Benchmark-Tests von Keramik-Mahlscheiben gegenüber Stahl-Kegelmahlwerken

Iris Heibel - 27. November 2017

Diese Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit dem unabhängigen Institut ZHAW durchgeführt. Wir danken für die Unterstützung: Marco Wellinger, Samo Smrke, Chahan Yeretzian Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW)

ZUSAMMENFASSUNG ZU DEN BENCHMARK-TESTS VON KERAMIK- MAHLSCHEIBEN GEGENÜBER STAHL-KEGELMAHLWERKEN

Zusammenfassung der Versuchsergebnisse

I. Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung

Drei Kaffeemühlen aus Vollautomaten im Haushaltsbereich wurden in einem Langzeittest miteinander verglichen. Für den Test wurde pro Mühle jeweils eine Gesamtmenge von 100 kg Kaffee gemahlen. Bei den getesteten Kaffeemühlen handelt es sich um folgende Mahlwerke:

  • Maschine 1: Kegelmahlwerk aus Metall
  • Maschine 2: Kegelmahlwerk aus Metall
  • Maschine 3: Mahlscheiben aus Keramik

Zur Bestimmung der Qualität des Mahlgutes während des Testverlaufes wurden nach der Mahlung von 1, 5, 25, 50, 80 und 100 kg Kaffee jeweils folgende Parameter bestimmt:

  • Mahlgeschwindigkeit
  • Partikelgrößenverteilung
  • Extraktionsparameter Espresso & langer Kaffee (gebrüht auf einem separaten Kaffee-Vollautomaten)
  • Extraktionszeit
  • Getränkegewicht
  • Cremavolumen
  • Gehalt an gelösten Inhaltsstoffen (engl. TDS)
  • Extraktionsausbeute
  • Menge an titrierbarer Säure
  • Sensorische Beurteilung

II. Ergebnisse Mahlgeschwindigkeit:

Während der Tests haben sich die Mahlgeschwindigkeiten aller Mühlen bis zur 10 kg-Marke erhöht. Beim Mahlwerk der Keramik-Mühle erhöhte sich die Mahlgeschwindigkeit aber lediglich um rund 10 %, während die Mahlgeschwindigkeiten der Mahlwerke der Metall-Mühlen um 15 – 20 % anstiegen. Im Anschluss sanken die Geschwindigkeiten bei der Keramik- und der Metall-Mühle 1 wieder etwa auf Anfangsniveau, während die Metall-Mühle 2 die Veränderung beibehielt.
Im Durchschnitt über die gesamte Dauer lag die Keramik-Mühle deutlich am nächsten an der anfangs gemessenen Mahlgeschwindigkeit (siehe Abb. 1). Da die Mengendosierung direkt über die Mahldauer gesteuert wird, bedeutet dies, dass die Keramik-Mühle die anfangs eingestellte Dosierung am konstantesten einhält.

Abbildung 1: Relative Veränderung der Mahlgeschwindigkeit von 0-100 kg

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Abbildung 1: Relative Veränderung der Mahlgeschwindigkeit von 0-100 kg

III. Ergebnisse Partikelgrößenverteilung

Bei der Partikelgrößenverteilung ist vor allem ein Unterschied im Bereich der Feinanteile zu erwähnen. Bei der Metall-Mühle 1 liegt über die gesamte Testdauer ein deutlich höherer Prozentsatz an feinen Partikeln vor als bei der Keramik-Mühle, die Metall-Mühle 2 weist die niedrigsten Feinanteile beim gröbsten Mahlgrad auf (s. Abb. 2).

