Messung des Mahlgrades / der Korngrößenverteilung

Liebe Foristen,

schon seit langer Zeit beobachte ich inaktiv die Beiträge in diversen Foren bezüglich des Mahlgrades, bzw. der Bestimmung der Partikelgröße. Es werden dann Partikelgrößenverteilung-Messungen mit diversen Partikelmessgeräten verschiedenen Hersteller gezeigt. Leider sind die Darstellungen oftmals falsch, selbst dann, wenn sie von etablierten Mühlen-Herstellern stammen. Wenn eine "Glockenkurve" aufgetragen wurde und auf der Y-Achse z.B. nur (%) steht, dann weiß man schon, dass da etwas falsch ist. Bei jedem Messverfahren handelt es sich um diskrete Ergebnisse. D.h. die Korngrößen können "nur" in bestimmten Größenklassen gemessen werden. Verwendet man z.B. Siebe, so gibt es nur ein bestimmte Auswahl von Siebgrößen (z.B. 63µm, 100µm, 125µm, 180µm, usw.). Wenn man eine definierte Menge gemahlenen Kaffee siebt, so ergeben sich auf den Sieben verschiendene Mengenanteile (z.B. 20 g größer 63 µm und kleiner 100 µm, usw.). Jetzt kommen viele auf die Idee, diesen Anteile als Histogramm aufzutragen, also Balken, die prozentual den Anteil in dieser Größenklasse anzeigen (bei 100 g Einwaage, also bei oben genannten Beispiel 20% zwischen 63 und 100µm, usw.). Leider wird dann oftmals dieser Anteil als Punkt in der Klassenmitte aufgetragen und diese Punkte dann einfach als durchgezogene Linie verbunden. Das ist falsch! Die Klassenbreiten sind in der Regeln unterschiedlich groß. Man muss dann die Menge in einer Klasse durch die Klassenbreite teilen (z.B. %/µm). Nur so lassen sich die Verhältnisse zwischen Fein- und Grobanteil richtig darstellen. Man stelle sich vor, alle Korngrößen liegen in gleicher Menge vor, so müsste sich als Verteilung eine horizontale Linie ergeben. Wenn die Messklassen aber unterschiedlich groß sind, was bei fast allen Messverfahren der Fall ist, so ergibt sich dann eben keine gerade Linie. Ist eine Klasse doppelt so breit, dann ist die Kurve an dieser Stelle auch doppelt so hoch. Oftmals wachsen die Klassenbreiten von kleinen zu großen Partikelgrößen. Wie erwähnt, ist das bei vielen Messverfahren so. Wenn man nun die Partikelgrößenverteilungskurve, wie oben beschrieben falsch darstellt, so wird der Feinanteil unter- und der Grobanteil überbewertet. In den Foren wurde häufig disskutiert, dass die Messungen von verschiedenen Quellen unterschiedlich ausgeprägten Feinanteil zeigen. Das liegt leider daran, dass die Darstellung von manchen Partikelmessgeräten-Herstellern, bzw. Mühlenherstellern falsch ist. Andererseits steht einem Foristen ein Partikelmessgerät (Dynamische Bildanalyse mittels Dual-Kamera-Prinzip) zur Verfügung, dessen Ergebnisse richtig dargestellt sind und die er hier im Forum auch präsentiert hat.
Neben der Problematik, dass die Darstellungen der Partikelgrößenverteilungen häufig falsch sind, gibt es aber auch Unterschiede aufgrund der unterschiedlichen Messverfahren. Die typische Analysesiebung mit einer Vibrationsiebmaschine ist z.B. für Kaffee nicht geeignet. Der Feinanteil kann nicht korrekt bestimmt werden (zu wenig). So genannte Laserbeugungsgeräte, die häufig verwendet werden, haben für Kaffee meist eine zu geringe Auflösung. In den letzten Jahren entablieren sich immer mehr Geräte, die nach dem Prinzip der Dynamischen Bildanalyse arbeiten. Hierbei wird das Kaffeemehl in einem Luftstrom verdüst und an Kameras vorbeigeführt, die jedes einzelne Partikel vermessen. Um aber die breiten Verteilungen des Kaffees korrekt zu erfassen, bedarf es hierfür 2 synchron arbeitende Kameras. Mit nur einer Kamera kann entweder der Feinanteil oder der Grobanteil nicht richtig erfasst werden.
Eine kurze und knappe Erklärung, wie Partikelgrößenverteilungen dargestellt werden findet man in Wikipedia unter Partikelgrößenverteilung.

