O PROCESSO EM MOVIMENTO

Como o tambor agita o café?

Inicie a cena ou escolha uma etapa. A animação simplifica o mecanismo; o texto que segue traz os detalhes e as referências disponíveis.

▶ Reproduzir o processo01Lento demais: o leito desliza02Rolamento, depois cascata03As pás: a cortina no ar quente04Rápido demais: a catarata05Fr = 1: colado à parede

Lento demais: o leito desliza

Num tambor que gira devagar demais, ou cuja parede é lisa demais para arrastar o café, o leito não rola: desliza em bloco contra o metal. São então sempre os mesmos grãos que tocam uma parede pré-aquecida a 250 ou 300 °C, e esse contato prolongado queima uma das faces deles, o defeito chamado scorching.

Ler as etapas sem animação

1. Lento demais: o leito deslizaNum tambor que gira devagar demais, ou cuja parede é lisa demais para arrastar o café, o leito não rola: desliza em bloco contra o metal. São então sempre os mesmos grãos que tocam uma parede pré-aquecida a 250 ou 300 °C, e esse contato prolongado queima uma das faces deles, o defeito chamado scorching.
2. Rolamento, depois cascataMais depressa, a parede arrasta o leito para cima e sua superfície começa a fluir: é o rolamento, depois a cascata quando a superfície se abaula. Comparam-se esses regimes com o número de Froude, a força centrífuga em relação à gravidade; rolamento e cascata ficam entre 0,0001 e 0,1. A superfície se renova, mas o grão permanece no leito, contra a parede e seus vizinhos.
3. As pás: a cortina no ar quenteAs pás, aletas fixadas no tambor, levantam o café acima do leito e o soltam em cortina. No leito, o grão avança a menos de 0,5 m/s e recebe o calor da parede; em voo, ele corre a 0,5 a 2 m/s no ar quente, que o aquece por convecção. Num tambor de 16 cm, 42 e 56 rotações por minuto dão um número de Froude de 0,16 e 0,28.
4. Rápido demais: a catarataA 78 rotações por minuto, o número de Froude atinge 0,54: os grãos já não caem em cortina, são projetados através do tambor, é a catarata. O grão que se alivia ao torrar voa mais longe à mesma velocidade. Com uma carga pequena, mais grãos estão em voo, outros ficam mais tempo contra a parede, e a batelada aquece de maneira menos uniforme.
5. Fr = 1: colado à paredeQuando a força centrífuga iguala a gravidade, o café não cai mais: gira colado à parede, sem nenhuma agitação. Essa velocidade crítica vale 42,3 dividido pela raiz do diâmetro em metros, em rotações por minuto: 106 para um tambor de 16 cm, 60 para 50 cm, 42 para um metro. Um tambor grande deve, portanto, girar mais devagar que um pequeno para agitar da mesma maneira.

Para reter: A velocidade do tambor decide onde o grão passa seu tempo, contra o metal, no leito ou no ar, portanto de onde lhe vem o calor.

Na história: O cilindro de Evans já tinha aletas em 1824; a trajetória de um grão num tambor só foi medida em 2023, seguindo um grão marcado.

Ler o artigo completo e suas fontes ↓

A seção sobre o perfil nomeia três alavancas: o calor, o fluxo de ar e a velocidade do tambor, “que regula o contato com a parede”. As duas primeiras têm sua literatura, suas curvas e suas disputas. A terceira passa por um ajuste de instalação, que se fixa uma vez e se esquece. É no entanto ela que decide algo que a sonda não vê: onde está o grão durante a torra, e portanto por qual caminho o calor chega a ele.

Um grão, num tambor, só conhece três situações. Está enterrado no leito, a massa de café deitada no fundo do cilindro, apertado entre seus vizinhos. Está contra a parede, o metal que a chama aquece por baixo. Ou está no ar, solto por uma pá, e atravessa o ar quente que varre o tambor. A seção 05 descreveu os três modos de transferência do calor: a condução por contato, a convecção pelo ar, a radiação da parede e da chama. A agitação faz a ligação entre os dois: ela reparte o tempo do grão entre os lugares em que cada um desses modos predomina.

