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Dokumentenidentifikation DE3882965T2 24.02.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0331852
Titel Verfahren zum Entkoffeinieren von Kaffee mit einer superkritischen Flüssigkeit.
Anmelder Kraft General Foods, Inc., White Plains, N.Y., US
Erfinder Katz, Saul Norman, Monsey, NY 10952, US
Vertreter Eisenführ, G., Dipl.-Ing.; Speiser, D., Dipl.-Ing.; Rabus, W., Dr.-Ing.; Brügge, J., Dipl.-Ing.; Klinghardt, J., Dipl.-Ing., 28195 Bremen; Schuler, P., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., 81369 München; Kaden, J., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 10178 Berlin
DE-Aktenzeichen 3882965
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 22.12.1988
EP-Aktenzeichen 883122574
EP-Offenlegungsdatum 13.09.1989
EP date of grant 04.08.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.02.1994
IPC-Hauptklasse A23F 5/20

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Extrahieren von Koffein aus grünen Kaffeebohnen mit einer überkritischen Flüssigkeit. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine im wesentlichen koffeinfreie überkritische Flüssigkeit kontinuierlich in ein Extraktionsgefäß, welches grüne Kaffeebohnen enthält, eingespeist, und die überkritische Flüssigkeit wird koffeinbeladen kontinuierlich aus der gegenüberliegenden Seite des Extraktionsgefäßes abgezogen. In regelmäßigen Abständen wird ein Teil der entkoffeinierten Bohnen entnommen, während nahezu gleichzeitig eine entsprechende Menge koffeinhaltiger Bohnen in das Extraktionsgefäß eingefüllt wird. Anschließend wird nahezu das gesamte Koffein aus der koffeinbeladenen überkritischen Flüssigkeit in einem gegenläufigen Wasserabsorber entzogen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist effektiver und ergibt einen entkoffeinierten Kaffee besserer Qualität als die Batchverfahren des bisherigen Standes der Technik.

Stand der Technik

Nach dem Stand der Technik sind verschiedene Entkoffeinierungsverfahren bekannt. Bei den verbreitesten Verfahren werden die Kaffeebohnen mit Wasser gequollen, bevor das Koffein mit einem organischen Lösungsmittel oder mit einer zu wenig Koffein enthaltenden Lösung löslicher Bestandteile von grünem Kaffee extrahiert wird, woraufhin die Lösung zur Abtrennung des Koffeins mit einem Lösungsmittel zusammengebracht wird. In beiden fällen kommen die Bohnen üblicherweise zumindest mit geringen Mengen des Lösemittels in Berührung, und Spuren des Lösemittels verbleiben in den Bohnen. Die geeignetsten Lösemittel sind halogenierte Kohlenwasserstoffe; es besteht jedoch zunehmend der Wunsch, diese Lösemittel zu vermeiden und den Kaffee vollkommen lösemittelfrei zu halten.

Nach einem vielversprechenden, wenn auch teuren, alternativen Verfahren wird zum Extrahieren des Koffeins aus den grünen Kaffeebohnen eine überkritische Flüssigkeit, vorzugsweise überkritisches Kohlendioxid, verwendet. Ein derartiges Verfahren wird in der US-Patentschrift 4 260 639 von Zosel offenbart; dabei wird grüner Kaffee zum Extrahieren des Koffeins mit wassergesättigtem überkritischem Kohlendioxid in Berührung gebracht. Das Koffein aus dem koffeinbeladenen überkritischen Kohlendioxid kann - wie in der US-Patentschrift 3 806 619 von Zosel offenbart - absorbiert werden, indem das Kohlendioxid durch einen Wasserbehälter geleitet wird, bei dem das Wasser alle 4 Stunden erneuert wird. Dieses Gewinnungssystem ist jedoch sehr uneffizient, weil der Wasserbehälter nicht die Voraussetzungen für eine kontinuierliche Gewinnung des Koffeins erfüllt und das regelmäßige Auswechseln des Behälters zu unerwünschten Unterbrechungen im Prozeßablauf führt. Nach einem weiteren Verfahren, welches in der US-Patentschrift 4 247 570 von Zosel offenbart ist, wird der grüne Kaffee mit einem Koffeinabsorber vermischt, bevor der Kaffee mit der überkritischen Flüssigkeit in Berührung gebracht wird. Nachdem das Koffein durch die überkritische Flüssigkeit entzogen worden ist, wird es von dem Koffeinabsorber absorbiert, wodurch ein gesonderter Koffeinabtrennungsschritt entbehrlich wird. Die Verfahren nach dem Stand der Technik sind Batchverfahren, die im allgemeinen weniger effizient sind als kontinuierliche Verfahren.

DE-A-3 532 957 beschreibt einen Reaktor, in dem granuliertes Material in einem bewegten Bett einem gegenläufigen Extraktionsvorgang mittels eines Lösungsmittels, beispielsweise überkritischen Kohlendioxids, unterworfen wird. Als Extraktionsverfahren wird jedoch lediglich die Extraktion von Rapsöl aus Rapssamen erwähnt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weitgehend kontinuierliches Verfahren zur Extraktion von Koffein aus grünen Kaffeebohnen mit einer überkritischen Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe ist es, entkoffeinierten Kaffee besserer Qualität herzustellen, indem der Verlust von Nicht-Koffein-Festanteile beim Entkoffeinieren begrenzt wird.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Entkoffeinieren von grünem Kaffee zur Verfügung, bei dem man

a) im wesentlichen koffeinfreies überkritisches Kohlendioxid, welches Nicht- Koffein-Festanteile enthält und mit Wasser gesättigt ist, kontinuierlich in das untere Ende eines länglichen, im wesentlichen vertikalen Extraktionsgefäßes einspeist, welches grüne Kaffeebohnen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 25 - 50 Gew.% enthält, das überkritische Kohlendioxid und die grünen Kaffeebohnen im Extraktionsgefäß kontinuierlich gegenströmig kontaktiert, um die Extraktion von Koffein aus dem Kaffee in das überkritische Kohlendioxid zu bewirken, und das überkritische Kohlendioxid, welches Koffein und Nicht-Koffein-Festanteile enthält, kontinuierlich aus dem oberen Ende des Extraktionsgefäßes abzieht;

