Wie Instantkaffee mit Klärseparatoren, Dekantern und Tricantern® hergestellt wird

Instantkaffee ist längst nicht mehr nur der geliebte Muntermacher für Campingfans, wie es früher der Fall war. Er hat sich von seinen etablierten Nischenmärkten zu einem diversifizierten Produkt entwickelt, zusammen mit anderen Produktkategorien wie Flüssigkaffee und Ready-to-Drink-Produkten (RTD). Mit zunehmender Beliebtheit steigen jedoch auch die Anforderungen. Die Verbraucher wollen neue Rezepturen und eine hohe Qualität. Die Hersteller stehen vor der Herausforderung, diese Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig ihre Produktionsmethoden effizienter zu gestalten – was besonders von Bedeutung ist, da die Rohstoff- und Energiekosten auf ein Allzeithoch steigen. Die Hersteller fühlen sich mehr denn je unter Druck gesetzt, möglichst kostengünstig zu produzieren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, spielt die Feststoff-Flüssigkeits-Trennung eine entscheidende Rolle im Herstellungsprozess. Es ist jetzt entscheidend, den Wirkungsgrad zu steigern und Ressourcen zu sparen und gleichzeitig die Erwartungen der Verbraucher zu erfüllen, indem unerwünschte, sichtbare Verunreinigungen aus dem Endprodukt entfernt werden.

Kaffeeextrakt ist ein schwer zu handhabendes Produkt. Seine Restfeststoffe sind ein klebriges, saures, körniges Material, das schnell aushärtet. Zentrifugen haben ihren hohen Wirkungsgrad und ihre Effektivität in verschiedenen Anwendungen in der Instant- oder Flüssigkaffeeherstellung unter Beweis gestellt und sind damit die idealen Maschinen für die Aufbereitung von Instantkaffee bei hohen Verbraucherstandards.

Der Markt für Instantkaffee im Überblick

Es überrascht nicht, dass die größten Kaffeeanbaugebiete Brasilien, Kolumbien, Vietnam und Indonesien sind – wo das Klima sonnig und warm ist, eine hohe Luftfeuchtigkeit herrscht und in angemessener Höhe angebaut werden kann. Instantkaffee wird jedoch nicht nur in den Anbauländern, sondern auch in der Nähe der wichtigsten Verbrauchermärkte hergestellt. Tatsächlich haben sich in jüngster Zeit weitere Schritte in der Wertschöpfungskette etabliert, beispielsweise in Vietnam. Eine ähnliche Entwicklung wird auch für die afrikanischen Länder erwartet. Hier sind einige weitere Marktindikatoren:

• Neue Investitionen in unerschlossene Gebiete verlagern die Produktion in die Anbauländer von Kaffee.
• Die Herstellung von Instantkaffee erfordert Investitionen in Millionenhöhe. Sie ist also nichts für Startups. Vielmehr sind die Akteure seit Jahrzehnten in der Kaffeeindustrie tätig und haben Allianzen gebildet.
• Folglich gibt es nur wenige Anlagen pro Region, die aber mit relativ hoher Leistung.

Was die Herstellung betrifft, so produzieren weltweit etwa 100–200 Betriebe schätzungsweise 800.000 Tonnen Instantkaffee pro Jahr. Allein der größte Akteur macht etwa 50 % des gesamten Marktes aus.

Es gibt zwei Arten von Bohnen, die typischerweise zur Herstellung von Instantkaffee verwendet werden. 

• Robusta-Bohnen: höhere Ausbeute, höherer Koffeingehalt, geringerer Ölgehalt
• Arabica-Bohnen: geringere Ausbeute, geringerer Koffeingehalt, höherer Ölgehalt

Es gibt zwei typische Endproduktkategorien:

• Instantprodukt: gefriergetrocknetes oder sprühgetrocknetes (und agglomeriertes) lösliches Pulver
• Flüssigkaffee (Konzentrate): für Automaten, Kaffee als Zutat usw.

Die Bohnenvariante beeinflusst das Kaffee-Endprodukt und den Geschmack sowie die Aufbereitung.  Robusta enthält mehr Koffein, während Arabica einen hohen Ölgehalt hat, was dazu führt, dass sich die Bohnen in Trennmaschinen anders verhalten. 