Prancha VII, seções 05 e 11.

O que se viu ao seguir um grão

Durante muito tempo, ninguém pôde olhar dentro de um tambor fechado. Os estudos publicados filmavam grãos em tambores transparentes, em duas dimensões e com baixa precisão: Cristo e seus colegas em 2006, Resende e os seus em 2017. Em 2023, uma equipe da Universidade de Birmingham, com um engenheiro da Jacobs Douwe Egberts, seguiu um grão marcado com um traçador radioativo num pequeno torrador, um Aillio Bullet de 16 cm de diâmetro. A técnica, o rastreamento de partícula por emissão de pósitrons, vem da imagem médica: uma câmera localiza o grão marcado continuamente, através da parede de aço, e reconstitui sua trajetória.

O tambor não estava aquecido. Os autores reproduziram a torra carregando três cafés preparados de antemão, um verde, um a meio da torra e um torrado, todos do mesmo arábica do Quênia, com três cargas, 300, 600 e 900 g, e três velocidades, 42, 56 e 78 rotações por minuto. A ressalva conta, e voltaremos a ela: observa-se o movimento, não a torra.

O resultado cabe numa imagem. O tambor contém duas regiões que não se parecem. Um leito denso, em que os grãos se tocam e avançam lentamente, de 0 a 0,5 metro por segundo, arrastados pela parede. E uma região quase vazia, em que os grãos soltos pelas pás voam a 0,5 a 2 metros por segundo. A cada volta, um grão sobe cerca de 16 cm, todo o diâmetro do tambor: as pás o levam até o alto antes de soltá-lo.

Essas duas regiões não aquecem da mesma maneira. Em voo, o grão é cercado de ar quente, e a convecção domina. No leito, o ar passa mal entre os grãos; o calor entra sobretudo por condução, a partir da parede para os grãos que a tocam, depois de grão a grão. Ora, a parede está quente: pré-aquecida a 250 ou 300 °C segundo o estudo que os autores citam, quando a sonda lê 180 a 200 °C na carga. Um grão colocado contra esse metal aquece muito depressa, e os autores aproximam esse caso do dos maltes torrados, em que o essencial do aquecimento se faz na zona da parede.

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

Um número para comparar os tambores

Para descrever um tambor que gira, os engenheiros de fornos rotativos, de secadores e de misturadores usam um número sem unidade, o número de Froude. Ele relaciona a força centrífuga que a rotação exerce sobre um grão colocado contra a parede à gravidade que o faz cair de volta: Fr = ω²R/g, em que ω é a velocidade de rotação em radianos por segundo, R o raio do tambor e g a aceleração da gravidade, 9,81 m/s². Um número de Froude de 0,1 quer dizer que a parede retém o grão com um décimo de seu peso; um número de Froude de 1, que ela o comprime com uma força igual ao seu peso, o bastante para que ele não caia mais, nem mesmo no topo.

O interesse desse número é comparar tambores de tamanhos diferentes. Com o mesmo enchimento, dois tambores que têm o mesmo número de Froude agitam sua carga de maneira semelhante: é a regra de escala que Henein, Brimacombe e Watkinson tiraram em 1983 de seus ensaios sobre fornos rotativos, com uma correção para o tamanho dos grãos em relação ao diâmetro do cilindro. Ela tem uma consequência que o ofício conhece sem formulá-la: um tambor grande deve girar mais devagar que um pequeno. Na velocidade em que um tambor de 16 cm agita suavemente seu café, um tambor de um metro já o comprimiria contra a parede.

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

Seis regimes, do mais lento ao mais rápido

Jochen Mellmann classificou em 2001 os movimentos de uma carga de grãos num cilindro que gira sem pás. A classificação vale para a areia, o minério ou o café, e se lê com duas grandezas, o número de Froude e a taxa de enchimento.