b) einen Teil der Kaffeebohnen im Gefäß aus dem unteren Ende des Extraktionsgefäßes austrägt, wobei der ausgetragene Teil entkoffeinierte Kaffeebohnen enthält;

c) die verbleibenden Kaffeebohnen im Extraktionsgefäß in einem Ausmaß abwärts bewegt, welches im wesentlichen der Menge der aus dem Extraktionsgefäß ausgetragenen entkoffeinierten Kaffeebohnen entspricht;

d) feuchte grüne Kaffeebohnen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 25 bis 50 Gew.% in das obere Ende des Extraktionsgefäßes in einer Menge einführt, die im wesentlichen der Menge der aus dem Extraktionsgefäß ausgetragenen entkoffeinierten Kaffeebohnen entspricht;

e) die Temperatur im Extraktionsgefäß auf 80 bis 140ºC hält;

f) das aus dem oberen Ende des Extraktionsgefäßes abgezogene überkritische Kohlendioxid, welches Koffein und Nicht-Koffein-Festanteile enthält, in einen Absorber einspeist;

g) das überkritische Kohlendioxid, welches Koffein und Nicht-Koffein-Festanteile enthält, im Absorber kontinuierlich gegenströmig mit Wasser bei im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck wie im Extraktionsgefäß in Kontakt bringt, um im wesentlichen das gesamte im überkritischen Kohlendioxid enthaltene Koffein, jedoch keine nennenswerten Menge von Nicht-Koffein-Festanteilen daraus zu extrahieren;

h) das mit Koffein beladene Wasser aus dem Absorber abzieht;

i) im wesentlichen koffeinfreies, überkritisches Kohlendioxid, welches Nicht-Koffein-Festanteile enthält, aus dem Absorber abzieht;

j) das im wesentlichen koffeinfreie überkritische Kohlendioxid, welches Nicht-Koffein-Festanteile enthält, zum unteren Ende des Extraktionsgefäßes rückführt, wie es durch Schritt a) erforderlich ist; und

k) die Schritte b), c) und d) beim Durchführen der Schritte a) und e) bis j) periodisch wiederholt, um die Extraktion von Koffein aus den grünen Kaffeebohnen zu bewirken.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben; er zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Extraktionsgefäßes.

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Anlage zum Entkoffeinieren grünen Kaffees in einem Extraktionsgefäß und zur Gewinnung des Koffeins aus dem Koffeinlösemittel in einem Flüssigkeitsabsorber.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Koffein aus den grünen Kaffeebohnen mit einer überkritischen Flüssigkeit extrahiert. Eine überkritische Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit - insbesondere eine Flüssigkeit, die unter atmosphärischen Bedingungen gasförmig ist - die auf einer über ihrer kritischen Temperatur liegenden Temperatur und unter einem über ihrem kritischen Druck liegenden Druck gehalten wird. Als überkritische Flüssigkeiten kommen für die vorliegende Erfindung unter anderem Kohlendioxid, Stickstoff, Stickoxide, Methan, Ethylen, Propan und Propylen in Frage. Besonders bevorzugt ist Kohlendioxid, dessen kritische Temperatur bei 31ºC liegt und dessen kritischer Druck 72,8 Atmosphären (7,38 MPa) ist. Kohlendioxid ist im Überfluß vorhanden, relativ billig, nicht explosiv und umfassend sicher für die Verarbeitung von Nahrungsmitteln. Die überkritischen Flüssigkeiten können sowohl einzeln als auch als gemischte überkritische Lösemittel eingesetzt werden.

Zusätzlich können der überkritischen Flüssigkeit sog. Anreicherer zugesetzt werden, um die Lösemitteleigenschaften der überkritischen Flüssigkeit zu verbessern. Die geeignetsten Anreicherer sind bei niedrigen oder mittleren Temperaturen siedende Alkohole und Ester. Zu den typischen Anreicherern gehören Methanol, Ethanol und Ethylacetat. Die Anreicherer können den im wesentlichen koffeinfreien überkritischen Flüssigkeiten in Mengen von etwa 0,1 bis 20,0 Gew.% zugesetzt werden. Die für die vorliegende Erfindung in Betracht kommenden Anreicherer sind typischerweise bei den offenbarten Betriebsbedingungen keine überkritische Flüssigkeiten, sondern sie werden in der überkritischen Flüssigkeit gelöst und verbessern deren Lösemitteleigenschaften.

Bei einer Ausführungsform wird der gewählte Anreicherer in dem angegebenen Mengenverhältnis zu der im wesentlichen koffeinfreien überkritischen Flüssigkeit gegeben, bevor diese in das Extraktionsgefäß eingespeist wird. Alternativ wird die im wesentlichen koffeinfreie überkritische Flüssigkeit ohne Zugabe eines Anreicherers in das Extraktionsgefäß eingespeist. Der Anreicherer wird anschließend in das Extraktionsgefäß eingespeist und kommt somit zu einem Zeitpunkt mit der überkritischen Flüssigkeit zusammen, zu dem die überkritische Flüssigkeit etwa ein Viertel bis ein Drittel der Länge der Säule passiert hat. Bei dieser Verfahrensweise werden die Bohnen in gewisser Weise mit verstärkerfreier überkritischer Flüssigkeit gewaschen, so daß etwaige Anreichererrückstände aus den Kaffeebohnen entfernt werden.

