Dieser Artikel basiert auf Forschungsergebnissen von Stéphane Ribes aus einer Präsentation vom Juni 2019, die Sie hier finden können.

Der Druck während der Espresso-Extraktion wird nicht allein durch den Widerstand des Kaffeepucks bestimmt. Vielmehr ist die Kompression der über dem Puck eingeschlossenen Luft ein wesentlicher Faktor, der die anfängliche Druckkurve bestimmt. Drei Variablen bestimmen diese Kompression: der anfängliche Freiraum (1), der von der Pumpe gelieferte Wasserdurchfluss (2) und der in den Kaffeepuck eindringende Wasserfluss (3).

Unter der Annahme eines idealen Gasmodells lässt sich folgende Formel ableiten:

Versuche mit einem Blindsieb und einer DE1PRO zeigten eine akzeptable Übereinstimmung mit diesem Modell.

Aus Ribes' Vortrag lassen sich folgende Fragen ableiten:

Die Tests wurden mit einer DE1PRO v1.1 Decent Espressomaschine durchgeführt. In Versuchen mit Blindsieben wurden die Auswirkungen des Freiraums und des Pumpendurchflusses isoliert untersucht. Der Freiraum wurde durch Zugabe von Wasser in das Blindsieb variiert, wodurch geschätzte Luftvolumina von 36, 26, 16 und 10 cm³ erzeugt wurden.

Bei den Durchflussversuchen wurden Anfangsdurchflussraten von 1,0, 1,5, 2,0 und 4,0 mL/s verwendet. Bei diesen Tests wurde der Wasserfluss auf 0 mL/s umgeschaltet, sobald der Druck 7 bar erreichte.

Bei den Versuchen mit Kaffeepucks wurden 12 g in einem 15-g-VST-Brühsieb, ein IMS SI 200 IM-Duschsieb sowie EK43-Mahlgrade von 0,9 bis 1,2 verwendet. In weiteren Experimenten wurden unterschiedliche Brühsieb-Größen sowie IMS CI 200- und SI 200-Duschsiebe untersucht.

Zunächst wurde das Blindsieb verwendet, um zu ermitteln, wie sich eine Veränderung des eingeschlossenen Luftvolumens auf den Druckaufbau unabhängig vom Kaffee auswirkt. Anschließend wurde der Pumpendurchfluss variiert, während der Freiraum vergleichbar blieb. Danach wurde Kaffee hinzugefügt, um den Effekt des in den Puck eindringenden Wassers vom Effekt des Puckwiderstands selbst zu trennen. Schließlich wurden die Größen der Brühsiebe und die Konfigurationen der Duschsiebe verändert, um zu untersuchen, ob diese Prinzipien auch die bei realistischen Espressozubereitungen beobachteten Unterschiede erklären.

Die nachstehende Grafik zeigt einen eindeutigen positiven Zusammenhang zwischen dem Freiraum und der Zeit, die benötigt wird, um bei 1 ml/s einen Druck von 7 bar zu erreichen.

Bei etwa 10 cm³ waren 15 s erforderlich, bei 16 cm³ etwa 21 s, bei 26 cm³ etwa 28 s und bei 36 cm³ etwa 32 s. Somit wird ein kleineres eingeschlossenes Luftvolumen schneller komprimiert und bewirkt, dass der Druck früher und steiler ansteigt.

Anders ausgedrückt: Mit abnehmendem Freiraum verringert sich die Zeit, die benötigt wird, um bei 1 ml/s einen Druck von 7 bar zu erreichen, erheblich.

Die umgekehrte Abhängigkeit von der Durchflussrate ist sogar noch ausgeprägter. Die Zeit bis zum Erreichen von 7 bar sank von etwa 32 s bei 1 ml/s auf 23 s bei 1,5 ml/s, 17 s bei 2 ml/s und nur noch 9 s bei 4 ml/s. Ein höherer Durchfluss führte zudem zu einem zunehmend stärkeren Überschreiten des Drucks nach dem Abschaltpunkt bei 7 bar, was zeigt, dass sich die Hydraulik auch nach dem Stoppen des Pumpendurchflusses weiterhin auswirkt.

