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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Gewinnung von Coffein mittels Elektrodialyse, dadurch gekennzeichnet, dass eine saure, wässrige, coffeinhaltige Lösung durch mindestens eine Zelle einer Elektrodialysenanlage zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen (1, 2) geleitet wird, dass eine erste Spüllösung an der der positiven Elektrode zugewandten Membrane (1) vorbeigeleitet wird, um den zur Aufrechterhaltung der Elektrodialyse erforderlichen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, und dass eine zweite Spüllösung an der der negativen Elektrode zugewandten Membrane (2) vorbeigeleitet wird, um das durch die Membrane (2) gewanderte Coffein abzuleiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus grünen Kaffeebohnen gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus geröstetem Kaffee gewonnen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus Tee gewonnen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige, coffeinhaltige Lösung aus Kaffee oder Teeabfällen gewonnen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung durch mehrere Zellen einer Elektrodialyseanlage geleitet wird, wobei die nebeneinanderliegenden Zellen durch Anionen durchlässige Membranen (4, 5) voneinander getrennt sind.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Coffein mittels Elektrodialyse.
Es sind verschiedene Verfahren zur Entkoffeinisierung von Kaffee und Tee bekannt.
In der US-Patentschrift 2 045 854 ist ein solches Verfahren zum Entkoffeinieren von Kaffee offenbart, bei dem Kaffeebohnen mittels gesäuertem Wasser aufgeschlossen werden. Die aufbereiteten Kaffeebohnen werden dann einem elektrischen Strom ausgesetzt, in dem man die Kaffeebohnen zwischen zwei Elektroden einbringt, wobei die Kaffeebohnen mittels permeabler Membranen von den Elektroden getrennt sind. Es entstehen somit zwei Räume zwischen den Elektroden und den Membranen. Durch den elektrischen Strom wird in dem zwischen Kathode und Membrane vorhandenen Raum das frei werdende Coffein gesammelt, und in dem Raum zwischen Anode und Membrane treten Säureionen aus.
Dieses Verfahren geht von der Annahme aus, dass die Bohnenwand eine semipermeable Wand sei, welche nur die Coffein und mineralischen Ionen austreten lassen sollte. Dies ist jedoch absolut nicht der Fall, denn auch im sauren Wasser treten aus den Bohnen sehr viele andere Stoffe in das Wasser über, was zu einem wesentlichen Extraktverlust (unter den z. B. nach Schweizer Lebensmittelgesetz erforderlichen 22%) und damit zu einem entscheidenden Aromaverlust führt. Nicht zuletzt ist es die zum Teil dissozierte, negativ geladene Chlorogensäure, welche im Rohkaffee in relativ grossen Mengen (6-8 C/o) vorhanden ist und nebst anderen Stoffen leicht ins Wasser austritt, was einen grossen Gewichtsverlust ergibt. Dies ist sowohl aromamässig wie auch wirtschaftlich nicht tragbar.
Zudem kann mit einfachen Versuchen gezeigt werden, dass die Assoziation von Coffein in Coffeinionen stark pH abhängig ist und die Lösung beim Stromfluss sehr rasch an H+-lonen verarmt, wodurch das Assoziationsgleichgewicht zu Ungunsten des Coffeinions verschoben und die Coffeinwanderung sehr langsam wird, sofern die H+-lonen nicht dauernd im richtigen Verhältnis nachgeliefert werden. Dies ist auch der Grund für die extrem langen Stromeinwirkungszeiten.
Zweck der Erfindung ist es, die angebenen Nachteile zu beheben.
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zum Entziehen von Coffein zu schaffen, bei dem der Extraktverlust gering ist und ein möglichst hoher Assoziationsgrad des Coffeins beibehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass eine saure, wässrige, coffeinhaltige Lösung durch mindestens eine Zelle einer Elektrodialyseanlage zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen geleitet wird, dass eine erste Spüllösung an der der positiven Elektrode zugewandten Membrane vorbeigeleitet wird, um den zur Aufrechterhaltung der Elektrodialyse erforderlichen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, und dass eine zweite Spüllösung an der der negativen Elektrode zugewandten Membrane vorbeigeleitet wird, um das durch die Membrane gewanderte Coffein abzuleiten.
Das erfindungsgemässe Verfahren weist den Vorteil auf.
dass durch die Kombination der Membranen die positiven Coffeinionen aus der zu behandelnden Lösung austreten können und die negativen Chlorogensäureionen zurückbleiben.
