Einleitung und Einordnung

Instantkaffee-Produkte sind im Allgemeinen in zwei unterschiedlichen Formen erhältlich: sprühgetrocknet und gefriergetrocknet. Gefriergetrockneter Kaffee wird allgemein als qualitativ hochwertiger angesehen, da weniger Aromastoffe verloren gehen und der typische „verbrannte“ Geschmack vermieden wird. Darüber hinaus kann gefriergetrockneter Kaffee so gestaltet werden, dass eine „Crema-ähnliche“ Struktur entsteht, wodurch er einem frisch zubereiteten Espresso sehr nahekommt.

Im Zuge der fortschreitenden Produktdiversifizierung – insbesondere in den Märkten für Spezialitätenkaffee, Premium-Instantkaffee und Einzelportionen – konzentrieren sich die Hersteller zunehmend nicht nur auf die Qualität der Kaffeeextraktion, sondern auch auf Partikelstruktur, Aussehen, Konsistenz, Produktionseffizienz und nicht zuletzt auf die gesamten Herstellungskosten. Steigende Energiepreise haben einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtproduktionskosten.

Die gute Nachricht ist, dass die Herstellungskosten in hohem Maße vom eingesetzten Verfahren abhängen. Bei der Auswahl eines Produktionsverfahrens für Instantkaffee müssen nicht nur die Investitionskosten (CAPEX), sondern insbesondere auch die Betriebskosten (OPEX) berücksichtigt werden.

Verfahren, die eine bessere Kontrolle über Partikelgröße und -qualität ermöglichen, bieten ein erhebliches Potenzial für Kosteneinsparungen. Da die Qualität von sprühgetrocknetem Kaffee deutlich unter der von gefriergetrocknetem Kaffee liegt und bei vergleichbaren CAPEX-Kosten nicht immer eine Einsparung bei den OPEX ermöglicht, wird dieser Ansatz im Folgenden nicht weiter betrachtet. Stattdessen werden ältere und weit verbreitete Verfahren der „Kryo-Zerkleinerung“ mit Tropfenbildungsprozessen verglichen. Hierbei wird insbesondere der BRACE-Mikrosphären-Prozess betrachtet, da er bei niedrigen Betriebskosten und geringem Investitionsaufwand eine sehr hohe Qualität bietet, die der klassischen Kryo-Zerkleinerung deutlich überlegen ist. Darüber hinaus können die entstehenden Mikrosphären in einem breiten Bereich an die jeweiligen Kundenanforderungen angepasst werden.

Vergleich der Herstellungsverfahren

Ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung von Instantkaffee wird als „Kryo-Zerkleinerung“ (Cryo Crushing) bezeichnet. Es handelt sich um ein relativ altes Verfahren, bei dem Gefriertunnel eingesetzt werden. Dabei wird flüssiges Kaffeekonzentrat in Schalen eingefroren und anschließend zu groben Partikeln zerkleinert. Diese Partikel werden in einem breiten Siebbereich klassiert, wobei Feinanteile und Überkorn wieder aufgetaut und erneut eingefroren werden. Die ausgesiebten Zerkleinerungspartikel werden anschließend auf Schalen verteilt und chargenweise gefriergetrocknet.

Die innovative BRACE-Mikrosphären-Technologie verfolgt hingegen das Prinzip „Form Freezing – Continuous Drying“ („Formgefrieren – kontinuierliches Trocknen“). Ein Kaffeekonzentrat mit hohem Feststoffgehalt wird in vollständig kugelförmige Mikrosphären gleicher Größe umgeformt. Jeder dieser Tropfen wird schockgefroren und kann anschließend kontinuierlich transportiert und getrocknet werden.

Ein direkter Vergleich der Verfahren zeigt, dass der innovative BRACE-Prozess nicht nur weniger Platz und deutlich weniger Energie benötigt, sondern auch vollständig automatisierbar ist. Selbst vollständig kontinuierlich arbeitende Gefriertrockner – und nicht lediglich quasi-kontinuierliche Systeme, wie sie bei anderen am Markt erhältlichen Großanlagen zu finden sind – können eingesetzt werden.