O deslizamento vem primeiro: se a parede não arrasta a carga o bastante, por falta de atrito, o leito permanece em bloco e a parede desliza por baixo. São sempre os mesmos grãos que atritam contra o metal. Depois o desabamento: a parede levanta o leito, que desmorona por solavancos. Depois o rolamento, um regime contínuo em que a superfície do leito, plana e inclinada, flui sem parar enquanto o fundo sobe com a parede; o leito se renova, e cada grão acaba passando pela superfície. Mais depressa, a superfície se abaula em forma de feijão: é a cascata. Mais depressa ainda, os grãos do alto deixam o leito e são projetados através do tambor: é a catarata. Por fim, quando o número de Froude atinge 1, toda a carga fica colada à parede e gira com ela: é a centrifugação, em que nada mais se mistura.

Os limites que o estudo de Birmingham retoma de Mellmann são largos: rolamento e cascata entre 0,0001 e 0,1, passagem à catarata por volta de 0,1. A centrifugação não precisa de medição: ela começa, por definição, quando a força centrífuga iguala a gravidade no topo do tambor, portanto a um número de Froude de 1.

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

As pás mudam o jogo

Um torrador não é um cilindro liso. Ele traz pás, aletas fixadas na parede ou no eixo, e a seção sobre as tecnologias o diz numa frase: elas “levantam o café e o deixam cair de volta”. O cilindro de Richard Evans, primeira patente inglesa de torrador comercial em 1824, já tinha as suas. No Bullet estudado em Birmingham, três pás têm três papéis: levantar o grão na parte baixa do tambor, misturá-lo no sentido do comprimento e empurrá-lo em direção à porta, o que permite esvaziar o tambor no fim. Com elas, o grão deixa o leito mesmo quando o número de Froude é baixo: é levado para o alto e solto em cortina através do ar quente.

Nesse tambor de 16 cm, 42 rotações por minuto dão um número de Froude de 0,16 na parede, 56 rotações 0,28 e 78 rotações 0,54. Com cargas pequenas ou médias e uma velocidade baixa ou média, o café a meio da torra fica entre a cascata e a catarata. Os autores observam também que a velocidade pesa mais sobre a parte do café que permaneceu no leito entre 56 e 78 rotações, ali onde se passa da cascata à catarata.

Para a ordem de grandeza de uma máquina profissional: um estudo conduzido num torrador profissional, com 38 perfis de torra, fez o tambor girar a 40 e a 65 rotações por minuto. Uma velocidade não se compara sem o diâmetro, e é isso que o número de Froude permite. Eis, tirada da fórmula, a velocidade crítica em que o café se comprime contra a parede: 42,3 dividido pela raiz quadrada do diâmetro em metros, em rotações por minuto. Ela vale 106 rotações para um tambor de 16 cm, 60 rotações para 50 cm e 42 rotações para um metro. Um tambor de um metro que girasse a 42 rotações por minuto não agitaria mais nada.

Um último número circula, e é preciso citá-lo com seus limites. O aplicativo de cálculo de Steven Abbott sobre a torra em tambor considera ótimo um número de Froude “um pouco abaixo de 1”, sem dar fonte. O estudo de Birmingham encontra um regime de trabalho entre 0,16 e 0,54 num pequeno tambor com pás, e observa que as cargas pequenas em velocidades altas, em catarata, aumentam o risco de defeitos. Os dois não se contradizem necessariamente, já que as pás mudam tudo; não se pode tirar regra geral nem de um nem do outro.

Al-Shemmeri et al. 2023, § 2.2, tabela 3, § 3.3.2 e 3.4.3; Catão et al. 2022; Abbott, Coffee Drum Roasting; prancha VII, seções 04 e 08; velocidade crítica calculada para Fr = 1.

O grão se alivia, o regime muda

O resultado mais útil para um torrefador está em outro lugar. Com a mesma velocidade e a mesma carga, os três cafés não se movem igual. O verde, denso, está em cascata: os grãos caem rolando sobre a superfície do leito. O café a meio da torra fica entre cascata e catarata. O torrado, mais leve, passa à catarata: é projetado bem mais longe, e seu leito é bem menor. Como o grão dobra de volume e perde metade da densidade no primeiro crack (seção 05), uma mesma batelada muda de regime durante a torra, sem que ninguém tenha tocado na velocidade.

