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Verfahren und Vorrichtung zur Entcoffeinierung von grünem Kaffee - Dokument DE3445502C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3445502C2 30.03.1989
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Entcoffeinierung von grünem Kaffee
Anmelder Cafe Toro Ltda., Bogota, CO
Erfinder Toro, Pablo, Bogota, CO
Vertreter Dannenberg, G., Dipl.-Ing., 6000 Frankfurt; Weinhold, P., Dipl.-Chem. Dr., 8000 München; Gudel, D., Dr.phil.; Schubert, S., Dipl.-Ing., 6000 Frankfurt; Barz, P., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 13.12.1984
DE-Aktenzeichen 3445502
Offenlegungstag 20.06.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 30.03.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.03.1989
IPC-Hauptklasse A23F 5/20
IPC-Nebenklasse B01D 11/02   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Entcoffeinierung von grünem Kaffee durch Behandlung des Kaffees mit Kohlendioxydgas im überkritischen Zustand und zur anschließenden Abtrennung des Coffeins von dem beladenen Kohlendioxyd bei herabgesetztem Druck und/oder Temperatur erfolgt die Entcoffeinierung grünen Kaffees mit dem überkritischen Kohlendioxydgas bei zeitgesteuert ansteigenden Temperaturen. Der grüne Kaffee kann dabei seinen natürlichen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen oder aber, wenn er zuvor getrocknet war, auf einen solchen Feuchtigkeitsgehalt wieder befeuchtet sein. Während des Entcoffeinierungsvorgangs überschreitet die Temperatur des Kohlendioxydgases zeitgesteuert ansteigend 70°C. Der Druck beträgt dabei 200 bis 300 bar. Anschließend wird aus dem beladenen Kohlendioxydgas das aus dem Kaffee extrahierte Coffein bei tieferem Druck abgetrennt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entcoffeinierung von grünem Kaffee nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine entsprechende Vorrichtung zur Entcoffeinierung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Um die bekannten Nachteile organischer Lösungsmittel wie Trichlorethylen oder Methylchlorid zu vermeiden, gehört es zum Stand der Technik, das Coffein aus dem Rohkaffee mit einem Gas im überkritischen Zustand, insbesondere mit Kohlendioxyd, zu entziehen. Ein anderes brauchbares Gas ist NO&sub2;. Diese Methode wurde deswegen bevorzugt, da die genannten Gase, insbesondere Kohlendioxyd, Naturprodukte sind, die sich nicht schädlich auf den menschlichen Organismus auswirken. Abgesehen davon bleiben keine unerwünschten Rückstände in den entcoffeinierten Kaffeebohnen zurück.

Im einzelnen ist ein Verfahren zur Herstellung von coffeinfreiem Kaffee-Extrakt durch Abtrennung der Aromabestandteile, Extraktion des Coffeins und Rearomatisierung des entcoffeinierten Produkts bekannt, bei dem zunächst dem Röstkaffee mit trockenem, überkritischem Fluid das die Aromabestandteile enthaltende Kaffeeöl entzogen wird, sodann das Extraktionsgut mit Wasser befeuchtet wird, anschließend dem befeuchteten Extraktionsgut mit feuchtem, überkritischem Kohlendioxyd das Coffein entzogen wird, um dann das Extraktionsgut in bekannter Weise weiterzuverarbeiten. Das mit dem Coffein beladene Fluid wird durch Änderung durch Druck und/oder Temperatur des Kohlendioxydstroms in einem besonderen Behälter entmischt. - Das zum Entzug des Kaffeeöls aus dem Röstkaffee verwendete trockene, überkritische Fluid und das zum anschließenden Entzug des Coffeins verwendete feuchte, überkritische Kohlendioxyd befinden sich dabei in Zuständen oberhalb der kritischen Temperatur und oberhalb des kritischen Drucks. Für Kohlendioxyd bedeutet der überkritische Zustand eine Temperatur oberhalb 31,3° C und oberhalb etwa 8 MPa. Dabei wird zur Schonung des Kaffees, d. h. besonders zum Erhalt der Aroma- und Geschmacksstoffe, ausdrücklich dazu geraten, sowohl die Extraktion des Kaffeeöls als auch die Coffeeinextraktion bei Temperaturen von 40 bis 50° C durchzuführen wobei der Druck vorzugsweise oberhalb 18 MPa liegt (AT 3 19 722-B).

