Çoğu kahvenin çekirdek bileşeni olan çiğ Arabica fasulyesinin maliyeti, son yıllarda art arda dört mevsim olumsuz hava nedeniyle arttı. İklim değişikliği, Coffea Arabica tesisinin gerektirdiği hassas sıcaklık dengesini tehdit ederek daha fazla zorlama ekledi. Bu büyüyen baskı, Pennsylvania Üniversitesi’ndeki fizikçilere şunu sorması için ilham verdi: Daha az fasulye ile harika kahve yapabilir miyiz?
Sanat ve Bilimler Fakültesi’nde yardımcı doçent Arnold Mathijssen, “Akışkan mekaniği hakkında çok fazla araştırma var ve parçacıklar hakkında ayrı ayrı çok fazla araştırma var” diyor. “Belki de bu, bunları bir araya getirmeye başladığımız ilk çalışmalardan biridir.”
Dergide yayınlanan bulguları Sıvı Fiziğiekstraksiyon verimliliğini artırmak için bilimsel bir yaklaşım sağlayın, böylece daha az kahve telvesi genel kaliteyi azaltmadan daha da ileri gidebilir.
Mathijssen laboratuvarında mezun olan bir araştırmacı olan ortak yazar Ernest Park, “Mathijssen laboratuvarında mezun olan bir araştırmacı olan ortak yazar Ernest Park,” Mümkün olduğunca az (veya) mümkün olduğunca az kahve kullanabileceğimiz yolları bulmaya çalıştık ve sadece daha az zemin kullanırken kahve alanlarından aldığınız ekstraksiyonu artırmak için bir gooseeck su ısıtıcısından dökülmenin akışkan dinamiklerinden yararlanıyoruz “diyor.
Deney, Mathijssen laboratuvarında lisansüstü araştırmacı olan ortak yazar Margot Young’ı açıklıyor.
Park, “Coffee’nin opaklığı, doğrudan dökme dinamiklerini gözlemlemeyi zorlaştırıyor, bu yüzden bir cam konisinde şeffaf silika jel parçacıklarına takıldık.”
Bir lazer tabakası ve yüksek hızlı kamera, su akışlarının parçacıkların “minyatür çığlar” oluşturduğunu izlemelerine izin verdi-akışın iç işleyişini geri döndürdü. Bir yükseklikten dökülen su, parçacıkların yatağını karıştıran ve ekstraksiyonu artıran çığ etkisini üretir.
Bu işlemde kilit bir faktör laminer veya pürüzsüz ve nontturbulent akıştır-nazik bir akış akışı ile bile, bir koltuk su ısıtıcısı tarafından mümkündür. Park, “Sadece normal bir su su ısıtıcısı kullanacak olsaydınız, akışın nereye gittiğini kontrol etmek biraz zor” diyor. “Ve eğer akış yeterince laminer değilse, kahve yatağını da kazmaz.”
Ekip, su bir yükseklikten döküldüğünde, daha güçlü bir karıştırma etkisi yarattığını keşfetti.
Young, “Bir fincan demlenirken, tüm bu kahve tadını ve gerekçesiyle tüm iyi şeyleri alan ve su arasındaki temastır.” Diyerek şöyle devam etti: “Yani fikir, su ile dökümdeki topraklar arasındaki teması artırmaya çalışmak.”
Çok büyük bir yükseklikten dökülürse, su akışının damlacıklara parçalandığını, bununla birlikte hava taşıyan kahve konisine taşındığını ve bu da ekstraksiyon verimliliğini azaltabileceğini buldular.
Araştırmacılar, toplam çözünmüş katı maddelerin ekstraksiyon verimini ölçmek için gerçek kahve telvesi ile ek deneyler yaptılar. Sonuçları, kahvenin çıkarılmasının, karıştırma süresini çığ dinamiklerini kullanan daha yavaş ama daha etkili dökümlerle uzatarak ayarlanabileceğini doğruladı.
Daha kalın su akışı için, daha yüksek dökümlerin daha güçlü kahve ile sonuçlandığını ve daha yüksek dökme yükseklikleri ile artan ajitasyon hakkındaki gözlemlerini doğruladığını buldular. Daha ince bir su jeti kullanılırken, ekstraksiyon, muhtemelen hedef hacmine ulaşmak için gereken daha uzun dökme süresi nedeniyle farklı dökme yüksekliklerinde sürekli olarak yüksek kaldı.
Mutfağın ötesine uzanan geniş çıkarımlar
Çalışma kahveye bir aşk mektubu ve aynı zamanda ekibin daha geniş araştırmalarına bir pencere. Mathijssen, “Bunu sadece eğlenmek için yapmıyorduk,” diyor. Diyerek şöyle devam etti: “Diğer projelerden araçlarımız vardı ve kahvenin daha derin fiziksel ilkeleri keşfetmek için düzgün bir model sistemi olabileceğini fark ettik.”
Young, bu ilkeler mutfağın çok ötesine uzanıyor. “Bu tür bir sıvı davranışı, suyun şelalelerin altında veya barajların arkasında kaya nasıl aşındığını anlamamıza yardımcı oluyor” diyor. Mathijssen, atık su arıtma ve filtrasyon sistemleri bile benzer dinamikleri içeriyor.
Park, tıbbi cihazlardan biyofilmleri temizlemek için dönen manyetik alanlar kullanan mikro ölçekli aktif yüzeyler üzerinde çalıştığı için proje aynı zamanda laboratuvarda devam eden araştırmaları da yansıtıyor.
Bu arada genç, akciğer kirpikleri tarafından üretilen küçük girdapların patojenleri nasıl temizlemeye yardımcı olduğunu incelemek için aynı yüksek hızlı görüntüleme kurulumunu kullanarak ultra hızlı biyolojik akışları araştırıyor.
“Kahve gibi küçük başlayabilirsiniz,” diyor Mathijssen. “Ve çevre veya endüstriyel ölçeklerde önemli olan mekanizmaları ortaya çıkarıyor.”
