Este artículo se basa en una investigación y en una presentación de Stéphane Ribes de mayo de 2019.
1. Introducción
Una preinfusión ideal consiste en humedecer de forma rápida y uniforme el café molido para lograr una compresión homogénea del disco, homogeneidad térmica y una velocidad de flujo constante antes de la extracción principal. Los métodos tradicionales de suministro de agua unidireccional a menudo no logran esta uniformidad. Utilizando la plataforma Decent Espresso (DE1), esta investigación de Stéphane Ribes (mayo de 2019) analiza cómo la modificación de los caudales de preinfusión (de 0,5 ml/s a 8,0 ml/s), los umbrales de transición de presión y los perfiles de preinfusión en varias etapas influye en el comportamiento físico del disco de café, la dinámica de la extracción y la relación del tiempo de contacto del disco (PCT).
2. Resumen
¿Qué es una preinfusión?
Una preinfusión perfecta consiste en la humectación instantánea y uniforme del café molido. El resultado es un disco de café (o pastilla) totalmente humedecido, con una temperatura y una compresión uniformes.
1. Consistencia de la densidad del disco tras la preinfusión
2. Homogeneidad del tiempo de contacto del disco con el agua de preparación y de la temperatura del disco
3. Suavidad de la superficie del disco tras la preparación de café
Lo que aquí se presenta es una combinación de resultados de observaciones básicas e hipótesis basadas en fenómenos físicos previsibles.
Con la máquina de espresso Decent, la preinfusión de café puede ajustarse fácilmente y perfeccionarse.
3. Preguntas inferidas
¿Cómo influye el caudal de preinfusión en la uniformidad de la densidad del disco tras la preinfusión y en la resistencia total al flujo de extracción?
¿Qué parámetros físicos determinan la homogeneidad del tiempo de contacto y la temperatura entre las capas superior e inferior del lecho de café?
¿Qué provoca la formación de cráteres en la superficie tras la extracción y cómo pueden mitigarla los parámetros de preinfusión?
¿Cómo puede un perfil de preinfusión de caudal variable y en varias etapas optimizar la consistencia general de la extracción?
¿Cómo se define, se calcula y se equilibra matemáticamente la relación del tiempo de contacto del disco (PCT)?
4. Método
Equipo y parámetros del lecho: Las pruebas se llevaron a cabo utilizando una máquina de espresso Decent DE1PRO v1.1 y una cesta de filtro de 18 g cargada con una dosis de café de 20 g (que ocupaba un volumen apisonado de 30 cm³ y requería 40 mL de agua para una preinfusión completa).
Categorías de caudal evaluadas:
Caudal muy bajo: 0,5–1,5 ml/s.
Caudal bajo-medio: 1,5–3,0 ml/s.
Caudal medio-alto: 3,0–5,0 ml/s.
Caudal alto: 5,0–8,0 ml/s.
Modelización del tiempo de contacto del disco (PCT): El volumen residual de agua de infusión se definió como aproximadamente 1 ml por cada 1 g de dosis de café seco. Se evaluaron las duraciones de contacto superior e inferior en proporciones de infusión que iban desde 1:1 (rendimiento de 20 g) hasta 1:3 (rendimiento de 60 g).
5. Procedimiento
1. Pruebas de densidad y resistencia: Se evaluaron caudales constantes de preinfusión en función de tamaños de molido fijos y presiones de extracción (9 bar) para medir la compresión relativa del disco y los caudales de extracción.
2. Perfil térmico y de concentración: Se modelaron los gradientes de pérdida térmica desde la parte superior hasta la inferior del café molido durante las fases de preinfusión y extracción, registrando las diferencias de temperatura media en las proporciones de preparación 1:1, 1:2 y 1:3.
3. Observación de daños superficiales: Se examinaron las superficies de los discos tras la preparación de café para detectar la formación de cráteres bajo diferentes caudales de preinfusión (<1,0 ml/s a \>5,0 ml/s) y velocidades de aumento de presión tras la preinfusión.
4. Optimización del perfil en varias etapas: Se desarrolló una preinfusión de caudal variable en dos etapas (caudal inicial medio-alto que pasa a ser bajo al alcanzar un umbral de 1,0 bar) para equilibrar una saturación rápida con una baja compresión del disco.
5. Aplicación de la fórmula de la relación PCT: Se calculó la relación entre el tiempo de contacto excesivo de los granos superiores (Excess Contact Time of Top grinds, ECTT = tiempo de preinfusión) y el tiempo de contacto excesivo de los granos inferiores (Excess Contact Time of Bottom grinds, ECTB = tiempo de vertido del agua residual):
Target equilibrium ratio = 1.0.
6. Todos los experimentos
6.1. Densidad uniforme del disco
Durante la preinfusión con un aumento rápido de la presión, las capas inferiores del disco quedan más comprimidas.
