Geschiedenis en werking van de espressomachine: boilers, pompen en extractie

Bij een machine met waterreservoir en één boiler stuurt de pomp water uit het reservoir naar de boiler. Het verwarmingselement verwarmt het water. Wanneer de zetklep opent, stroomt het hete water door de zetgroep en de douchezeef naar het koffiebed. De koffie stroomt door de kleine gaatjes in de bodem van het filterbakje en via de uitloop van de filterdrager in de kop.

Zetwater en stoom volgen na de boiler verschillende leidingen. Het zetwater gaat naar de zetgroep; stoom gaat vanuit het bovenste deel van de boiler via een handbediende klep naar het stoompijpje. Bij één boiler past de machine de temperatuur van dezelfde boiler aan voor de zetstand of de stoomstand.

Ook de leidingen voor de drukregeling hebben twee verschillende functies. De drukbegrenzingsklep voert een deel van het water terug naar het reservoir wanneer de ingestelde druk wordt overschreden. Het driewegmagneetventiel verbindt de boiler tijdens het zetten met de zetgroep. Zodra de extractie stopt, sluit het de toevoer af en verbindt het de zetgroep met de afvoerleiding. De resterende druk en het water uit de zetgroep worden dan naar de lekbak afgevoerd.

Waterreservoir of vaste wateraansluiting

• Een waterreservoir maakt de installatie eenvoudig, maar u moet regelmatig het waterniveau controleren en vervuiling en langdurig stilstaand water voorkomen.
• Een vaste wateraansluiting past bij een druk café. Houd bij de installatie rekening met toevoerdruk, afsluitkraan, terugstroombeveiliging, afvoer en filtercapaciteit.
• Een waterniveausensor en automatisch vulventiel voorkomen dat de boiler zonder water wordt verwarmd. Het sensortype en de voorwaarden waaronder het werkt, verschillen per machine.

Thermoblokken en doorstroomverwarming

Een thermoblok is een verwarmd metalen blok met smalle waterkanalen. Het water wordt verwarmd terwijl het erdoorheen stroomt. Dit geeft een korte opwarmtijd en maakt een compacte machine mogelijk, maar een andere stroomsnelheid kan ook de temperatuur van het uitstromende water veranderen.

De temperatuurstabiliteit hangt samen met de hoeveelheid warmte die het verwarmingssysteem vasthoudt, het vermogen van het element, de plaats van de sensor, de temperatuurregeling en de aanleg van de leidingen.

Eén boiler

Eén boiler levert afwisselend zetwater en stoom. Daarvoor zijn verschillende temperaturen nodig: na het zetten moet de temperatuur omhoog en na het stomen weer omlaag. Doordat dezelfde boiler deze twee taken om beurten uitvoert, kan er wachttijd ontstaan wanneer u meerdere plantaardige lattes achter elkaar maakt.

Een warmtewisselaar

Bij een warmtewisselaar loopt het zetwater door een afzonderlijke leiding in een grote boiler die op stoomtemperatuur blijft. Zo kunt u tegelijk koffie zetten en stomen. De temperatuur in de leiding verandert echter met de tijd dat de machine niet is gebruikt, de hoeveelheid koffie die achter elkaar wordt gezet en de temperatuur van het binnenkomende water.

Na een periode zonder extractie kunt u eerst oververhit water laten weglopen. Dit heet een cooling flush. Hoeveel water daarvoor nodig is, hangt af van het ontwerp van de warmtewisselaar en zetgroep, de stilstandtijd en de temperatuurregeling.

Twee boilers en multiboilersystemen

Met afzonderlijke boilers voor zetwater en stoom kunt u beide temperaturen apart regelen. Elke boiler heeft een eigen verwarmingselement, waardoor u tegelijk espresso kunt zetten en stomen. De La Marzocco GS uit 1970 is een belangrijk vroeg voorbeeld van de combinatie van afzonderlijke zet- en stoomboilers met een verzadigde zetgroep.