Als Extraktionsgefäße für die vorliegende Erfindung kommen solche Gefäße in Betracht, die einen effektiven Kontakt zwischen den grünen Kaffeebohnen und der überkritischen Flüssigkeit ermöglichen und die den bei Verwendung überkritischer Flüssigkeiten erforderlichen hohen Drücken standhalten. Ein bevorzugtes Extraktionsgefäß ist eine längere Säule, deren Länge dem Vier- bis Zehnfachen ihres Durchmessers entspricht, so daß die grünen Kaffeebohnen ein Bett bilden, während die überkritische Flüssigkeit durch sie hindurchströmt. Das Extraktionsgefäß, also insbesondere eine längere Säule, wird typischerweise in senkrechter Stellung eingesetzt, um für die Bewegung der Bohnen durch das Gefäß die Schwerkraft zu nutzen.

Soweit die Extraktion mit überkritischer Flüssigkeit nach dem Gegenstromprinzip erfolgt, ist das Ende, durch das die entkoffeinierten Kaffeebohnen ausgetragen werden, gleichzeitig das Ende, an welchem die im wesentlichen koffeinfrei überkritische Flüssigkeit eingespeist wird, und das Ende des Gefäßes, an welchem der koffeinhaltige grüne Kaffee zugeführt wird, ist gleichzeitig das Ende, an welchem die koffeinbeladene Flüssigkeit abgezogen wird. Bei senkrecht stehenden länglichen Gefäßen wird der entkoffeinierte Kaffee zur bestmöglichen Nutzung der Schwerkraft für die Bewegung der grünen Kaffeebohnen durch die Säule vorzugsweise aus dem unteren Ende des Gefäßes entnommen. Der Durchtritt des grünen Kaffees durch das Gefäß ergibt sich durch die regelmäßige Entnahme und Zufuhr von Teilmengen grünen Kaffees. Bei der Entnahme entkoffeinierten grünen Kaffees bewegt sich der Kaffee durch sein Gewicht nach unten, und der freiwerdende Raum im oberen Teil der Säule wird gleichzeitig mit koffeinhaltigem grünem Kaffee gefüllt. Nutzeffekt ist die Abwärtsbewegung des in das Extraktionsgefäß gefüllten grünen Kaffees, wodurch der entkoffeinierte Kaffee schließlich ausgetragen wird. Selbstverständlich müssen die Säule nicht aufrecht stehend eingesetzt und der entkoffenierte grüne Kaffee nicht aus dem unteren Teil des Gefäßes entnommen werden, eine solche Anordnung ist jedoch insbesondere im Hinblick auf das Beschicken und Entladen der grünen Kaffeebohnen am vorteilhaftesten.

In Anbetracht der vorherrschenden hohen Drücke erfolgt die regelmäßige Kaffeezufuhr und -entnahme am einfachsten durch Verwendung von Druckbirnen. Druckbirnen sind einfach kleinere Kammern, die etwa die Menge des jeweils zu entnehmenden und nachzufüllenden Kaffees aufnehmen und die beidseitig über Ventile, typischerweise Kugelventilen, druckisoliert werden können. Eine Druckbirne sitzt jeweils unmittelbar über und unter dem Extraktionsgefäß und ist mit diesem über ein Ventil verbunden. Vor dem regulären Entnahme- und Nachfüllvorgang wird die obere Druckbirne (bei der Ausführungsform mit senkrecht stehendem, länglichem Extraktionsgefäß) mit der gewünschten Bohnenmenge gefüllt und anschließend druckisoliert. Der verbliebene freie Raum in der Druckbirne wird dann mit der überkritischen Flüssigkeit gefüllt, bis der Druck so hoch ist wie im Extraktionsgefäß. Zum Zweck der regulären Entnahme und Nachfüllung wird das Verbindungsventil der unteren, leeren Druckbirne zum Extraktionsgefäß geöffnet. Ferner wird das Verbindungsventil der oberen Druckbirne zum Extraktionsgefäß geöffnet, wodurch die koffeinhaltigen Kaffeebohnen in das Extraktionsgefäß gelangen. Anschließend werden beide Ventile geschlossen. Die obere Druckbirne ist bis auf eine kleine Menge überkritischer Flüssigkeit leer. Die untere Druckbirne enthält den entkoffeinierten Kaffee und eine geringe Menge überkritischer Flüssigkeit. Die überkritische Flüssigkeit in der unteren Druckbirne kann vor der Entnahme der Bohnen in ein Speichergefäß oder in die obere Druckbirne geleitet werden, so daß die kostbare Flüssigkeit nicht verlorengeht. Alternativ können Pendelklappen verwendet werden, wie sie für Druckgefäße bekannt sind, um einen reibungsloseren und leichter zu automatisierenden Betrieb zu gewährleisten. Pendelklappen sind jedoch mechanisch komplizierter, teurer in der Anschaffung und wartungsintensiver.

Die Entnahme einer bestimmten Menge entkoffeinierter grüner Kaffeebohnen und das Nachfüllen einer entsprechenden Menge koffeinhaltiger Bohnen wird in regelmäßigen Abständen jeweils nach Ablauf der nachstehend beschriebenen Zeitspanne vorgenommen. Die in regelmäßigen Abständen entnommene Menge entkoffeinierter Kaffeebohnen liegt am vorteilhaftesten zwischen 5 und 33% der im Extraktionsgefäß enthaltenen Menge grünen Kaffees. Die in regelmäßigen Abständen in das Extraktionsgefäß eingefüllte Menge Koffeinhalteriger grüner Bohnen wird gleichermaßen auf das Volumen des Kaffeebetts bezogen. Am der Entnahmeseite gegenüberliegenden Ende, das gewöhnlich das obere Ende des länglichen Gefäßes ist, wird gleichzeitig mit der Entnahme eine in etwa der entnommenen Menge entsprechende Menge koffeinhaltiger grüner Bohnen nachgefüllt. Werden also beispielsweise 15% des Bettes aus grünen Kaffeebohnen entnommen, werden diese 15% in Form koffeinhaltiger grüner Bohnen in das Extraktionsgefäß nachgefüllt.

