Vergleich von Mahlquerschnitten und Extraktionsraten zwischen Kegel- und Scheibenmahlwerken

Das Mahlen, eine Voraussetzung für die Extraktion von Espresso und Filterkaffee, ist ein mechanischer Zerkleinerungsprozess, bei dem durch äußere physikalische Krafteinwirkung spröde, organisch-poröse Festkörper – Kaffeebohnen – in feine Partikel zermahlen werden. Bei diesem Prozess sind die geometrische Struktur und das physikalische Verhalten der Mahlscheiben Schlüsselvariablen, welche die dreidimensionale Morphologie der gemahlenen Partikel, den Entstehungsmechanismus von Fines (Feinstaub) sowie die Stofftransportkinetik während des Extraktionsprozesses bestimmen. Insbesondere die physikalischen Unterschiede zwischen Kegel- und Scheibenmahlwerken, die in der professionellen und heimischen Barista-Szene häufig diskutiert werden, sind die wesentlichen physikalischen Faktoren für die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und der Extraktionsrate in der Tasse.

1. Partikelgrößenverteilung (PSD): Bimodal vs. Unimodal

Die Partikelgrößenverteilung (PSD) von gemahlenem Kaffee beeinflusst direkt die Extraktionsrate und die geschmackliche Ausgewogenheit. In einem Kegelmahlwerk werden Kaffeebohnen zerkleinert, während sie zwischen dem rotierenden Kegelmahlwerk und dem stationären Gegenstück sowohl Druck- als auch Scherkräften ausgesetzt sind, was zu einer bimodalen Verteilung führt, die zwei deutliche Spitzen in der Partikelgrößenverteilungskurve bildet. Typischerweise koexistieren ein Grob-Peak im Bereich von 400–600 μm und ein Fines-Peak im Bereich von 10–50 μm. Im Gegensatz dazu weisen Scheibenmahlwerke, bei denen zwei parallele scheibenförmige Mahlwerkzeuge mit hohen Geschwindigkeiten rotieren, Eigenschaften nahe einer unimodalen Verteilung auf, die sich auf einen einzigen Peak konzentriert, da der Kaffee beim Auswärtsbewegen durch die Zentrifugalkraft der Mahlscheiben präzise geschnitten wird. Die unimodale Verteilung erhält eine gleichmäßige Extraktionsrate zwischen den Partikeln aufrecht und verhindert eine Über- oder Unterextraktion spezifischer Verbindungen, während die bimodale Verteilung die physikalische Grundlage dafür bietet, dass Fines durch Verlangsamung der Durchflussrate Körper und Süße verstärken.

2. Scherspannung und Bruchmechanik von Kegel- und Scheibenmahlwerken

Der Unterschied in der Bruchmechanik zwischen den beiden Mahlwerkstypen beruht auf der Art und Richtung der auf die Kaffeebohnen ausgeübten Spannung. Das Kegelmahlwerk-System basiert primär auf Druckspannung, da die Bohnen unter dem kombinierten Einfluss von Schwerkraft und Zuführdruck in den keilförmigen Raum zwischen den Mahlwerken gepresst werden. Dies induziert ein unregelmäßiges Kollabieren der Kaffeezellwände und erzeugt flockenartige Partikel mit geringer Rundheit und stark rauen Oberflächen. Im Gegensatz dazu werden im Scheibenmahlwerk-System die Partikel einer erzwungenen Scherung durch die geometrischen Mahlrippen der rotierenden Scheibe ausgesetzt. Die hohe Scherspannung, die beim Passieren des engen Spalts der Scheibenmahlwerke entsteht, schneidet die Bohnen wie mit einem Messer, was zu polyedrischen Strukturen mit einem relativ konsistenten Seitenverhältnis führt. Dieser Unterschied in der mechanischen Spannung beeinflusst signifikant die Porenexposition und die spezifische Oberfläche der Partikel.

3. Fines-Entstehungsmechanik und Zellwandstruktur

Die Entstehung von Fines (im Allgemeinen Partikel unter 100 μm) wird durch die strukturelle Sprödigkeit des gerösteten Bohnenzellgewebes bestimmt. Kaffeebohnen sind eine poröse, faserige Matrix aus hohlen Zellen von etwa 20–50 μm Größe. Wenn die beim Mahlen ausgeübte Energie die Festigkeitsgrenze der Zellwände überschreitet, tritt ein Sprödbruch auf, wodurch Fragmente der Zellwände selbst als Fines abgelöst werden. Mit anderen Worten: Der Mechanismus der Fines-Entstehung resultiert nicht aus der makroskopischen Zerkleinerung der Bohne, sondern aus dem mikroskopischen Aufbrechen der Zellwände. Das druckbasierte Zerkleinern von Kegelmahlwerken übt zufällige Stöße auf die Zellwände aus, was die Menge der erzeugten Fines erhöht und zahlreiche Mikrorisse auf der Partikeloberfläche hinterlässt. Diese Fines verursachen während der Espressoextraktion ein Phänomen der Feinpartikelwanderung, das eine widerstandsfähige Schicht bildet, die den Wasserfluss einschränkt.

4. Hitzeentwicklungseffekte durch Rotationsgeschwindigkeit und Reibung

Mehr als 95 % der während des Mahlprozesses verbrauchten mechanischen Energie wird aufgrund von Reibung und plastischer Verformung in thermische Energie umgewandelt. Scheibenmahlwerke arbeiten typischerweise bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten von 900–1400 U/min, was zu stärkeren Temperaturerhöhungen innerhalb der Mahlkammer führt als bei Kegelmahlwerken, die mit 400–800 U/min arbeiten. Mit steigender Temperatur beschleunigt sich das Glasübergangsphänomen, bei dem Lipide innerhalb der Bohne schmelzen und fließen, wodurch Lipide an die Partikeloberfläche wandern. Lipide auf der Oberfläche können zum Verklumpen des Kaffeemehls führen, den Auslass verstopfen oder Channeling im Kaffeepuck verursachen. Darüber hinaus erhöhen Hitzeentwicklungseffekte den Dampfdruck flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) innerhalb der Bohne, was zu negativen thermodynamischen Konsequenzen führt, wie etwa dem schnellen Entgasen von ester- und aldehydbasierten Aromaverbindungen in die Atmosphäre, was zum Verlust des bohnenimmanenten Aromas führt. Daher unterbinden moderne Spezialmühlen solche thermischen Degradationen durch Kühlkörperdesigns und langsam rotierende Scheibenmahlwerke.