Dieses bekannte Verfahren hat vor allem die Nachteile, daß verhältnismäßig große Mengen Fluid, d. h. Kohlendioxyd, zum Entzug des Kaffeeöls aber auch des Coffeins eingesetzt werden müssen und daß die Entcoffeinierung verhältnismäßig zeitraubend mit kleinerer Entcoffeinierungsrate verläuft. Hinzu kommt der gesonderte Verfahrensschritt, den Kaffee nach dem Entzug des Kaffeeöls mit Wasser zu befeuchten.

Zum Stand der Technik gehört es auch, Rohkaffee in einem Druckbehälter dadurch zu entcoffeinieren, daß Kohlendioxyd im überkritischen Zustand bei etwa 70° C unter einem Druck von etwa 16 MPa durchgeleitet werden. Das Kohlendioxyd steigt in dem Druckbehälter zunächst durch Wasser auf, wodurch es sich mit Wasser belädt (AT 2 90 962-B). Anschließend streicht das feuchte Kohlendioxyd durch den Kaffee, gibt dabei einen Teil seines Wassers an die Kaffeebohnen ab und belädt sich gleichzeitig mit Coffein. Das mit Coffein beladene Kohlendioxyd wird aus dem Druckbehälter über einen Wärmeaustauscher in einen weiteren Druckbehälter geleitet, der mit Aktivkohle beschickt ist. Der weitere Druckbehälter ist auf eine Temperatur von etwa 25° C geheizt. Durch den Wärmeaustauscher wird das mit Coffein beladene Kohlendioxyd auf etwa 25° C abgekühlt, wobei das Kohlendioxyd verflüssigt. Außerdem wird dabei Wasser in flüssiger Phase abgeschieden. Somit tritt in den Druckabscheider (obengenannter weiterer Druckbehälter) ein Strom von etwas Wasser, viel flüssigem Kohlendioxyd und darin gelöstem Coffein ein. Bei dem Durchgang dieses Stroms durch den Druckabscheider wird das Coffein auf der Kohle zurückgehalten. Das flüssige Kohlendioxyd und das Wasser werden wiederum über den Wärmeaustauscher in den ersten Druckbehälter zurückgeführt. - Anstatt einer Adsorption des Coffeins an der Aktivkohle in dem Druckabscheider ist in diesem Zusammenhang auch die Variante bekannt, das Coffein aus dem Kohlendioxyd auch durch dessen Entspannung unterhalb des kritischen Druckes abzutrennen. Das zu dem ersten Druckbehälter rückgeführte Kohlendioxyd muß dabei allerdings zusätzlich komprimiert werden. - Mit dem voranstehend bekannten Verfahren kann zwar dem Rohkaffee das Coffein weitgehend entzogen werden, allerdings auch hier unter Einsatz hoher Kohlendioxydmengen und bei einer entsprechend langen Entcoffeinierungszeitdauer. Es ist zwar in diesem Zusammenhang bekannt, in dem ersten Druckbehälter bei einer Temperatur von ca. 40 bis 80° C und einem Druck von ca. 12 bis 18 MPa zu arbeiten, wobei der gesamte Prozeß bei der höheren Temperatur und dem höheren Druck schneller verläuft. Bei den höheren Temperaturwerten muß aber, wie oben erörtert, mit Qualitäts- und Aromaeinbußen des entcoffeinierten Kaffees gerechnet werden. - Die hohen Mengen einzusetzenden Kohlendioxyds - es wurden in dem oben angegebenen Temperatur- und Druckbereich zur Decoffeinierung des Kaffees auf 97% Coffeinfreiheit mindestens 50 kg Kohlendioxyd pro Kilogramm Kaffee und Stunde benötigt - bedingt weiterhin eine entsprechend große Dimensionierung der Anlage sowie einen entsprechenden Energiebedarf für Pumpen, Wärmeaustauscher und andere Anlagenteile. Die beträchtlichen Kohlendioxydmengen, die nach dem bekannten Verfahren im Kreislauf zu führen sind, erschweren besonders die Abtrennung des Coffeins aus dem beladenen Kohlendioxyd, da die Coffeinkonzentration dementsprechend niedrig ist. Daher wird zum Abtrennen des Coffeins das aufwendige Aktivkohlebett benötigt, an dem das Coffein adsorbiert werden kann.

Im Zusammenhang mit der Anforderung, daß die Kaffeebohnen vor der Entcoffeinierung feucht sein sollen, ist es auch bekannt, grünen Kaffee mit seinem natürlichen Wassergehalt zum konventionellen Entcoffeinieren mit Wasser und chlorierten Lösungsmitteln einzusetzen (Verfahren von General Foods; Dowe Egberts). Diese an sich bekannten Verfahren haben jedoch nie in der Praxis in nennenswertem Maße Eingang gefunden, was auf Schwierigkeiten hindeutet.

