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Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee

Seit 2017 wird über Projekt- und Abschlussarbeiten an der Hochschule München das Projekt zur technischen Beeinflussbarkeit der Geschmacksche Kaffee verfolgt.

Im Fokus steht dabei die Relevanz von Technologie im Bezug auf die Geschmacksache Kaffee. Insbesondere in der Zubereitungsform als Espresso und Cappuccino. Die Geschmacksache als solches bleibt dabei unberührt.

Die Forschungen und Entwicklungen des Instituts für Kaffeetechnologie sollen klären, welche Technik sich wie auf die Geschmacksache auswirkt. Dies beginnt beim Rösten und endet bei der Kaffeezubereitung.

Dabei wird sich auch herausstellen welche Technologie sich gar nicht bzw. nur marginal auf die Geschmacksache auswirkt.

Ein weiterer Fokus liegt auf der Energieeffizienz. Die Zieldefinition hierzu ist Technologien zu entwickeln, die dafür sorgen, dass der Wäremverlust einer Espressomaschine auf ein Minimum reduziert wird.

Kaufmännisch und Organisatorisch betrachtet sind im privatwirtschaftlichen Institut für Kaffeetechnologie die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten des Ingenieursdienstleisters armini gbr gebündelt. Operativ handelt es sich meistens um Projekt- oder Abschlussarbeiten von Studierenden der Hochschule München.

Stand des Prototypenbaus im Dezember 2023, (c) Armin Rohnen

Der Prototypenbau der 1-Zylinder-Glasboilermaschine ist inzwischen soweit vorangeschritten, dass man erkennen kann, wie die Maschine mal aussehen wird.

Was steht an?

• Projekte im Wintersemester 2023/24
  • Entwicklung der Regelungs. und Betriebssoftware für die Multi-MCU-Elektronik
  • Erweiterung der Betriebssoftware in MicroPython und MATLAB®
  • Konstruktion der 2-Zylinder-Glasboilermaschine
  • Inbetriebnahme eines Mess-Systems zur Erfassung der Betriebsparameter von Siebträger-Espressomaschinen
  • Prototypenbau der Glasboilermaschine

Schauen Sie immer wieder mal rein, es bewegt sich was.

Labormaschine

Labortechnische Espressomaschine geeignet für Labore und Kaffeeröster
Diese Maschine dient der Entwicklung der erforderlichen Regelkreise und soll andere im Markt befindliche Siebträger-Espressomaschinen abbilden können. Damit dient diese Maschine dem Kaffeeröster dazu, dem Kunden die Geschmacksunterschiede unterschiedlicher Espressomaschinen demonstrieren zu können, ohne über die entsprechende Auswahl an Hardware verfügen zu müssen. Diese Maschine benötigt für die Bedienung einen PC.

Die Glasboilermaschine - Style

Technisch identisch zur labortechnischen Espressomaschine oder wahlweise zur Baristavariante, jedoch mit einem Boiler aus Borosilikatglas. Darstellbar ist diese Variante mit bis zu drei Brühgruppen, welches enbensovile Borosilikatglasboiler erforder. Im Wintersemester 2020/21 wurde hier eine weitere Variante konstruiert, bei der sich im sichtbaren Bereich lediglich der Glasboiler und der Brühturm befinden. Alle anderen Komponenten wurden so angeordnet, dass sie unsichtbar unterhalb der Arbeitsplatte angeordnet sind.

Wie schaut es in einem Boiler aus, bei dem gerade der Dampf abgelessen wird? Das zeigt dieses Video des ersten Prototypen eines Glasboilers https://www.youtube.com/watch?v=SLgYQBe_Mdc

Systemsoftware

Die Systemsoftware lässt sich nicht ohne die Beachtung der Systemelektronik erstellen. Hierzu wurde ein mehrstufiger Entwicklungsprozess definiert:

• Nutzung einer MCU auf der MicroPython verwendet werden kann. Dies ist durch das STM32F411 nucleo Board der Basiselektronik bzw. durch den Raspberry Pi Pico der Multi-MCU-Elektronik gegeben.
• Auf der MCU werden lediglich die elementaren Grundfunktionen (GPIO schalten und erfassen, Messwert erfassen, PWM Ausgeben, Sollwert ausgeben, etc.) realisiert und über eine MicroPython zu MATLAB® Schnittstelle [41] wird die Funktionalität in einer MATLAB® GUI hergestellt.
• Die Softwareentwicklung startet mit der labortechnischen Espressomaschine und wird auf die weiteren Projekte schrittweise transportiert. Dazu ist die Maschinenelektronik gleich zu halten und es sind die gleichen Anschluss-Pins zu verwenden.
• Nach Abschluss der Testphase der MATLAB® Bedienung wird schrittweise die Betriebssoftware in MicroPython auf der MCU implementiert, so dass am Ende dieses Prozessschrittes die MATLAB®-Verbindung lediglich für weiterführende Datenerfassung und grafische Darstellungen verwendet wird, welche nicht mit dem Display der Maschine möglich ist oder dort nicht dargestellt werden soll.
• Ob eine Portierung des MicroPython-Codes nach Microcontroller C durchgeführt wird, ist derzeit nicht entschieden.

Es wurden mehrere, die Softwareentwicklung vorbereitende FMEAs durchgeführt. Die hierdurch entstandenen Dokumentation befinden sich in der Dokumentationsauflistung. Im weiteren wurde eine Projektarbeit zur Konzeptfindung für die Badienung durchgeführt. Auch die hierdurch entstandenen, teilweise auf die FMEA aufbauenden Dokumente befinden sich in der Dokumentationsliste.

Systemelektronik

Modulare Systemelektronik für Siebträger Espressomaschinen
Durch die modulare Systemelektronik wird aus der elektromechanischen Espressomaschine ein Industrie 4.0 Produkt. Die Kernaufgaben der Systemelektronik sind definiert als

1. Übergabe der Bedienanforderung (Tasten) an den Controller
2. Übergabe Systemparameter (Sensoren) an den Controller
3. Übergabe der Stellgrößen (Ventilstellungen, Pumpensollwert) vom Controller an die Mechatronik
4. Übergabe von Nutzerinformationen vom Controller an die Mechatronik

Im weiteren muss die Systemelektronik die Aufgabe Datenübergabe von Controller an WLAN oder Bluetooth sicher gestellt werden. Wobei dies u.u. durch den Controller selbst geleistet werden kann.

Für die Systemelektronik ist eine dreistufiger Entwicklungsprozess definiert. Zunächst erfolgt die Hardwareentwicklung der erforderlichen elektronischen Schaltungen um die Kernaufgaben der Systemelektronik sicher zu stellen. In dieser Phase ist die Nutzung eines Raspberry Pi PICO als MCU definiert, weil diese Schnittstele dazu integriert wird. Zur Vereinfachung des Entwicklungsprozesses ist primär die Kopplung der Systemelektronik mit einem Raspberry Pi PICO als Schnittstelle zum PC mit MATLAB® vorgesehen. Die Belange aus den angrenzenden Projekten, Pumpenprüfstand und labortechnische Espressomaschine (Ein- und Zweigruppig) sowie die noch nicht final entschiedene Sensorik, sind zu berücksichtigen. Zwangsläufig wird dies eine Maximum-Systemelektronik (Basiselektronik), die auch für spätere Projekte zum Einstieg dienen wird.

In einer Zwischenphase wird für die Softwareentwicklung der Basisfunktionalität unter Beachtung der Ziel-MCU der Raspberry Pi PICO als MCU eingesetzt. Die Softwareentwicklung erfolgt modularisiert und parametrisiert, so dass ein Umstieg auf eine andere MCU lediglich eine Umparametrisierung erfordert. Programmiersprache vorzugsweise MicroPython. Für die zweite Entwicklungsphase wird keine neue Systemelektronik entwickelt.

Die finale Systemelektronik wird auf Basis der Basiselektronik und in Abstimmung der beteiligten Prozesspartner definiert. Operativ ist dies eine Reduktion der Basiselektronik auf die erforderlichen Komponenten. Letztlich werden einzelne Schaltungen aus der Basiselektronik entfernt und die Ziel-MCU integriert.

Für den Röster

Ursprünglich war eine Projektarbeit an dem Kaffeeröster der Kaffeewerkstatt München der Auslöser für das wissenschaftliche Interesse am Kaffee. Einige Zeit wurde dieses Themengebiet nicht weiter verfolgt. 2024 werden die Themen wieder aufgegriffen und es gibt mit dem "Röster Temperatur Monitor" ein erstes interessantes Tool für den ambitionierten Kaffeeröster.