Je nach Konfiguration der Entkoffeinierungsanlage gelten natürlich spezielle Betriebsbedingungen, jedoch wird die Erfindung am vorteilhaftesten so angewendet, daß bei ausreichender Entkoffeinierung der grünen Bohnen die maximale Produktivität erreicht wird. Der angestrebte Entkoffeinierungsgrad liegt typicherweise bei mindestens 97% des ursprünglich enthaltenen Koffeins. Zwei der bedeutsameren Betriebsparameter sind das Gewichtsverhältnis der überkritischen Flüssigkeit zum Kaffee und die Häufigkeit der Entnahme- und Nachfüllphasen. Bei der Wahl des optimalen Gewichtsverhältnisses sind konkurrierende Zielsetzungen zu beachten. Natürlich ist vorzugsweise die geringstmögliche Menge an überkritischer Flüssigkeit einzusetzen, um die Betriebskosten zu minimieren. Der Einsatz einer unzureichenden Menge überkritischer Flüssigkeit beeinträchtigt jedoch die Produktivität und läßt die Koffeinkonzentration der koffeinbeladenen überkritischen Flüssigkeit bis zum Maximalwert ansteigen, bevor der angestrebte Entkoffeinierungsgrad erreicht ist, wodurch die Gesamttriebkraft für die Extraktion von Koffein aus den grünen Kaffeebohnen beseitigt wird. Es wurde festgestellt, daß das Gewichtsverhältnis von überkritischer Flüssigkeit zu Kaffee vorzugsweise zwischen 30 und 100 kg überkritischer Flüssigkeit pro kg des im Extraktionsgefäß behandelten Kaffees liegt.

Die Häufigkeit der regelmäßigen Entnahme und Nachfüllung ist eine weitere wichtige Betriebsbedingung, die auf die Entkoffeinierungseffizienz Einfluß hat. Es ist wünschenswert, die Produktivität zu maximieren, aber es ist auch wichtig, den Bohnen die gewünschte Menge Koffein zu entziehen; für die Häufigkeit der Entnahme und der Nachfüllung ist daher zwischen diesen beiden Aufgaben abzuwägen. Zwar hängt die vorzugsweise zu wählende Häufigkeit von der jeweiligen Anlage ab, jedoch wurde herausgefunden, daß die Entnahme der im wesentlichen entkoffeinierten Kaffeebohnen am zweckmäßigsten in Abständen von 10 bis 120 Minuten erfolgt. Davon ausgehend, daß das Nachfüllen der koffeinhaltigen grünen Kaffeebohnen vorzugsweise gleichzeitig mit der Bohnenentnahme erfolgt, erfolgt das Nachfüllen der koffeinhaltigen Bohnen ebenfalls in Abständen von 10 bis 120 Minuten. Die Gesamtverweildauer der grünen Kaffeebohnen im Extraktionsgefäß ist abhängig von der Häufigkeit der periodischen Entnahme und Nachfüllung sowie von der jeweils entnommenen bzw. nachgefüllten Menge. Werden also alle 54 Minuten 15% des Rauminhalts einer längeren Säule entnommen (und das entsprechende Volumen nachgefüllt), beträgt die Gesamtverweildauer der Bohnen im Gefäß 6 Stunden. Entsprechend den obigen Begrenzungen liegt die Gesamtverweildauer der grünen Kaffeebohnen im länglichen Gefäß ungefähr zwischen 2 und 13 Stunden.

Temperatur und Druck im Extraktionsgefäß sind weitere wichtige Betriebsparameter, weil sowohl die Temperatur als auch der Druck über den kritischen Konstanten liegen müssen, damit die überkritische Flüssigkeit entsteht. Obwohl kein Zusammenhang zwischen der Obergrenze der Temperatur und der Obergrenze des Druckes besteht, sollte die Temperatur nicht so hoch sein, daß sie die Bohnenqualität beeinträchtigt, und der Druck sollte nicht so hoch sein, daß unverhältnismäßig teure Gerätschaften verwendet werden müssen. Die grünen Bohnen sind temperaturempfindlich, wobei die verschiedenen Bohnensorten höheren Temperaturen gegenüber eine unterschiedliche Toleranz aufweisen. Temperaturen über etwa 100ºC können bei einigen Sorten grüner Bohnen den Geschmack beeinträchtigten. Die Entkoffeinierungsgeschwindigkeit wird durch relativ hohe Temperaturen begünstigt, weshalb es nicht wünschenswert ist, die überkritische Flüssigkeit genau bei der kritischen Temperatur in das Extraktionsgefäß einzuspeisen. Die Temperatur im Extraktionsgefäß wird vorzugsweise zwischen 70 und 140ºC gehalten, wobei je nach Temperaturverträglichkeit der grünen Bohnen Temperaturen zwischen 80 und 100ºC noch mehr zu bevorzugen sind. Der Druck im Gefäß muß mindestens auf dem Wert des kritischen Druckes gehalten werden, damit die überkritische Flüssigkeit gegeben ist. Es ist seit langem bekannt, daß das Lösungsvermögen der überkritischen Flüssigkeit mit steigendem Druck zunimmt. Jedoch wird typischerweise bei etwa 400 Atmosphären (40,5 MPa) ein Punkt erreicht, ab welchem eine höhere Kapazität den zusätzlichen Aufwand für die Druckhaltung nicht mehr rechtfertigt.