Einige Werke produzieren Flüssigkaffee oder gefriergetrockneten Kaffee, der als der Instantkaffe mit höchster Qualität gilt. Bei sprühgetrocknetem Kaffee gibt es höhere Verluste an flüchtigen Bestandteilen und einen höheren Einfluss der Temperatur, daher wird er als das Produkt geringerer Qualität angesehen.

Aufbereitung von Instantkaffee durch Feststoff-Flüssigkeits-Trennung

Bei der Instantkaffeeherstellung ist das Ziel der Trenntechnologie, eine optimale Partikeltrennung und -ausbeute zu erzielen, wodurch die Qualität und Reinheit des fertigen Produkts erhöht wird. Die Kaffeebohnen werden geröstet, dann gemahlen – dabei entstehen sehr grobe Partikel, die in Extraktionszellen gefüllt werden (wie in der Kaffeemaschine zu Hause). Diese Zellen sind in einer Reihe ausgerichtet und extrahieren die Bohnen mit Wasser bei hoher Temperatur und hohem Druck. In diesem Teil des Verfahrens entsteht der Extrakt, bei dem es sich im Prinzip um einen sehr starken Kaffee handelt, der Partikel enthält, die entfernt werden müssen – was eine Trennvorrichtung erfordert.

Die Flüssigkeit enthält typischerweise etwa 5–10 % lösliche Feststoffe, die zu ~50 % konzentriert sind. Je nach Anforderungen an die Produktqualität kann dieser Dickextrakt erneut geklärt werden. Der letzte Schritt ist die Instantisierung, d. h. entweder durch Gefrier- oder Sprühtrocknung. Extraktionsgeräte, Aromarückgewinnung, Eindampfer und der Gefriertrockner sind die Kernausrüstung, die während des Prozesses verwendet wird – und es sind auch die teuersten. Doch auch wenn sie im gesamten Prozessschema oft übersehen werden, sind in jeder Instantkaffee-Anlage weltweit Trennanlagen installiert. Zentrifugen gelten als die treibenden Akteure, obwohl Aroma, Geschmack und Qualität die meiste Aufmerksamkeit erhalten.

Die Hauptanwendung für Trennanlagen ist der Produktstrom aus Dünn- und Dickextrakt, aus dem Partikel entfernt werden sollen. Typische Strömungsgeschwindigkeiten für die Dünnextrakt-Klärung liegen bei 5–20 Kubikmeter pro Stunde, bei denen eine sehr gute Partikeltrennung erreicht werden kann. Tellerpakete werfen die während der Produktionszyklen abgetrennten Partikel in Intervallen aus. Besonders bei der Aufbereitung von Dickextrakt enthält diese ausgestoßene Masse eine erhebliche Menge an löslichen Feststoffen, die für die Rückgewinnung wichtig sind. Andernfalls würde ein wertvolles – und verkäufliches – Produkt unnötig den Abfluss hinuntergespült werden. Um diese Verschwendung zu vermeiden, werden kleine Dekanter als Zusatzgeräte zu Installationen mit Tellerpaketen verwendet.

Die extrahierten Kaffeebohnen (verbrauchter Kaffeesatz), die aus dem Extraktionsprozess ausgeblasen werden, enthalten 20 % Trockenmasse und werden dann auf etwa 45 % gepresst. In den meisten Anlagen wird dieser Kaffeesatz zur thermischen Nutzung verwendet – er wird vor Ort zur Energieerzeugung verbrannt. In diesen Seitenströmen können Trennanlagen zur Aufbereitung von Presswasser helfen, entweder Restextrakt zurückzugewinnen, Öl zu fördern oder einfach die Flüssigkeit für die weitere Aufbereitung vor Ort zu klären.

Sicherstellung der Qualität

Ob Instant- oder Flüssigkaffee: Die Qualitätsmessung ist ein wichtiger Teil des Prozesses. Dies sind einige der Anforderungen der Branche, die von Trennanlagen erfüllt werden müssen:

• Keine sichtbaren Partikel im Endprodukt. Es werden Flüssigkaffeeproben entnommen und anschließend gefiltert. Die Partikel werden gezählt. Ein paar Partikel sind erlaubt, aber im Allgemeinen sollte der Flüssigkaffee klar sein und ohne Partikel. Es kommt darauf an, Partikel zu entfernen, die größer als ~10 Mikrometer sind, damit diese nicht in der Kaffeetasse des Verbrauchers sichtbar sind.
• Die Anpassung der kolloidalen Partikel für Mundgefühl und Aroma erfolgt.
• Die Trübungseinstellung wird durchgeführt.
• Die Aufbereitungszeit des Eindampfers wird verlängert. Je sauberer die Flüssigkeit ist, desto länger ist die Lebensdauer des Eindampfers zwischen den Reinigungszyklen.

