y 11.

Lo que se vio al seguir un grano

Durante mucho tiempo, nadie pudo mirar dentro de un tambor cerrado. Los estudios publicados filmaban granos en tambores transparentes, en dos dimensiones y con poca precisión: Cristo y sus colegas en 2006, Resende y los suyos en 2017. En 2023, un equipo de la Universidad de Birmingham, con un ingeniero de Jacobs Douwe Egberts, siguió un grano marcado con un trazador radiactivo en una pequeña tostadora, una Aillio Bullet de 16 cm de diámetro. La técnica, el seguimiento de partículas por emisión de positrones, viene de la imagen médica: una cámara localiza el grano marcado de forma continua, a través de la pared de acero, y reconstruye su trayectoria.

El tambor no estaba calentado. Los autores reprodujeron el tueste cargando tres cafés preparados de antemano, uno verde, uno a medio tueste y uno tostado, todos del mismo arábica de Kenia, con tres cargas, 300, 600 y 900 g, y tres velocidades, 42, 56 y 78 revoluciones por minuto. La salvedad cuenta, y volveremos a ella: se observa el movimiento, no el tueste.

El resultado cabe en una imagen. El tambor contiene dos regiones que no se parecen. Un lecho denso, donde los granos se tocan y avanzan despacio, de 0 a 0,5 metros por segundo, arrastrados por la pared. Y una región casi vacía, donde los granos soltados por las paletas vuelan a 0,5 a 2 metros por segundo. En cada vuelta, un grano sube unos 16 cm, todo el diámetro del tambor: las paletas lo llevan hasta arriba antes de soltarlo.

Estas dos regiones no se calientan de la misma manera. En vuelo, el grano está rodeado de aire caliente, y domina la convección. En el lecho, el aire pasa mal entre los granos; el calor entra sobre todo por conducción, desde la pared para los granos que la tocan, luego de grano a grano. Ahora bien, la pared está caliente: precalentada a 250 o 300 °C según el estudio que citan los autores, cuando la sonda lee de 180 a 200 °C en la carga. Un grano apoyado contra ese metal se calienta muy rápido, y los autores acercan este caso al de las maltas tostadas, donde lo esencial del calentamiento se hace en la zona de la pared.

Al-Shemmeri et al. 2023, § 1, 2.2, 2.3, 3.3.1 y 3.4.1; Garcia et al. 2018, Cristo et al. 2006 y Resende et al. 2017, citados por ellos.

Un número para comparar los tambores

Para describir un tambor que gira, los ingenieros de hornos rotatorios, secadores y mezcladores usan un número sin unidad, el número de Froude. Relaciona la fuerza centrífuga que la rotación ejerce sobre un grano apoyado contra la pared con la gravedad que lo hace caer: Fr = ω²R/g, donde ω es la velocidad de rotación en radianes por segundo, R el radio del tambor y g la aceleración de la gravedad, 9,81 m/s². Un número de Froude de 0,1 quiere decir que la pared retiene el grano con una décima parte de su peso; un número de Froude de 1, que lo pega con una fuerza igual a su peso, suficiente para que ya no caiga, ni siquiera en la cima.

El interés de este número es comparar tambores de tamaños distintos. Con igual llenado, dos tambores que tienen el mismo número de Froude mezclan su carga de manera semejante: es la regla de escala que Henein, Brimacombe y Watkinson sacaron en 1983 de sus ensayos sobre hornos rotatorios, con una corrección por el tamaño de los granos en relación con el diámetro del cilindro. Tiene una consecuencia que el oficio conoce sin formularla: un tambor grande debe girar más despacio que uno pequeño. A la velocidad en que un tambor de 16 cm mezcla suavemente su café, un tambor de un metro ya lo pegaría contra la pared.

Al-Shemmeri et al. 2023, § 2.4.4, ecuaciones 3 y 4; Henein, Brimacombe y Watkinson 1983; Mellmann 2001.

Seis regímenes, del más lento al más rápido

Jochen Mellmann clasificó en 2001 los movimientos de una carga de granos en un cilindro que gira sin paletas. La clasificación vale para la arena, el mineral o el café, y se lee con dos magnitudes, el número de Froude y el grado de llenado.

Primero viene el deslizamiento: si la pared no arrastra lo suficiente la carga, por falta de fricción, el lecho se queda de una pieza y la pared se desliza por debajo. Siempre son los mismos granos los que rozan contra el metal. Luego el hundimiento: la pared levanta el lecho, que se desploma a sacudidas. Luego la rodadura, un régimen continuo en que la superficie del lecho, plana e inclinada, fluye sin parar mientras el fondo sube con la pared; el lecho se renueva, y cada grano acaba pasando por la superficie. Más rápido, la superficie se abomba en forma de frijol: es la cascada. Más rápido aún, los granos de arriba dejan el lecho y son proyectados a través del tambor: es la catarata. Por último, cuando el número de Froude alcanza 1, toda la carga queda pegada a la pared y gira con ella: es la centrifugación, donde nada se mezcla ya.