Es kann wünschenswert sein, zur Begünstigung der Entkoffeinierung Feuchtigkeit in die Anlage einzuspeisen. Die koffeinhaltigen grünen Kaffeebohnen können vor ihrer Einfüllung in das Extraktionsgefäß angefeuchtet werden, wodurch das in den Bohnen enthaltene Koffein solubilisiert wird und leichter extrahiert werden kann. Die koffeinhaltigen Bohnen werden typischerweise auf einen Feuchtigkeitsgehalt zwischen 25 und 50 Gew.% gebracht. Zusätzlich kann die im wesentlichen koffeinfreie überkritische Flüssigkeit mit Wasser gesättigt werden, bevor sie in das Extraktionsgefäß eingespeist wird. Die Sättigung der überkritischen Flüssigkeit wird typischerweise bei einem Feuchtigkeitsgehalt zwischen 1 und 3 Gew.% erreicht. Durch das Einbringen von Feuchtigkeit in die Anlage wird somit die Entkoffeinierungseffizienz gesteigert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß ein gegenströmiger Ablauf des Koffeinextraktionsschritts mit einer überkritischen Flüssigkeit die Entkoffeinierungseffizienz steigert und die Herstellung eines entkoffeinierten Kaffees erlaubt, der eine bessere Qualität aufweist, als dies nach dem Stand der Technik möglich war. Unabhängig vom Aufbau der Anlage führt der Kontakt einer überkritischen Flüssigkeit mit koffeinhaltigen grünen Kaffeebohnen zu einer Aufteilung des Koffeins zwischen der Flüssigkeit und den Bohnen. Es ist natürlich wünschenswert, so viel Koffein wie möglich auf die Flüssigkeit zu übertragen. Die Aufteilung wird jedoch begrenzt durch die relative Löslichkeit des Koffeins in der überkritischen Flüssigkeit im Vergleich zu seiner Löslichkeit in den grünen Kaffeebohnen. Auf der Grundlage von unter bestimmten Versuchsbedingungen vorgenommenen Messungen kann ein Verteilungskoeffizient errechnet werden, der als Quotient aus der Koffeinkonzentration in der überkritischen Flüssigkeit und der Koffeinkonzentration in den grünen Kaffeebohnen bei Vorliegen eines Gleichgewichtszustandes definiert ist. Zu den Bedingungen, die im allgemeinen den Verteilungskoeffizienten beeinflussen, gehören die Temperatur, der Druck und der Feuchtigkeitsgehalt der grünen Bohnen. So wurde zum Beispiel für überkritisches CO&sub2; als Koffeinlösemittel für grüne Kaffeebohnen ein Verteilungskoeffizient von 0,026 bei einer Temperatur von etwa 85ºC, einem Druck von etwa 250 bar (25 MPa) und einem Feuchtigkeitsgehalt der grünen Bohnen von etwa 35 bis 40 Gew.% errechnet.

Es wurde festgestellt, daß das kontinuierlich gegenströmig arbeitende System der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Batchsystem des Standes der Technik einen erheblichen Vorteil aufweist, weil die koffeinbeladene überkritische Flüssigkeit beim Austritt aus dem Extraktionsgefäß mit frischen grünen Kaffeebohnen in Berührung kommt, die den natürlichen Koffeingehalt grüner Kaffeebohnen aufweisen. Der natürliche Koffeingehalt ist abhängig von der Sorte der zu entkoffeinierenden grünen Kaffeebohnen. Beispielsweise haben Robusta-Sorten typischerweise einen Koffeingehalt von etwa 2,0 Gew.%, während kolumbianische Kaffeesorten typischerweise etwa 1,1 Gew.% Koffein aufweisen. Weil die überkritische Flüssigkeit beim Austritt aus dem Extraktionsgefäß mit frischen grünen Bohnen in Berührung kommt, erreicht die Koffeinkonzentration der austretenden überkritischen Flüssigkeit, abhängig von deren Koffeinverteilungskoeffizienten, ihren asymptotischen Grenzwert oder kommt ihm sehr nahe. Es wurde festgestellt, daß bei gegenläufigem Betrieb die Koffeinkonzentration der überkritischen Flüssigkeit beim Austritt aus dem Extraktionsgefäß typischerweise bei mindestens 50% der maximal erreichbaren Koffeinkonzentration und vorzugsweise bei mindestens 70% der maximal erreichbaren Koffeinkonzentration liegt. Die maximal erreichbare Koffeinkonzentration ergibt sich aus dem Verteilungskoeffizienten und dem natürlichen Koffeingehalt der zu entkoffeinierenden grünen Bohnen. Eine derart hohe Koffeinkonzentration ist sehr wünschenswert, weil sie ein Ausdruck für die Entkoffeinierungseffizienz der Anlage ist und als wertvolles Nebenprodukt eine effiziente Gewinnung des Koffeins aus der überkritischen Flüssigkeit ermöglicht.

Bei einem Batchsystem dagegen ist die bei der Verteilung des Koffeins aus den grünen Kaffeebohnen maximal erreichbare Koffeinkonzentration der überkritischen Flüssigkeit ganz wesentlich niedriger, d. h. bei einem Batchsystem ist zur Erreichung desselben Entkoffeinierungsgrads eine viel größere Menge überkritischer Flüssigkeit erforderlich als bei dem gegenströmig arbeitenden System der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise wird zum Entkoffeinieren grünen Kaffees mit überkritischem Kohlendioxid bei einem Entkoffeinierungsgrad von 97% in einem Batchsystem etwa die 33-fache Menge des in dem gegenströmigen System der vorliegenden Erfindung erforderlichen Kohlendioxids benötigt. Außerdem liegt die Koffeinkonzentration des koffeinbeladenen überkritischen Kohlendioxids beim Austritt aus dem erfindungsgemäßen gegenläufigen Extraktionssystem - wenn milde Kaffeesorten verarbeitet werden - im Bereich von 280 ppm, während bei Batchsystemen das austretende Kohlendioxid eine Koffeinkonzentration von etwa 8 ppm aufweist. Die bei der erfindungsgemäßen gegenströmigen Extraktion erzielte höhere Koffeinkonzentration ist besonders wichtig für eine effiziente Gewinnung des Koffeins aus der überkritischen Flüssigkeit.