Um dies zu erreichen, bedarf es Klärseparatoren.

Herausforderungen bei der Aufbereitung von Instantkaffee

Kaffeepartikel sind nicht gern gesehen. Sie sind kompakt, klebrig und härten schnell aus – Eigenschaften, die möglicherweise zu starken Vibrationen, Belastungen und Verschleiß an den Zentrifugen führen können. Werden diese nicht angemessen reguliert und überwacht, kann dies zu hohen Betriebs- und Servicekosten führen. Zentrifugen rotieren sehr schnell und erzeugen hohe Beschleunigungskräfte, die dazu führen, dass die Kaffeepartikel aushärten, was wiederum die Maschine während des Feststoffaustrags beschädigen kann.

Hochwertige Maschinen sind so gebaut, dass Vibrationen vermieden werden. Es wird daher sicherzustellt, dass die Partikel sicher ausgestoßen werden. In den Fällen, in denen die Partikel zu lange in der Trommel verbleiben, härtet der Kaffee aus. In manchen Fällen ist dann ein großer manueller Aufwand notwendig, um ihn aus der Trommel zu entfernen. Dies behindert den gesamten Prozess. Manuelle Eingriffe sollten auf ein Minimum beschränkt werden, bestenfalls auf regelmäßige Wartungsintervalle.

Erkenntnisse aus der Aufbereitung von Instantkaffee

Flottweg-Anlagen wurden speziell für die Kaffeeverarbeitung entwickelt und basieren auf Feldstudien und den Anforderungen des Marktes. Hier sind einige spezifische Merkmale des Flottweg-Klärers, der die entscheidende Komponente bei der Instantkaffeeverarbeitung darstellt:

Behälterkonstruktion

• Ermöglicht das Abführen klebriger Partikel.
• Geeignet für dünn- und dickflüssige Extrakte, die völlig unterschiedliche Anforderungen an die Trennanlagen stellen. Flottweg-Maschinen sind so konzipiert, dass sie beide mit identischer Maschinenausführung verarbeiten können

Verschleißklemmen und robuste Bauweise

• Geringe langfristige Wartungskosten aufgrund von Vibrationen und Abrieb. Die Flottweg-Scheibenstapel zeichnen sich durch eine sehr robuste Bauweise aus, die eine einfache Wartung und Instandhaltung ermöglicht.

Materialauswahl

• Langfristige Haltbarkeit ist entscheidend. Das richtige Material an den richtigen Stellen ist unerlässlich, da der Kaffee überall hingelangen kann. 

Verhältnis von Scheibensatz zu Feststoffkammer

• Hohe effektive Kapazität. Das Verhältnis zwischen Klärbereich und Feststoffkammer muss den Anforderungen des Kaffees entsprechen. Heutzutage verlangen die meisten Anwendungen nur eine sehr hohe Klärleistung, aber das ist nicht das Einzige, was für Kaffee gewünscht wird. Wichtiger ist das richtige Verhältnis zwischen Klär- und Feststoffaufnahmekapazität.

Riemenantriebssystem

• Aufgrund der zuvor beschriebenen Eigenschaften von Kaffee sind Trennanlagen in Kaffeeanwendungen häufiger und stärkeren Vibrationen ausgesetzt als bei jedem anderen Lebensmittel. Maschinen mit Riemenantrieb können Vibrationen am besten absorbieren, und es werden keine Vibrationen direkt auf den Motor oder andere Peripheriegeräte übertragen, was eine lange Lebensdauer der Teile gewährleistet. Maschinen mit Riemenantrieb vertragen nicht nur wiederholt auftretende Vibrationen, sie ermöglichen auch höhere Spitzenbelastungen als andere Antriebssysteme, wodurch das Risiko einer Sicherheitsabschaltung erheblich reduziert wird. 

Feststoffauswurf aus der Tellerpaket-Trommel mit Flottwegs Soft Shot Flex

Die richtige Konfiguration ist gut, aber oft nicht gut genug. Aus diesem Grund wurden die folgenden Prozesssteuerungsfunktionen entwickelt, um die mechanischen Funktionen der Maschinen zu ergänzen.