Anders ausgedrückt: Höhere Wasserdurchflussraten verkürzen die Zeit bis zum Erreichen von 7 bar erheblich. Zudem tritt mit steigender Wasserdurchflussrate ein stärkerer Drucküberschwinger auf.

Eine Änderung der EK43-Einstellung von 0,9 auf 1,2 führte zu einem starken Rückgang des maximalen Extraktionsdrucks von etwa 12 bar auf 3–4 bar. Im Gegensatz dazu blieb die zusätzliche Zeit, die zum Erreichen von 3 bar im Vergleich zum Blindsieb benötigt wurde, nahe bei 4,5–5,0 s. Ein zu feiner Mahlgrad führte zu einer Druckkurve, die der entsprechenden Kurve des Blindsiebs ähnelte, jedoch zeitlich verzögert verlief. Der größte Teil dieser anfänglichen Verzögerung war auf das Eindringen von Wasser in den Kaffeepuck zurückzuführen und nicht auf den vom Mahlgrad abhängigen hydraulischen Widerstand.

Dies untermauert die zentrale Beobachtung, dass während einer relativ langsamen Preinfusion die durch die Sättigung des Kaffeepucks verursachte Verzögerung des Druckanstiegs nur geringfügig vom Mahlgrad beeinflusst wird.

Bei gleicher Dosis von 18 g und einer Mahlung von EK1,8 führte der Wechsel vom VST-20-g-Brühsieb zum höheren VST-22-g-Brühsieb zu einer Vergrößerung des Freiraums. Die gemessene zusätzliche Verzögerung des Druckanstiegs stieg von etwa 5,0 auf 7,5 s an, während der maximale Extraktionsdruck abnahm. Trotz der unterschiedlichen Druckkurven ergab sich in beiden Beispielen eine Extraktionsausbeute von 19,9 %.

Bei einer Dosis von 15 g im selben Brühsieb hatte der Wechsel vom IMS CI 200- zum SI 200-Duschsieb kaum Auswirkungen auf den Freiraum und somit auch kaum Auswirkungen auf die Druckverzögerung: etwa 6,0 gegenüber 5,5 s. Die Extraktionsausbeuten betrugen 20,4 % bzw. 21,3 %. Das SI 200 führte zu einem sanfteren Druckabfall; als Erklärung wird der geringere Abstand zur Puckoberfläche vermutet, allerdings sind weitere Tests erforderlich, um diese Hypothese zu bestätigen.

In einem weiteren Experiment führte der gleichzeitige Wechsel von CI 200 + VST 15 g zu SI 200 + VST 20 g bei einer Dosis von 18 g und derselben EK1.8-Einstellung zu einer Verlängerung der Zeit bis zum Erreichen von 2 bar von 14 auf 16 s.

Der niedrigere Maximaldruck wurde auf den kombinierten Effekt des vergrößerten Freiraums und der größeren Löcher des VST-20-g-Brühsiebs zurückgeführt.

Die Experimente deuten darauf hin, dass die anfängliche Espressodruckkurve weitgehend als Kompression eines eingeschlossenen Luftvolumens durch die Nettoansammlung von Wasser oberhalb des Kaffeepucks interpretiert werden kann. Der Freiraum und der Pumpendurchfluss bestimmen, wie schnell diese Kompression erfolgt, während das in den Kaffee eindringende Wasser sie verzögert. Die Geometrie des Brühsiebs beeinflusst den Druck daher indirekt über ihren Einfluss auf den Freiraum.

1. Wie beeinflusst der anfängliche Freiraum die Geschwindigkeit und den Zeitpunkt des Druckaufbaus?

2. Wie beeinflusst die Durchflussrate der Pumpe die Druckkurve und den Drucküberschwung?

3. Wie beeinflusst das Eindringen von Wasser in den Kaffeepuck, insbesondere bei unterschiedlichen Mahlgraden, die Verzögerung bis zum Druckanstieg?

4. Wie wirken sich Änderungen der Größe des Brühsiebs sowie Änderungen des Duschsiebs auf den Freiraum und das daraus resultierende Druckprofil aus?

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