CN103826471A - 用于去除液体中的咖啡因的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于去除液体中的咖啡因的设备。该设备包括：至少一个阴极电极和至少一个阳极电极，其彼此隔开并且浸在液体中；电源，其耦合到所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极并且被配置成向所述电极施加功率，其中所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极被配置成在施加功率时在液体中生成电场以便将液体中的咖啡因分子吸引到所述至少一个阴极电极；其中所述至少一个阴极电极由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，该吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一个阴极电极的咖啡因分子的至少一部分。

Description

用于去除液体中的咖啡因的设备和方法
技术领域
本发明涉及去除咖啡因，具体地涉及用于去除液体中的咖啡因的设备和方法。
背景技术
咖啡因是一种苦涩的白色结晶黄嘌呤生物碱和精神兴奋剂，其可以在一些植物的种子、叶子和果实中找到。它最常作为在输液中提取自咖啡植物的豆类和茶树的叶子的成分以及在各种不同的食物和饮料中包含从可乐果得到的产品的成分而被人类消费。
诸如咖啡、茶、软饮料和能量饮料之类的包含咖啡因的饮品一直广受欢迎。然而，由于健康或者其他的关切的原因，避免摄入咖啡因的消费者的数量是显著的。因此，存在酿造去除咖啡因的饮品或者具有低咖啡因含量的饮品以便满足各种不同消费者需求的需要。
美国专利No.5914021公开了一种用于将带电物质（例如咖啡分子）与导电流体（例如咖啡）分离的装置和方法，其中导电流体被运送至带电物质分离组件，在那里施加静电场以便将带电物质与穿过多孔分离器并且被收集的流体分离。
发明内容
依照一个方面，本发明的一个实施例提供了一种用于去除液体中的咖啡因的设备，该设备包括：
- 至少一个阴极电极和至少一个阳极电极，其彼此隔开并且浸在液体中；
- 电源，其耦合到所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极并且被配置成向所述电极施加功率，其中所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极被配置成在施加功率时在液体中生成电场以便将液体中的咖啡因分子吸引到所述至少一个阴极电极；
其中所述至少一个阴极电极由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，该吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一个阴极电极的咖啡因分子的至少一部分。
众所周知，液体中的咖啡因分子结合到H+离子，并且因此具有正电荷。当电源激活时，向所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极提供电流，并且因此生成液体中的电场。在电场的作用下，液体中的带正电咖啡因分子逐渐被吸引到所述至少一个阴极电极并且于是集中在所述至少一个阴极电极处。同时，所述至少一个阴极电极的吸收材料吸收被吸引到阴极电极的咖啡因分子。
该设备使得液体中的希望数量的咖啡因分子能够被移除，同时得到的液体基本上保持原始的体积，这有效地避免了液体的浪费。
有利的是，该设备可以进一步包括容器，其中该容器包括设置于其上并且被配置成接纳液体的入口。
有利的是，该设备可以进一步包括膜，该膜在容器中设置在所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极之间以便限定邻近所述至少一个阴极电极的第一腔室和邻近所述至少一个阳极电极的第二腔室，并且被配置成与所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极协作以便将液体分离成第一腔室内的具有高咖啡因浓度的第一部分和第二腔室内的具有低咖啡因浓度的第二部分；其中容器进一步包括：第一出口，其与第一腔室流体连通并且被配置成将具有高咖啡因浓度的第一部分从第一腔室排出；以及第二出口，其与第二腔室流体连通并且被配置成将具有低咖啡因浓度的第二部分从第二腔室排出。