Een multiboilermachine kan per zetgroep een andere temperatuur aanhouden of meer werk verwerken wanneer er veel bestellingen zijn. Daar staan meer onderdelen, een hoger stroomverbruik en hogere installatie- en reparatiekosten tegenover. Belangrijker dan het aantal boilers is of de capaciteit bij de bestellingen en het menu van de zaak past.

Vibratiepomp

Een vibratiepomp gebruikt een elektromagneet om een kleine zuiger snel heen en weer te bewegen en zo water te verplaatsen. Ze is compact en relatief goedkoop en wordt veel gebruikt in huishoudelijke machines met een reservoir. De pomp maakt geluid en levert een pulserende waterstroom; langdurig ononderbroken gebruik kan beperkt zijn. De werkelijke druk bij de zetgroep hangt af van de drukregelklep en de watertoevoer.

Roterende schottenpomp

Een roterende schottenpomp verplaatst water met draaiende schotten. Dit type wordt veel gebruikt in professionele machines met een vaste wateraansluiting, werkt relatief stil en kan gemakkelijk continu water leveren. Draai niet zelf aan een zichtbare stelschroef. Een verkeerde interpretatie van de toevoerdruk of de druk die bij een afgesloten waterweg wordt gemeten, kan de instelling verstoren of veiligheidsproblemen veroorzaken.

Tandwielpomp en variabele waterstroom

Een tandwielpomp kan via nauwkeurige aanpassing van het motortoerental de waterstroom of druk tijdens de extractie regelen. Dit heet een flow- of drukprofiel. Houd bonen, maalgraad en dosis gelijk en verander daarna de instellingen om te vergelijken welke drukverandering de smaak beïnvloedt.

Hendel en zuiger

Bij een hendelmachine drukt de gebruiker rechtstreeks op een zuiger of spant een veer aan. Bij een veersysteem verandert de druk vanzelf terwijl de zuiger daalt. Het drukverloop verschilt van dat van een elektrische pompmachine. Alleen kijken of de machine voortdurend 9 bar aanhoudt, geeft daarom geen goede vergelijking tussen beide systemen.

De drukmeter begrijpen

De pomp brengt water in beweging. Druk ontstaat wanneer het aangedrukte bed van fijn gemalen koffie weerstand biedt aan het water. Met een leeg filterbakje ontstaat geen hoge zetdruk, ook al stroomt er dezelfde hoeveelheid water doorheen.

De statische druk gemeten met een blindfilter, de druk bij de ingang van de zetgroep en de voortdurend veranderende druk in het koffiebed zijn niet hetzelfde. Een groter drukverschil bevordert de waterstroom. Biedt het koffiebed meer weerstand, dan stroomt bij dezelfde druk minder water door.

Fijner malen vergroot doorgaans de weerstand van het koffiebed. Ontstaan er echter kanalen in het bed, dan stroomt het water vooral daar doorheen en wordt de extractie ongelijkmatig. Daarom kan de smaak bij dezelfde meterstand toch verschillen door de maling en de verdeling van de koffie.

Zetgroep

De zetgroep bestaat uit verschillende onderdelen die verwarmd water naar de filterdrager leiden en over het oppervlak verdelen.

• Boilergekoppelde en verzadigde zetgroepen verbinden de zetgroep nauw met het water in de zetboiler om temperatuurverschillen te beperken.
• Zetgroepen van de E61-familie staan bekend om warmwatercirculatie tussen boiler en groep en mechanische kleppen die de extractie regelen. Het oorspronkelijke model uit 1961 had een verdringerpomp, drukmeter en een systeem voor thermisch evenwicht. Niet alle huidige machines met de naam E61 hebben dezelfde temperatuur- en pre-infusie-eigenschappen.
• Elektrisch verwarmde zetgroepen regelen hun temperatuur afzonderlijk met een verwarmingselement en sensor in de groep.

Filterdrager

De filterdrager houdt het filterbakje vast in de zetgroep en leidt de gezette koffie naar de kop. Een filterdrager met uitlopen kan de koffie gemakkelijk over twee stromen verdelen en het spatten beperken. Bij een bodemloze filterdrager kunt u onder het filterbakje zien of koffie spat of vooral aan één kant uitstroomt.