Zum Stand der Technik gehört ein Verfahren ähnlich der eingangs genannten Gattung, bei dem ein Anteil qualitativ weniger hochwertiger grüner Kaffeebohnen auf über 37 Gew.-% mit Feuchtigkeit angereichert werden und dann durch Einwirkung eines feuchten überkritischen Gases bei einer Temperatur von wenigstens 100° C und einem Gesamtdruck von wenigstens ungefähr 20 MPa entcoffeiniert werden. Das Gas ist insbesondere CO&sub2;. Dieser entcoffeinierte Kaffee wird dann mit einem qualitativ hochwertigeren Kaffeeanteil gemischt. Letzterer ist durch Extraktion mittels feuchten überkritischen Gases bei einer Temperatur von unterhalb 85° C entcoffeiniert worden. Nach dem Entcoffeinieren werden die Kaffeeanteile jeweils getrocknet (EP 00 29 684-A1). - Nach diesem Stand der Technik wird also zur Erzielung einer aromatisch und geschmacklich guten Kaffeemischung je ein Kaffeeanteil unterschiedlich entcoffeiniert, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen. Über einen zeitlichen Temperaturverlauf ist nichts ausgesagt. Es ist daher davon auszugehen, daß der Temperaturanstieg während des Entcoffeinierungsvorgangs jedes Kaffeeanteils jeweils nur durch die baulichen Kenngrößen der Anlage bestimmt ist und daß schon aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ein möglichst kurzer Entcoffeinierungsvorgang einschließlich eines raschen Temperaturanstiegs angestrebt wird. Im übrigen kann diesem Stand der Technik nur die Bestätigung der Fachmeinung entnommen werden, daß sich eine höhere Temperatur des Entcoffeinierungsvorgangs auf die Qualität hochwertigeren Kaffees schädlich auswirkt.

Ferner ist es auch bekannt, Kaffee dadurch zu entcoffeinieren, daß zunächst eine wäßrige Kaffee-Extraktlösung hergestellt wird, die sämtliche Aroma- und Geschmacksstoffe enthaltend zu einem dünnen Film geformt wird, der unter überkritischen Bedingungen der Temperatur und des Drucks Kohlendioxyd ausgesetzt wird (AT 3 70 282-B). Damit sollte die Coffeinextraktion verkürzt werden. Aus dem mit Coffein beladenen überkritischen Gas wird das Coffein durch Druckentspannung ausgeschieden. Dieses Extraktionsverfahren mit notwendiger Extraktlösung und Dünnfilmbildung ist aufwendig.

Bei einem bekannten Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird für die Coffeinextraktion mit Kohlendioxyd mit Temperaturen im Bereich zwischen einem Wert dicht oberhalb dessen kritischer Temperatur und ca. 150° C, bevorzugt zwischen 60 und 80° C durchgeführt (DE 26 37 197-C2). Die Drücke liegen dabei bevorzugt zwischen 10 und 30 MPa. Für die gleichzeitige Coffeinextraktion und -adsorption werden isobare und isotherme Bedingungen angestrebt. Ein Kreislaufbetrieb der Coffeinextraktion und -adsorption mit dem Kohlendioxyd wird so lange fortgesetzt, bis die gewünschten Restcoffeingehalte im Extraktionsgut erreicht sind. - Dabei muß ein Kompromiß zwischen der von der Temperatur des Kohlendioxyds abhängigen Extraktionsdauer und der Qualität des Extraktionsguts, Kaffee, gewählt werden. Die Fachwelt stand bei dem Entcoffeinieren von Kaffee vor dem Dilemma, daß die Behandlung des zu entcoffeinierenden Kaffees mit Kohlendioxyd hoher Temperatur, d. h. um 80° C und höher zwar als sehr wirkungsvoll erkannt war, jedoch eine Schädigung des Aromas und Geschmacks des Kaffees zur Folge hatte; andererseits verlief der Extraktionsvorgang bei niedrigeren Temperaturen unvollkommen und unwirtschaftlich lange. Als Kompromiß wurde bevorzugt eine Temperatur in dem Bereich zwischen 60 und 80° C gewählt.