La densidad del disco es más homogénea cuando se realiza una preinfusión lenta.
Esto explica por qué, con el mismo tamaño de molido, la misma dosis y la misma presión de extracción (por ejemplo, 9 bar), unos caudales más elevados durante la preinfusión provocan caudales más bajos durante la extracción (cuanto más larga sea la preinfusión, se necesitará un molido más fino para obtener un caudal similar durante la extracción).
Mayor densidad del disco de café -> menos espacio disponible alrededor de las partículas de café
En el caso de una preinfusión rápida, la velocidad del líquido es mayor alrededor del café molido en la parte inferior del disco de café. El menor tiempo de contacto resultante sugiere una menor extracción del café molido del fondo del disco. Esto también podría contribuir a aumentar la probabilidad de que se produzcan salpicaduras, que en ocasiones pueden observarse en la salida de la cesta de filtro, especialmente cuando se combina con caudales de extracción elevados.
1. Con el mismo tamaño de molido y el caudal objetivo para la fase de extracción, al reducir el caudal de preinfusión se disminuye la compresión del disco, lo que repercute directamente en la presión máxima alcanzada durante la extracción (perfil de caudal).
2. Puede producirse canalización cuando se combina un caudal de preinfusión elevado con un aumento brusco de la presión.
6.2. Tiempo de contacto y temperatura uniformes
Con la máquina de espresso Decent, una dosis de 20 g de café requiere aproximadamente 40 ml de agua para realizar una preinfusión completa (máquina DE1 PRO v1.1: 20 g de café en una cesta de filtro de 18 g).
Con una preinfusión de 1 ml/s, cuando los granos de café del fondo de la cesta de filtro se humedecen, ¡los de la parte superior del disco ya llevan 40 segundos empapados en agua caliente!
Este tiempo de contacto adicional de los granos de la parte superior se compensará parcialmente (o incluso por completo) al final de la extracción, cuando la última cantidad de café preparado salga de la cesta de filtro. Esta cantidad corresponde al volumen de líquido residual que queda en el disco en las últimas fases de la extracción.
El equilibrio ideal (mismo tiempo de contacto para los granos de la parte superior e inferior) se consigue cuando el tiempo necesario para verter el agua residual de la preparación es igual al tiempo de preinfusión.
Esto se puede lograr gracias a una selección adecuada de los caudales para la preinfusión y para la (última etapa de la) fase de extracción.
El volumen de una dosis de café de 20 g (mielado seco), apisonado en una cesta de filtro de 58 mm, es de aproximadamente 30 cm³.
Unos 20 ml de agua bastan para saturar esta cantidad de café molido.
Consideremos una proporción típica de preparación de 1:2 para obtener 40 ml de café en la taza.
En este ejemplo, con una proporción de preparación de 1:2, el agua de «extracción» solo empuja hacia abajo el agua de preinfusión a través del disco de café; en realidad, no se utiliza como agua de preparación (esto también es válido para proporciones de preparación inferiores).
Teniendo en cuenta una fase de extracción con caudal constante y nuestra dosis de 20 g de café, los tiempos de contacto del café molido con el agua son los siguientes:
Parte superior del disco de café -> tiempo de preinfusión + tiempo de extracción – tiempo necesario para verter los últimos 20 ml (1)
Parte inferior del disco de café -> tiempo de vertido (una vez completada la preinfusión)
En este ejemplo (DE1 v1.1 y 20 g de café en una cesta de filtro de 18 g), con un caudal constante durante la extracción, la preinfusión debería ser aproximadamente la mitad de corta que la fase de extracción para conseguir un tiempo de contacto global uniforme para todo el café molido.
Además de las diferencias en el tiempo de contacto a lo largo de la altura del disco de café, la temperatura de preparación varía significativamente dentro del mismo. Los parámetros que influyen en ello son:
Unas relaciones de preparación más altas son positivas, ya que atenúan este fenómeno.
Una preinfusión y una extracción más prolongadas aumentan las pérdidas térmicas y reducen la temperatura real de preparación (por lo que tienen un efecto perjudicial sobre la uniformidad de la temperatura).
Además, a medida que se extrae el café, el líquido resultante se vuelve más concentrado en compuestos extraídos, lo que lo hace menos eficaz que el agua pura para realizar una extracción posterior. La consecuencia, una vez más, es una menor extracción del café molido de la parte inferior del disco.
En cuanto a la falta de uniformidad de la temperatura, este efecto se hace menos visible cuando aumenta la proporción de infusión.
Impacto poco claro (si es que lo hay) de los caudales de preinfusión y extracción en este fenómeno.
Al aumentar la proporción de café de 1:1 a 1:3, se reduce a la mitad la diferencia de temperatura entre el café molido de la parte superior y el de la parte inferior.