从第二腔室收集的具有低咖啡因浓度的第二部分典型地不包含或者几乎不包含任何咖啡因，并且可以用作最终得到的去除咖啡因的液体。此外，在该实施例中，由于包含咖啡因的液体的倒入和去除咖啡因的液体的排出同时进行，因而无需确定容器的尺寸以使得它可以容纳所有要处理的包含咖啡因的液体。结果，容器的尺寸以及因而所述设备的尺寸可以减小，从而在设备结合到咖啡机和茶饮机中时得到更紧凑的咖啡机或茶饮机。
依照另一个方面，本发明的一个实施例提供了一种用于酿造包含咖啡因的液体的装置，该装置包括如上面所描述的用于去除液体中的咖啡因的设备。
依照又一个方面，本发明的一个实施例提供了一种去除液体中的咖啡因的方法，该方法包括步骤：
- 使用至少一个阴极电极和至少一个阳极电极向液体施加电场以用于将咖啡因分子吸引到所述至少一个阴极电极；
- 使用所述至少一个阴极电极吸收被吸引到所述至少一个阴极电极的咖啡因分子的至少一部分，其中所述至少一个阴极电极由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料。
附图说明
本发明的上面的和其他的目的和特征根据以下结合附图考虑的详细描述将变得更加清楚明白，在附图中：
图1示出了依照本发明一个实施例的用于去除液体中的咖啡因的示例性设备；
图2示出了依照本发明另一个实施例的用于去除液体中的咖啡因的示例性设备；
图3示出了依照本发明一个实施例的去除液体中的咖啡因的方法的流程图。
在以上整个附图中，相同的附图标记应当被理解为指的是相同、相似或者相应的特征或功能。
具体实施方式
现在，将参照本发明的实施例，其一个或多个实例在图中被图示出。这些实施例通过解释本发明的方式而提供，并且不意在限制本发明。例如，作为一个实施例的部分而图示或描述的特征可以与另一个实施例结合使用以便得到又一个实施例。预期的是，本发明涵盖落入本发明的范围和精神内的这些和其他修改和变型。
本发明的用于去除液体中的咖啡因的设备包括：至少一个阴极电极和至少一个阳极电极，其彼此隔开并且浸在液体中；以及电源，其耦合到所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极并且被配置成向所述电极施加功率，其中所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极被配置成在施加功率时在液体中生成电场以便将液体中的咖啡因分子吸引到所述至少一个阴极电极，其中所述至少一个阴极电极由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，该吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一个阴极电极的咖啡因分子的至少一部分。
本发明的设备和方法可以应用于去除诸如咖啡、茶、可可、软饮料和能量饮料或者这些液体的任意组合之类的任何包含咖啡因的液体中的咖啡因。包含咖啡因的液体也可以是必须在释放到环境之前去除咖啡因的非饮用液体，例如废水。
本发明中的去除咖啡因的水平可以通过改变液体电化学反应的暴露时间而进行控制，范围从最少的去除咖啡因到完全去除咖啡因，即100%去除咖啡因。实现希望的去除咖啡因水平所必需的时间段将根据电化学反应的条件和参数而变化，这将在后面详细地进行描述。
图1示出了依照本发明一个实施例的用于去除液体中的咖啡因的示例性设备10。
参照图1，设备10包括容器12，该容器包括用于接纳包含咖啡因的液体的入口122。容器12可以由基本上不渗透包含咖啡因的液体的材料制成。为了对咖啡去除咖啡因，食品级塑料是所希望的，例如聚乙烯或聚丙烯。
设备10进一步包括：阴极电极14和阳极电极16，其设置在容器12中并且隔开；以及电源18，其耦合在阴极电极14和阳极电极16之间并且预期向所述电极施加功率。阴极电极14由能够吸收咖啡因分子的吸收材料制成或者涂敷有该吸收材料。
电源18可以是例如能够提供恒定电流的DC电源。可替换地，可以向电化学反应供电以便在恒定电位而不是恒定电流下操作。
阳极电极16可以由诸如铂、金、钛、钯、铱等等之类的任何种类的已知电极材料制成。
