LE PROCÉDÉ EN MOUVEMENT

Comment le tambour brasse-t-il le café ?

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▶ Lire le procédé01Trop lent : le lit glisse02Roulement, puis cascade03Les pales : le rideau dans l'air chaud04Trop vite : la cataracte05Fr = 1 : plaqué contre la paroi

Trop lent : le lit glisse

Dans un tambour qui tourne trop lentement, ou dont la paroi est trop lisse pour entraîner le café, le lit ne roule pas : il glisse en bloc contre le métal. Ce sont alors toujours les mêmes grains qui touchent une paroi préchauffée à 250 ou 300 °C, et ce contact prolongé roussit une de leurs faces, le défaut qu'on appelle scorching.

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1. Trop lent : le lit glisseDans un tambour qui tourne trop lentement, ou dont la paroi est trop lisse pour entraîner le café, le lit ne roule pas : il glisse en bloc contre le métal. Ce sont alors toujours les mêmes grains qui touchent une paroi préchauffée à 250 ou 300 °C, et ce contact prolongé roussit une de leurs faces, le défaut qu'on appelle scorching.
2. Roulement, puis cascadePlus vite, la paroi entraîne le lit vers le haut et sa surface se met à couler : c'est le roulement, puis la cascade quand la surface se bombe. On compare ces régimes avec le nombre de Froude, la force centrifuge rapportée à la pesanteur ; roulement et cascade se tiennent entre 0,0001 et 0,1. La surface se renouvelle, mais le grain reste dans le lit, contre la paroi et ses voisins.
3. Les pales : le rideau dans l'air chaudLes pales, des ailettes fixées dans le tambour, soulèvent le café au-dessus du lit et le lâchent en rideau. Dans le lit, le grain avance à moins de 0,5 m/s et reçoit la chaleur de la paroi ; en vol, il file à 0,5 à 2 m/s dans l'air chaud, qui le chauffe par convection. Sur un tambour de 16 cm, 42 et 56 tours par minute donnent un nombre de Froude de 0,16 et 0,28.
4. Trop vite : la cataracteÀ 78 tours par minute, le nombre de Froude atteint 0,54 : les grains ne retombent plus en rideau, ils sont projetés à travers le tambour, c'est la cataracte. Le grain qui s'allège en cuisant vole plus loin à vitesse égale. Avec une petite charge, plus de grains sont en vol, d'autres restent plus longtemps contre la paroi, et la fournée chauffe moins également.
5. Fr = 1 : plaqué contre la paroiQuand la force centrifuge égale la pesanteur, le café ne retombe plus : il tourne collé à la paroi, sans aucun brassage. Cette vitesse critique vaut 42,3 divisé par la racine du diamètre en mètres, en tours par minute : 106 pour un tambour de 16 cm, 60 pour 50 cm, 42 pour un mètre. Un grand tambour doit donc tourner plus lentement qu'un petit pour brasser de la même façon.

À retenir : La vitesse du tambour décide où le grain passe son temps, contre le métal, dans le lit ou dans l'air, donc d'où lui vient sa chaleur.

Dans l’histoire : Le cylindre d'Evans portait déjà des ailettes en 1824 ; la trajectoire d'un grain dans un tambour n'a été mesurée qu'en 2023, en suivant un grain marqué.

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La section sur le profil nomme trois leviers : la chaleur, le débit d'air et la vitesse du tambour, « qui règle le contact avec la paroi ». Les deux premiers ont leur littérature, leurs courbes et leurs querelles. Le troisième passe pour un réglage d'installation, qu'on fixe une fois et qu'on oublie. C'est pourtant lui qui décide d'une chose que la sonde ne voit pas : où se trouve le grain pendant la cuisson, et donc par quel chemin la chaleur lui arrive.

Un grain, dans un tambour, ne connaît que trois situations. Il est enfoui dans le lit, la masse de café couchée au fond du cylindre, serré entre ses voisins. Il est contre la paroi, le métal que la flamme chauffe par-dessous. Ou il est en l'air, lâché par une pale, et traverse l'air chaud qui balaie le tambour. La section 05 a décrit les trois modes de transfert de la chaleur : la conduction par contact, la convection par l'air, le rayonnement de la paroi et de la flamme. Le brassage fait le lien entre les deux : il répartit le temps du grain entre les endroits où domine chacun de ces modes.