Sin embargo, dado que la eficiencia de la extracción disminuye con el tiempo, es de suponer que los beneficios reales en la taza son inferiores a los que sugieren estos valores medios de diferencia.
6.3. Superficie uniforme del disco tras la preinfusión
Una vez finalizada la extracción, en ocasiones pueden observarse cráteres en la superficie del disco de café.
La causa exacta de estos cráteres no está del todo clara, pero intentar evitarlos parece un objetivo razonable, ya que revelan que probablemente se ha producido canalización durante la extracción.
En lo que respecta a la formación de cráteres, el momento inicial de la fase de preinfusión es probablemente uno de los más críticos: cabe suponer que las gotas de agua que impactan repetidamente en el mismo punto de la parte superior del disco podrían crear este tipo de irregularidad en la superficie.
Para mitigar el riesgo de que se formen cráteres al inicio de la preinfusión, se recomienda evitar caudales de preinfusión demasiado altos o demasiado bajos:
Con caudales elevados (> 5 ml/s), el agua impactará obviamente contra la superficie con mayor energía.
Con caudales muy bajos (< 1 ml/s), la distribución del agua sobre el disco de café podría no ser óptima.
También se ha demostrado que una velocidad moderada de aumento de la presión tras la preinfusión reduce la aparición de cráteres.
No se han analizado otras medidas no relacionadas con el caudal de la preinfusión (por ejemplo, la preparación del disco, el espacio libre, la limpieza y el tipo de ducha) para evitar, en general, la formación de cráteres en los discos y la canalización.
Preinfusión del espresso: cómo mejorarla
Con la máquina de espresso Decent, el proceso de preinfusión puede modificarse fácilmente para aprovechar al máximo cada grupo de caudales y mejorar el rendimiento general de la preinfusión.
Con la máquina de espresso Decent, además de la posibilidad de seleccionar cualquier valor de caudal para realizar la preinfusión, un enfoque en dos fases puede mejorar aún más la consistencia del proceso: primero un caudal medio-alto, seguido de una fase con un caudal más bajo.
Un caudal moderadamente alto al inicio de la preinfusión reduce la duración total de la misma y, por lo tanto, mejora la homogeneidad del tiempo de contacto del disco (PCT) (evita un ratio de PCT demasiado elevado).
Un caudal bajo en la segunda etapa de preinfusión limita la compresión del disco y un aumento de presión demasiado brusco una vez finalizada la preinfusión.
El cambio entre las dos etapas de preinfusión puede activarse fácilmente mediante un umbral de presión (normalmente en torno a 1 bar).
Si el objetivo es lograr la preinfusión más uniforme posible (y, por lo tanto, la extracción global más uniforme), también es posible ajustar todos los parámetros de preinfusión y extracción (caudales, umbrales) teniendo en cuenta el gráfico propuesto (véase la tabla «Mejores ajustes recomendados para alcanzar un tiempo de contacto con el disco y una temperatura uniformes»).
El impacto de otros parámetros (por ejemplo, la dosis, la preparación del disco o el espacio libre) se cuantificará y analizará en un estudio futuro.
Preinfusión avanzada con una Decent
Preinfusión avanzada con un perfil de flujo estándar (1/2)
1. Cambio anticipado a la fase de «extracción» con un caudal menor (presión de salida: 4 bar → 1 bar)
2. Se puede seleccionar un caudal inicial de preinfusión más alto para compensar una preinfusión real más prolongada y evitar una relación PCT demasiado elevada
Perfil de flujo estándar (2/2)
3. Se requiere un molido más fino para mantener la presión máxima de extracción (menor compresión del disco, caudal medio más bajo antes del pico de presión).
4. El aumento más suave de la presión (1,5 bar frente a 3,7 bar por segundo) también resulta beneficioso para reducir el riesgo de canalización durante la extracción.
Para una preparación de café con presión prioritaria, se requiere un perfil avanzado.
Los límites de presión de los pasos 1 y 2 pueden ajustarse para alcanzar un tiempo de preinfusión óptimo.
Se podría considerar la inclusión de un paso adicional entre las etapas 2 y 3 (por ejemplo, un aumento gradual de la presión para garantizar una transición más suave).
Los intentos de sustituir el paso 2 por una fase de presión prioritaria (p. ej., 1 bar) no han tenido mucho éxito (resulta difícil conseguir transiciones fluidas entre los modos de prioridad de caudal y de presión).
¿Cuál es su ratio de tiempo de contacto del disco (PCT)?
Fórmula de la relación PCT:
Relación PCT = ECTT / ECTB
ECTT (Excess Contact Time of Top grinds, tiempo de contacto excesivo de los granos superiores): Tiempo de preinfusión
ECTB (Excess Contact Time of Bottom grinds, tiempo de contacto excesivo de los granos inferiores): Tiempo necesario para verter el «agua de café residual».