Los límites que el estudio de Birmingham toma de Mellmann son amplios: rodadura y cascada entre 0,0001 y 0,1, paso a la catarata hacia 0,1. La centrifugación no necesita medición: comienza, por definición, cuando la fuerza centrífuga iguala la gravedad en la cima del tambor, es decir, a un número de Froude de 1.

Mellmann 2001, citado por Al-Shemmeri et al. 2023, § 1 y 2.4.4.

Las paletas cambian el panorama

Una tostadora no es un cilindro liso. Lleva paletas, aletas fijadas a la pared o al eje, y la sección sobre las tecnologías lo dice en una frase: «levantan el café y lo hacen caer». El cilindro de Richard Evans, primera patente inglesa de tostadora comercial en 1824, ya tenía las suyas. En el Bullet estudiado en Birmingham, tres paletas tienen tres funciones: levantar el grano en la parte baja del tambor, mezclarlo a lo largo, y empujarlo hacia la puerta, lo que permite vaciar el tambor al final. Con ellas, el grano deja el lecho incluso cuando el número de Froude es bajo: es llevado en altura y soltado en cortina a través del aire caliente.

En este tambor de 16 cm, 42 revoluciones por minuto dan un número de Froude de 0,16 en la pared, 56 revoluciones 0,28 y 78 revoluciones 0,54. Con cargas pequeñas o medias y una velocidad baja o media, el café a medio tueste se mantiene entre la cascada y la catarata. Los autores señalan también que la velocidad pesa más sobre la parte del café que permanece en el lecho entre 56 y 78 revoluciones, donde se pasa de la cascada a la catarata.

Para el orden de magnitud de una máquina de oficio: un estudio realizado en una tostadora profesional, con 38 perfiles de tueste, hizo girar el tambor a 40 y a 65 revoluciones por minuto. Una velocidad no se compara sin el diámetro, y eso es lo que permite el número de Froude. He aquí, sacada de la fórmula, la velocidad crítica en que el café se pega contra la pared: 42,3 dividido por la raíz cuadrada del diámetro en metros, en revoluciones por minuto. Vale 106 revoluciones para un tambor de 16 cm, 60 revoluciones para 50 cm y 42 revoluciones para un metro. Un tambor de un metro que girara a 42 revoluciones por minuto ya no mezclaría nada.

Circula una última cifra, y hay que citarla con sus límites. La aplicación de cálculo de Steven Abbott sobre el tueste en tambor considera óptimo un número de Froude «un poco por debajo de 1», sin dar fuente. El estudio de Birmingham encuentra un régimen de trabajo entre 0,16 y 0,54 en un tambor pequeño con paletas, y anota que las cargas pequeñas a velocidades altas, en catarata, aumentan el riesgo de defectos. Las dos cifras no se contradicen necesariamente, puesto que las paletas lo cambian todo; no se puede sacar una regla general de ninguna de las dos.

Al-Shemmeri et al. 2023, § 2.2, tabla 3, § 3.3.2 y 3.4.3; Catão et al. 2022; Abbott, Coffee Drum Roasting; lámina VII, secciones 04 y 08; velocidad crítica calculada para Fr = 1.

El grano se aligera, el régimen cambia

El resultado más útil para un tostador está en otra parte. A igual velocidad y carga, los tres cafés no se mueven igual. El verde, denso, está en cascada: los granos caen rodando sobre la superficie del lecho. El café a medio tueste se mantiene entre cascada y catarata. El tostado, más ligero, pasa a catarata: es proyectado mucho más lejos, y su lecho es mucho más pequeño. Como el grano duplica su volumen y pierde la mitad de su densidad en el primer crack (sección 05), una misma tanda cambia de régimen durante su tueste, sin que nadie haya tocado la velocidad.

Los autores sacan dos consejos. Adaptar la velocidad del tambor a la densidad del café, y hacerla variar durante el tueste: proponen trabajar cerca de la capacidad de la máquina, a velocidades moderadas que decrecen a lo largo de la tanda. Y cargar por volumen en lugar de por peso: dos cafés verdes de densidades distintas, cargados con la misma masa, no ocupan el mismo volumen, no tienen el mismo lecho y no se calientan de la misma manera. Estos consejos son deducciones de un estudio del movimiento, no resultados de ensayos en taza.

Al-Shemmeri et al. 2023, § 3.3.2, 3.4.3 y 3.4.4; lámina VII, sección 05.

