Trattamento dei fumi della tostatura del caffè: analisi sperimentale di particolato, Carbonio Organico Totale e composti volatili
Artur Cokaj — Ricercatore e progettista di tecnologie per il trattamento dell’aria
Inventore, titolare del brevetto per invenzione industriale n. 102022000000572
Preposto alla Gestione Tecnica D.M. 37/2008 Lett. A, C, D, E
La tostatura del caffè genera un flusso aeriforme complesso, nel quale possono essere presenti particolato, aerosol organici, vapori condensabili, monossido di carbonio, ossidi di azoto e numerose sostanze organiche volatili.
La composizione delle emissioni cambia durante il processo e dipende dalla tostatrice, dalla temperatura, dalla durata del ciclo, dalla tipologia di caffè e dalle condizioni di esercizio.
Per questo il trattamento dei fumi di una torrefazione non può essere valutato attraverso un solo parametro. La misura delle polveri descrive la componente particellare, mentre l’analisi del Carbonio Organico Totale e dei singoli composti organici permette di studiare la componente organica presente nella fase gassosa e vaporosa.
Quali parametri caratterizzano i fumi della torrefazione
Una campagna di misura può comprendere diversi parametri, ciascuno dei quali descrive una parte specifica dell’emissione:
- polveri totali;
- Carbonio Organico Totale, COT;
- singoli Composti Organici Volatili, VOC;
- monossido di carbonio, CO;
- ossidi di azoto, NOx;
- ossigeno nei fumi;
- portata, temperatura e condizioni fisiche del flusso.
La lettura congiunta di questi dati permette di comprendere meglio il comportamento dell’emissione rispetto a una valutazione basata esclusivamente sulla concentrazione delle polveri.
COT e VOC: due misure diverse
È utile distinguere il Carbonio Organico Totale dalla speciazione dei VOC.
Il COT, determinato mediante rivelatore a ionizzazione di fiamma secondo UNI EN 12619, misura complessivamente il carbonio associato alle sostanze organiche gassose e vaporose rilevate dal metodo.
La speciazione dei VOC cerca invece di identificare e quantificare singole sostanze presenti nella miscela.
Le due analisi forniscono quindi informazioni complementari.
Il COT permette di seguire l’andamento complessivo della componente organica dell’emissione, mentre la speciazione consente di sapere quali composti contribuiscono a quella miscela e in quali concentrazioni.
Le campagne sperimentali
Nelle prove eseguite sulla torrefazione sono state confrontate differenti configurazioni di trattamento dei fumi.
La documentazione tecnica ETC relativa alla campagna distingue quattro condizioni:
impianto senza trattamento;
trattamento con abbattitore ad acqua;
configurazione completa con ulteriori stadi di trattamento;
configurazione completa con doppio stadio finale.
Questa impostazione permette di confrontare il comportamento dell’emissione al variare della configurazione impiantistica, purché i risultati siano letti considerando le condizioni operative nelle quali ogni misura è stata eseguita.
Le determinazioni delle polveri possono essere effettuate secondo UNI EN 13284-1, mentre il Carbonio Organico Totale viene determinato mediante FID secondo UNI EN 12619. Per la misura della velocità e della portata del gas nei condotti può essere utilizzata UNI EN ISO 16911-1.
Il comportamento del particolato
Il particolato prodotto durante la tostatura non deve essere interpretato automaticamente come la fuliggine tipica della combustione della legna.
Nei fumi di una torrefattrice possono essere presenti particelle originate dal processo, frazioni organiche condensabili e materiale fine trascinato dal flusso.
Il trattamento ad acqua agisce creando un’interazione tra particelle e fase liquida. Il contatto con le gocce, insieme alla fluidodinamica interna dell’apparecchiatura, può trasferire una parte del materiale sospeso alla fase acquosa e consentirne successivamente la separazione.