 

Wow, ich habe nicht mit so viel Reaktionen gerechnet. Ich habe mich eher gefragt, ob sich die Mühe lohnt. Es freut mich, dass einige Interesse zeigen. Allerdings wurde mein Beitrag zunächst als Werbung bewertet und nicht veröffentlicht, da ich den Namen des Partikelmessgerätes genannt habe, das auch ein Forist (Burny) für einige Vergleichsmessungen von Handmühlen verwendet hat. Für mich daher völlig unverständlich, zumal hier ständig diverse Kaffemühlen genannt werden. Ich möchte auch niemanden zu Nahe treten, aber sicherlich sind die Foristen nicht die richtigen Adressaten für das Bewerben eines Partikelmessgerät, das grob 60.000 bis 70.000 Euro netto kostet. Dies kommt wohl eher für größere Kaffeemaschinenhersteller oder Röstereien in Frage. Letztendlich habe ich dann Geräte- und Firmenname entfernt.

Kurz zu meiner Motivation:
Ich arbeite seit vielen Jahren für einen Hersteller von Partikelmessgeräten. Diese Geräte werden in vielen Industrien verwendet, z.B. auch für die Bestimmung von gemahlenem Kaffee. Im Rahmen eines Projektes vor ca. 10 Jahren für einen großen Hersteller für Gastro-Kaffeemaschinen habe ich mich intensiv in das Thema Kaffee eingearbeitet. Aufgabe war es, ein Verfahren zu etablieren, um die in den Kaffeemaschinen verwendeten Mahlwerke regelmäßig zu überprüfen. In diesem Zusammenhang musste ich feststellen, dass gemahlener Kaffee eines der anspruchsvollsten, bzw. schwierigsten Materialien für die Bestimmung der Korngrößenverteilung ist. Das liegt daran, dass gemahlener Kaffee immer eine breite Größenverteilung aufweist, die aus einem Feinanteil (<100 µm) und einem Grobanteil (bis zu 2000 µm) aufweist. Breite Verteilungen sind für Partikelmessgeräte immer eine Herausforderung, da es schwierig ist, eine für die Mahlung repäsentative Menge homogen zu messen. Oftmals kann man den Fein- oder Grobanteil statistisch nicht sicher erfassen. Außerdem weist Kaffee ölige Anteile auf, was dazu führt, dass sich gerade feine Partikel nicht so einfach vereinzeln lassen (man sagt dazu Dispergieren). Die Partikel kleben aneinander, sie bilden sogenannte Agglomerate. Partikelmessgeräte haben die Aufgabe diese Agglomerate aufzuschließen. Dies erfolgt z.B. durch eine Druckluftdispergierung. Hierbei wird das Kaffeemehl mittels Druckluft durch eine Düse geblasen, wobei in Abhängigkeit des Druckes Scherkräfte entstehen, die die Agglomerate aufschließen. Anschließend wird das dispergierte Kaffeemehl im Lufstrom durch die Messzone geführt. Durch die öligen Anteil weißt Kaffee ein schlechtes Fließverhalten auf, d.h. es lässt sich schlecht gleichmäßig fördern. Der Kaffee sollte aber möglichst gleichmäßig der Dispergierung zugeführt werden. Das ist für Kaffeemehl sehr schwierig, sodass es hier besondere Vorrichtungen für Kaffee bedarf.
Über die Jahre hinweg habe ich immer wieder Kunden hinsichtlich Kaffee betreut, was bei mir dann auch privat die Leidenschaft für Kaffee geweckt hat. Ein großen Anteil hatte dabei auch die Handmühle Commandante, die aus einer kleinen Rösterei (+Cafe) im Süden von München enstanden ist. Vor vielen Jahren ist der Geschäftsführer an mich herangetreten, da er im Rahmen der Entwicklung der Commandante jemand gesucht hat, der die Korngrößenverteilung messen kann. Ein Investition für ein solches Partikelmessgerät war damals aufgrund der hohen Investition ausgeschlossen. Ich fand das Thema so interessant, dass ich kostenlos meine Unterstützung angeboten habe. Und es hat sich gelohnt. Es war so spannend zu sehen, was für einen massiven Einfluss die Mahlung hat. Ich würde sogar sagen, dass es der wichtigste Punkt ist. Sicher werden einige widersprechen. Mit einer perfekten Mahlung mit ausgewogenem Verhältnis zwischen Fein- und Grobanteil kann man aber auch aus einer günstigen Bohne erstaunlich guten Kaffee gewinnen. Nur kleine Unterschiede in der Mahlung, haben bereits große Auswirkungen. Das hat mich fasziniert. Die Schwierigkeit bei der Kaffeemahlung ist, dass in der Regel mit feinerem Mahlgrad auch der Feinanteil (<100 µm) steigt. D.h., dass oft zu viel Feinanteil im Verhältnis zum "Hauptkorn" vorhanden ist.
Enweder ist das "Hauptkorn" zu grob (Feinanteil OK) oder das "Hauptkorn" ist OK aber der Feinanteil zu viel. Es gibt also keinen optimale Einstellung der Mühle, es ist immer nur ein Kompromis. Im Privatbereich könnte man natürlich den Feinanteil abtrennen und in der richtigen Menge wieder zugeben. In der Gastronomie, bei Kaffeevollautomaten oder allgemein im industriellen Bereich ist das aber schwer möglich. Wobei es hier Ausnahmen gibt. So gibt es z.B. Kapselhersteller, die den Feinanteil teilweise abtrennen und dann anderen Produkten beimischen (löslichem Kaffee). Das wurde dann als neue Rezeptur verkauft. Für mich ein seltsames Konzept.
Im Rahmen der Enwicklung der Handmühle, habe ich dann gelernt, dass es durchaus Möglichkeiten gibt, den Feinanteil relativ zum Mahlgrad auf einem relativ stabilen Niveau zu halten. Jetzt muss ich wieder aufpassen, dass mir Werbung vorgworfen wird. Aber einer der Handmühlen, die dazu in der Lage ist, ist die Commandante. Für mich war das sehr beeindruckend und ich kann dadurch nachvollziehen, dass so etwas seinen Preis hat.