Demasiado lento, demasiado rápido: los defectos

Demasiado lento, el tambor deja al mismo grano demasiado tiempo contra la pared caliente. La sección sobre los defectos nombra este caso: el scorching, o chamuscado, una cara que quedó pegada contra el metal en lugar de rodar, causado por una aleta torcida, un tambor que gira demasiado despacio o una carga demasiado grande. La sección sobre las tecnologías ya lo decía del tambor de calentamiento directo: chamusca el grano cuando la pared está demasiado caliente o el tambor demasiado lento, es decir, cuando el mezclado ya no basta para alejar el grano del metal.

Las puntas quemadas, el tipping, tienen otra causa principal en la lámina: una carga demasiado caliente al inicio, que carboniza la parte más delgada del grano. El contacto también interviene, sin embargo: según el Book of Roast, el doble tambor se introdujo contra el tipping causado por el sobrecalentamiento localizado del cilindro perforado (sección 08).

Demasiado rápido, el problema cambia de naturaleza. En catarata, con una carga pequeña, más granos están en vuelo y los que la pared levanta permanecen allí más tiempo; el estudio de Birmingham deduce de ello un mayor riesgo de defectos, por una convección más fuerte en vuelo y una conducción localizada cerca de la pared, que vuelven la tanda menos homogénea si el perfil no se mantiene bien. Y al final, a la velocidad crítica, la centrifugación suprime el mezclado: la carga gira pegada al metal.

Lámina VII, secciones 08 y 13; Al-Shemmeri et al. 2023, § 3.4.4.

Lo que aún no se sabe

Ninguno de los estudios citados relaciona directamente la velocidad del tambor con el sabor. El estudio de Birmingham sigue granos en un tambor frío. El estudio de 38 perfiles hace variar la velocidad entre cinco ajustes y encuentra que el tiempo transcurrido después del crack es lo que más pesa en los aromas medidos y en el puntaje en taza, hasta el punto de que unos treinta segundos cuestan algunos puntos en la escala de la Specialty Coffee Association; nada en su resumen coloca la velocidad en primer lugar. El mezclado sigue siendo, pues, lo que dice la sección 11, una palanca que regula el contacto con la pared, de la cual se conoce ahora el mecanismo mejor que el efecto en taza.

Catão et al. 2022; Al-Shemmeri et al. 2023, § 4.

Las fuentes de esta ficha

1. Al-Shemmeri M., Windows-Yule K., Lopez-Quiroga E., Fryer P. J., «Coffee bean particle motion in a rotating drum measured using Positron Emission Particle Tracking (PEPT)», Food Research International, vol. 163, 2023, artículo 112253, doi:10.1016/j.foodres.2022.112253, licencia CC BY.
2. Mellmann J., «The transverse motion of solids in rotating cylinders: forms of motion and transition behavior», Powder Technology, vol. 118, n.º 3, 2001, p. 251-270, doi:10.1016/S0032-5910(00)00402-2; leído a través de la cita que hace la referencia anterior.
3. Henein H., Brimacombe J. K., Watkinson A. P., «Experimental study of transverse bed motion in rotary kilns», Metallurgical Transactions B, vol. 14, n.º 2, 1983, p. 191-205, doi:10.1007/BF02661016 (resumen).
4. Cristo H. P., Martins M. A., Oliveira L. S., Franca A. S., «Transverse flow of coffee beans in rotating roasters», Journal of Food Engineering, vol. 75, n.º 1, 2006, p. 142-148; citado por Al-Shemmeri et al.
5. Resende I. A., Machado M. V. C., Duarte C. R., Barrozo M. A. S., «An experimental analysis of coffee beans dynamics in a rotary drum», Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 95, n.º 12, 2017, p. 2239-2248; citado por Al-Shemmeri et al.
6. Garcia C. C., Netto A. D. P., Da Silva M. C. et al., 2018; citado por Al-Shemmeri et al. para la temperatura de la pared y de la carga.
7. Catão A. A., Mateus N. de S., Garcia C. da C., da Silva M. C., Novaes F. J. M., Alves S., Marriott P. J., da Silva A. I., «Coffee-roasting variables associated with volatile organic profiles and sensory evaluation using multivariate analysis», Applied Food Research, vol. 2, n.º 2, 2022, artículo 100223, doi:10.1016/j.afres.2022.100223 (resumen).
8. Abbott S., «Coffee Drum Roasting», aplicación en línea de la colección Practical Mechanical, stevenabbott.co.uk, consultada el 21 de octubre de 2026.
9. PXL Roasters, lámina VII, secciones 04, 05, 08, 11 y 13, y las fuentes que citan, entre ellas Scott Rao, The Coffee Roaster's Companion, 2014, y Jens Roelofs en The Book of Roast, 2017.