抽出温度が流量に与える影響について（npcoffeescience）
There are several reasons why I'm writing this response to a recently published article from Barista Hustle, regarding brewing temperature effects on the flow rate. If you didn't read the original post, go find it HERE. First of all, it is because I vote for science when it comes to a scientific article. And in coffee science, I'm constantly reading and hearing about pseudoscience. Secondly, for a long time, I wanted to start a coffee science blog. As a scientist who is working in the field of analytical chemistry, physics and instrumental analysis, I have the knowledge and the experience to write about coffee science. Additionally, I have the have the opportunity to work with a wide variety of high-end analytical instruments.
バリスタハッスルが最近発表した記事の中で、抽出温度が流量に与える影響についての反応を書いているのには、いくつかの理由があります。 あなたが元の記事を読んでいない場合は、ここでそれを見つけることができます。
まず第一に、私は科学的な記事になると科学に投票するからです。 コーヒーの科学では、私は常に疑似科学について読んだり聞いたりしています。 第二に、私は長い間、コーヒーサイエンスのブログを始めたいと思っていました。 分析化学、物理学、機器分析の分野で働いている科学者として、私はコーヒー科学について書くための知識と経験を持っています。 さらに、私には様々なハイエンドの分析機器を使用する機会があります。
まず第一に、私は科学的な記事になると科学に投票するからです。 コーヒーの科学では、私は常に疑似科学について読んだり聞いたりしています。 第二に、私は長い間、コーヒーサイエンスのブログを始めたいと思っていました。 分析化学、物理学、機器分析の分野で働いている科学者として、私はコーヒー科学について書くための知識と経験を持っています。 さらに、私には様々なハイエンドの分析機器を使用する機会があります。
Dissolved vs not dissolved gases
溶解したガスと溶解していないガス
Why is nobody thinking about degassing, dissolving gases and everything that is happening? And why is nobody thinking about correct scientific terms?
なぜ誰も脱気、溶解ガス、すべてのことを考えていないのでしょうか？ なぜ誰も正しい科学用語について考えないのでしょうか？
In the beginning, I want to start with the so often referred in the past weeks dissolved gases that are responsible for so many things in coffee extraction. BH is mentioning that dissolved gases are the obvious reason why the flow rate is decreasing with the higher brew temperature. Right after that, they mentioned that bubbles formed in the puck should be the reason. But if you think for second, formed bubbles are coming not from dissolved gases, but from the not dissolved ones. And the gas will stay dissolved until the conditions are changed so the water couldn't hold it anymore. This is an equilibrium that is dependent on the conditions. Two major conditions could change in the brewing process - a decrease in temperature and pressure. The first will lead to more gas to be dissolved in water. This means that during extraction more and more gas will be introduced into the water. The effect of degassing will be decreased. So the gas bubbles are not formed by the dissolved gases. But from the gas pushed out by the water from the coffee beans that could not be dissolved.
まず最初に、ここ数週間でよく言われている溶存ガスの話から始めたいと思います。 BH は溶存ガスが、抽出温度が高くなると流量が減少する明らかな理由であることに言及しています。 その後すぐに、彼らはパックに形成された泡が理由であると言及しました。 しかしよくよく考えてみると、形成された気泡は溶存ガスではなく、溶存していないガスから発生しています。 そして、そのガスは、水が保持できなくなるように条件が変わるまで溶けたままになります。 これは条件に依存した平衡状態です。 抽出過程では、温度と圧力の低下という2つの大きな条件が変化する可能性があります。 1つ目は、より多くのガスが水に溶け込むことになります。 これは、抽出の際に、より多くのガスが水中に導入されることを意味し、蒸らし効果が低下します。 そのため、溶解したガスによって気泡が形成されるのではなく しかし、コーヒー豆が溶解できなかったガスが水に押し出されてできたものです。
The second major condition is pressure. The pressure drop will lead to more gas to be degassed from the water. But we expect pressure drop after the water exits the coffee basket and this couldn't explain the formation of the bubbles in the coffee puck.
2 番目の主要な条件は圧力です。 圧力が下がると、水から脱気されるガスが多くなります。 しかし、水がコーヒーバスケットを出た後に圧力が下がると予想され、これではコーヒーパックの泡の形成を説明することはできませんでした。
Of course, you can argue that in the beginning, the temperature will increase as the first contact of the water with coffee will cool it down. But also at this moment, the pressure will start to drastically increase and this will negate the temperature increasing effect on gas dissolving. After the initial conditions, the temperature could only decrease. Or in the best espresso machines will stay constant. In this case, the conclusion will stay the same. So I think that gas bubbles are not coming from the dissolved in water gases.
