CN105658074A - 从生咖啡中除去咖啡因的方法和实施所述方法的装置 - Google Patents
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Abstract
方法中包括的阶段是：在提取器(1)中预干燥通过活性炭脱咖啡因的芳香溶液；在浓缩设备(5)中浓缩所述溶液并且使其再次转移至保持在一定真空程度(11)下的提取器(1)，所述真空程度(11)帮助将芳香物质重新引入预干燥的咖啡；干燥、冷却和排出脱咖啡因咖啡。
Description
技术领域
本发明涉及从生咖啡中除去咖啡因的方法和装置。
背景技术
正如公知的，市面上提供包含其自身的天然咖啡因百分比的咖啡和通过从生咖啡或未加工的咖啡中除去咖啡因获得的被称为“脱咖啡因”的咖啡。
用于从生咖啡中除去咖啡因的良好方法基本上属于四种不同类型并且为多样的。本专利申请的方法主题为“水方法(waterprocess)”，特别是使用水和活性炭的方法，这种类型的并且最接近本发明的已知方法由SwissWater和Nestle公司实施并且可能被授予专利权。
考虑到“水方法”的缺点之一是除了咖啡因之外还从咖啡中除去许多水溶性芳香物质，所述水溶性芳香物质有助于赋予烘烤杯装咖啡深受欢迎的香气。
在SwissWater的方法中，在水溶液中处理每批生咖啡，无咖啡因并且富含咖啡芳香物质。
Nestle的方法提出，水溶液通过一系列的一个或多个装载生咖啡的提取器，然后溶液进入一系列的一个或多个活性炭柱而不返回提取器，提取器意指这样的容器：其中热水从咖啡豆中除去咖啡因。
SwissWater方法中的主要缺点在于，当处理中的咖啡批次的来源不同于用于制备用于脱咖啡因的芳香溶液的来源时，可能改变获得的产物的芳香分布。
Nestle方法的主要缺点是连同咖啡因提取了大部分水溶性物质。事实上，在该方法中从咖啡中提取的水溶性芳香物质的量极高，之后将这些物质重新引入咖啡的后续阶段的效力有限并且耗时长。
发明范围
本发明的主要范围是以经济上可接受的方式并且以高的脱咖啡因程度获得在感官上优于使用已知水方法获得的标准产物的产物，尤其是实现活性炭的完全饱和并且因此减少其再生成本。
发明公开
根据本发明的方法，将一批生咖啡引入容器-提取器(下文称为“提取器”)，所述提取器包含维持在常规工作温度下并且在持续混合下的软化水，其中使咖啡豆留在热水中使其溶胀必要的一段时间从而允许咖啡中包含的一部分咖啡因和芳香水溶性物质转移至热水，从而形成下文所称的“溶液”，所述方法的特征在于，实现从溶液至活性炭的其它咖啡因量的转移，之后的阶段是在咖啡豆(所述咖啡豆在方法中已经脱咖啡因)内扩散之前从咖啡转移至热水的芳香物质，在提取器中产生微真空，所述微真空有助于该阶段(下文简称为“重新引入”)。
因此实现的是，作为方法中的基础步骤，热水和咖啡在提取器中接触使咖啡完全溶胀所必要的时间并且在重新引入阶段之前，使溶液通过活性炭从而脱咖啡因并且根据被称为“旋转木马”的已知循环移动再次进入提取器。
其这样进行：咖啡将咖啡因释放至热水，热水进入活性炭的容器，活性炭截留咖啡因。本发明的方法实现了咖啡中的残留咖啡因和水溶液中的残留咖啡因之间的平衡，从而获得最终咖啡因含量不大于0.1％的脱咖啡因咖啡。
一旦脱除咖啡因之后溶液从提取器转移至浓缩装置并且再次返回维持在微真空下的提取器，在该处在预干燥的咖啡中重新引入大部分水溶性芳香物质。
所述方法的最后进行咖啡的最终干燥和冷却。
如专利NT-U.S.4,508,743中所述，水/咖啡的重量比通常在3/1和15/1之间。如上述专利所建议的，活性碳的重量通常为待脱咖啡因的生咖啡的18-36％，水溶液的工作温度优选在60℃和90℃之间。提取器为包含软化水的容器，软化水具有室温或者在上游加热装置中已经达到希望温度。提取器还在其下部包括多孔隔板，所述多孔隔板适合于防止咖啡豆离开并且使溶液和水不溶性物质(例如咖啡膜)通过。关于柱，在进入柱之前使溶液通过设置有50和250微米之间网眼的过滤器，所述网眼截留不溶性物质例如咖啡壳。
所述方法可以以两种不同的方式进行。
在第一种方式中，使溶液通过活性炭的容器并且再次返回提取器足够的时间从而获得希望的脱咖啡因程度。该方式被视为是单阶段方法。
在单阶段方法中，当再循环通过活性炭的容器预定时间段之后容器已经部分饱和(下文简称为“第一柱”)时，使溶液转移至一个或多个新鲜活性炭的容器(下文简称为“第二柱”)。
在第二种方式中，溶液仍然通过活性炭，但是在两个相继阶段中；在第一阶段中，使用的活性炭已经被来自前一批次的咖啡因部分饱和，在第二阶段中，使用新鲜活性炭。该方式被视为是两阶段方法。
上述以第二种方式进行的两个阶段在下文描述，前提是活性炭容器中的溶液流可以被设置成“上行”和“下行”的，即溶液可以通过具有过滤效果的分布器从炭床的底部向上进料，也可以从顶部向底部进料。在使用“下行”流的情况下，通过倒转U形出口管保证芳香溶液的最低水平。测量和调节溶液再循环流从而获得适当的再循环。