Das Gleiche gilt auch für ein weiteres zum Stand der Technik gehörendes Verfahren, bei dem Rohkaffee das Coffein durch Behandlung mit feuchtem Kohlendioxyd in überkritischem Zustand, insbesondere bei einer Temperatur von 40 bis 80° C unter einem Druck von ca. 12 bis 18 MPa entzogen wird (DE-PS 20 05 293).

Ferner ist ein Verfahren bekannt, nach dem grüne Kaffeebohnen einer niedrigen Qualität auf einen Feuchtigkeitsgehalt über 37 Gew.-% gebracht werden und anschließend mit einem feuchten Fluid, insbesondere Kohlendioxyd, im überkritischen Zustand bei einer Temperatur von wenigstens ca. 100° C und einem Druck von wenigstens 20 MPa entcoffeiniert werden (EP 00 29 684-A1). Höherwertiger grüner Kaffee wird auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 26 bis 33 Gew.-% angefeuchtet und mit einem feuchten Fluid bei einer Temperatur zwischen 60° C und 85° C und einem Druck von wenigstens ca. 20 MPa entcoffeiniert. Der entcoffeinierte Kaffee niedriger Qualität und der entcoffeinierte höherwertige Kaffee werden vor oder nach dem Rösten vermischt.

Allen bekannten, oben erörterten Extraktionsverfahren ist gemeinsam, daß die einmal gewählte Temperatur des Kohlendioxyds für den Extraktionsprozeß konstant gehalten wurde.

Hinsichtlich der Abtrennung von Coffein aus einem Gasstrom von Kohlendioxyd im überkritischen Zustand war es bekannt, den Druck des Gases zu senken oder die Temperatur herabzusetzen (z.B. DE 26 37 197-C2).

Zur Herstellung eines konzentrierten Kaffee-Extrakts ist es bekannt, den Extrakt einer Ultrafiltration zu unterwerfen, bei der die Feststoffe zurückgehalten und die Aromen durchgelassen werden (DE 30 25 095-A1). Das Durchgangsbruchteil der Ultrafiltration wird einer umgekehrten Osmose unterworfen, welche die Aromen aufsammelt und im Idealfall nur Wasser durchläßt. Coffein wird nicht selektiv mit dem Wasser extrahiert. Die Durchführungsbedingungen der Ultrafiltration und der Umkehrosmose sind so gewählt, daß der Extrakt so schonend wie möglich behandelt wird. Es wird bei Temperaturen zwischen 2 und 25° C und Drücken von ca. 0,4 bis 2 MPa bei der Ultrafiltration sowie von ca. 3 bis 8 MPa bei der Umkehrosmose gearbeitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Entcoffeinierungsverfahren von grünem Kaffee, der keinen größeren als seinen natürlichen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, unter effizienterem Erhalt der Ausgangsqualität zu gestalten.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Temperaturschritten der Entcoffeinierung gelöst.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß nicht möglichst kurzfristig während des Entcoffeinierungsvorgangs auf die Endtemperatur über 70° C hochgefahren wird, sondern daß der Temperaturanstieg in bestimmten Temperaturstufen zeitgesteuert verzögert erfolgt. Die Temperatur überschreitet nur während eines Bruchteils des gesamten Entcoffeinierungsvorgangs 70° C in einem Temperaturbereich, der bei längerer Einwirkung auf den Kaffee für aromatischen und geschmackvollen decoffeinierten Kaffee schädlich wäre. Erfindungsgemäß wird über 70° C mit einem Temperaturverlauf entcoffeiniert, bei dem die Entcoffeinierungskurve über der Zeit nicht asymptotisch in einen Grenzwert völliger Coffeinfreiheit einläuft, sondern auch bei höherer Gesamtentcoffeinierung mit relativ großer Steigung verläuft. Da bei dem angegebenen zeitgesteuert ansteigenden Temperaturverlauf ein geringer Kohlendioxyddurchsatz zum Erreichen des gleichen Entcoffeinierungseffektes genügt, ist die Coffeinkonzentration des beladenen Kohlendioxyds auch am Ende des Entcoffeinierungsvorgangs groß, was wiederum eine leichte Trennbarkeit des Coffeins von dem Kohlendioxyd ermöglicht. Obwohl der Kaffee hier annähernd vollständig entcoffeiniert wird, läßt sich so ohne weitere Hilfsmaßnahmen, wie Entaromatisieren vor dem Entcoffeinieren des Kaffees und späteres Rearomatisieren, eine große geschmackliche oder aromatische Güte bei natürlicher Farbgebung des entcoffinierten Kaffees erreichen. Der gesamte Entcoffeinierungsvorgang ist relativ kurz. - Zur Entcoffeinierung wird vorteilhaft grüner Kaffee mit seinem natürlichen Feuchtigkeitsgehalt verwendet, wie er in den Erzeugerländern ohne weitere Behandlung vorliegt. Es kann aber auch grüner Kaffee eingesetzt werden, der nach längerer Lager- oder Transportzeit auf diesen Feuchtigkeitsgehalt angereichert wurde. Bei der Verwendung grünen Kaffees mit natürlichem Feuchtigkeitsgehalt zum Entcoffeinieren mit überkritischem Kohlendioxydgas unter den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Bedingungen werden die bei den herkömmlichen Entcoffeinierungsverfahren mit chlorierten Lösungsmitteln auftretenden Schwierigkeiten vermieden. Zur Gewinnung des grünen Kaffees wird das Fruchtfleisch von den Kaffeebohnen durch übliche Verfahren getrennt. Die dadurch gewonnenen Bohnen weisen eine pergamentartige Oberhaut mit etwas verbleibenden Pectinen auf. In einem anschließenden Reinigungsschritt werden die Kaffeebohnen von den verbleibenden Pectinen gelöst und mit Wasser gewaschen. Der so gewonnene Kaffee weist unter seiner Oberhaut einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 50 Gew.-% auf. Anschließend wird die Oberhaut entfernt und der so gewonnene geschälte grüne Kaffee wird bei seinem natürlichen Feuchtigkeitsgehalt der Entcoffeinierung mit den erfindungsgemäßen Temperaturstufen des überkritischen Kohlendioxydgases unterworfen. - Das Entcoffeinierungsverfahren kann mit einem verhältnismäßig geringen Durchsatz des zur Extraktion benutzten überkritischen Gases und insgesamt geringem Energieaufwand durchgeführt werden. Dementsprechend ist auch der Energieaufwand zum Trennen des Coffeins von dem beladenen Gas gering.