Nach dem Stand der Technik sind mehrere Techniken zur Koffeinentfernung bekannt. Beispielsweise kann die koffeinbeladene überkritische Flüssigkeit zur Koffeinabsorption durch ein Absorptionsbett, etwa ein Bett aus Aktivkohle, geleitet werden. Alternativ kann das Koffein zurückgewonnen werden, indem der Druck der koffeinbeladenen Flüssigkeit herabgesetzt wird, so daß sowohl das Koffein als auch ein etwaiger zugesetzter Anreicherer ausgefällt werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß überkritische Flüssigkeiten nicht ganz selektiv nur Koffein herauslösen, sondern typischerweise sowohl Nicht-Koffein-Festanteile als auch Koffein extrahieren. Zum Beispiel extrahiert überkritisches Kohlendioxid typischerwiese nichtkoffeinhaltige Feststoffanteile und Koffein im Gewichtsverhältnis zwischen etwa 1,5 : 1 und 3 : 1. Wenn überkritisches Kohlendioxid also aus grünem Kaffee Koffein herauslöst, bis seine Koffeinkonzentration 220 ppm erreicht hat, enthält es zusätzlich etwa 300 bis 660 ppm Nicht-Koffein-Festanteile. Es wurde herausgefunden, daß die beiden vorstehend beschriebenen Verfahren zur Koffeingewinnung, d. h. die Absorption und die Druckminderung, keine selektive Koffeingewinnung ermöglichen. Vielmehr gehen bei der Koffeingewinnung mit dem Koffein auch für das Aromabild des Kaffees wichtige Nicht-Koffein-Festanteile aus der überkritischen Flüssigkeit verloren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die aus dem Koffeinextraktionsgefäß herausgeleitete koffeinbeladene überkritische Flüssigkeit kontinuierlich in einen Gegenstrom-Flüssigkeitsabsorber eingespeist. Kontinuierlich arbeitende Gegenstrom-Flüssigkeitsabsorber sind wegen der geringen Koffeinkonzentration der aus dem Batch-Extraktionsgefäß austretenden koffeinbeladenen überkritischen Flüssigkeit für Entkoffeinierungsanlagen mit überkritischen Flüssigkeiten nach dem Stand der Technik unpraktisch und unwirtschaftlich. Für die vorliegende Erfindung jedoch ist ein Gegenstromabsorber nicht nur effizient und wirtschaftlich, sondern es wurde darüberhinaus festgestellt, daß polare Flüssigkeiten im Kontakt mit koffeinbeladenen überkritischen Flüssigkeiten, die Nicht-Koffein-Festanteile enthalten, eine hervorragende Koffeinselektivität aufweisen. Beim Austritt aus dem Absorber enthält die im wesentlichen koffeinfreie überkritische Flüssigkeit typischerweise noch dieselbe Menge Nicht-Koffein-Festanteile wie beim Eintritt in den Absorber. Wenn diese Flüssigkeit also in das Koffeinextraktionsgefäß zurückgeleitet wird, löst sie aus den dann zu entkoffeinierenden grünen Bohnen keine nennenswerte Menge an Nicht-Koffein-Festanteile mehr heraus. Dadurch weisen die erfindungsgemäß hergestellten entkoffeinierten Bohnen ein besseres Aroma auf. Darüberhinaus wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die im allgemeinen mit dem Verlust von Nicht-Koffein-Festanteilen verbundene Ausbeuteeinbuße vermieden.

Erfindungsgemäß wird der Flüssigkeitsabsorber unter überkritischen Bedingungen betrieben. Typischerweise sind Temperatur und Druck im Absorber gleich oder annähernd gleich wie im Extraktionsgefäß. Wie oben ausgeführt, sind die kritische Temperatur und der kritische Druck abhängig von dem verwendeten Fluid. Es wird davon ausgegangen, daß der Fachmann mit der Ausführung des Absorbers vertraut ist. Typischerweise wird der Absorber mit einer handelsüblichen Packung betrieben. Im allgemeinen liegt das Gewichtsverhältnis der überkritischen Flüssigkeit zur polaren Flüssigkeit beim Inkontaktbringen zwischen 5 : 1 und 25 : 1, typischerweise liegt es zwischen 10 : 1 und 20 : 1. Für den kontinuierlich arbeitenden Gegenstromabsorber der vorliegenden Erfindung wird als polare Flüssigkeit Wasser bevorzugt. Vorzugsweise werden durch die erfindungsgemäße polare Flüssigkeit mindestens 90 Gew.% des in der koffeinbeladenen überkritischen Flüssigkeit enthaltenen Koffeins entfernt; noch stärker bevorzugt ist die Entfernung von 95 Gew.% des Koffeins.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben. Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Koffeinextraktionsgefäßes. Bei stabilen Betriebsbedingungen wird das Extraktionsgefäß 5 mit einem Bett grüner Kaffeebohnen gefüllt. Eine im wesentlichen koffeinfreie überkritische Flüssigkeit wird am ersten Ende 6 des Extraktionsgefäßes eingespeist, und die koffeinbeladene überkritische Flüssigkeit wird am zweiten Ende 4 des Extraktionsgefäßes abgezogen. In regelmäßigen Abständen wird über das Ventil 1 grüner Kaffee in die Druckbirne (Gefäß) 2 eingespeist. Dabei werden die Ventile 3 und 7 gleichzeitig geöffnet, um den grünen Kaffee aus der Druckbirne 2 in das zweite Ende 4 des Extraktionsgefäßes einzuspeisen und im wesentlichen entkoffeinierte grüne Kaffeebohnen aus dem ersten Ende 6 des Extraktionsgefäßes in die Druckbirne 8 zu leiten. Anschließend werden die Ventile 3 und 7 geschlossen. Danach wird das Ventil 9 geöffnet, um den im wesentlichen entkoffeinierten grünen Kaffee aus der Druckbirne 8 zu entfernen. Über das Ventil 1 wird sodann erneut grüner Kaffee in die Druckbirne 2 eingespeist, und der Vorgang wird wiederholt.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Entkoffeinierungsanlage, bei der grüner Kaffee (12) in ein Extraktionsgefäß (10) eingespeist wird und dieses als entkoffeinierter grüner Kaffee verläßt (14). Eine im wesentlichen koffeinfreie überkritische Flüssigkeit wird gegenströmig zu den grünen Bohnen als Zustrom (16) in das Extraktionsgefäß eingespeist und tritt als koffeinbeladene Flüssigkeit aus (18). Der koffeinbeladene Flüssigkeitsstrom (18) wird anschließend in einen Wasserabsorber (20) eingespeist und verläßt diesen als im wesentlichen koffeinfreie überkritische Flüssigkeit (16). Gegenläufig dazu wird Wasser (22) in den Absorber eingespeist und verläßt diesen als wäßrige koffeinhaltige Lösung (24).