阴极电极14的吸收材料可以是多孔碳材料，诸如例如活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳纸或者碳布；或者导电聚合物，诸如例如聚苯胺、聚噻吩或者聚吡咯；或者离子交换树脂，诸如例如阳离子交换树脂；或者无机吸附剂，诸如例如活性Al2O3、分子筛、沸石、硅藻土。
在阴极电极14涂敷有吸收材料的情况下，阴极电极14的衬底也可以由任何种类的已知电极材料制成。
有利的是，将吸收材料的比表面积确定尺寸为吸收足够数量的咖啡因分子。当达到吸收材料的寿命时，应当替换吸收材料。
在操作中，首先，通过入口122将所有要处理的包含咖啡因的液体倒入容器12中。当电源18激活时，电流被提供给阴极电极14和阳极电极16，并且因而在倾倒的液体中生成电场。在电场的作用下，倾倒的液体中的咖啡因分子逐渐被吸引到阴极电极14，并且于是集中在阴极电极14处，通过“+”表示。同时，阴极电极14的吸收材料吸收被吸引到阴极电极14的咖啡因分子。在倾倒的液体暴露于电化学反应预定的持续时间之后，希望数量的咖啡因分子可以从液体中被移除。
去除液体中的咖啡因的水平或程度可以通过改变液体电化学反应的暴露时间而进行控制。换言之，去除咖啡因的水平或程度根据液体电化学反应的暴露时间而变化，范围从最少的去除咖啡因到完全去除咖啡因，即100%去除咖啡因。
去除咖啡因的速率，即造成希望的去除咖啡因程度所必需的时间段根据电化学反应的条件和参数而变化。电化学反应的条件和参数可以是例如电源18供应的电流/电压、吸收材料的比表面积或者阴极电极14和阳极电极16的电极材料的电导率。
去除咖啡因的速率与电源18供应的电流/电压成正比。电流/电压越小，则达到希望的去除咖啡因水平之前的时间越长。
吸收材料的比表面积也以正比例的方式影响去除咖啡因的速率。去除咖啡因的速率随着吸收材料的比表面积的增加而增大。
去除咖啡因的速率也与阴极电极14和阳极电极14的电极材料的电导率成正比。电极材料的电导率的增加导致用于达到希望的去除咖啡因水平所需的时间的减少。
应当指出的是，去除液体中的咖啡因可以使用单对电极，例如如图1中所示的阴极电极14和阳极电极16进行，或者可替换地通过使用多个阴极电极和多个阳极电极进行。本领域技术人员可以理解，使用多对电极由于反应电极表面积的增加而导致更大的咖啡因降解率。
图1的设备10可以结合到例如咖啡机或者茶饮机中以便接纳酿造的咖啡或茶并且去除其中的咖啡因。
应当理解的是，在一个可替换的实施例中，图1的设备10可以不包括容器12。关于这一点，阴极电极14和阳极电极16以及电源18可以直接结合到咖啡机或者茶饮机的去除咖啡因腔室中，该腔室用于容纳酿造的咖啡或茶。
表1示出了使用图1的设备去除包含咖啡因的液体中的咖啡因的实验结果，其中阴极电极14由活性炭制成，并且为盘状，跨越近似3.5cm并且1cm厚。
表1
从表1可以看出，对于给定的电流和电压，去除咖啡因的水平或程度随着液体电化学反应的暴露时间的增加而增大。此外，对于给定的暴露时间，电流和电压的增大导致更大的咖啡因降解。
图2示出了依照本发明另一个实施例的用于去除液体中的咖啡因的示例性设备20。
参照图2，设备20包括：容器22；设置在容器22中并且隔开的阴极电极24和阳极电极26；电源28，其耦合在阴极电极24和阳极电极26之间并且预期向所述电极施加功率。阴极电极24由能够吸收咖啡因分子的吸收材料制成或者涂敷有该吸收材料。容器22、阴极电极24、阳极电极26和电源28的配置和/或材料可以与图1相同，其为了简洁起见将不在这里进行描述。
设备20进一步包括膜27，该膜在容器22中设置在阴极电极24和阳极电极26之间以便限定阴极电极24位于其中的第一腔室A和阳极电极26位于其中的第二腔室B。膜27可以设置在阴极电极24和阳极电极26之间的任何位置处。有利的是，膜27被设置成邻近阴极电极24。
入口222设置在容器22上以便接纳要处理的包含咖啡因的液体。当入口222如图2中所示与第一腔室A流体连通时，膜27可以是阴离子膜，其防止第一腔室A内的液体中的咖啡因分子在电源28激活时穿过其中到达第二腔室B。否则，当入口222与第二腔室B流体连通时，膜27为阳离子膜，其允许第二腔室B内的液体中的咖啡因分子在电源28激活时穿过其中到达第一腔室A。应当理解的是，这里也可以使用其他种类的膜，诸如例如超滤膜或者纳米过滤膜，其可以用来物理地限制咖啡因分子扩散。