Trennverfahren ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3. Bei dem Verfahren nach Anspruch 2 braucht die Temperatur des beladenen Kohlendioxyds nicht unbedingt herabgesetzt zu werden. Zur Rückführung des von dem Coffein befreiten Kohlendioxyds in den Entcoffeinierungsprozeß ist daher nur wenig zusätzlich zugeführte Energie ausreichend. Dies gilt insbesondere für die Verfahrensparameter nach Anspruch 4.

Die Verfahrensparameter des Druckes und der Temperatur bei der Hyperfiltration nach Anspruch 3 ermöglichen es, das Gas nach Abzug des Coffeins ohne große Energiezufuhr zur Entcoffeinierung im Kreislauf zu führen. Einzelne Parameter des Abtrennens des Coffeins aus dem beladenen Gas ergeben sich für das Verfahren nach Anspruch 3 aus Anspruch 5.

Der stufenweise zeitgesteuerte Temperaturanstieg nach Anspruch 1 eignet sich besonders für chargenmäßige Verfahren.

Eine zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in Anspruch 6 angegeben. Diese Vorrichtung eignet sich für ein chargenmäßiges Verfahren bei besonders günstiger Ausnutzung der dem überkritischen Gas, Kohlendioxyd, zugeführten Wärmeenergie.

Der Temperaturanstieg des Entcoffeinierungsvorgangs ist sowohl bei Betrieb dieser Vorrichtung nach Anspruch 6 besonders gut regelbar, wenn zusätzliche Wärmeaustauscher gemäß Anspruch 7 vorgesehen werden.

Die apparative Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 3 beinhaltet eine Umkehrosmoseeinrichtung (Anspruch 7).

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit drei Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 typische zeitliche Temperaturverläufe des Entcoffeinierungsvorganges und entsprechende Entcoffeinierungskurven,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum Entcoffeinieren mit einer Extraktionskolonne,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum Entcoffeinieren mit mehreren Extraktionskolonnen und

Fig. 4 eine Variante der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie eine Entcoffeinierungskurve d&sub1;, die zu einer konstanten Entcoffeinierungstemperatur von 60° C - Kurve a - gehört, asymptotisch bis zum Grenzwert von d gleich 100% verläuft. Man erkennt, daß der Verlauf der Entcoffeinierungskurve d&sub1; im Verlauf des Entcoffeinierungsvorgangs relativ flach ist.