@cbr-ps: Alle Achtung für die Mühe, die Du Dir mit dem Vergleich der Handmühlen gemacht hast. Bei entsprechender Akriebie und mit vielen Wiederholungen wird man sicherlich auch Tendenzen erkennen können. Für eine grobe Bewertung, mögen die Kruve-Siebe ausreichend sein. Aus meiner Erfahrung können aber nur recht grobe Unterschiede signifikat festgestellt werden. Die Siebfläche und die darauf einsetzbare Menge ist eigentlich zu gering. Aufgrund der öligen Anteile lassen sich Feinanteile nicht zuverlässig mobilisieren. Professionelle Vibrations-Siebmaschinen haben eine deutlich größere Siebfläche und arbeiten mit definierter Amplitude und Frequenz. Eine solche Maschine samt Siebe kostet allerdings etwa das 20fache der Kruve Siebe. Aber selbst diese Art der Maschinen sind für Kaffee nicht wirklich geeignet. Für Kaffee sollte es eine sogenannte Lufstrahlsiebmaschine (bei Interesse googeln) sein. Damit lässt sich auch der Feinanteil sicher mobilisieren. Im Vergleich zu anderen Techniken ist die Auflösung (zu wenig Siebe, also zu wenig Messklassen) aber auch zu gering. Es gibt bereits geringe Unterschiede im Mahlgrad, die deutlichen Einfluss auf den Geschmack haben. Das lässt sich mit einer Siebung nur sehr schwer darstellen.
Die Darstellung deiner Siebergebnisse sind für den Vergleich nicht einfach zu bewerten. Du wirst sicherlich die Daten noch haben. Ich würde empfehlen, diese als Summenverteilung aufzutragen. Auf der X-Achse von null bis xxx die Korngröße (bzw. Maschengröße der Siebe) und auf der y-Achse der kumulierte Gewichtsanteil. Die Kurve nennt man dann auch Durchgangskurve (welche Menge des Kaffeemehls geht durch eine bestimmte Siebgröße hindurch). Auch wenn es für viele außerhalb der Partikelmesstechnik ungwohnt ist, ist das die bessere Darstellung für den Vergleich verschiedener Verteilungen.
Beispiel: Wenn Du in der Auffangschale 10% Gew.-% vorliegen hast, dann geht also dieser Anteil durch das von Dir verwendete feinste Sieb (350 µm, korrekt?). Trage also 10% bei 350 µm ein. Wenn das nächste Sieb 400 µm war, dann addiere den Anteil der durch dieses Sieb ging (also das, was Du auf dem 350 µm Sieb liegen hattest) zu den vorherigen 10% und trage das bei 400 µm auf (z.B. 10% auf Siebschale + 15% auf 350 µm Sieb). Addiere also die Mengen bis zum gröbsten Sieb auf.
Bitte möglichst auch linear auftragen.
Diese Darstellung ist weniger fehlerbehaftet, erleichert den Vergleich verschiedener Verteilung und auch verschiedener Messverfahren.
Solche Verteilungen sehen dann so aus:

Du kannst mir auch gerne einige Mahlungen schicken. Sprich mich einfach an, falls Interesse besteht.


Das ist jetzt etwas ausgeufert. Ich hoffe, es war aber für einige interessant. Wenn jemand Fragen hat, sehr gerne.
Es gäbe noch viele interessante Punkte. Man muss sich nämlich auch die Frage stellen, was die Korngröße eigentlich ist. Bei runden Partikeln ist das einfach, da nimmt man den Durchmesser. Kaffeekörner sind aber sehr unregelmäßig geformt. Diese Form hat auch Einfluss auf den Brühprozess. So bilden zum Beispiel unterschiedliche Kornformen andere Packungsdichten im Siebträger. Damit verbunden sind länger und kürzere Extrakionszeiten. Verschiedene Arten von Mühlen haben Einfluss auf die Kornform. Auch die Röstung und damit die Sprödigkeit der Kaffebohne haben Einfluss. Kaffee ist eben ein recht komplexes Thema.
Wer die Sache etwas wissenschaftlicher betrachten möchte, dem kann ich empfehlen, nach Prof. Yeretzian zu googlen. Er ist Leiter des Kaffee Kompetenz Zentrum an der ZHAW (Züricher Hochschule f. angewandet Wissenschaften). Es gibt viele interessante Publikationen von ihm.

Jetzt ist aber genug. Ciao.

 

Hallo Dingelding,
vielen Dank für deine Frage. Vorweg: Ich bin sicherlich kein Kaffeeexperte, insbesondere wenn es um die praktische Nutzung von Kaffeemaschinen im privaten Umfeld geht. Im Forum gibt es Beiträge rund um die Zubereitung, die sind schon beeindruckend. Davon versuche ich auch zu profitieren. Der Mahlgrad kann aber dabei mangels Technik oft nicht so detailliert beurteilt werden. Aber bezüglich der Mahlung, habe ich durchaus Erfahrung. Ich genieße natürlich das Privileg, dass mir entsprechende Technik zur Verfügung steht.
Zur Frage: Die Faustregel je dunkler, desto gröber kenne ich auch. Meines Wissens rührt das daher, dass dunklere Röstungen mehr Bitterstoffe haben. Um das auszubalancieren, ist der Tipp gröber als helle Bohnen zu mahlen. Meiner Erfahrung nach ist es aber genau wie Du sagst, dass dunkle Röstungen spröder sind und daher tendenziell mehr Feinanteil erzeugen. Das sind dann zwei gegenteilige Effekte. Wenn es dann noch Hochtemperatur-Kurzzeitröstungen sind, dann sieht die Sache wieder etwas anders aus. Die Faustregel sehe ich deshalb etwas kritisch.
"Fluid dynamische Simulationen von der Extraktion": Puh, keine Ahnung. Von den Kaffeemaschinenhersteller, Mühlenhersteller, Mahlwerkhersteller habe ich so etwas noch nicht gehört. Es ist sogar so, dass viele dieser Firmen erschreckend wenig machen. Erst in den letzten Jahren gibt es da ein höheres Qualitätsbewusstsein. Allerdings haben die Firmen auch extremen Preisdruck. Wenn man sieht, wie wenig ein Mahlwerk in einem Vollautomaten kosten darf, dann bekommt man schon seine Zweifel.
Im wissenschaftlichen Bereich (wie z.B. bei dem von mir erwähnten Prof. Yeretzian) kann so etwas durchaus schon erfolgt sein. Da müsste man ein Blick auf die Publikationen werfen.