第一出口224和第二出口226设置在容器22上。第一出口224与第一腔室A流体连通以便从第一腔室A排出液体。第二出口226与第二腔室B流体连通以便从第二腔室B排出液体。
第一出口224和第二出口226的尺寸可以基于所需的从第一腔室A排出的液体的流速和所需的从第二腔室B排出的液体的流速而确定。
在操作中，包含咖啡因的液体通过入口222倒入容器22中。倾倒的液体逐渐地从第一腔室A流到第二腔室B以便保持第一腔室A与第二腔室B之间的液体水平的平衡，同时倾倒的液体中的咖啡因分子通过设置在阴极电极24与阳极电极26之间的阴离子膜27而保留在第一腔室A内。同时，倾倒的液体中生成的电场将倾倒的液体中的咖啡因分子吸引到阴极电极24，并且阴极电极24的吸收材料吸收被吸引到阴极电极24的咖啡因分子。
在该实施例中，由于包含咖啡因的液体的倒入和去除了咖啡因的液体的排出同时进行，因而当包含咖啡因的液体连续通过入口222倒入容器22中时，容器22中的液体的流动在一定程度上削弱了电场力，从而迫使被吸引到阴极电极24的一些咖啡因分子从阴极电极24流走并且扩散在倾倒的液体中。设置在阴极电极24与阳极电极26之间的阴离子膜27限制或者防止那些咖啡因分子从中穿过到达第二腔室B；因此，在连续的倒入和排出过程期间，容器22中的液体总是由阴离子膜27分离成两个部分，即第一腔室A内的具有高咖啡因浓度的第一部分和第二腔室B内的具有低咖啡因浓度的第二部分。具有高咖啡因浓度的第一部分通过第一出口224从第一腔室A排出，并且具有低咖啡因浓度的第二部分从第二腔室B排出。
上面的操作连续地执行，直到所有要处理的包含咖啡因的液体已被去除咖啡因。
从第二腔室B收集的具有低咖啡因浓度的第二部分典型地不包含或者几乎不包含任何咖啡因，并且可以直接用作最终得到的去除咖啡因的液体。
由于阴极电极24的吸收材料吸收第一腔室A内的部分咖啡因分子，因而从第一腔室A收集的具有高咖啡因浓度的第一部分包含比要处理的包含咖啡因的液体更少的咖啡因，其可以用作低咖啡因液体。
为了进一步减少从第一腔室A收集的具有高咖啡因浓度的第一部分中的咖啡因分子的量，在一个可替换的实施例中，设备20可以进一步包括过滤器29，该过滤器设置在第一出口224下方或者第一出口内以便在具有高咖啡因浓度的第一部分通过第一出口224从第一腔室A排出时吸收具有高咖啡因浓度的第一部分中的咖啡因分子的至少一部分。过滤器29可以由碳基吸附剂、离子交换树脂、聚合物、凝胶等等制成。最后，可以将过滤的第一部分和第二部分混合，作为最终得到的去除咖啡因的液体。
图2的设备20可以结合到例如咖啡机或者茶饮机中以便接纳酿造的咖啡或茶并且去除其中的咖啡因。
在该实施例中，由于包含咖啡因的液体的倒入和去除咖啡因的液体的排出同时进行，因而无需确定容器22的尺寸以使得它可以容纳所有包含咖啡因的液体。结果，容器22的尺寸以及因而所述设备20的尺寸可以减小，从而在设备结合到咖啡机和茶饮机中时得到更紧凑的咖啡机或茶饮机。
依照另一个方面，本发明的一个实施例进一步提供了一种去除液体中的咖啡因的方法。图3示出了去除液体中的咖啡因的方法的流程图。
该方法包括步骤S32：使用至少一个阴极电极和至少一个阳极电极向液体施加电场以用于将咖啡因分子吸引到所述至少一个阴极电极。
该方法进一步包括步骤S34：使用所述至少一个阴极电极吸收被吸引到所述至少一个阴极电极的咖啡因分子的至少一部分，其中所述至少一个阴极电极由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料。
吸收材料可以是多孔碳材料，诸如例如活性炭、碳纳米管、碳纤维、碳纸或者碳布；或者导电聚合物，诸如例如聚苯胺、聚噻吩或者聚吡咯；或者离子交换树脂，诸如例如阳离子交换树脂；或者无机吸附剂，诸如例如活性Al2O3、分子筛、沸石、硅藻土。
有利的是，该方法可以进一步包括步骤：使用设置在所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极之间的膜并且与所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极协作将液体分离成具有高咖啡因浓度的第一部分和具有低咖啡因浓度的第二部分。
