Projekt 35859/01

Energieeffiziente und ressourcenschonende Kaffeeröstung

Projektdurchführung

PROBAT SE
Reeser Str. 94
46446 Emmerich

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielsetzung des Projektes „Energieeffiziente und ressourcenschonende Kaffeeröstung“ ist eine präzise und ganzheitliche Verfolgung des Fortschrittes beim Rösten von Kaffee. Dazu werden kolorimetrische und akustische Methoden kombiniert, die Informationen sowohl zu der Oberfläche (über die Farbmes-sung) als auch zum Inneren (über den Schall und die elastischen Eigenschaften) der Bohnen liefern und damit eine Feinsteuerung der Prozessführung ermöglichen. Im Ergebnis der Arbeiten wird eine nennens-werte Energieeinsparung durch optimierte Prozessführung und eine Qualitätssteigerung durch punktge-naues Treffen des angestrebten Röstresultates erreichbar. Letzteres steigert die Energieeffizienz zusätz-lich auf Grund von besserer Ressourcen-Nutzung (weniger Ausschuss) bzw. Reduzierung von Mischar-beiten („Blending“) zur Einstellung der angestrebten sensorischen Charakteristik.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Machbarkeit der beiden Messmethoden wurde zunächst durch verschiedene Messtechniken vorberei-tet. Diese umfassen mechanisch-physikalische Messungen (wie den Verlauf der Bohnenmasse und de-ren Abmessungen, Schlagpendelversuche, Aufprallversuche und Elastizitätsmessungen), Sensorik, thermische Analysen (DSC, TGA) und massenspektrometrische Untersuchungen (HS-SPME).
Auf dieser Grundlage wurden geeignete Messeinrichtungen für die kolorimetrischen Messungen mittels Kamera und für die akustischen Messungen mittels Piezo-Element entwickelt. Zahlreiche Messungen er-möglichten es, verschiedene Röstzustände zu unterscheiden und Modelle zur Umwandlung in eine Skala (Colorette Farbskala) zu erstellen. Dabei kamen Sensortechnik, Signalanalyse, Objekterkennung, Statis-tik und Machine Learning zum Einsatz.
Das entwickelte Machine Learning Framework erlaubt es, neue Messdaten automatisiert in den Model-laufbau einfließen zu lassen und so die Genauigkeit des Systems kontinuierlich zu verbessern.
Abschließend wurde ein Gesamtsystem entwickelt, das neben den Farbaufnahmen und akustischen Messungen über eine Standardschnittstelle (OPC-UA) auch Prozessparameter überträgt.



Ergebnisse und Diskussion

In diesem Projekt wurde ein bedeutender Fortschritt bei der Verfolgung des Röstprozesses erzielt. Dank der kombinierten Messmethoden können nun sowohl der Zustand der Oberfläche als auch das Innere der Bohne während der Röstung überwacht und der Prozess direkt beeinflusst werden.
Besonders hilfreich ist die Umwandlung beider Messergebnisse in die Colorette-Farbskala, da sie einen direkten Vergleich der beiden Zustände ermöglicht und die Definition der Durchröstung unterstützt. Durch die Kombination beider Parameter kann der Zustand der gerösteten Bohnen präzise bestimmt werden.
Dies trägt nicht nur zur Vermeidung von Ausschuss bei, sondern bietet auch zahlreiche Möglichkeiten zur Übertragung der Röstprozesse auf andere Systeme sowie zur Entwicklung und Anpassung von Rezep-ten. Die Möglichkeit, Rezepte anzupassen und sicherzustellen, dass bei unterschiedlichen Aktuatorein-stellungen derselbe Röstzustand erreicht wird, liefert dem Röstmeister die notwendigen Informationen, um erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Noch keine.


Fazit

Durch die beschriebene Ausarbeitung ist es nun möglich, den Zustand der gerösteten Bohnen online zu messen, was zuvor auf Erfahrungswerten beruhte und erst nach der Röstung im Labor ermittelt werden konnte. Die Kombination der beiden Farbmethoden ermöglicht eine eindeutige Bestimmung des Röstzu-standes.
Dank der umfangreichen Vorarbeiten und der modularen Gestaltung sowohl der Hardware als auch des Modellierungs-Frameworks konnte ein System entwickelt werden, das stabile Ergebnisse liefert und auf verschiedene Röstsysteme in Bezug auf Ausführung und Größe übertragbar ist.
Das Machine Learning Framework stellt sicher, dass sich das System an veränderte Bedingungen an-passen kann und die Genauigkeit durch zusätzliche Messungen kontinuierlich verbessert wird. Insgesamt können durch die Vermeidung von Ausschuss sowie durch die Möglichkeit der Rezeptübertragung und -optimierung erhebliche Energieeinsparungen erzielt werden.