Le prove comparative ETC hanno registrato concentrazioni inferiori di polveri nelle configurazioni dotate di trattamento rispetto alla condizione senza trattamento. La misura, tuttavia, deve sempre essere riferita alla specifica configurazione e alle condizioni nelle quali è stata effettuata.
Il Carbonio Organico Totale
Nel caso della torrefazione, il COT è particolarmente utile perché una parte significativa dell’emissione è costituita da sostanze organiche generate dalle trasformazioni termiche che avvengono durante la tostatura.
La campagna ETC ha registrato una marcata variazione delle concentrazioni di COT tra la configurazione senza trattamento e le configurazioni successive.
Questo dato deve essere interpretato correttamente.
Una variazione della concentrazione misurata tra due prove non costituisce automaticamente un’efficienza universale del sistema. Per ricavare una prestazione di abbattimento occorre verificare la comparabilità delle condizioni di campionamento, la portata dei fumi, le condizioni di normalizzazione e lo stato operativo della torrefattrice.
La prova descrive quindi il comportamento osservato in quella specifica configurazione sperimentale.
Perché analizzare anche i VOC
La misura del COT fornisce un valore complessivo, ma non identifica le singole molecole presenti nell’emissione.
Durante la tostatura vengono prodotti numerosi composti volatili. La letteratura scientifica documenta, tra gli altri, aldeidi, chetoni e differenti sostanze aromatiche e organiche generate durante il riscaldamento e la trasformazione del chicco.
Alcuni di questi composti partecipano all’aroma caratteristico del caffè tostato; quando vengono espulsi attraverso il camino contribuiscono anche alla componente odorigena dell’emissione.
La loro concentrazione non rimane necessariamente costante. Temperatura di tostatura, tempo, livello di tostatura, materia prima e condizioni del processo possono modificare sensibilmente il profilo dei composti emessi.
Per questo una singola misura di VOC non è sufficiente a descrivere in modo definitivo il comportamento di una torrefazione.
Cosa dice la letteratura tecnica
L’U.S. Environmental Protection Agency identifica nelle operazioni di tostatura emissioni di particolato, VOC e prodotti gassosi della combustione e del processo.
Anche gli studi condotti dal National Institute for Occupational Safety and Health e pubblicati su Frontiers in Public Health hanno rilevato numerosi VOC associati alla produzione e alla lavorazione del caffè tostato, tra cui diacetile, 2,3-pentanedione e altri composti volatili.
Una application note pubblicata da Syft Technologies ha analizzato 26 VOC prima e dopo un sistema wet scrubber installato in una torrefazione. In quella specifica applicazione sono state osservate riduzioni di differenti composti tra il punto di misura a monte e quello a valle del sistema.
Questi risultati sono interessanti per comprendere il comportamento della tecnologia, ma non possono essere trasferiti direttamente a un’altra macchina o a un’altra torrefazione: geometria dell’impianto, portata, acqua di lavaggio, temperatura e profilo delle emissioni possono essere differenti.
Come valutare correttamente un sistema di trattamento
Una prova significativa deve collegare il risultato alle condizioni nelle quali è stato ottenuto.
Per questo, oltre alla concentrazione del contaminante, è necessario conoscere la portata del flusso, la temperatura, le condizioni di riferimento, il punto di campionamento e lo stato operativo della tostatrice.
Nel confronto tra due configurazioni, anche la portata è importante: una diminuzione della concentrazione espressa in mg/Nm³ non corrisponde necessariamente alla stessa riduzione della massa totale emessa nell’unità di tempo.
L’analisi combinata di particolato, COT, VOC e parametri del flusso permette quindi di costruire una valutazione tecnica più completa del processo di tostatura e del sistema utilizzato per trattarne le emissioni.
I risultati ottenuti durante una campagna sperimentale descrivono l’impianto e le condizioni esaminate in quel momento. Non costituiscono una prestazione garantita per qualsiasi torrefattrice, profilo di tostatura o configurazione di trattamento.