所述膜可以为阴离子膜或者阳离子膜。
应当指出的是，上面描述的实施例为了描述而不是限制本发明而给出，并且应当理解的是，在不脱离本领域技术人员容易理解的本发明的精神和范围的情况下可以采取若干修改和变型。这样的修改和变型被认为处于本发明和所附权利要求书的范围内。本发明的保护范围由所附权利要求书限定。此外，权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对权利要求的限制。动词“包括”及其变体的使用没有排除存在权利要求中未说明的元件或步骤。元件或步骤之前的不定冠词“一”并没有排除存在多个这样的元件或步骤。

Claims (12)

1.一种用于去除液体中的咖啡因的设备，该设备包括：
- 至少一个阴极电极和至少一个阳极电极，其被隔开并且浸在液体中；
- 电源，其耦合到所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极并且被配置成向所述电极施加功率，其中所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极被配置成在施加功率时在液体中生成电场以便将液体中的咖啡因分子吸引到所述至少一个阴极电极；
其中所述至少一个阴极电极由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料，该吸收材料被配置成吸收被吸引到所述至少一个阴极电极的咖啡因分子的至少一部分。
2.权利要求1的设备，吸收材料包括多孔碳材料、导电聚合物、离子交换树脂和无机吸附剂之一。
3.权利要求1的设备，进一步包括容器，其中该容器包括设置于其上并且被配置成接纳液体的入口。
4.权利要求3的设备，进一步包括膜，该膜在容器中设置在所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极之间以便限定邻近所述至少一个阴极电极的第一腔室和邻近所述至少一个阳极电极的第二腔室，并且被配置成与所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极协作以便将液体分离成第一腔室内的具有高咖啡因浓度的第一部分和第二腔室内的具有低咖啡因浓度的第二部分；
其中容器进一步包括：第一出口，其与第一腔室流体连通并且被配置成从第一腔室排出具有高咖啡因浓度的第一部分；以及第二出口，其与第二腔室流体连通并且被配置成从第二腔室排出具有低咖啡因浓度的第二部分。
5.权利要求4的设备，其中当入口与第一腔室流体连通时，膜为阴离子膜，其被配置成防止第一腔室内的液体中的咖啡因分子穿过其中到达第二腔室；并且
当入口与第二腔室流体连通时，膜为阳离子膜，其被配置成允许第二腔室内的液体中的咖啡因分子穿过其中到达第一腔室。
6.权利要求4的设备，进一步包括过滤器，该过滤器设置在第一出口下方或者第一出口内，并且被配置成在具有高咖啡因浓度的第一部分通过第一出口从第一腔室排出时吸收具有高咖啡因浓度的第一部分中的咖啡因分子的至少一部分。
7.权利要求6的设备，其中过滤器由碳基吸附剂、离子交换树脂、聚合物和凝胶之一制成。
8.一种用于酿造包含咖啡因的液体的装置，包括如权利要求1-7中任何一项所述的用于去除液体中的咖啡因的设备。
9.一种去除液体中的咖啡因的方法，该方法包括步骤：
- 使用至少一个阴极电极和至少一个阳极电极向液体施加电场以用于将咖啡因分子吸引到所述至少一个阴极电极；
- 使用所述至少一个阴极电极吸收被吸引到所述至少一个阴极电极的咖啡因分子的至少一部分，其中所述至少一个阴极电极由吸收材料制成或者涂敷有吸收材料。
10.权利要求9的方法，其中吸收材料包括多孔碳材料、导电聚合物、离子交换树脂和无机吸附剂之一。
11.权利要求9的方法，进一步包括步骤：
- 使用设置在所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极之间的膜通过与所述至少一个阴极电极和所述至少一个阳极电极协作将液体分离成具有高咖啡因浓度的第一部分和具有低咖啡因浓度的第二部分。
12.权利要求11的方法，其中所述膜为阴离子膜和阳离子膜之一。
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