Kaffeefeststoffe lassen sich mitunter nur schwer aus der Trommel eines Klärseparators entfernen, weshalb ein angepasstes Design von entscheidender Bedeutung ist.  Es kann jedoch trotzdem erforderlich sein, genügend Flexibilität zu haben und die Prozesssteuerung so anzupassen, dass ausreichend Zeit bleibt, damit Feststoffe aus der rotierenden Trommel ausgeworfen werden können oder diese gründlich gespült werden kann.

 Unter Berücksichtigung der verschiedenen Produkte können verschiedene Entleerungskombinationen angewendet werden. Sich nur auf eine Einrichtung zu verlassen, ist dabei ein Fehler.  Dies kann Folgendes umfassen:

• Teilentleerung
  • Vollentleerung
  • Variable Trommelöffnungszeit, bei der gewartet wird, dass auch die langsamen Feststoffe herauskommen
  • Spülentleerung

Die Flottweg-Automatisierung ist mit hunderten verschiedenen Parametereinstellungen versehen, die bei der Inbetriebnahme eingestellt werden. Die Bediener werden darin geschult, diese zu ändern, um ein Verständnis von Ursache und Wirkung zu entwickeln. Maschinen, die am besten funktionieren, sind diejenigen, für die die Bediener die Verantwortung übernehmen. Wenn ein Problem erkannt wird, können die Einstellungen angepasst und in den meisten Fällen das Problem behoben werden.

Prozesssteuerung – Produktionsrezepturen

Die Konsumenten wollen nicht jeden Tag den gleichen Kaffee, und so werden unterschiedliche Kaffeemischungen verarbeitet. Dies könnte Anpassungen nicht nur im Gesamtprozess, sondern auch bei der Trennanlage erforderlich machen. Es werden unterschiedliche Einstellungen verwendet, unabhängig davon, ob Dünnextrakt oder Dickextrakt aufbereitet wird. Für den Bedienkomfort stehen voreingestellte Konfigurationen (Rezepturen) mit Hauptparametern pro Produkttyp zur Verfügung. Dazu gehören unter anderem:

• Gegendruckeinstellung zur Verringerung der Schaumbildung im Zentrifugenauslass
• Volumenstrom
• Entleerungssequenzen
• Laufzeit zwischen Entleerungen

Es ist auch wichtig, den Upstream-Prozess zu verstehen. Eine Inbetriebnahme kann für eine bestimmte Kaffeerezeptur vorgenommen werden. Wenn der Kunde dann eine andere Kaffeesorte hat, die sich aufgrund eines höheren Feststoffgehalts anders verhält, können andere Einstellungen programmiert werden. Die Bediener müssen nicht jedes Mal jede Einstellung ändern. Sie können einfach zwischen verschiedenen Kaffeerezepturen wählen, sodass die Maschine mit verschiedenen Einstellungen und verschiedenen Trennungsschemata läuft. All dies wird von der Flottweg-Automatisierung berücksichtigt, was dafür sorgt, dass die Geräte immer an ihrem optimalen Betriebspunkt laufen.

Vor allem Prozesswissen ist ein Schlüsselfaktor für die richtige Dimensionierung in der Projektphase und für erfolgreiche Maschineneinstellungen bei Inbetriebnahme und Betrieb.

Noch mehr Möglichkeiten zur Aufbereitung von hochwertigem Flüssigkaffee

Wie beschrieben, sind Maschinen mit Tellerpaketen die bevorzugte Wahl für eine effektive Partikelentfernung aus Kaffeeextrakt. Ein richtiges Trommeldesign, Bandantriebskonzept sowie flexible Entleerungsmechanismen wie Flottwegs Soft Shot^®  Flex sprechen dafür, dass dies die richtige Wahl für Kaffee ist. Heute verwenden die meisten Hersteller von Instantkaffee Zentrifugen mit Tellerpaketen zur Klärung des Extrakts. Instantkaffee lässt sich ohne Dekanter herstellen, es ist jedoch nicht möglich, Instantkaffee ohne Klärseparator herzustellen. In vielen Fällen werden aber auch Dekanter und Tricanter^® im Gesamtprozess eingesetzt.