Planche VII, sections 05 et 11.

Ce qu'on a vu en suivant un grain

Longtemps, personne n'a pu regarder dans un tambour fermé. Les études publiées filmaient des grains dans des tambours transparents, en deux dimensions et avec une précision faible : Cristo et ses collègues en 2006, Resende et les siens en 2017. En 2023, une équipe de l'université de Birmingham, avec un ingénieur de Jacobs Douwe Egberts, a suivi un grain marqué d'un traceur radioactif dans un petit torréfacteur, un Aillio Bullet de 16 cm de diamètre. La technique, le suivi de particule par émission de positons, vient de l'imagerie médicale : une caméra localise le grain marqué en continu, à travers la paroi d'acier, et reconstitue sa trajectoire.

Le tambour n'était pas chauffé. Les auteurs ont reproduit la cuisson en chargeant trois cafés préparés à l'avance, un vert, un à mi-cuisson et un torréfié, tous du même Arabica du Kenya, avec trois charges, 300, 600 et 900 g, et trois vitesses, 42, 56 et 78 tours par minute. La réserve compte, et on y reviendra : on observe le mouvement, pas la cuisson.

Le résultat tient en une image. Le tambour contient deux régions qui ne se ressemblent pas. Un lit dense, où les grains se touchent et avancent lentement, de 0 à 0,5 mètre par seconde, entraînés par la paroi. Et une région presque vide, où les grains lâchés par les pales volent à 0,5 à 2 mètres par seconde. À chaque tour, un grain monte d'environ 16 cm, tout le diamètre du tambour : les pales le portent jusqu'en haut avant de le lâcher.

Ces deux régions ne chauffent pas de la même façon. En vol, le grain est entouré d'air chaud, et la convection domine. Dans le lit, l'air passe mal entre les grains ; la chaleur entre surtout par conduction, depuis la paroi pour les grains qui la touchent, puis de grain à grain. Or la paroi est chaude : préchauffée à 250 ou 300 °C selon l'étude que citent les auteurs, quand la sonde lit 180 à 200 °C à la charge. Un grain posé contre ce métal chauffe très vite, et les auteurs rapprochent ce cas de celui des malts torréfiés, où l'essentiel du chauffage se fait dans la zone de la paroi.

Al-Shemmeri et coll. 2023, § 1, 2.2, 2.3, 3.3.1 et 3.4.1 ; Garcia et coll. 2018, Cristo et coll. 2006 et Resende et coll. 2017, cités par eux.

Un nombre pour comparer les tambours

Pour décrire un tambour qui tourne, les ingénieurs des fours rotatifs, des sécheurs et des mélangeurs se servent d'un nombre sans unité, le nombre de Froude. Il rapporte la force centrifuge que la rotation exerce sur un grain posé contre la paroi à la pesanteur qui le fait retomber : Fr = ω²R/g, où ω est la vitesse de rotation en radians par seconde, R le rayon du tambour et g l'accélération de la pesanteur, 9,81 m/s². Un nombre de Froude de 0,1 veut dire que la paroi retient le grain avec un dixième de son poids ; un nombre de Froude de 1, qu'elle le plaque avec une force égale à son poids, assez pour qu'il ne retombe plus, même au sommet.

L'intérêt de ce nombre est de comparer des tambours de tailles différentes. À remplissage égal, deux tambours qui ont le même nombre de Froude brassent leur charge de façon semblable : c'est la règle d'échelle que Henein, Brimacombe et Watkinson ont tirée en 1983 de leurs essais sur les fours rotatifs, avec une correction pour la taille des grains rapportée au diamètre du cylindre. Elle a une conséquence que le métier connaît sans la formuler : un grand tambour doit tourner plus lentement qu'un petit. À la vitesse où un tambour de 16 cm brasse doucement son café, un tambour d'un mètre le plaquerait déjà contre la paroi.

Al-Shemmeri et coll. 2023, § 2.4.4, équations 3 et 4 ; Henein, Brimacombe et Watkinson 1983 ; Mellmann 2001.

Six régimes, du plus lent au plus rapide

Jochen Mellmann a classé en 2001 les mouvements d'une charge de grains dans un cylindre qui tourne sans pales. Le classement vaut pour le sable, le minerai ou le café, et se lit avec deux grandeurs, le nombre de Froude et le taux de remplissage.