Die kontrollierte Partikelform und -größe ermöglichen eine deutliche Verkürzung der Trocknungszeit. Gleichzeitig ist ein stabiler, staubfreier und kontinuierlicher Prozess vom Konzentrieren des Kaffees bis hin zur Verpackung möglich.

Detaillierte Prozessanalyse

Cryo Crushing

Kaffeezubereitung → Kaffeekonzentrierung → Aufschäumen → Vorfrieren → Blockgefrieren → Mechanische Zerkleinerung → Sieben → Gefriertrocknung → Verpackung

Dabei ist es wichtig zu verstehen, dass beim Sieben etwa 40 % des Materials ausgeschieden und zum Konzentrat zurückgeführt werden. Das bedeutet auch, dass sowohl die Energie für das Auftauen als auch die Energie für das erneute Einfrieren doppelt berücksichtigt werden müssen.

Darüber hinaus befindet sich das gesamte System in einem Gefrierraum, der zusätzliche Energie benötigt.

BRACE Microsphere Process

Kaffeezubereitung → Kaffeekonzentrierung → Aufschäumen → Präzise Tropfenerzeugung → Kryogenes Einfrieren → Gefriertrocknung → Verpackung

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Prozessweg drastisch verkürzt wird. Dies führt zu einem geringeren Aromaverlust, einer schnelleren Trocknung, stabilen Partikeln und einer staubfreien Verpackung.

Darüber hinaus arbeiten die Anlagen vollständig geschlossen. Daher ist es nicht erforderlich, die gesamte Anlage in einer Gefrierkammer unterzubringen. Lediglich der Bereich vom Ausgang des Kühlturms bis zum Eingang des Gefriertrockners muss gekühlt werden – tatsächlich handelt es sich dabei um eine sehr kleine Kammer.

Platzbedarf

Während die Kryo-Zerkleinerung typischerweise sehr große Flächen für die Vorfrier-, Gefrier-, Zerkleinerungs- und Siebphase benötigt, beansprucht der BRACE-Mikrosphären-Prozess nur eine kleine Fläche.

Bei einer typischen Gebäudehöhe einer Produktionshalle können problemlos mehrere BRACE-Einheiten übereinander bzw. innerhalb derselben Produktionsfläche installiert werden, während dort möglicherweise nur ein einziges Kryo-Zerkleinerungssystem Platz finden würde.

Aufgrund der schnelleren Trocknung und der Möglichkeit, mit höher konzentriertem Kaffee zu arbeiten, können die Gefriertrockner kleiner ausgelegt werden oder sogar als vollständig kontinuierliche Kompaktanlagen ausgeführt werden.

In Regionen, in denen Gewerbe- und Produktionsflächen teuer sind, stellt dies einen erheblichen Vorteil dar.

Kühlsystem und Gefriermechanismus

Bei der Kryo-Zerkleinerung werden für die Vorfrier- und Gefrierstufen herkömmliche Kältesysteme eingesetzt, wobei der Kontakt bei größeren Materialvolumina relativ gering ist.

Dieser Prozess ist langsam und nicht besonders effizient. Zum einen setzt das Einfrieren Energie frei, zum anderen wirkt das entstehende Eis als Isolator für den inneren Bereich des Gefrierguts. Dadurch erfolgt die Wärmeübertragung langsamer und die Gefrierbedingungen können innerhalb des Materials variieren. Dies kann zu Entmischung, Aromaverlust, inhomogenem Material, ungleichmäßiger Porosität usw. führen.

Beim Mikrosphären-Prozess hat der erzeugte Tropfen typischerweise nur einen Durchmesser von etwa 1–2 mm. Bei der normalen Verarbeitung sind Tropfendurchmesser von 300–6000 µm am effizientesten.