Os autores tiram dois conselhos. Adaptar a velocidade do tambor à densidade do café, e fazê-la variar durante a torra: propõem trabalhar perto da capacidade da máquina, em velocidades moderadas que decrescem ao longo da batelada. E carregar por volume em vez de por peso: dois cafés verdes de densidades diferentes, carregados com a mesma massa, não ocupam o mesmo volume, não têm o mesmo leito e não aquecem da mesma maneira. Esses conselhos são deduções de um estudo do movimento, não resultados de ensaios na xícara.

Al-Shemmeri et al. 2023, § 3.3.2, 3.4.3 e 3.4.4; prancha VII, seção 05.

Lento demais, rápido demais: os defeitos

Lento demais, o tambor deixa o mesmo grão tempo demais contra a parede quente. A seção sobre os defeitos nomeia esse caso: o scorching, ou queima superficial, uma face que ficou colada ao metal em vez de rolar, causada por uma aleta torta, um tambor que gira devagar demais ou uma carga grande demais. A seção sobre as tecnologias já o dizia do tambor de aquecimento direto: ele queima a superfície do grão quando a parede está quente demais ou o tambor lento demais, isto é, quando a agitação não basta mais para afastar o grão do metal.

As pontas queimadas, o tipping, têm outra causa principal na prancha: uma carga quente demais na partida, que carboniza a parte mais fina do grão. O contato também tem seu papel: segundo o Book of Roast, o tambor duplo foi introduzido contra o tipping causado pelo superaquecimento localizado do cilindro perfurado (seção 08).

Rápido demais, o problema muda de natureza. Em catarata, com uma carga pequena, mais grãos estão em voo e os que a parede levanta permanecem ali por mais tempo; o estudo de Birmingham deduz daí um risco maior de defeitos, por uma convecção mais forte em voo e uma condução localizada perto da parede, que tornam a batelada menos homogênea se o perfil não for bem mantido. E no fim, na velocidade crítica, a centrifugação suprime a agitação: a carga gira colada ao metal.

Prancha VII, seções 08 e 13; Al-Shemmeri et al. 2023, § 3.4.4.

O que ainda não se sabe

Nenhum dos estudos citados liga diretamente a velocidade do tambor ao gosto. O estudo de Birmingham segue grãos num tambor frio. O estudo sobre 38 perfis faz variar a velocidade entre cinco ajustes e constata que o tempo decorrido depois do crack é o que mais pesa sobre os aromas medidos e sobre a nota na xícara, a ponto de uns trinta segundos custarem alguns pontos na escala da Specialty Coffee Association; nada em seu resumo coloca a velocidade em primeiro lugar. A agitação continua sendo, portanto, o que a seção 11 diz dela, uma alavanca que regula o contato com a parede, cujo mecanismo se conhece agora melhor do que o efeito na xícara.

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

As fontes desta 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, artigo 112253, doi:10.1016/j.foodres.2022.112253, licença CC BY.
2. Mellmann J., “The transverse motion of solids in rotating cylinders: forms of motion and transition behavior”, Powder Technology, vol. 118, n° 3, 2001, p. 251-270, doi:10.1016/S0032-5910(00)00402-2; lido por meio da citação que dele faz a referência precedente.
3. Henein H., Brimacombe J. K., Watkinson A. P., “Experimental study of transverse bed motion in rotary kilns”, Metallurgical Transactions B, vol. 14, n° 2, 1983, p. 191-205, doi:10.1007/BF02661016 (resumo).
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° 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° 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 a temperatura da parede e da 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° 2, 2022, artigo 100223, doi:10.1016/j.afres.2022.100223 (resumo).
8. Abbott S., “Coffee Drum Roasting”, aplicativo online da coleção Practical Mechanical, stevenabbott.co.uk, acessado em 21 de outubro de 2026.
9. PXL Roasters, prancha VII, seções 04, 05, 08, 11 e 13, e as fontes que elas citam, entre as quais Scott Rao, The Coffee Roaster's Companion, 2014, e Jens Roelofs em The Book of Roast, 2017.