Im Allgemeinen würde man sich für einen Klärseparator entscheiden, wenn das Ziel eine Feinklärung mit geringer Feststoffzufuhr ist. Für Produkte mit hohem Feststoffanteil, etwa bei >5 %v/v, sind Dekanterzentrifugen die bevorzugte Wahl. Dank ihrer hohen Feststoffverarbeitungskapazität, der erzwungenen kontinuierlichen Entleerung und des drehmomentgesteuerten Schneckendifferentialantriebs können Dekanterzentrifugen Kaffeefeststoffe leichter verarbeiten und werden weniger durch schwankende Zulaufbedingungen beeinträchtigt.

Dies würde sie zur idealen Trennungsausrüstung für die Kaffeeaufbereitung machen, aber Dekanterzentrifugen sind für die grobe Arbeitsbelastung ausgelegt und erreichen normalerweise nicht die gewünschte Partikelentfernung und Produktklarheit, die Tellerpaket-Maschinen erreichen.

Dennoch findet man viele zwei- oder dreiphasige (Tricanter^®) Dekanterzentrifugen in Produktionsstrecken für Instant- oder Flüssigkaffee mit folgenden Schwerpunkten:

• Wiederaufbereitung der ausgestoßenen Feststoffsuspension aus dem Tellerpaket-Klärseparator

  Die aus den Klärseparatoren ausgeworfene Suspension enthält, insbesondere wenn Dickextrakt verarbeitet wurde, eine erhebliche Anzahl löslicher Feststoffe. Zur Rückgewinnung dieses Extrakts wird die Suspension in einem Tank gesammelt. Manchmal wird Wasser zur Verdünnung und zur Erhöhung der Ausbeute hinzugefügt, und dann wird die Suspension durch einen Dekanter verarbeitet. Die geklärte Flüssigkeit, die vom Großteil der Partikel befreit wurde, wird dann vor den Tellerpaket-Maschinen wieder dosiert.  Typische Durchflussmengen liegen zwischen 250 und 3000 Litern pro Stunde. Solche Ströme können idealerweise mit kleinen Dekanterzentrifugen (z. B. Z2E oder Z3E von Flottweg) gehandhabt werden, die mit sehr hoher Trommeldrehzahl arbeiten, bis zu 4500 G erzeugen und somit eine signifikante Entfernung von Feingut erreichen.

• Aufbereitung von verbrauchtem Kaffeesatz. Wenn verbrauchter Kaffeesatz vor Ort aufbereitet wird, um ihn zur Verbrennung zu nutzen, entstehen erhebliche Mengen an Presswasser. Dieses Presswasser enthält in unterschiedlichen Anteilen: lösliche Feststoffe, suspendierte Feststoffe und Öl. Um diese zu entfernen oder zurückzugewinnen oder auch nur, um das Wasser für die nachgeschaltete Aufbereitung zu klären, werden Dekanter oder Tricanter^® verwendet, die alle Phasen zur Wiederverwendung aufteilen oder die Entsorgungskosten senken können.

Schlussfolgerung

Für die Herstellung von Instant- und Flüssigkaffee spielt die Separationstechnik eine wesentliche Rolle. Während Dekanter in industriellen Prozessen meist für die Seitenstromaufbereitung eingesetzt werden, haben sie nun auch den Weg in die Hauptprozessschritte von Cold Brew-, Spezial- oder handwerklichen Mehrzweckanwendungen gefunden. Ihre Vielseitigkeit und ihre Feststofftransportkapazität tragen zur Steigerung des Wirkungsgrads und der Gesamtausbeute der Anlage bei.

Tellerpaket-Maschinen hingegen sind die bevorzugte Wahl für die Entfernung von feinen Feststoffen aus Kaffeeextrakt. Prozesswissen, richtige Dimensionierung, Design und kaffeespezifische Steuerungsfunktionen sind der Schlüssel zum erfolgreichen Betrieb dieser Maschinen. All dies macht Zentrifugen zur idealen Wahl für die Aufbereitung von Instantkaffee.

Autor:

Matthias Meyer studierte Brauwesen und Getränketechnologie an der Technischen Universität in der bayrischen Landeshauptstadt München. Er verfügt über mehr als 18 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Filtrations- und Separationstechnik und beliefert Kunden aus der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Derzeit arbeitet er als Application Manager Beverage and Dairy bei Flottweg SE.