Met een bodemloze filterdrager kunt u een eenzijdige of zijwaarts spattende stroom opmerken. Door daarna de maling en koffieverdeling aan te passen, kunt u de oorzaak beter opsporen.

Filterbakje

De diameter en diepte van het filterbakje en het aantal en de vorm van de gaatjes bepalen het oppervlak waardoor water kan stromen. De werkelijke koffiedosis beïnvloedt de weerstand van het koffiebed. ‘58 mm’ is vooral een aanduiding van een familie filterdragers. Dat twee onderdelen allebei als 58 mm worden aangeduid, betekent niet dat elk filterbakje en elke tamper precies op elkaar passen. Controleer de werkelijke binnendiameter en de vorm van de rand.

De lege ruimte boven het koffiebed heet headspace. Bij te weinig ruimte kan de koffie te sterk tegen de douchezeef drukken; bij te veel ruimte kan het water het koffiebed verstoren. Blijf binnen het dosisbereik dat de fabrikant voor het filterbakje aangeeft en bekijk zowel het droge koffiegewicht als de afdrukken in het bed na het zetten.

Douchezeef en waterverdeler

De douchezeef en waterverdeler spreiden het water uit de zetgroep over het filterbakje. Bij een ongelijkmatige waterstroom moet u naast de douchezeef ook pomp, kleppen, kalkaanslag en maling bekijken.

• Een toevoermagneetventiel opent op een elektrisch signaal de waterweg naar de boiler of het zetcircuit.
• Een terugslagklep voorkomt dat water terugstroomt.
• Een OPV of bypassklep voert water terug of af wanneer de druk boven de ingestelde waarde komt.
• Een expansieventiel verlaagt de druk die ontstaat doordat verwarmd water uitzet.
• Een veiligheidsventiel is de laatste beveiliging tegen abnormaal hoge druk in de stoomboiler. Dicht een lekkend ventiel nooit zelf af.
• Een anti-vacuümventiel helpt abnormaal vacuüm en onjuiste drukindicaties tijdens het opwarmen en afkoelen van de boiler te voorkomen.
• Een driewegmagneetventiel laat tijdens de extractie water naar de zetgroep stromen en voert na afloop de resterende druk naar de afvoer af.

Thermostaat en drukschakelaar

Een mechanische thermostaat schakelt het verwarmingselement rond een ingestelde temperatuur aan en uit. In een stoomboiler kan ook een drukschakelaar de boilerdruk meten en zo het element regelen. Bij verzadigde stoom zijn druk en temperatuur met elkaar verbonden. De werkelijke toestand kan echter veranderen door het waterniveau, sensorafwijkingen, de luchtdruk en het gebruik.

PID-regeling

Een PID-regeling berekent het verschil tussen de gewenste en de gemeten temperatuur en past daarmee het verwarmingsvermogen aan. Ze houdt niet alleen rekening met de huidige afwijking, maar ook met de opgetelde afwijking en de snelheid waarmee de temperatuur verandert.

Hoe goed een PID-regeling in de praktijk werkt, hangt af van de sensorpositie, de warmteopslag van boiler en zetgroep, de regelwaarden, de correctie van de weergegeven temperatuur en de opwarmtoestand.

Wat 93°C op het display betekent

De 93°C op het display is meestal de waarde die een sensor in de boiler of het thermoblok meet. De temperatuur van het water dat de koffie raakt, hangt af van de sensorpositie, de displaycorrectie, de warmte die het water onderweg naar de zetgroep opneemt of verliest en het koude toevoerwater tijdens het zetten.

Zetverhouding en gemiddelde stroomsnelheid

• Zetverhouding: met 18 g droge koffie en 36 g espresso in de kop is de verhouding 1:2.
• Gemiddelde stroomsnelheid: 36 g espresso in 27 seconden komt neer op ongeveer 1,3 g per seconde.

De koffie in de kop bevat water en daarin opgeloste stoffen. Het volume van crema neemt na verloop van tijd sterk af. Om te controleren of u hetzelfde resultaat bereikt, is wegen in g daarom nuttiger dan meten in mL.