Nach den erfindungsgemäßen Verfahren verlaufen hingegen die Temperaturen der Entcoffeinierung zeitgesteuert treppenförmig ansteigend, siehe Kurvenzug b, oder analog dazu progressiv ansteigend, siehe Kurvenzug c. Zu diesen Temperaturverläufen gehört die Entcoffeinierungskurve d&sub2;, deren Verlauf sich oberhalb des Zeitpunkts t&sub1; durch relativ große Steilheit auszeichnet.

Zu dem Temperaturverlauf b gehört folgendes Verfahrensbeispiel:

1. Verwendetes Ausgangsmaterial: grüner Kaffee, caffee arabica, Sorte laturra

  • a) geschälter grüner Kaffee mit natürlichem Feuchtigkeitsgehalt
  • b) oder grüner Kaffee nach Befeuchtung mit einem Wassergehalt von 40 bis 50 Gew.-%.

2. Zustände für den Entcoffeinierungsvorgang in einer Extraktionskolonne:

Druck: 20 bis 30 MPa (25 MPa) (200 bis 300 bar (250 bar))

Temperatur: 60° C - erste vier Stunden

70° C - zweite vier Stunden

85° C - letzte vier Stunden

CO&sub2;Durchfluß: 17 kg CO&sub2; pro Kilogramm grünen Kaffees pro Stunde bei einstufiger Extraktion, bei mehrstufiger Extraktion nur 5 kg CO&sub2;.

3. Grad der Entcoffeinierung: 96,5%.

4. Entcoffeinierungszeit zum Erreichen des unter 3. genannten Werts: 12 Stunden

5. Zustände zur Abtrennung des Coffeins von dem beladenen Kohlendioxyd in einem Abscheider:

Druck: 7 bis 10 MPa (9 MPa) (70 bis 100 bar (90 bar))

Temperatur: 50 bis 100° C (90° C)

In Fig. 2 ist mit 1 eine Extraktionskolonne bezeichnet. Ein Filter 2 trennt in der Extraktionskolonne einen Wassersumpf 3 von dem zu entcoffeinierenden Kaffee 4. Der Mantel der Extraktionskolonne kann durch Heißwasser beheizt werden, welches über ein Ventil 5 zugeführt wird.

Von dem Kopf der Extraktionskolonne führt eine Leitung 6 über ein Expansionsventil 7 zu einem Abscheider 8, der ebenso wie die Extraktionskolonne als Druckgefäß ausgebildet ist. Der Abscheider kann in konventioneller Weise beheizt werden, was in Fig. 2 nicht dargestellt ist. Ein Ventil 9 am Boden des Abscheiders dient zum Abzug von Wasser, welches sich in dem Abscheider ansammelt. Ähnlich kann über ein Ventil 5a von der Extraktionskolonne 1 im Bedarfsfall Wasser abgezogen werden.

Der Abscheider 8 steht über eine Rückflußleitung 10, einen Kompressor 11 und einen Wärmeaustauscher 12 mit dem Boden der Extraktionskolonne 1 in Verbindung.

Zur Zeitsteuerung der Temperatur in der Extraktionskolonne 1 ist ein Zeitplangeber 13 vorgesehen, der auf den gewünschten Temperaturverlauf als Sollwert eingestellt ist. Der Zeitgeber steht mit einem Eingang eines Reglers 14 in Verbindung, der den Istwert der Temperatur über einen Temperaturfühler 15 erhält. Der Regler regelt die Temperatur mit der in der Extraktionskolonne mittels des überkritischen Kohlendioxyds, welches im Kreislauf geführt wird, extrahiert wird durch Einstellung des Ventils 5 und hilfsweise eines Ventils 16 an dem Wärmeaustauscher.

In der Extraktionskolonne werden beispielsweise 700 g grünen Kaffees mit einem natürlichen Wassergehalt von 45% eingebracht. Die Extraktion des Coffeins wird mit überkritischem Kohlendioxydgas unter den Bedingungen entsprechend den Ziffern 1-5 in dem vorangehenden Beispiel während einer Zeitdauer von zwölf Stunden durchgeführt. Während dieser Zeitdauer werden 96,5% des in dem Kaffee enthaltenen Coffeins aus diesem entzogen.

Das mit dem Coffein beladene Kohlendioxyd wird über die Leitung 6 zu dem Expansionsventil geführt, in dem es auf einen Druck von 90 bar reduziert wird, während der Druck in der Extraktionskolonne 1 eine Größe von 25 MPa (250 bar) hat. - In dem Abscheider 8 sammelt sich von dem expandierten Kohlendioxydgas abgeschiedenes Wasser in flüssiger Form zusammen mit dem entzogenen Coffein an. Aus dieser wäßrigen Lösung kann das Coffein in üblichen Verfahren gewonnen werden.