Volumen de agua de infusión residual = aproximadamente 1 ml/g de café seco (dosis) (2)
Objetivo para la relación PCT = 1
Relación PCT < 1: preinfusión demasiado corta
7. Resumen de los resultados
Compresión del disco y mecánica de caudal: Los caudales elevados de preinfusión (y los rápidos aumentos de presión) comprimen con mayor intensidad las capas inferiores del disco, lo que genera velocidades de fluido más altas alrededor de los granos de la parte inferior y un menor caudal de extracción posterior. Una preinfusión más lenta proporciona una densidad uniforme del disco, lo que reduce la presión máxima para un mismo grado de molienda y requiere un ajuste de molienda más fino para adaptarse al caudal.
Riesgos de canalización: La combinación de un caudal de preinfusión elevado con un aumento brusco de la presión (3,7 bar/s frente a 1,5 bar/s) aumenta significativamente la incidencia de canalización en los discos.
Gradientes térmicos y de tiempo de contacto: Una preinfusión lenta (1 ml/s) deja los granos superiores empapados durante 40 segundos antes de que se produzca el humedecimiento de la parte inferior. Los gradientes térmicos son pronunciados en las preparaciones de café cortas; al ampliar la relación de infusión de 1:1 a 1:3, la diferencia media de temperatura entre la parte superior e inferior se reduce de 28 °C a 14 °C.
Integridad de la superficie: Los cráteres en los discos de café se deben a caudales iniciales demasiado altos (5 ml/s, alto impacto cinético) o demasiado bajos (<1 ml/s, distribución subóptima a través de la pantalla de ducha), o bien a picos de presión agresivos tras la preinfusión.
Ventajas de la preinfusión en dos fases: Una preinfusión variable (caudal inicial medio-alto seguido de una fase de caudal bajo que se activa a 1 bar) maximiza la uniformidad del tiempo de contacto, al tiempo que mantiene baja la compresión del disco y evita picos de presión.
8. Conclusión
En conclusión, las preguntas formuladas en la sección «Preguntas» pueden responderse de la siguiente manera:
¿Cómo influye el caudal de preinfusión en la uniformidad de la densidad del disco tras la preinfusión y en la resistencia total al flujo de extracción?
Una preinfusión rápida compacta las capas inferiores de los discos de café, lo que reduce el espacio intersticial, aumenta la velocidad del fluido en la base y eleva la resistencia global a la extracción. Una preinfusión más lenta mantiene una densidad uniforme del lecho, lo que requiere un tamaño de molido más fino para lograr una presión y un caudal de extracción equivalentes.
¿Qué parámetros físicos determinan la homogeneidad del tiempo de contacto y la temperatura entre las capas superior e inferior del lecho de café?
El equilibrio del tiempo de contacto se regula haciendo coincidir la duración de la preinfusión con el tiempo necesario para verter el volumen residual de agua de infusión. La uniformidad de la temperatura viene determinada principalmente por la relación de infusión (las relaciones más altas, como 1:3, reducen a la mitad las diferencias térmicas en comparación con 1:1) y por duraciones de preparaciones de café más cortas que limitan la pérdida de calor.
¿Qué provoca la formación de cráteres en la superficie tras la extracción y cómo pueden mitigarla los parámetros de preinfusión?
Los cráteres en la superficie se deben al impacto de agua a alta energía con caudales excesivos (>5 ml/s), a una distribución deficiente en la superficie con caudales muy bajos (<1 ml/s) o a aumentos bruscos de presión tras la preinfusión. Unos caudales iniciales moderados de preinfusión (1,5–5,0 ml/s) y transiciones suaves de presión mitigan la formación de cráteres.
¿Cómo puede un perfil de preinfusión de caudal variable y en varias etapas optimizar la consistencia general de la extracción?
Iniciar la preinfusión con un caudal medio-alto (3,0–5,0 ml/s) satura rápidamente el disco para minimizar los huecos de contacto de arriba abajo. La transición a un caudal más bajo al alcanzar un umbral de salida de 1 bar evita la compresión excesiva del disco y previene picos bruscos de presión antes de la extracción.
¿Cómo se define, se calcula y se equilibra matemáticamente la relación del tiempo de contacto del disco (PCT)?
La relación PCT se define como ECTT / ECTB. Se calcula dividiendo el tiempo total de preinfusión por el tiempo necesario para verter el agua residual del café (1 ml por gramo de dosis seca dividido por el caudal de extracción final). Una relación de 1,0 representa un tiempo de contacto ideal y equilibrado en todas las capas del disco; los valores inferiores a 1,0 indican una duración insuficiente de la preinfusión.
(1)Probablemente algo menor si se tuviera en cuenta la erosión del disco (no se ha tenido en cuenta aquí)
(2)Probablemente algo menor si se tuviera en cuenta la erosión del disco (no se ha tenido en cuenta aquí)
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