Abbildung 2: Anteil an feinen Partikeln (< 80 µm) in %

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Abbildung 2: Anteil an feinen Partikeln (< 80 µm) in %

Das Verhältnis von durchschnittlicher Partikelgröße zu Feinanteil ist in Abbildung 3 dargestellt. Ist der Anteil an feinen Partikeln vergleichsweise hoch, so werden die Bohnen mehr zerdrückt als zerschnitten, was für eine schlechte Leistung der Mühle spricht. In der Darstellung ist zu sehen, dass sowohl die Keramik-Mühle als auch die Metall-Mühle 1 ein ähnlich gutes Verhältnis aufweisen (sie liegen auf einer Linie), wohingegen die Metall-Mühle 2 einen hohen Feinanteil bei insgesamt gröberem Korn zeigt und somit in der Bewertung schlechter liegt.

Abbildung 3: Verhältnis von mittlerer Partikelgröße zum Anteil an feinen Partikel

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Abbildung 3: Verhältnis von mittlerer Partikelgröße zum Anteil an feinen Partikel

IV. Ergebnisse Extraktionszeit

Der Anteil an feinen Partikeln spiegelt sich auch in der Extraktionszeit wider (s. Abb. 4): Die Metall-Mühle 1 weist aufgrund des hohen Feinanteils die längste Extraktionszeit auf, die Metall-Mühle 2 mit dem geringsten Feinanteil zeigt auch die kürzeste Extraktionszeit. Die Keramik-Mühle liegt in der Mitte und verhält sich über den Verlauf des gesamten Tests stabil.

Abbildung 4: Extraktionszeit Espresso

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Abbildung 4: Extraktionszeit Espresso

V. Ergebnisse Extraktionsausbeute und gelöste Inhaltsstoffe

In Bezug auf die Extraktionsausbeute (s. Abb. 5) und die Menge an titrierbarer Säure lag die Metall-Mühle 1 durchgehend am höchsten, gefolgt von der Keramik-Mühle und danach der Metall-Mühle 2. Bei der Extraktionsausbeute ist jedoch nicht ein möglichst hoher Wert wünschenswert, sondern gemäß Spezialitätenkaffeeverband SCA ist ein Zielband von 18-22 % optimal für die Ausbeute.
Beim Espresso lag die Metall-Mühle 1 anfänglich über dem Zielband, für die darauffolgenden Messpunkte innerhalb des Zielbandes. Die Keramik-Mühle lag anfänglich im Zielband, jedoch in den darauffolgenden Messpunkten darunter. Die Metall-Mühle 2 lag durchgehend unterhalb des Zielbandes.
Beim langen Kaffee lag die Keramik-Mühle durchgehend innerhalb des Zielbandes, während die Metall-Mühle 1 durchgehend über dem Zielband lag und die Metall-Mühle 2 durchgehend darunter.
Diese erhöhten Extraktionsausbeuten bei der Metall-Mühle 1 sind die Folge aus den höheren Anteilen an Feinpartikeln (22.5 %) gegenüber 16.6 % bei der Keramik-Mühle und 14.7 % bei der Metall-Mühle 2.

Abbildung 5: TDS gegen Extraktionsausbeute gemittelt über das gesamte Experiment – die höheren Werte entsprechen den Espressos und die tieferen den langen Kaffees

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Abbildung 5: TDS gegen Extraktionsausbeute gemittelt über das gesamte Experiment – die höheren Werte entsprechen den Espressos und die tieferen den langen Kaffees

Anschließend an die Vermahlung von 100 kg pro Mühle wurde versucht, die Mahlergebnisse durch Anpassung des Mahlgrades der Maschinen wieder zum Ausgangpunkt zurückzubringen.
Eine Anpassung auf eine Stufe feiner bei der Keramik-Maschine, die dann der feinsten einstellbaren Mahlstufe entsprach, führte dazu, dass sowohl der Espresso (19.2 %) wie auch der lange Kaffee
(19.9 %) sich mitten im Zielband der Extraktionsausbeute befanden.
Bei der Metall-Maschine 2 war dies nicht möglich, da sie sich bereits auf der feinsten einstellbaren Mahlstufe befand. Bei der Metall-Maschine 1 führte die Einstellung auf einen feineren Mahlgrad zur Überextraktion beim Espresso (23.7 %) sowie beim langen Kaffee (25.3 %).