U kunt onder- of overextractie niet alleen aan de extractietijd aflezen. Ook bij dezelfde 28 seconden verandert de smaak als de deeltjesverdeling, channeling, dosis, temperatuur of het werkelijke extractierendement verschilt. Gebruik de extractietijd om te controleren hoe constant het resultaat is wanneer u hetzelfde recept herhaalt.

Pre-infusie

Bij pre-infusie wordt het koffiebed met lage druk of een kleine waterstroom bevochtigd voordat de volle zetdruk wordt toegepast. Dit kan lucht tussen de droge koffiedeeltjes verdrijven en het water helpen verspreiden. De systemen lopen uiteen van mechanische oplossingen met de waterleidingdruk tot afzonderlijke pompregeling. Er bestaat daarom geen pre-infusietijd die voor elke machine geldt.

Drie manieren om de extractie te stoppen

• Volumetrische regeling telt de signalen van het water dat de debietmeter passeert en stopt bij de ingestelde hoeveelheid. Door water dat de koffie vasthoudt of dat wordt afgevoerd, komt dit niet noodzakelijk precies overeen met het drankgewicht in de kop.
• Tijdgestuurde regeling stopt zodra de ingestelde tijd is verstreken.
• Gewichtsgestuurde regeling weegt de koffie in de kop en stopt bij het ingestelde drankgewicht.

De stoomboiler verwarmt water tot stoom onder hoge druk en laat die via het stoompijpje ontsnappen wanneer u de klep opent. Het aantal en de diameter van de gaatjes in het mondstuk, de boilerdruk en de beschikbare stoomhoeveelheid beïnvloeden hoe snel de plantaardige drank opwarmt en hoe de draaikolk in de drank ontstaat.

Een stoompijpje kan ernstige brandwonden veroorzaken. Gewoonlijk laat u vlak voor gebruik kort condenswater ontsnappen. Veeg het direct na gebruik af met een aparte vochtige doek en blaas kort stoom door om resten in het mondstuk te verwijderen. Volg voor de precieze volgorde en reiniging de handleiding van de machine. Steek geen metalen gereedschap in een gecoat stoompijpje of automatisch stoomsysteem en demonteer het niet op eigen initiatief.

Let bij koffiewater naast TDS ook op hardheid, alkaliniteit en chloride. TDS geeft de totale hoeveelheid opgeloste stoffen weer. Water met dezelfde waarde kan dus een andere samenstelling aan calcium, magnesium, natrium en andere stoffen hebben.

• Bij een te hoge hardheid en alkaliniteit kan kalkaanslag zich ophopen op verwarmingsonderdelen en in nauwe waterkanalen.
• Veel chloride of sterk corrosief water kan bepaalde metalen beschadigen.
• Gedestilleerd of vrijwel volledig gedemineraliseerd water rechtstreeks gebruiken kan niet alleen smaakproblemen geven, maar ook de waterniveaumeting en onderdelen beïnvloeden. Sommige machines met een reservoir gebruiken de mineralen in het water om het niveau te detecteren.

De watereisen van de fabrikant verschillen per machine, gebruikte metalen en onderdelen, garantievoorwaarden en verkoopregio. Vergelijk het toegestane waterkwaliteitsbereik van uw model met een analyse van het toevoerwater voordat u een filter kiest.

Volg voor veilig waterbeheer deze stappen.

1. Meet hardheid, alkaliniteit, pH, chloride en TDS van het onbehandelde toevoerwater.
2. Controleer de waterkwaliteitsgrenzen en garantie-uitsluitingen in de machinehandleiding.
3. Bepaal de filtercapaciteit en vervangingsfrequentie op basis van het dagelijkse waterverbruik en seizoensveranderingen in het toevoerwater.
4. Test en registreer het water vóór en na het filter met dezelfde methode.
5. Voeg niet zelf een zuur reinigingsmiddel aan de boiler toe alleen omdat u kalkaanslag ziet. Volg voor het ontkalken van de binnenkant van de boiler de procedure van de fabrikant of een vaktechnicus.

Na elke extractie

• Verwijder de gebruikte koffie en spoel het filterbakje schoon.
• Verwijder koffieresten uit de zetgroep met een korte spoeling of borstel, voor zover de handleiding dit toestaat.
• Veeg het stoompijpje direct na gebruik af en blaas kort stoom door om resten aan de binnenkant te verwijderen.
• Leeg de lekbak voordat hij overloopt.