もちろん、最初のうちは、水とコーヒーが最初に接触することで温度が上昇し、それが冷めてしまうという主張もできます。 しかし、この時にも圧力が急激に上昇し始めるので、温度上昇によるガス溶解効果が否定されてしまいます。 初期条件の後は、温度が下がるだけでした。 または最高のエスプレッソマシンでは一定のままになります。 この場合、結論は変わりません。 だから私は、ガスの泡は水のガスに溶解から来ていないと思います。
だから私は、ガスの泡は水に溶けているガスから来ていないと思います。So I think that gas bubbles are not coming from the dissolved gases in water.
Density vs Viscosity vs Compressibility
密度 vs 粘度 vs 圧縮性
"Bubbles that increase resistance to the flow of water." Is this really what is happening? "水の流れの抵抗を増やす泡" 本当にそうなのか？
Here comes the biggest contradiction that leads me to write this post in the first place. The authors are making the hypothesis or assumption that the creation of bubbles increases resistance to the flow of water or resistance in the bed. I couldn't disagree more on this assumption that wasn't covered or supported by any literature or physical explanation. Gases can't generate higher resistance compared with liquid. There are three major factors that are supporting this.
そもそもこの記事を書くきっかけとなった最大の矛盾がここに来ています。 著者は、泡の生成が水の流れに対する抵抗やベッド内の抵抗を増加させるという仮説や仮定を立てています。 どんな文献や物理的な説明でもカバーされていない、あるいはサポートされていないこの仮定について、私はこれ以上反対することはできませんでした。 気体は液体に比べて高い抵抗を発生させることはできません。 これを支持する3つの主要な要因があります。
Gases have much higher compressibility than liquids. Compressibility is a measure of the relative volume change of a fluid (gases are also fluids) or solid as a response to a pressure change. The particles in a gas are much farther away from each other allowing them for easier movement and more compressibility. Another effect is the atoms/molecules attraction. The higher the atoms/molecules attraction to each other, the harder it is to compress. From the commonly used solvents, water has really low compressibility and one of the reasons for this is the weak H-bonding. Often it is being assumed that water is incompressible. Incompressible fluids possess only one coefficient of viscosity because, by definition, no changes in volume can occur. If such a fluid contains air bubbles it becomes compressible, and any changes in volume involve a contraction or expansion of the bubbles which is resisted by the ordinary viscosity of the surrounding fluid (1). This means that liquid with a high amount of dissolved gases or a mixture of liquid with gases will have higher compressibility.
気体は液体よりもはるかに高い圧縮性を持っている。 圧縮性とは、圧力変化に対する流体（気体もまた流体です）や固体の相対的な体積変化の尺度です。 気体中の粒子は互いに離れているため、動きやすく、圧縮性が高くなっています。 もう一つの効果は、原子と分子の引力です。 原子/分子の引力が高ければ高いほど、圧縮しにくくなります。 一般的に使用されている溶媒から、水は本当に低い圧縮性を持っており、これの理由の一つは、弱いH結合である。 多くの場合、水は非圧縮性であると考えられています。 非圧縮性流体は、定義上、体積の変化が起こらないため、粘度係数が1つしかありません。 そのような流体に気泡が含まれている場合は圧縮性を持ち、体積の変化は周囲の流体の通常の粘度に抵抗された気泡の収縮または膨張を伴います(1)。 つまり、気体を多く含む液体や気体を含む液体の混合物の方が圧縮性が高いということです。
Gases have a much lower viscosity than liquids. Viscosity is a material property that describes the resistance of a fluid to shearing flows. It corresponds roughly to the intuitive notion of a fluid's 'thickness' (2). Just compare Carbon dioxide or Air viscosity of 14.90 and 18.90μPa.s respectively with 890μPa.s for water. Even at a high temperature of 100 °C viscosity of water is more than 10 times the one for CO2 or Air. The kinematic viscosity (aka momentum diffusivity) will likely fall if air bubbles are present because the bubbles will interfere with the diffusion of momentum by the collision between the molecules of the liquid. However, depending on the corresponding change in density, the dynamic viscosity, which includes the kinematic viscosity and density, may not change by the same ratio. As a rule, the dissolved gases decrease the density of water (3).
気体は液体よりもはるかに低い粘度を持っています。 粘度とは、流体のせん断流に対する抵抗力を表す材料特性です。 これは、流体の「厚さ」という直感的な概念におおよそ対応しています(2)。 二酸化炭素の粘度14.90、空気の粘度18.90μPa.sと水の粘度890μPa.sを比較してみてください。 100℃の高温でも水の粘度は二酸化炭素や空気の粘度の10倍以上です。 気泡があると、液体の分子同士の衝突による運動量の拡散を気泡が邪魔するため、運動粘度（運動量拡散率）が低下する可能性が高くなります。 しかし、対応する密度の変化によっては、動粘度と密度を含む動粘度が同じ比率で変化しない場合があります。 原則として、溶存気体は水の密度を低下させます(3)。
Let's investigate the dissolved carbon dioxide. At a low temperature of 25 °C dissolved CO2 causes an increased velocity by <1.5%. However, this GWR (Gas to Water Ratio) effect is reduced with increasing temperature and diminished at around 60°C. Then the CO2 effect on the velocity of water reversed: reducing water velocity with increasing GWR, and increasing temperature (4).