Beispiel 1

Ein längliches Druckgefäß, dessen Höhe in etwa seinem fünffachen Durchmesser entspricht, wurde mit 100% grünem Columbiakaffee beschickt, dessen Feuchtigkeitsgehalt vorab auf etwa 30 bis 40 Gew.% erhöht worden war. Das Druckgefäß enthielt etwa 120 Pounds (54,4 kg) grünen Kaffee. Dem Druckgefäß wurde von unten kontinuierlich im wesentlichen koffeinfreies überkritisches Kohlendioxid bei einem Druck von etwa 250 at (25,3 MPa) und einer Temperatur von etwa 130ºC zugeführt. Das im Druckgefäß aufwärts strömende Kohlendioxid löste Koffein und Nicht-Koffein-Festanteile aus dem grünen Kaffee. Das koffeinbeladene überkritische Kohlendioxid, welches auch Nicht-Koffein-Festanteile enthielt, strömte kontinuierlich aus dem oberen Ende des Druckgefäßes. Alle neunzehn Minuten wurden etwa 10% des im Druckgefäß enthaltenen Kaffees in eine untere Druckbirne ausgetragen, während gleichzeitig dieselbe Menge an angefeuchtetem Kolumbiakaffee aus einer zuvor beschickten oberen Druckbirne am oberen Ende des Druckgefäßes eingespeist wurden. Die Gesamtverweildauer des grünen Kaffees im Druckgefäß betrug etwa 3 Stunden. Das Gewichtsverhältnis überkritisches Kohlendioxid/Kaffee betrug etwa 50 kg/kg.

Unter diesen Betriebsbedingungen wurde für das überkritische Kohlendioxid und die grünen Kaffeebohnen ein Koffeinverteilungskoeffizient von etwa 0,026 gemessen. Die durchschnittliche Koffeinkonzentration kolumbianischer milder Kaffeesorten beträgt etwa 1,22 Gew.% bezogen auf trockene Bohnen bzw. ca. 1,08 Gew.% bezogen auf die gegebenen Bohnen. Somit kann die Koffeinkonzentration des überkritischen Kohlendioxids maximal etwa 280 ppm betragen. Es wurde festgestellt, daß das am oberen Ende des Druckgefäßes austretende koffeinbeladene überkritische Kohlendioxid eine Koffeinkonzentration von etwa 200 ppm aufwies, d. h. etwa 71% der maximal erreichbaren Koffeinkonzentration. Ferner wurde festgestellt, daß das koffeinbeladene überkritische Kohlendioxid daneben etwa 350 ppm Nicht-Koffein-Festanteile enthielt. Es wurde festgestellt, daß der in die untere Druckbirne ausgetragene Kaffee zu mindestens 97 Gew.% entkoffeiniert war.

Beispiel 2

Das koffeinbeladene überkritische Kohlendioxid aus Beispiel 1 wurde kontinuierlich an der Unterseite eines Absorbers eingespeist, der einen Durchmesser von 4,3 Inch (110 mm), eine Höhe von 40 Feet (12 m) und eine Packungshöhe von 32 Feet (9,8 m) aufwies. Das Kohlendioxid wurde im Verhältnis von 1350 lbs/h (170,1 gs&supmin;¹) eingespeist. Am oberen Ende des Absorbers wurde Wasser im Verhältnis 110 bis 120 lbs/h (13,9 bis 15,1 gs&supmin;¹) eingespeist. Der Absorber wurde bei einem Druck von ca. 250 at (25,3 MPa) und einer Temperatur von ca. 130ºC betrieben. Aus nachstehender Tabelle ist die hervorragende Selektivität des Wassers für Koffein ersichtlich, wodurch sich ein Koffeinreinheitsgrad von etwa 88% ergab.

Tabelle
Verhältnis Koffein-konz. Konz. Nicht-Koffein-Festanteile CO&sub2;-Zufuhr zum Absorber CO&sub2;-Austritt aus dem Absorber Wasserzufuhr zum Absorber Wasseraustritt aus dem Absorber

*einschließlich 171 ppm Nicht-Koffein-Festanteile, die der Wasserhärte zuzuschreiben sind.