Abbildung 6: Sensorische Profile der Espressos gemittelt über das gesamte Experiment

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Abbildung 6: Sensorische Profile der Espressos gemittelt über das gesamte Experiment

VI. Sensorische Prüfung

In der Blindverkostung zur sensorischen Beurteilung der Getränke wurde die Keramik-Mühle beim Espresso in Geruch, Aroma, Säure, Bitterkeit (am tiefsten) und Nachgeschmack von allen drei Mühlen am besten bewertet (s. Abbildung 6).

VII. Vermessung der Kantenschärfe der Mahlwerke

Abbildung 7: Konturschriebe der Kantenschärfe der Mahlwerke vor Benutzung (von links: Keramik-Mühle, Metall-Mühle 1, Metall-Mühle 2)

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Abbildung 7: Konturschriebe der Kantenschärfe der Mahlwerke vor Benutzung (von links: Keramik-Mühle, Metall-Mühle 1, Metall-Mühle 2)

Um die Beschaffenheit der drei verschiedenen Mahlwerke beurteilen zu können, wurden diese im Neuzustand bezüglich Ihrer Kantenschärfe und Kantengeometrie vermessen (s. Abb. 7).
Dabei fällt auf, dass lediglich die keramische Mahlscheibe eine ebene und scharfe Schneide aufweist. Bei den metallischen Kegeln sind stark ausgeprägte Grate sowie Unebenheiten festzustellen, so dass keine definierte Schneide zu erkennen ist.

Abbildung 8: Konturschriebe der Kantenschärfe der Mahlwerke nach Benutzung (von links: Keramik-Mühle, Metall-Mühle 1, Metall-Mühle 2)

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Abbildung 8: Konturschriebe der Kantenschärfe der Mahlwerke nach Benutzung (von links: Keramik-Mühle, Metall-Mühle 1, Metall-Mühle 2)

Nachdem jeweils 100 kg Kaffee gemahlen wurden, wurde die Messung an den ausgebauten Mahlwerken wiederholt, um eine Beurteilung des Verschleißes vornehmen zu können.
Das Ergebnis in Abbildung 8 zeigt deutlich, dass der Verschleiß beim Kegel von Maschine 1 am stärksten zu sehen ist, gefolgt vom Kegel von Maschine 2. Die ursprünglichen Konturen sind stark verrundet, die Grate abgetragen und die Kanten ebener. Dies zeigt, dass viel metallisches Material beim Mahlen abgetragen wurde und der Verschleiß deutlich zu sehen ist.
Die keramische Mahlscheibe ist dagegen in ihrer Kontur komplett unverändert und besitzt nach wie vor dieselbe Kantenschärfe wie im unbenutzten Zustand. Ein Verschleiß kann hier nicht festgestellt werden.

VIII. Fazit

Zusammenfassend lässt sich über den gesamten Test feststellen, dass die Ergebnisse der Keramik-Mühle am stabilsten sind in Bezug auf die anfangs vorgenommene Einstellung der Dosiermenge. Die Mahlgeschwindigkeit wie auch die Extraktionszeit verhalten sich konstant, die Kaffeeausbeute liegt im gewünschten Bereich und alle Werte lassen sich durch Einstellung des Mahlgrades an der Maschine selbst wieder auf Ausgangsniveau bringen. Zudem erhält der Kaffee aus der Keramik-Mühle die beste sensorische Bewertung bei fünf von sieben bewerteten Merkmalen.
Die hohe Konstanz der Ergebnisse lässt sich abschließend auch durch die gleichbleibend hohe Kantenschärfe der keramischen Mahlscheiben bestätigen. Im Gegensatz zu den metallischen Mahlkegeln der Maschinen 1 und 2, bei denen der Verschleiß durch Materialabtrag deutlich erkennbar ist, konnte bei den Keramik-Mahlscheiben kein Verschleiß über die gesamte Testlaufzeit festgestellt werden.

Wir danken für die Unterstützung: logo_zhaw_gross.jpg


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