溶存二酸化炭素について調べてみましょう。 25℃の低温では、溶存二酸化炭素は1.5%未満の速度増加を引き起こします。 しかし、このGWR(Gas/Water Ratio)効果は温度の上昇とともに減少し、60℃付近では減少します。 次に、水の速度に対するCO2の効果は、GWRの増加とともに水の速度が減少し、温度が上昇すると逆になります(4)。
Gases have a much lower densitythan liquids. The density (more precisely, the volumetric mass density; also known as specific mass), of a substance, is its mass per unit volume (5). In comparison, the density of Air is 1.2kg/m3 compared with 1000kg/m3 for water. On the other hand, density is related to the Volume flow rate with the formula Mass flow rate=Density*Volume flow rate. So the density and volume flow rate are inversely proportional. The lower the density, the higher the volume flow rate.
There is an effect of density increase of the Aqueous Solutions of CO2, but only when water is saturated with carbon dioxide and the solution doesn't contain bubbles. This density increase is quite negligible - around 2-3% (6).
気体は液体に比べて密度が低い。 物質の密度（より正確には体積質量密度、比質量とも呼ばれる）とは、単位体積あたりの質量のことです(5)。 空気の密度は1.2kg/m3なのに対し、水は1000kg/m3です。 一方、密度は体積流量と関係があり、質量流量＝密度＊体積流量となります。 つまり、密度と体積流量は反比例します。 密度が低いほど体積流量は大きくなります。
二酸化炭素の水溶液の密度増加の効果はありますが、水が二酸化炭素で飽和していて、水溶液に気泡が含まれていない場合に限ります。 この密度増加は2-3%程度と非常に無視できる程度です(6)。
Just to summarise, gas bubbles in water increase compressibility and decrease viscosity, and density. All three lead to a higher flow rate of a mixture of a liquid with gas. With that in mind can anyone explain how a gas bubble can create higher resistance? I'll give also a practical example from the liquid chromatography. In LC we have a pump that is pumping liquid trough a small capillary (0.01-0.3mm ID) and trough a chromatography column, which consists of small densely packed balls. Schematically it is similar to water pumped through a coffee puck and coffee basket. The column is generating back-pressure as the liquid passing through it. In practice introducing even the smallest amount of gas (dissolved or as a gas bubble) leads to pressure drop. It could never lead to a pressure increase.
要約すると、水中の気泡は圧縮性を高め、粘度と密度を低下させます。 この3つがすべて、液体と気体の混合物の流量を増加させることになります。 以上のことを踏まえて、気体の気泡がどのようにして抵抗を大きくするのか、誰か説明してくれませんか？ 私はまた、液体クロマトグラフィーからの実用的な例を与えます。 LCでは、液体を小さなキャピラリー（0.01～0.3mm内径）と、小さな密度の高いボールで構成されたクロマトグラフィーカラムに通してポンプで送液しています。 模式的には、コーヒーパックとコーヒーバスケットを通して汲み上げられた水に似ています。 カラムは、液体が通過する際に背圧を発生させています。 実際には、わずかな量のガス（溶解しているか気泡として）を導入しても、圧力低下につながります。 圧力上昇につながることはありえません。
では、ガスが抵抗を増加させるという証拠はあるのでしょうか？ もしそうでなければ、この仮説は何の証明も観察も文献も科学的データもないので、間違っていると思います。So, is there a proof that gas could increase resistance? If not, I think this hypothesis is wrong, as it couldn't be supported by any proof, observation, literature or scientific data.
What is my hypothesis?私の仮説は？
I would like to give different explanation to the observed results from Barista Hustle. During the roasting process coffee releases oils and darker roasts contain more of them. With time coffee beans start to lose these oils from the evaporation, oxidation and other processes. Also around 30% of coffee bean is soluble in water. The higher the content of oils and solubles in the coffee, the more viscous and dense will be the extracted water from the brewing process. If the viscosity and density of the fluid increase, the flow rate will decrease. The effect must be stronger to a coffee with higher oil and solubles content like fresh or dark roasted coffees. Increasing the brewing temperature will lead to faster and more complete oil extraction and solids dissolution. The viscosity and density of the extracted water will rapidly increase and this will lead to even lower flow rate. In addition higher brew temperature will speed up the process of extraction and dissolution and both processes will end earlier. This will speed up even more the flow rate during the second part of coffee extraction. And that is exactly what the team from Barista Hustle observed.