Das von dem Coffein befreite Kohlendioxyd wird über die Rückflußleitung 10 zurückgeführt, wieder auf einen Druck von 25 MPa komprimiert, in dem Wärmeaustauscher 12 vorerwärmt und dem Boden der Extraktionskolonne 1 zugeführt. Dort kann es durch die angesammelte Flüssigkeit aufsteigen und den über dem Filter 2 gelagerten Kaffee weiter entcoffeinieren. Entsprechend der Einstellung des Zeitplangebers 3 steigt während des Entcoffeinierungsvorgangs die Temperatur in der Extraktionskolonne an, bis der gewünschte Entcoffeinierungsgrad von 96,5% erreicht ist.

Aus der wäßrigen Lösung am Boden des Abscheiders 8 kann Coffein mit einem Reinheitsgrad von 99,5% durch Auskristallisieren gewonnen werden.

In einem anderen Beispiel zum Betrieb der Einrichtung nach Fig. 2 wird die Extraktionskolonne mit 700 g wiederbefeuchtetem grünem Kaffee beschickt, der einen Wassergehalt von 46% aufweist. Die Extraktion des Coffeins wird wiederum unter den Bedingungen entsprechend den Ziffern 1-5 des eingangs gegebenen Verfahrensbeispiels durchgeführt. Der Entcoffeinierungsvorgang dauert 12S Stunden, währenddessen 93% des ursprünglichen Coffeingehalts entzogen werden.

Aus dem mit dem Coffein beladenen Kohlendioxyd wird wiederum nach Entspannung durch Expansionsventil wäßrige Coffeinlösung in dem Abscheider 8 gewonnen, aus der das Coffein mit einem Reinheitsgehalt von 99,5% auskristallisiert werden kann.

In Fig. 3 ist eine Einrichtung zum Entcoffeinieren mit einer Batterie von Extraktionskolonnen dargestellt, die chargenweise gefahren werden. Übereinstimmende Teile der Einrichtung sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 versehen.

Statt nur einer einzigen Extraktionskolonne sind jedoch in Fig. 3 sechs Extraktionskolonnen 1, 17, 18, 19, 20, 21 vorgesehen. Jeweils zumindest drei dieser Extraktionskolonnen können zueinander in Reihe angeordnet werden, indem jeweils der Kopf einer vorangehenden Extraktionskolonne über eine der Leitungen 22 bis 25 und einen zusätzlichen Wärmeaustauscher 26 bis 29 mit dem Boden der nachfolgenden Extraktionskolonne in Verbindung steht.

Um die Einrichtung nach Fig. 3 nach dem in dem ersten Beispiel beschriebenen Verfahren zu betreiben, wird je eine Extraktionskolonne, z. B. 1, in einer ersten Entcoffeinierungsphase mit 60° gefahren, die nachgeschaltete Extraktionskolonne 17 mit 70° und die darauffolgende Extraktionskolonne 18 wiederum mit 85°. Der Kopf der dritten Extraktionskolonne kann dann direkt zu der Leitung 6 durchgeschaltet sein, wenn nicht noch zusätzliche Temperaturstufen vorgesehen sind. Von der Gruppe der Extraktionskolonnen kann in dieser ersten Phase beispielsweise die Extraktionskolonne 20 entladen werden, indem weitgehend entcoffeinierter Kaffee aus der Kolonne entnommen wird, während eine andere Extraktionskolonne, z. B. 21, frisch mit grünem Kaffee beschickt wird.

In einer anschließenden Phase der Extraktionszeit werden die Extraktionskolonnen durch zwei Ventilanordnungen 31, 21, die nur durch unterbrochene Linien angedeutet sind, beispielsweise so umgeschaltet, daß die Extraktionskolonne 18 nicht mehr mit Kohlendioxydgas durchströmt wird, sondern entladen werden kann. Die zuvor beschickte Extraktionskolonne 21 wird jetzt als erste Extraktionskolonne einer Reihenschaltung mit 60° C gefahren, die sich daran anschließende Extraktionskolonne 1 wird jetzt auf eine Temperatur von beispielsweise 70° C eingeregelt und die letzte Extraktionskolonne 17 der zweiten Phase wird jetzt auf 85° C erhitzt. So können zyklisch sämtliche Extraktionskolonnen umgeschaltet werden, damit jeweils der Inhalt jeder Extraktionskolonne stufenweise einer erhöhten Extraktionstemperatur entsprechend Fig. 1 Temperaturverlauf b ausgesetzt wird.