Eine Diffusion der anderen aus dem Kaffee stammenden, im Wasser gelösten neutralen Stoffe durch die Membranen ist vernachlässigbar klein. Damit kann der Extraktverlust praktisch vermieden werden. Mit einem geeigneten Wasserstoffionenfluss durch die Lösung kann der pH-Wert in der Lösung gehalten oder so verschoben werden, dass der Assoziationsgrad des Coffeins optimal bleibt.
Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die wässrige, coffeinhaltige Lösung zwischen zwei Kationen durchlässige Membranen 1, 2 einer Elektrodialysenalage durchgeleitet und wird einem elektrischen Feld ausgesetzt. Das elektrische Feld wird mittels zwei Elektroden 3 aufgebaut. Zwischen der einen Membrane 1 und der positiven Elektrode 3 ist eine Anionen durchlässige Membrane 4 angeordnet. Zwischen dieser Membrane 4 und der einen Kationen durchlässigen Membrane 1 wird eine erste Spüllösung durchgeleitet. Die erste Spüllösung besteht aus einer Säure. Das assozierte Coffein-+Ion durchwandert nun die in Feldrichtung gelegene Membrane 2 und wird von einer zweiten Spüllösung aufgenommen, die zwischen dieser Membrane 2 und einer weiteren Anionen durchlässigen Membrane 5 durchgeleitet wird.
Ebenso werden alle anderen positiven Ionen, wie H+-Ionen, Natrium, Kalium, Magnesium usw. von der zweiten Spüllösung aufgenommen. Um den idealen pH-Wert in der Lösung aufrechtzuerhalten, werden die aus der ersten Spüllösung abgewanderten H+-Ionen durch eine geeignete Wasserstoffionen-Konzentrationseinstellung dieser ersten Spüllösung nachgeliefert. Die in der Lösung vorhandenen negativen Chlorogensäureionen werden von den beiden Membranen 1, 2 abgestossen und verbleiben in der Lösung.
Die Lösung und die erste und zweite Spüllösung können in Kreisläufen geführt werden, bis das Coffein nahezu aus der Lösung entfernt ist und sich in der zweiten Spüllösung angereichert hat. Dadurch können mehr als 96% des in der Lösung enthaltenen Coffeins entfernt werden.
Der Prozess wird bei einer Temperatur geführt, welche so hoch als möglich, jedoch nach oben beschränkt ist, durch die Haltbarkeit der Membranen einerseits und der Temperaturbeständigkeit der Lösung anderseits. Als Beispiel kann bei einem Extrakt aus grünen Kaffeebohnen z. B. mit ca. 50c C gefahren werden.
Eine Elektrodialyseanlage enthält im allgemeinen mehrere solcher Zellenpakte im gleichen Feld, wobei die Pakete für das
beschriebene Verfahren durch Anionen durchlässige Membranen 4. 5 voneinander getrennt sind. Dadurch erfolgt ein Anionenaustausch zwischen den beiden Spüllösungen, so dass diese elektrostatisch im Gleichgewicht bleiben.
Zusätzlich zu den beiden genannten Spüllösungen kann eine weitere Spüllösung zum Spülen der Elektroden vorgesehen werden, um die Ablagerungen an den Elektroden zu reduzieren.
Im folgenden werden Anwendungsbeispiele des Verfahrens beschrieben.
Beispiel 1
Entkoffeinierung von grünen Kaffeebohnen
Die grünen Kaffeebohnen werden in der üblichen Weise mit Wasser so lange extrahiert, bis diese gut coffeinfrei sind.
Dabei soll möglichst wenig Wasser verwendet werden, um eine hochkonzentrierte Lösung zu erhalten. Der Extrakt kann entweder so direkt in die Elektrodialyse-Apparatur eingebracht oder vorher aulkonzentriert werden. Es ist auch möglich, die Extraktion in einem geschlossenen Kreislauf direkt mit der Elektrodialyse-Apparatur zu verbinden. Zur Beschleunigung des Anfahrens kann die Lösung auch von Anfang an durch Ansäuren auf den optimalen pH-Bereich gebracht werden.
Die Lösung wird sodann in üblicher Weise auf ein Gewicht, welches ca. 80(/o des Eigengewichts der eingesetzten Bohnenmenge entspricht, eingeengt, was z. B. am besten durch Destillation unter Vakuum erfolgt.
Wird zum Ansäuren der Lösung eine leicht flüchtige Säure verwendet (z. B. Ameisensäure), geht ein grosser Teil dieser Säure mit Wasserdampf weg, so dass eine nachfolgende Neutralisation überflüssig wird. Die verbleibenden Spuren haben keinen Einfluss auf das Kaffeearoma, da ja der Röstkaffee von Natur aus auch schon Ameisensäure enthält. Bei Verwendung von anderen Säuren kann der konzentrierte Extrakt mit einer lebensmittelzulässigen Base neutralisiert werden.