Na sluiting of volgens het onderhoudsschema

• Verwijder koffieolie van het filterbakje en de filterdrager met een geschikt koffiereinigingsmiddel. Houten, rubberen, geplateerde en elektronische onderdelen kunnen beschadigd raken als u ze in reinigingsmiddel onderdompelt.
• Voer alleen bij zetgroepen die voor backflushen geschikt zijn een terugspoeling met een blindfilter uit.
• Volg de machinehandleiding en het etiket van het reinigingsmiddel voor dosering, inschakeltijd en aantal naspoelingen.

Bij backflushen wordt water uit de zetgroep via een afvoerleiding afgevoerd. Een blindfilter gebruiken om een machine zonder deze afvoerconstructie terug te spoelen, kan de machine beschadigen.

Signalen dat onderhoud nodig kan zijn

• De waterstroom blijft afnemen terwijl u hetzelfde recept gebruikt.
• De verschillen in temperatuur of drankgewicht tussen zetgroepen worden groter.
• De pomp klinkt anders of de boiler heeft langer nodig om zich te vullen.
• Rond het veiligheidsventiel of anti-vacuümventiel blijft water of stoom lekken.
• De installatieautomaat of aardlekschakelaar schakelt herhaaldelijk uit.
• Het waterniveau in de boiler schommelt abnormaal of er komt uitzonderlijk veel water uit het stoompijpje.

Probeer bij zulke signalen niet op basis van een vermoedelijke oorzaak zelf iets te repareren en daarna door te werken. Noteer model, symptomen, tijdstip, waterkwaliteitsgegevens en foutcodes en vraag een vaktechnicus om de machine te controleren.

In een espressomachine bevinden zich heet water, stoom onder druk en elektrische circuits met hoge stroomsterkten.

• Alleen de aan-uitknop uitschakelen is mogelijk niet voldoende voordat de behuizing wordt geopend. De stekker moet uit het stopcontact of de voeding moet via de automaat worden afgeschakeld. Daarna moet voldoende worden gewacht totdat druk en temperatuur zijn gedaald en interne elektrische onderdelen zijn ontladen.
• Maak geen kleppen, sensorstaven of leidingverbindingen los zolang de boiler heet is of nog onder druk staat.
• Blokkeer een lekkend veiligheidsventiel niet en vervang de veer niet door een sterkere.
• Schakel een lekkende machine niet opnieuw in om de oorzaak te zoeken.
• Oude gasverwarmde machines en hendelmachines met krachtige veren hebben elk hun eigen aanvullende risico's.

De technicus die de reparatie uitvoert, moet volgens de modelspecifieke servicedocumentatie en bedrijfsveiligheidsregels alle druk aflaten en een vergrendelings- en markeringsprocedure toepassen om te voorkomen dat iemand anders de stroom inschakelt.

Er is niet één persoon aan te wijzen als uitvinder van de espressomachine. Apparaten om snel veel koffie te maken, afzonderlijke zetgroepen voor één kop, hogedrukhendels en elektrische pompsystemen verschenen namelijk op verschillende momenten.

Een machine voor thuis

• Hoeveel koppen u dagelijks achter elkaar wilt zetten
• Of u vaker espresso of een plantaardige latte drinkt
• Hoe lang u op het opwarmen kunt wachten
• Of het waterreservoir gemakkelijk te vullen en schoon te maken is
• Of er een passend filter of een methode voor mineraalaanpassing voor uw plaatselijke water is
• Of pakkingen, douchezeven en filterbakjes gemakkelijk verkrijgbaar zijn
• Of reparatie in uw land mogelijk is en hoe lang onderdelen leverbaar blijven
• Of het nominale vermogen en de eisen aan stopcontact en installatieautomaat bij uw woning passen