バリスタハッスルで観測された結果について、別の説明をしたいと思います。 コーヒーは焙煎中に油分を放出し、濃いローストほど油分が多く含まれています。 コーヒー豆は時間の経過とともに、蒸発や酸化などの過程でこれらの油分を失い始めます。 また、コーヒー豆の約 30% は水に溶けています。 コーヒーに含まれる油分や可溶物の含有量が高いほど、粘度が高く、濃密な抽出水は、抽出プロセスからになります。 粘度や密度が高くなると、流動性が低下してしまいます。 この効果は、生煎りや濃厚なローストコーヒーのように、油分や可溶物の含有量が多いコーヒーほど強くなるはずです。 抽出温度を上げると、油分の抽出と固形物の溶解がより早く、より完全になる。 抽出された水の粘度と密度は急速に増加し、これはさらに低い流量につながります。 また、醸造温度が高くなると、抽出・溶解が早くなり、両方の工程が早く終了します。 これにより、コーヒー抽出の第二段階の流量がさらに速くなります。 そして、これはまさにバリスタハッスルのチームが観察した結果です。
This is just a simple explanation of the observation, but more of the claims could be measured or checked in the available scientific literature. This is only a hypothesis and experiments have to prove it right or wrong. My idea is only to provide a different explanation for the observed effect and open a discussion on the topic. I'm not claiming that my explanation is 100% correct.
これは観察結果を簡単に説明したに過ぎませんが、より多くの主張は、利用可能な科学文献で測定したり、確認したりすることができます。 これはあくまでも仮説であり、実験はそれが正しいか間違っているかを証明しなければなりません。 私の考えは、観察された効果のための別の説明を提供し、そのトピックについての議論を開くことだけです。 私の説明が100％正しいと主張しているわけではありません。
What about incompleteness of data?データの不完全性についてはどうでしょうか？
Strangely only 3 types of coffee were used in this experiment - Fresh light roast, Old light roast and Fresh dark roast. To perform better experiment, create better hypothesis and take into account all the variables it is mandatory to have representative sample from all types of coffee - Fresh light roast and Old light roast, Fresh medium roast and Old medium roast, Fresh dark roast and Old dark roast. Only then the measurement and collected data will reliable enough.
不思議なことに、この実験ではフレッシュライトロースト、オールドライトロースト、フレッシュダークローストの3種類のコーヒーしか使用されていませんでした。 より良い実験を行い、より良い仮説を立て、全ての変数を考慮に入れるためには、全ての種類のコーヒーから代表的なサンプルを用意することが必須です。 そうすることで、測定と収集されたデータは十分に信頼できるものとなります。
The conclusion
結論
It is great that more and more question are asked linked with the coffee brewing process. More people are interested to better understand the coffee extraction and everything that is happening, which is great. This inevitably will lead to progress in this field. But we have to be aware of the false conclusions as many could believe and rely on these experiments and results. Many will take these conclusions as a reliable source without checking the hypothesis or test the explanation. And there explanation shouldn't be against fundamental physic or chemistry laws.
それは、より多くの質問は、コーヒー醸造プロセスにリンクされて求められていることは素晴らしいです。 より多くの人々 は、コーヒーの抽出とは素晴らしいですが起こっているすべてのものをよりよく理解するために興味を持っています。 これは必然的にこの分野での進歩につながります。 しかし、我々 は多くの信じることができるし、これらの実験と結果に依存して、誤った結論に注意する必要があります。 多くの人は、仮説を確認したり、説明を検証したりすることなく、これらの結論を信頼できる情報源として鵜呑みにしてしまいます。 そして、そこでの説明は、基本的な物理学や化学の法則に反するものではないはずです。
Literature:
(1) The Two Coefficients of Viscosity for an Incompressible Fluid Containing Air Bubbles
Geoffrey Taylor, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences Vol. 226, No. 1164 (Oct. 21, 1954), pp. 34-37
(2) Symon, Keith R. (1971). Mechanics (3rd ed.) Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-07392-8.
(3) The Influence of Dissolved Gases on the Density of Water, H. Watanabe, K. Iizuka, Article in Metrologia 21(1):19 · January 2005
(4) Velocity and density of water with dissolved CH4 and CO2, De-hua Han and Min Sun*, RPL, University of Houston, DOI http://dx.doi.org/10.1190/segam2013-111
(5) The National Aeronautic and Atmospheric Administration's Glenn Research Center. "Gas Density Glenn research Center". grc.nasa.gov. Archived from the original on April 14, 2013. Retrieved April 9, 2013.
(6) Density of Aqueous Solutions of CO2, Julio E. Garc´ıa, Graduate Student Research Assistant, Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, October 11, 2001
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