Währenddessen fällt in dem Abscheider 8 fortlaufend wäßrige Coffeinlösung an, aus der wiederum das Coffein durch Auskristallisieren gewonnen wird.

Die Einrichtung nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 2 dadurch, daß anstatt des Abscheiders 8 eine Umkehrosmoseeinrichtung 33 vorgesehen ist. In diesem Zusammenhang ist das Expansionsventil 7 so eingestellt, daß die Abtrennung des Coffeins von dem beladenen CO&sub2; in der Umkehrosmoseeinrichtung bei einer Temperatur von 33-70° C und bei einem Gesamtdruck erfolgt, der unterhalb des Druckes in der Extraktionskolonne in dem Bereich zwischen 7-10 MPa (70-300 bar) liegt. - Mit der Umkehrosmoseeinrichtung werden die bekannten Vorteile der Umkehrosmose oder Hyperfiltration zum Abtrennen des Coffeins erreicht. Vorzugsweise wird mit der Umkehrosmoseeinrichtung bei einem Gesamtdruck von 20-30 MPa (200-250 bar und einer Temperatur von 35-50° C gearbeitet. Die Druckdifferenz in der Umkehrosmoseeinrichtung kann bis 8 MPa (80 bar) betragen. Weitere Einzelheiten können aus der Zeitschrift "Chemische Anlagen und Verfahren", November 1984, Seiten 68, 69 entnommen und auf die vorliegende Einrichtung bzw. das damit ausgeübte Verfahren übertragen werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Entcoffeinierung von grünem Kaffee durch Behandlung des Kaffees mit einem Gas, insbesondere Kohlendioxyd, im überkritischen Zustand bei einem Druck von über 10 bis 30 MPa (100 bis 300 bar) und bei Temperaturen bis unterhalb 150° C, und zur anschließenden Abtrennung des Coffeins von dem beladenen Gas bei herabgesetztem Druck und/oder Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der einen natürlichen Feuchtigkeitsgehalt aufweisende grüne Kaffee bei den aufeinanderfolgenden Temperaturschritten entcoffeiniert wird:

    60° C erste vier Stunden

    70° C anschließende vier Stunden

    85° C letzte vier Stunden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch den Entcoffeinierungsvorgang extrahierte Coffein von dem beladenen Gas bei einem Druck von 7 bis 10 MPa (70 bis 100 bar) und einer Temperatur von 50 bis 100° C abgetrennt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Coffein aus dem durch den Entcoffeinierungsvorgang beladenen Gas durch Hyperfiltration (Umkehrosmose) mit wenigstens einer semipermeablen Membrane bei einem Gesamtdruck von 7 bis 30 MPa (70 bis 300 bar) und einer Temperatur von 33 bis 70° C gewonnen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Coffein von dem beladenen Gas bei einem Druck von 9 MPa (90 bar) und einer Temperatur von 90° C abgetrennt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung des Coffeins von dem beladenen Gas bei einem Gesamtdruck von 20 bis 25 MPa (200 bis 250 bar) und einer Temperatur von 35 bis 50° C erfolgt.
  6. 6. Vorrichtung zur Entcoffeinierung mit mindestens einer als Druckbehälter ausgebildeten Extraktionskolonne, deren Kopf zur Behandlung des mit Coffein beladenen Gases, insbesondere Kohlendioxyd, mit einem Abscheider in Verbindung steht, von dem eine im wesentlichen unbeladenes Gas führende Rückflußleitung über einen Wärmeaustauscher und einen Kompressor zu der Extraktionskolonne zurückgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Extraktionskolonnen (1, 17-21) über beladenes Gas führende Leitungen (22-25) in Reihe angeordnet sind, daß der Kopf der letzten Extraktionskolonne (z. B. 20) der Reihenanordnung mit dem Abscheider (8) in Verbindung steht, von dem die Rückflußleitung (10) zu der ersten Kolonne zurückgeführt ist, und daß die Abfolge der Extraktionskolonnen in der Reihenschaltung zum chargenweisen Betrieb umschaltbar ist (Ventilanordnungen 30, 31).
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei Extraktionskolonnen (z. B. 1, 17) in jeder Leitung (z. B. 22) ein Wärmeaustauscher (z. B. 26) vorgesehen ist und der Abscheider (8) aus einer Umkehrosmoseeinrichtung (33) mit Entspannungsventil (7) besteht.






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