Le glissement vient d'abord : si la paroi n'entraîne pas assez la charge, faute de frottement, le lit reste d'un bloc et la paroi glisse dessous. Ce sont toujours les mêmes grains qui frottent contre le métal. Puis l'affaissement : la paroi soulève le lit, qui s'effondre par à-coups. Puis le roulement, un régime continu où la surface du lit, plane et inclinée, coule sans arrêt pendant que le fond monte avec la paroi ; le lit se renouvelle, et chaque grain finit par passer en surface. Plus vite, la surface se bombe en forme de haricot : c'est la cascade. Plus vite encore, les grains du haut quittent le lit et sont projetés à travers le tambour : c'est la cataracte. Enfin, quand le nombre de Froude atteint 1, toute la charge reste plaquée contre la paroi et tourne avec elle : c'est la centrifugation, où plus rien ne se mélange.

Les bornes que l'étude de Birmingham reprend de Mellmann sont larges : roulement et cascade entre 0,0001 et 0,1, passage à la cataracte vers 0,1. La centrifugation n'a pas besoin de mesure : elle commence, par définition, quand la force centrifuge égale la pesanteur au sommet du tambour, donc à un nombre de Froude de 1.

Mellmann 2001, cité par Al-Shemmeri et coll. 2023, § 1 et 2.4.4.

Les pales changent la donne

Un torréfacteur n'est pas un cylindre lisse. Il porte des pales, des ailettes fixées à la paroi ou à l'axe, et la section sur les technologies le dit en une phrase : elles « soulèvent le café et le font retomber ». Le cylindre de Richard Evans, premier brevet anglais de torréfacteur commercial en 1824, avait déjà les siennes. Dans le Bullet étudié à Birmingham, trois pales ont trois rôles : soulever le grain dans le bas du tambour, le mélanger dans la longueur, et le pousser vers la porte, ce qui permet de vider le tambour à la fin. Avec elles, le grain quitte le lit même quand le nombre de Froude est faible : il est porté en hauteur et lâché en rideau à travers l'air chaud.

Sur ce tambour de 16 cm, 42 tours par minute donnent un nombre de Froude de 0,16 à la paroi, 56 tours 0,28 et 78 tours 0,54. Avec des charges petites ou moyennes et une vitesse basse ou moyenne, le café à mi-cuisson se tient entre la cascade et la cataracte. Les auteurs relèvent aussi que la vitesse pèse le plus sur la part du café restée dans le lit entre 56 et 78 tours, là où l'on passe de la cascade à la cataracte.

Pour l'ordre de grandeur d'une machine de métier : une étude conduite sur un torréfacteur professionnel, avec 38 profils de cuisson, a fait tourner le tambour à 40 et à 65 tours par minute. Une vitesse ne se compare pas sans le diamètre, et c'est ce que le nombre de Froude permet. Voici, tirée de la formule, la vitesse critique où le café se plaque contre la paroi : 42,3 divisé par la racine carrée du diamètre en mètres, en tours par minute. Elle vaut 106 tours pour un tambour de 16 cm, 60 tours pour 50 cm et 42 tours pour un mètre. Un tambour d'un mètre qui tournerait à 42 tours par minute ne brasserait plus rien.

Un dernier chiffre circule, et il faut le citer avec ses limites. L'application de calcul de Steven Abbott sur la torréfaction en tambour tient pour optimal un nombre de Froude « un peu en dessous de 1 », sans donner de source. L'étude de Birmingham trouve un régime de travail entre 0,16 et 0,54 sur un petit tambour à pales, et note que les petites charges aux grandes vitesses, en cataracte, augmentent le risque de défauts. Les deux ne se contredisent pas forcément, puisque les pales changent tout ; on ne peut tirer de règle générale ni de l'un ni de l'autre.

Al-Shemmeri et coll. 2023, § 2.2, tableau 3, § 3.3.2 et 3.4.3 ; Catão et coll. 2022 ; Abbott, Coffee Drum Roasting ; planche VII, sections 04 et 08 ; vitesse critique calculée pour Fr = 1.