Een machine voor een café

• Hoeveel bestellingen er in de drukste 15 minuten binnenkomen en hoeveel daarvan plantaardige lattes zijn
• Hoe snel de machine herstelt bij gelijktijdige extractie, stoom- en heetwaterafname
• Hoe constant temperatuur en drankgewicht per zetgroep blijven
• Of toevoerdruk, afschot van de afvoer en filtercapaciteit passend zijn
• Hoe lang schoonmaken na sluiting duurt en welke handelingen de automatische reiniging uitvoert
• Of u bij een storing met enkele zetgroepen kunt doorwerken en hoe snel een monteur beschikbaar is
• Of de hoogte voor koppen, het gewicht van de filterdrager en de plaats van de stoomhendel ergonomisch passen bij de medewerkers
• Hoeveel stroom de machine in stand-by en energiebesparende stand gebruikt

Belangrijker dan één specificatie zoals ‘grote boiler’, ‘20 bar-pomp’ of ‘PID’ is hoe constant temperatuur en waterstroom blijven tijdens piekdrukte. Kijk ook hoe gemakkelijk waterkwaliteit en reiniging te beheren zijn en of reparatie bij een storing mogelijk is.

Is een pomp van 15 bar beter dan een machine van 9 bar?

Dat volgt niet uit die cijfers. De maximale pompdruk, de instelling van de drukregelklep, de druk bij een afgesloten zetgroep en de druk tijdens het stromen door koffie zijn verschillende waarden. Belangrijker is of druk en waterstroom stabiel en herhaalbaar bij het gebruikte recept passen.

Moet espresso altijd op 9 bar worden gezet?

Rond 9 bar is een veelgebruikte referentie bij moderne espresso, maar het is niet de enige zetmethode. Bij hendelmachines en machines met flowregeling verandert de druk tijdens de extractie. Om drukwaarden te vergelijken, moet u ook weten waar en hoe ze zijn gemeten.

Zijn twee boilers altijd beter?

Twee boilers kunnen voordelig zijn als u tegelijk wilt zetten en stomen en beide temperaturen apart wilt regelen. Daar staan een hogere prijs, meer stroomverbruik, een langere opwarmtijd en meer onderdelen die mogelijk gerepareerd moeten worden tegenover. Bij beperkt gebruik kan een machine met één boiler of een goed ontworpen warmtewisselaar beter passen.

Garandeert PID een nauwkeurige temperatuur?

PID is één manier om temperatuur te regelen. Als sensorpositie, instellingen, warmtebeheer van de zetgroep, opwarming of displaycorrectie niet goed op elkaar aansluiten, kan de weergegeven temperatuur afwijken van die in het koffiebed.

Is flessenwater veilig voor de machine?

Dat kunt u niet uit de merknaam afleiden. Ook bij hetzelfde product kan de samenstelling veranderen met de bron of productieperiode. Vergelijk hardheid, alkaliniteit, chloride en pH op het etiket of in een wateranalyse met de eisen van de machinefabrikant.

Kan ik zelf ontkalken met azijn of citroenzuur?

Dat is niet aan te raden tenzij de handleiding het uitdrukkelijk toestaat. Boiler, kleppen, metaalcoatings en pakkingen kunnen beschadigd raken. Losgekomen kalk kan bovendien nauwe kanalen verstoppen.

Moet elke machine dagelijks worden gebackflusht?

Nee. Controleer eerst of de machine een driewegventiel heeft en constructief geschikt is voor backflushen. Ook bij geschikte machines verschillen de intervallen voor spoelen met water en reinigen met middel, afhankelijk van het gebruik en de instructies van de fabrikant.

Maakt een bodemloze filterdrager de koffie lekkerder?

Niet op zichzelf. Hij maakt de stroom onder het filterbakje zichtbaar, zodat u problemen met koffieverdeling en channeling gemakkelijker kunt herkennen.

Is het opwarmen klaar zodra het display de doeltemperatuur toont?

Niet altijd. De boilersensor kan de doelwaarde bereiken terwijl zetgroep, filterdrager en kop nog koud zijn. Houd rekening met de aanbevolen opwarmtijd van de fabrikant en controleer ook de resultaten van herhaalde extracties.

Bij Mahina kunt u espresso puur drinken of genieten van een vegan affogato: espresso over plantaardig ijs.