Der Tropfen wird während eines kurzen freien Fallwegs in einem kalten Kühlturm verfestigt. Dieser ist üblicherweise mit Stickstoffgas gefüllt, um eine Oxidation oder die Entstehung unerwünschter Aromakomponenten des Kaffees zu vermeiden.

Als Kühlmedium verwendet BRACE verdampften Flüssigstickstoff. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Energienutzung und die Aufrechterhaltung einer Prozesstemperatur von −100 °C oder darunter.

Das Schockgefrieren der Mikrosphären erzeugt vollständig homogene Kugeln, ohne Aromaverlust während der Gefrierphase.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Vorfrierstufe vollständig entfallen kann, da die Mikrosphären die Einheit bereits bei der Temperatur im Inneren des Gefriertrockners verlassen. Dadurch ist keine Vorkühlphase erforderlich und der Gefriertrockner kann schnell wieder beschickt werden.

Partikelstruktur und Qualitätskontrolle

Während der BRACE-Mikrosphären-Prozess sehr homogene, kugelförmige Mikrosphären erzeugt, produziert die Kryo-Zerkleinerung eine große Vielfalt unterschiedlicher Partikel.

Aufgrund scharfer Kanten und unregelmäßig geformter Partikel kommt es beim Verpacken, Transportieren und Lagern leicht zu Bruch. Dadurch entsteht erheblicher und unerwünschter Staub.

Da Staub sein Aroma schneller verliert, kann der Kaffee nach dem Öffnen der Verpackung bzw. des Behälters schnell an Geschmack und Aromaintensität verlieren.

Im Gegensatz dazu sind die BRACE-Mikrosphären perfekt rund. Sie rollen aneinander vorbei und zerstören sich nicht gegenseitig. Sie erzeugen keinen Staub (staubfreie Verarbeitung) und bewahren das wertvolle Aroma über einen langen Zeitraum.

Darüber hinaus können die Mikrosphären über die Parameter des Gefriertrocknungsprozesses gezielt hinsichtlich ihrer Farbe und Härte angepasst werden.

Verbraucherpräferenzen

Beide Verfahren – die Kryo-Zerkleinerung und der BRACE-Mikrosphären-Prozess – erzeugen Partikel aus gefriergetrocknetem Instantkaffee.

Die zerkleinerten Partikel sind auf dem Markt seit Langem bekannt, und die Kunden kennen die Eigenschaften und das Verhalten dieses Produkts.

Trotz der Nachteile einer inhomogenen Auflösung, des Nachlassens der Frische und des weniger ansprechenden Erscheinungsbildes bevorzugen Kunden gefriergetrockneten Kaffee gegenüber sprühgetrocknetem Kaffee, der dem Kaffeetrinker ein noch weniger intensives Genusserlebnis bietet.

Nicht repräsentative Studien haben jedoch gezeigt, dass viele Verbraucher einen schnell und rückstandsfrei löslichen, kugelförmigen Kaffee bevorzugen würden, der auch nach längerer Lagerung in einem geöffneten Behälter einen guten, natürlichen Geschmack bietet.

Energieverbrauch und Produktionseffizienz

Der Energieverbrauch der Kryo-Zerkleinerungs- und der BRACE-Mikrosphären-Prozesse lässt sich problemlos miteinander vergleichen, und die Kosten können auf Grundlage typischer Strompreise berechnet werden.

Während sich beide Verfahren bei den Schritten Kaffeezubereitung, Konzentrierung und Aufschäumen nicht unterscheiden, zeigen die nachfolgenden Prozessschritte erhebliche Unterschiede.

Für die Kryo-Zerkleinerung wird der Energiebedarf wie folgt berechnet:

Vorfrieren + Einfrieren + Zerkleinern + Sieben + (Schmelzen + Vorfrieren + Einfrieren) der Feinanteile und des Überkorns + Gefriertrocknung

Dabei muss berücksichtigt werden, dass Feinanteile und Überkorn etwa 40 % der Partikel ausmachen, die zurückgeführt werden müssen. Für diese 40 % wird somit erneut dieselbe Energie für das Schmelzen und das (Vor-)Einfrieren benötigt.