Das aus dem Absorber austretende im wesentlichen koffeinfreie überkritische Kohlendioxid wurde zum Extraktionsgefäß aus Beispiel 1 zurückgeführt. Die entkoffeinierten grünen Kaffeebohnen, die mit dem rückgeführten Nicht-Koffein-Festanteile enthaltenden und im wesentlichen koffeinfreien Kohlendioxid hergestellt wurden, wurden zur Herstellung eines Kaffeeaufgusses verwendet (A). Mit den gleichen Bohnen - jedoch nach Entkoffeinierung mit im wesentlichen koffeinfreiem überkritischem Kohlendioxid, welches keine Nicht-Koffein- Festanteile enthielt - wurde ein Vergleichsaufguß (B) hergestellt. Im letzteren Fall war das überkritische Kohlendioxid durch ein Aktivkohlebett geleitet worden, welches das Koffein und die nicht koffeinhaltigen Feststoffe eines koffeinbeladenen überkritischen Kohlendioxids aus dem Verfahren gemäß Beispiel 1 adsorbiert hatte. Der Kaffeeaufguß A wurde von einer Gruppe fachkundiger Kaffeeverkoster beurteilt, welche ihm eine im Vergleich zum Kaffeeaufguß B höhere Aromaqualität bescheinigten. Die höhere Aromaqualität des Aufgusses A wurde auf das Vorhandensein Nicht-Koffein-Festanteile im rückgeführten Kohlendioxid zurückgeführt, wodurch der Verlust wertvoller Aromabestandteile beim Entkoffeinieren vermieden wurde.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Extrahieren von Koffein aus grünem Kaffee, bei dem man

a) im wesentlichen koffeinfreies, überkritisches Kohlendioxid (6; 16), welches Nicht-Koffein-Festanteile enthält und mit Wasser gesättigt ist, kontinuierlich in das untere Ende eines länglichen, im wesentlichen vertikalen Extraktionsgefäßes (5; 10) einspeist, welches grüne Kaffeebohnen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 25 - 50 Gew. -% enthält, das überkritische Kohlendioxid und die grünen Kaffeebohnen im Extraktionsgefäß kontinuierlich gegenströmig kontaktiert, um Extraktion von Koffein aus dem Kaffee in das überkritische Kohlendioxid zu bewirken, und das überkritische Kohlendioxid (4; 18), welches Koffein und Nicht-Koffein-Festanteile enthält, kontinuierlich aus dem oberen Ende des Extraktionsgefäßes abzieht;

b) einen Teil der Kaffeebohnen im Gefäß aus dem unteren Ende (7,8,9; 14) des Extraktionsgefäßes austrägt, wobei der ausgetragene Teil entkoffeinierte Kaffeebohnen enthält;

c) die verbleibenden Kaffeebohnen im Extraktionsgefäß in einem Ausmaß abwärts bewegt, welches im wesentlichen der Menge der aus dem Extraktionsgefäß ausgetragenen entkoffeinierten Kaffeebohnen entspricht;

d) feuchte grüne Kaffeebohnen mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 25 bis 50 Gew. -% in das obere Ende des Extraktonsgefäßes in einer Menge einführt, die im wesentlichen der Menge der aus dem Extraktionsgefäß ausgetragenen entkoffeinierten Kaffeebohnen entspricht;

e) die Temperatur im Extraktionsgefäß bei 80 bis 140ºC hält;

f) das aus dem oberen Ende des Extraktionsgefäßes abgezogene, überkritische Kohlendioxid (4; 18), welches Koffein und Nicht-Koffein-Festanteile enthält, in einen Absorber (20) einspeist;

g) das überkritische Kohlendioxid, welches Koffein und Nicht-Koffein- Festanteile enthält, mit Wasser (22) im Absorber bei im wesentlichen der gleichen Temperatur und dem gleichen Druck wie im Extraktionsgefäß kontinuierlich gegenströmig in Kontakt bringt, um im wesentlichen das gesamte im überkritischen Kohlendioxid enthaltene Koffein zu extrahieren, jedoch keine merklichen Mengen der Nicht-Koffein-Festanteile daraus zu extrahieren;

h) das mit Koffein beladene Wasser (24) aus dem Absorber abzieht;

i) im wesentlichen koffeinfreies, überkritisches Kohlendioxid (16), welches Nicht-Koffein-Festanteile enthält, aus dem Absorber abzieht;

j) das im wesentlichen koffeinfreie, überkritische Kohlendioxid, welches Nicht-Koffein-Festanteile enthält, zum unteren Ende des Extraktionsgefäßes rückführt, wie es durch Schritt (a) erforderlich ist; und

k) die Schritte (b), (c) und (d) beim Durchführen der Schritte (a) und

(e) bis (j) periodisch wiederholt, um die Extraktion von Koffein aus den grünen Kaffeebohnen zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (a) die Koffeinkonzentration im überkritischen Kohlendioxid, welches aus dem oberen Ende des Extraktionsgefäßes abgezogen wird, mindestens 50% der maximal erreichbaren Koffeinkonzentration beträgt, wobei die maximal erreichbare Koffeinkonzentration definiert ist durch den Verteilungskoeffizienten von Koffein für das überkritische Kohlendioxid.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Koffeinkonzentration mindestens 70 % des Maximums beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Menge der Kaffeebohnen, die aus dem Extraktionsgefäß (5; 10) ausgetragen und in dieses eingeführt werden, zwischen 5 und 33% des Volumens der im Extraktionsgefäß enthaltenen Kaffeebohnen beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man das Austragen der Kaffeebohnen aus dem und das Einführen der Kaffeebohnen in das Extraktionsgefäß (5; 10) alle 10 bis 120 Minuten durchführt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gewichtsverhältnis an überkritischem Kohlendioxid zu Kaffeebohnen zwischen 30 und 100 kg überkritisches Kohlendioxid/kg Kaffee beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man das Austragen von Kaffeebohnen aus dem und das Einführen von Kaffeebohnen in das Extraktionsgefäß (5; 10) über Druckbirnen (2, 8) durchführt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man mit dem koffeinfreien, überkritischen Kohlendioxid einen Anreicherer kombiniert, bevor man das überkritische Kohlendioxid (6; 16) in das Extraktionsgefäß (5; 10) einspeist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei man in Schritt (g) mindestens 90% des Koffeins und weniger als 5% der Nicht-Koffeinfestanteile vom überkritischen Kohlendioxid in das Wasser überführt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Einschluß des Schritts, daß man Koffein aus dem mit Koffein beladenen Wasser (24) gewinnt, welches man aus dem Absorber (20) abzieht.







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