Die konzentrierte Lösung wird den in der Zwischenzeit getrockneten Bohnen zugegeben und durch diese vollständig wieder aufgenommen. Die Bohnen werden wieder getrocknet und ergeben nach dem Rösten einen absolut geschmacklich einwandfreien Kaffee mit hohem Extraktgehalt.
Beispiel 2
Entkoffeinierung von Lösungen aus geröstetem
Kaffee oder Tee
Mit dem prinzipiell gleichen Vorgehen wie bei Beispiel 1 kann der Extraktauszug vor dem Aulkonzentrieren durch Elektrodialyse entkoffeiniert werden, wobei anschliessend die weitere Aufarbeitung zum Solublekaffee oder Solubletee nach dem bekannten eingeführten Verfahren direkt erfolgen kann.
Beispiel 3
Coffeinentzug aus Prozesswasser bei der
Rohkaffeeaufarbeitung
Die gleiche Methode kann auch angewandt werden zur Coffeingewinnung aus dem coffeinhaltigen Wasser, wie sie beim Gähren der grünen Kaffeeschalen anfallen oder auch durch spezielle Extraktion aus den Aussenteilen der Kaffeekirsche (Pulpe) hergestellt werden können. Dabei kann die Prozessführung vereinfacht werden, da auf den Erhalt der Lösung keine Rücksicht genommen werden muss, sondern nur das in die Spüllösung I übertretende Coffein von Bedeutung ist.
Die Coffeinaufbereitung aus der Spüllösung I kann auf die bekannten Arten erfolgen, wie: Aulkonzentrieren und Umkristallisieren oder Extraktion mit organischen Coffeinlösungsmitteln usw. Diese sollen nicht in den Umfang dieses Patentes enthalten sein.
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PATENT CLAIMS
1. A process for obtaining caffeine by means of electrodialysis, characterized in that an acidic, aqueous, caffeine-containing solution is passed through at least one cell of an electrodialysis system between two cations-permeable membranes (1, 2), that a first rinsing solution facing the positive electrode Membrane (1) is bypassed to maintain the pH in the solution required to maintain the electrodialysis, and that a second rinsing solution is bypassed the membrane (2) facing the negative electrode in order to remove the caffeine which has migrated through the membrane (2) to derive.
2. The method according to claim 1, characterized in that the aqueous, caffeine-containing solution is obtained from green coffee beans.
3. The method according to claim 1, characterized in that the aqueous, caffeine-containing solution is obtained from roasted coffee.
4. The method according to claim 1, characterized in that the aqueous, caffeine-containing solution is obtained from tea.
5. The method according to claim 1, characterized in that the aqueous, caffeine-containing solution is obtained from coffee or tea waste.
6. The method according to claim 1, characterized in that the solution is passed through several cells of an electrodialysis system, the adjacent cells being separated from one another by anion-permeable membranes (4, 5).
The invention relates to a method for obtaining caffeine by means of electrodialysis.
Various methods of decaffeinating coffee and tea are known.
US Pat. No. 2,045,854 discloses such a method for decaffeinating coffee, in which coffee beans are digested using acidified water. The prepared coffee beans are then subjected to an electrical current in which the coffee beans are placed between two electrodes, the coffee beans being separated from the electrodes by means of permeable membranes. This creates two spaces between the electrodes and the membranes. The electrical current collects the released caffeine in the space between the cathode and membrane, and acid ions escape in the space between the anode and membrane.
This process is based on the assumption that the bean wall is a semi-permeable wall that should only let the caffeine and mineral ions escape. However, this is absolutely not the case, because in acidic water too, many other substances from the beans pass into the water, which leads to a substantial loss of extract (among the 22% required, for example, under the Swiss Food Law) and thus to a decisive one Loss of aroma leads. Last but not least, it is the partially dissociated, negatively charged chlorogenic acid, which is present in green coffee in relatively large quantities (6-8 C / o) and easily escapes into the water along with other substances, which results in a large weight loss. This is both aroma-wise and economically unsustainable.
In addition, it can be shown with simple experiments that the association of caffeine in caffeine ions is strongly pH-dependent and that the solution very quickly becomes depleted of H + ions when the current flows, which shifts the association balance to the disadvantage of the caffeine ion and the caffeine migration becomes very slow if the H + -lons are not continuously supplied in the correct ratio. This is also the reason for the extremely long current exposure times.
The purpose of the invention is to remedy the stated disadvantages.
It is therefore the task of creating a method for withdrawing caffeine in which the loss of extract is low and the highest possible degree of association of the caffeine can be maintained.