Elektronik des Röster Temperatur Monitors, (c) Armin Rohnen

Historie der technischen Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee

Ausgehend von den Projektarbeiten zum Kaffeeröster der Kaffeewerkstatt München entstand zum Wintersemester 2016/17 die Idee, über eine labortechnische Espressomaschine mehr über die technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Espresso zu erforschen.

Beginnend mit der ersten Bachelorarbeit von Kilian Stach mit dem Titel „Entwicklung einer labortechnischen Mehrkreis- und Mehrkessel-Espressomaschine“ konnte zum Wintersemester 2017/18 dieses Vorhaben umgesetzt werden.

Im Zuge der Inbetriebnahme der labortechnischen Mehrkreis- und Mehrkessel-Espressomaschine wurden weitreichende Erkenntnisse gesammelt, die dazu führten, dass ein Forschungsbetrieb dieser Espressomaschine nie erfolgte. Anlässlich vieler Diskussionen auf der World of Coffee 2018 in Amsterdam (WOC18) führten die Erkenntnisse zu einer Erfindungsmeldung mit den patentfähigen Merkmalen der kalten Brühgruppe, dem kalten Siebträger, dem Wassermischsystem und dem Borosilikatglasboiler.

Die sogenannte „kalte Brühgruppe“, eigentlich unbeheizte Brühgruppe nimmt auf Grund ihrer Materialeigenschaften so gut wie keine Wärme auf, was im Umkehrschluss bedeutet, dass sie auch so gut wie keine Wärme abgibt. Gepaart mit einer schlechten Wärmeleitfähigkeit führt das dazu, dass diese Brühgruppe keinen Einfluss auf das durchgeleitete Brühwasser hat und so zu keiner oder lediglich marginalen, nicht messbaren, Temperaturänderung des Brühwassers führt.

Für den sogenannten „kalte Siebträger“ gilt das Gleiche. Aufgrund seiner Materialeigenschaften nimmt er keinen Einfluss auf die Kaffeebezugstemperatur. Allerdings wird hier angezweifelt, ob der Temperatureinfluss warmer oder kalter metallischer, damit gut wärmeleitfähiger Siebträger, auf die Kaffeebezugstemperatur wirklich gegeben ist. Lediglich das wenige Gramm schwere, damit nur in sehr geringen Maße wärmeenergiespeichernde Sieb kommt mit dem Kaffee in Kontakt und könnte einen Einfluss ausüben. Allerdings kommt der gesamte Siebträger erst nach dem Brühvorgang mit dem Kaffee in Berührung. Zu einem Zeitpunkt, ab dem sich der bezogene Kaffee so oder so abkühlen soll bzw. muss. Denn für einen gesundheitlich unbedenklichen Genuss muss das Kaffeegetränk sich erheblich abkühlen. 
Ob der kalte Siebträger tatsächlich als Konsequenz der kalten Brühgruppe tatsächlich erforderlich ist, ist damit in Frage gestellt.

Um die Kaffeebezugstemperatur bei einem stabil aufgeheiztem Wasserboiler von Kaffeebezug zu Kaffeebezug verändern zu können, bedarf es eines Mischsystems. Das Mischsystem ist Ähnlich dem System der Mischhähne in der Dusche, weist jedoch einige regelungstechnische Feinheiten auf, welche es Patentfähig gestalten.

Die Idee des Borisilikatglasboilers kam aufgrund optischer Überlegungen auf. Zunächst war unklar, ob dies sich technisch realisieren lässt. Durch die spezifischen Material-Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Geschmacksneutralität und den guten Isolationseigenschaften, die Borosilikat-Glas in doppelwandiger Ausführung mit sich bringt, erschien es als Fertigungsmaterial für den Boiler besonders geeignet zu sein. Trotzdem ist die Verwendung dieses Materials in der Industrie bei den etablierten Herstellen bis jetzt gänzlich unbekannt.

Bei einem Boiler aus Borosilikat-Glas kann der Nutzer, sofern die freie Einsehbarkeit des Boilers gewährleistet ist, den Erhitzungsvorgang des Wassers von Anfang bis Ende miterleben. Das Sprudeln des Wassers während des Betriebs des Boilers sehen zu können ist eine absolute Neuheit, die in Kombination mit der Ästhetik und den Materialeigenschaften des Borosilikat-Glases seinesgleichen sucht.

Erste Versuche mit einem behelfsmäßigen Versuchsaufbau zeigten, dass Borosilikat-Glas in der Realität tatsächlich als Material für den Boiler geeignet ist und mehrere Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Stahl mit sich bringt.