Le grain s'allège, le régime change

Le résultat le plus utile pour un torréfacteur est ailleurs. À vitesse et à charge égales, les trois cafés ne bougent pas pareil. Le vert, dense, est en cascade : les grains retombent en roulant sur la surface du lit. Le café à mi-cuisson se tient entre cascade et cataracte. Le torréfié, plus léger, passe en cataracte : il est projeté bien plus loin, et son lit est bien plus petit. Comme le grain double de volume et perd la moitié de sa densité au premier crack (section 05), une même fournée change de régime pendant sa cuisson, sans que personne ait touché à la vitesse.

Les auteurs en tirent deux conseils. Adapter la vitesse du tambour à la densité du café, et la faire varier pendant la cuisson : ils proposent de travailler près de la capacité de la machine, à des vitesses modérées qui décroissent au fil de la fournée. Et charger au volume plutôt qu'au poids : deux cafés verts de densités différentes, chargés à la même masse, n'occupent pas le même volume, n'ont pas le même lit et ne chauffent pas de la même façon. Ces conseils sont des déductions d'une étude du mouvement, pas des résultats d'essais en tasse.

Al-Shemmeri et coll. 2023, § 3.3.2, 3.4.3 et 3.4.4 ; planche VII, section 05.

Trop lent, trop vite : les défauts

Trop lent, le tambour laisse le même grain trop longtemps contre la paroi chaude. La section sur les défauts nomme ce cas : le scorching, ou roussissement, une face restée plaquée contre le métal au lieu de rouler, que causent une ailette tordue, un tambour qui tourne trop lentement ou une charge trop importante. La section sur les technologies le disait déjà du tambour à chauffe directe : il roussit le grain quand la paroi est trop chaude ou le tambour trop lent, c'est-à-dire quand le brassage ne suffit plus à éloigner le grain du métal.

Les pointes brûlées, le tipping, ont une autre cause principale dans la planche : une charge trop chaude au départ, qui carbonise la partie la plus mince du grain. Le contact y joue pourtant aussi : selon le Book of Roast, le double tambour a été introduit contre le tipping causé par la surchauffe localisée du cylindre perforé (section 08).

Trop vite, le problème change de nature. En cataracte, avec une petite charge, plus de grains sont en vol et ceux que la paroi soulève y restent plus longtemps ; l'étude de Birmingham en déduit un risque accru de défauts, par une convection plus forte en vol et une conduction localisée près de la paroi, qui rendent la fournée moins homogène si le profil n'est pas bien tenu. Et au bout, à la vitesse critique, la centrifugation supprime le brassage : la charge tourne collée au métal.

Planche VII, sections 08 et 13 ; Al-Shemmeri et coll. 2023, § 3.4.4.

Ce que l'on ne sait pas encore

Aucune des études citées ne relie directement la vitesse du tambour au goût. L'étude de Birmingham suit des grains dans un tambour froid. L'étude sur 38 profils fait varier la vitesse parmi cinq réglages et trouve que le temps écoulé après le crack pèse le plus sur les arômes mesurés et sur la note en tasse, au point qu'une trentaine de secondes coûte quelques points sur l'échelle de la Specialty Coffee Association ; rien dans son résumé ne place la vitesse au premier rang. Le brassage reste donc ce que la section 11 en dit, un levier qui règle le contact avec la paroi, dont on connaît désormais le mécanisme mieux que l'effet en tasse.

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

Les sources de cette fiche

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, article 112253, doi:10.1016/j.foodres.2022.112253, licence 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 ; lu à travers la citation qu'en fait la référence précédente.
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 (résumé).
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 ; cité par Al-Shemmeri et coll.
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 ; cité par Al-Shemmeri et coll.
6. Garcia C. C., Netto A. D. P., Da Silva M. C. et coll., 2018 ; cité par Al-Shemmeri et coll. pour la température de paroi et de charge.
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, article 100223, doi:10.1016/j.afres.2022.100223 (résumé).
8. Abbott S., « Coffee Drum Roasting », application en ligne de la collection Practical Mechanical, stevenabbott.co.uk, consultée le 21 octobre 2026.
9. PXL Roasters, planche VII, sections 04, 05, 08, 11 et 13, et les sources qu'elles citent, dont Scott Rao, The Coffee Roaster's Companion, 2014, et Jens Roelofs dans The Book of Roast, 2017.