Modellgestützte Kaffeeextraktion

Die wirtschaftliche Bedeutung von Kaffee

Kaffee ist das beliebteste Getränk der Deutschen: Mit einem jährlichen Pro-Kopf-Verbrauch von 162 Litern steht die schwarze Flüssigkeit ganz oben auf der Rangliste. Gemessen am Konsum, ist Deutschland damit der drittgrößte Kaffeemarkt der Welt. Der jährliche Umsatz der Kaffeebranche für den Verkauf von Trockenkaffeeprodukten beträgt etwa 5 Mrd. € (nicht darin enthalten ist bereits zubereiteter Kaffee aus der Industrie oder »coffee to go«). Als zweitwichtigstes Handelsgut der Welt ist Kaffee auch für deutsche Hersteller und für den Export sehr attraktiv. So gehört Deutschland international zu den führenden Exporteuren von Kaffeeprodukten.

Umso erstaunlicher ist, dass in den vergangenen Jahren zwar das Potential einer mechanistischen Modellierung der Kaffeeextraktion von verschiedenen Forschungsgruppen gezeigt wurde, es jedoch nicht ausreichend mit vorhandener Messtechnik gekoppelt und auch nicht zur gezielten Probenverbesserung verwendet wurde.

Mit dem Produkt »Röstkaffee« haben über 1.000 Unternehmen in Deutschland zu tun. Hierbei handelt es sich um Röster, Maschinenhersteller, Hersteller von löslichem und entkoffeiniertem Kaffee und Kaffeeschulen. Mit den Forschungsergebnissen der modellgestützten Optimierung bei der Kaffeeextraktion könnten neue innovative Produkte entwickelt werden.

Einflussmöglichkeiten auf den Extraktionsprozess

Die große wirtschaftliche Bedeutung von Kaffee als Handels- und Konsumgut ist beachtlich. Das wissenschaftliche Verständnis für die Verarbeitungskette, das heißt vom Anbau bis hin zum fertigen Getränk, und für die Verfahrenstechnik der Kaffeeextraktion, weist jedoch noch erhebliche Lücken auf. Die Zubereitung des Kaffeegetränks ist dabei die letzte Eingriffsmöglichkeit, mit der die Qualität und die Charakteristika des finalen Getränks beeinflusst werden können. So gibt es mittlerweile nicht nur eine große Auswahl an Mühlen zur Zerkleinerung des Kaffees, sondern auch Kaffeemaschinen, bei denen sich die Extraktionstemperatur und der Wasserstrom bzw. der Wasserdruck dynamisch regeln lassen. Mit den Ergebnissen des Forschungsprojekts sollen diese Einflussmöglichkeiten in Zukunft gezielt genutzt und Innovationspotentiale voll ausgeschöpft werden können.

Forschungsziel der modellgestützten Kaffeeextraktion

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist deshalb, über ein mechanistisches Prozessmodell Vorhersagen zur gezielten Beeinflussung der Kaffeeextraktion machen zu können. Die Wassertemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und die Partikelgröße des gemahlenen Kaffees zählen hierbei zu den veränderbaren Parametern. So sollen umfangreiche experimentelle Daten, vor allem Zeitreihen, die die Dynamik des Extraktionsprozesses erfassen, parametrisch dargestellt werden. Zudem wird parallel eine sensorische Evaluierung der erhaltenen Kaffeegetränke stattfinden. Dieses Modell wird anschließend zur rechnergestützten Prozessverbesserung verwendet, das heißt es können Vorhersagen getroffen werden, wie die Wassertemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und die Partikelgröße zu wählen sind, um das Aromaprofil in eine bestimmte Richtung zu entwickeln. Ein Fokus wird dabei besonders auf die dynamische Prozessführung gelegt, so können Vorhersagen getroffen werden, wie z.B. die Wassertemperatur und die Durchströmung über die Zeit zu variieren sind, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Ähnliches wird auch für die Partikelgröße des gemahlenen Kaffees angestrebt. Außerdem wird an Ansätzen geforscht, die Partikelgröße über die Höhe der Kaffeepackung zu verändern.