According to the invention, this object is achieved in that an acidic, aqueous, caffeine-containing solution is passed through at least one cell of an electrodialysis system between two cation-permeable membranes, and a first rinsing solution is directed past the membrane facing the positive electrode, around which the to maintain the pH required in the solution to maintain electrodialysis, and to pass a second rinse solution past the membrane facing the negative electrode to drain the caffeine that has passed through the membrane.
The method according to the invention has the advantage.
that the combination of the membranes allows the positive caffeine ions to escape from the solution to be treated and the negative chlorogenic acid ions remain.
Diffusion of the other neutral substances from the coffee, dissolved in the water, through the membranes is negligible. The loss of extract can thus be practically avoided. With a suitable flow of hydrogen ions through the solution, the pH in the solution can be maintained or shifted so that the degree of association of the caffeine remains optimal.
The method according to the invention is explained below with reference to the accompanying drawing.
As can be seen from the drawing, the aqueous, caffeine-containing solution is passed between two cation-permeable membranes 1, 2 of an electrodialysis machine and is exposed to an electric field. The electric field is built up by means of two electrodes 3. An anion-permeable membrane 4 is arranged between the one membrane 1 and the positive electrode 3. A first rinsing solution is passed between this membrane 4 and the membrane 1, which is permeable to cations. The first rinse solution consists of an acid. The associated caffeine + ion now traverses the membrane 2 located in the field direction and is taken up by a second rinsing solution which is passed between this membrane 2 and another membrane 5 permeable to anions.
Likewise, all other positive ions, such as H + ions, sodium, potassium, magnesium etc., are absorbed by the second rinsing solution. In order to maintain the ideal pH in the solution, the H + ions which have migrated from the first rinsing solution are subsequently supplied to this first rinsing solution by a suitable hydrogen ion concentration setting. The negative chlorogenic acid ions present in the solution are repelled by the two membranes 1, 2 and remain in the solution.
The solution and the first and second rinsing solutions can be circulated until the caffeine is almost removed from the solution and has accumulated in the second rinsing solution. This can remove more than 96% of the caffeine in the solution.
The process is carried out at a temperature which is as high as possible but is limited by the durability of the membranes on the one hand and the temperature resistance of the solution on the other. As an example, with an extract from green coffee beans z. B. be driven at about 50c C.
An electrodialysis system generally contains several such cell packets in the same field, the packets for the
described processes are separated from one another by anion-permeable membranes 4. 5. An anion exchange takes place between the two rinsing solutions so that they remain electrostatically balanced.
In addition to the two rinsing solutions mentioned, a further rinsing solution can be provided for rinsing the electrodes in order to reduce the deposits on the electrodes.
Application examples of the method are described below.
example 1
Decaffeination of green coffee beans
The green coffee beans are extracted in the usual way with water until they are well caffeine-free.
As little water as possible should be used to obtain a highly concentrated solution. The extract can either be introduced directly into the electrodialysis apparatus or concentrated beforehand. It is also possible to connect the extraction directly to the electrodialysis apparatus in a closed circuit. To speed up the start-up, the solution can also be brought to the optimum pH range from the beginning by acidification.
The solution is then concentrated in a customary manner to a weight which corresponds to approximately 80% of the own weight of the amount of beans used, which is best done, for example, by distillation under vacuum.
If a slightly volatile acid is used to acidify the solution (e.g. formic acid), a large part of this acid goes away with water vapor, so that a subsequent neutralization becomes superfluous. The remaining traces have no influence on the coffee aroma, since the roasted coffee naturally also contains formic acid. When using other acids, the concentrated extract can be neutralized with a food-grade base.
The concentrated solution is added to the beans, which have since dried, and is completely taken up again by them. The beans are dried again and, after roasting, result in a perfectly flavored coffee with a high extract content.
Example 2
Decaffeinated solutions from roasted
coffee or tea
Using the same procedure as in Example 1, the extract can be decaffeinated by electrodialysis before it is concentrated, after which the further processing into instant coffee or instant tea can be carried out directly using the known process.
Example 3
Caffeine withdrawal from process water at the
Green coffee processing
The same method can also be used to obtain caffeine from the caffeine-containing water, as is the case with the fermentation of the green coffee cups or can also be produced by special extraction from the outer parts of the coffee cherry (pulp). The process control can be simplified, since no consideration has to be given to the receipt of the solution, but only the caffeine which passes into the rinsing solution I is important.
The caffeine preparation from the rinsing solution I can be carried out in the known ways, such as: concentrating and recrystallizing or extraction with organic caffeine solvents, etc. These should not be included in the scope of this patent.