Insgesamt entspricht dies 80 % der Energie für den Prozess zusätzlich zu 100 % für die Partikel der korrekten Größe, da die gesamte Menge zunächst eingefroren werden muss, bevor sie gesiebt werden kann.

Unter Einbeziehung aller wiederkehrenden Siebverluste ergibt sich somit insgesamt etwa 200 % der theoretisch erforderlichen Energie. Prozessverluste erhöhen diesen Wert weiter.

Der BRACE-Mikrosphären-Prozess verwendet hingegen das Kaffeekonzentrat und erzeugt direkt gefrorene Partikel. Der Energieverbrauch setzt sich daher wie folgt zusammen:

Tropfenguss + Einfrieren + Gefriertrocknung

Das Einfrieren benötigt selbstverständlich nur 100 % des theoretischen Energiebedarfs, da keine Verluste durch Rückführung entstehen. Der Tropfenguss selbst benötigt so wenig Energie, dass dieser Anteil vernachlässigt werden kann.

Eine genauere Betrachtung der Gefriertrocknungszeiten zeigt, dass die Gefriertrocknung bei der Kryo-Zerkleinerung typischerweise bis zu 30 Stunden dauert.

Bei BRACE-Mikrosphären wird die Gefriertrocknung typischerweise zwischen 12 und 18 Stunden betrieben.

Insgesamt stellt dies eine erhebliche Reduzierung der Trocknungszeit dar.

Da der größte Energieverbrauch bei der Gefriertrocknung auf den Betrieb der Vakuumpumpen entfällt, liegen die Energiekosten beim BRACE-Mikrosphären-Prozess deutlich niedriger.

Direkte Kosteneinsparungen von 30–50 % sind dabei durchaus möglich.

 

Investitionskosten

Bereits ein einfacher Vergleich der Anzahl und Größe der für beide Verfahren benötigten Anlagen zeigt, dass die Kryo-Zerkleinerung wesentlich kostenintensiver ist als der BRACE-Mikrosphären-Prozess.

Der deutlich geringere Platzbedarf reduziert die Kosten für Gebäude und Installation zusätzlich.

Doch nicht nur bei den direkten Investitionen für die Prozessanlagen bestehen Unterschiede.

Da die Gefriertrocknungszeit erheblich reduziert werden kann, werden weniger Gefriertrockner benötigt.

Bei 30–50 % weniger Gefriertrocknern kann ein erheblicher Teil der ursprünglich erforderlichen Investition entfallen.

Sind entsprechende Gefriertrockner bereits vorhanden, kann alternativ die Produktionskapazität um 30–50 % erhöht werden, ohne dass zusätzliche Investitionen erforderlich sind.

Example Calculation and Cost Savings based on Average Equipment and Energy Costs (2026)

Fazit

Zusammenfassend zeigt sich, dass der BRACE-Mikrosphären-Prozess der Kryo-Zerkleinerung in allen Aspekten überlegen ist.

Bei Betriebskosteneinsparungen von mehreren Euro pro Kilogramm (!) amortisiert sich selbst die Nachrüstung einer bestehenden Anlage durch den Ausbau des Kryo-Zerkleinerungssystems und die Installation einer BRACE-Mikrosphären-Einheit innerhalb eines kurzen Zeitraums.

Die perfekt runden, vollständig prozesskontrollierbaren Mikrosphären mit ihrem ansprechenden Erscheinungsbild sowie ihren einfachen, schnell löslichen Eigenschaften ermöglichen erhebliche Steigerungen von Wirtschaftlichkeit und Effizienz sowohl bei bestehenden als auch bei neu geplanten Instantkaffeeanlagen.

Die Kosteneinsparungen können dazu führen, dass sich die Einheit innerhalb sehr kurzer Zeit selbst amortisiert.