一旦系统中的压降变得过大则中断操作从而更换过滤器，或者不中断操作，隔离堵塞的过滤器并且激活与其并联安装的新鲜替代性过滤器。
在两阶段方法中，咖啡因的除去需要使来自第一柱(其中碳已经被最大程度饱和)的溶液通过第二柱并且再循环至提取器。该程序在下文称为“再循环”。一旦预定的再循环时间结束，溶液转向至浓缩设备从而开始浓缩步骤，通过第二柱的再循环时间通常高于第一柱中选择的再循环时间。
如果咖啡因含量的在线控制显示高于预期的值，使溶液串联通过柱，任选可行的是在所述条件下并联通过。
从提取器中完全除去溶液之后，可以开始咖啡预干燥阶段直至达到10％和45％之间的湿度。
总之，所述方法包括权利要求中要求保护的阶段。
方法的优点
本发明的方法提供许多益处。由于在提取器中优选通过蠕动泵产生的微真空，芳香物质至咖啡的重新引入得以优化。此外，搅拌器叶片使得大量芳香溶液和咖啡在提取器内连续地上行和下行移动的事实造成溶液在活性炭和提取器之间的循环移动，循环移动已经提到并且被称为“旋转木马”，提高从咖啡中除去咖啡因的速度并且消除在提取器的咖啡床中形成优先通道的风险。因此，由于搅拌器叶片在提取器中施加的机械作用，不仅产生均匀脱咖啡因的咖啡而且尤其产生特别干净的咖啡。这些效果对于重新引入之前从咖啡中提取的芳香化物的棘手阶段来说特别重要。事实上，如果在重新引入的过程中存在膜或水不溶性物质，会形成“粘液”，其可能阻止咖啡芳香化物的均匀的重新引入并且产生芳香化物含量较低的脱咖啡因咖啡，并且在咖啡豆的外表面上存在许多固体。此外，浓缩阶段过程中的冷凝水被回收并且重新用作待之后处理的咖啡批次的咖啡溶胀水。最后，在下文实施例2中描述的方法的情况下，实现了明显更低的活性炭消耗，因为其吸收能力得到充分利用，因此减少了下一个阶段用于再生废炭的成本。
实施方案的实施例
现在通过上述两种不同的方法类型的实施例详细描述本发明的方法。
实施例1.
两阶段方法在装配有加热盘管和搅拌器的50L容量的提取器中装载10kg生咖啡连同30kg加热至85℃温度的软化水。一小时之后，使其中制备的溶液以60L/小时的速度通过装载3.65kgGAC(颗粒状活性炭)型新鲜活性炭的柱。每个预定的循环时间结束时，将咖啡预干燥，将溶液浓缩并且重新进入提取器从而重新引入咖啡中。附表1中列出了重新引入的咖啡中的残留咖啡因的值，直至达到0.04％的残留值。
实施例2.
单阶段方法重复实施例1中所述的程序，并且进行一些改变。事实上，在该情况下溶液首先通过装载1.6kg活性炭的第一柱达2小时，所述活性炭在之前的咖啡批次中预饱和，其中再循环时间为4小时。第一循环结束时，溶液进入装载1.6kg新鲜活性炭的第二柱。通过第二柱的循环时间为4小时。循环流速为60L/小时。附表2中列出了重新引入的咖啡中的残留咖啡因的值，直至达到0.04％的残留值。
对比前述实施例中描述的方法与常规方法，在常规方法中咖啡不经受搅拌器的机械作用，而是保持静止从而形成咖啡豆床。发现不溶性物质(例如在设置有搅拌器的圆桶中进行的重新引入阶段的过程中存在的壳)的移动方面的优点是：有利于这样的装置，其中提取器设置有搅拌器，所述搅拌器造成溶液中不溶性物质的更低的量。消除的不溶性物质的量为咖啡重量的0.5％至1.2％。不存在搅拌器造成在品尝脱咖啡因咖啡批次的阶段中较低的芳香化合物分布。
水溶性物质的重新引入
在该重新引入阶段中，预干燥咖啡与预先浓缩的芳香溶液接触。使用再循环泵(优选蠕动泵)来移动待重新引入的芳香化物，从提取器的底部取出芳香化物的溶液，使其通过过滤器和泵并且使其到达提取器的顶部(参见路径1-9-11-1中的图)。该泵在提取器中产生0.65和0.99巴之间的微真空，所述微真空有助于使芳香物质至咖啡的重新引入达到最大化。
在两个阶段中实现完全重新引入：
第一阶段对应于芳香溶液至咖啡的吸收，始于预干燥咖啡和具有浓缩芳香化物的溶液的首次接触。当待重新引入的液体完全被咖啡吸收时，该阶段被视为完成。使用蠕动泵的优点是溶液不与可能污染的外部部件接触，并且蠕动泵与例如硅质透明管相联，可以通过该管观察重新引入阶段的进展：初始阶段，芳香溶液的连续流动直至不连续流动，然后完全不存在流动，这表明咖啡“吸取”了所有溶液。这表示第一重新引入阶段结束。
第二阶段的时间比第一阶段长得多，并且实际上在第一阶段的过程中已经开始，无论芳香化物是否从颗粒外表面扩散至“芯部”(颗粒最内部分)。
由于通过芳香化物再循环泵产生的真空，能够容易地实现该扩散现象，所述再循环泵即使在第一重新引入阶段结束之后仍然保持运转。
芳香化物更多地扩散至脱咖啡因咖啡的颗粒中，一方面避免了之后的最终干燥阶段中过多的芳香化物损失，另一方面避免了咖啡烘烤阶段中过多的芳香化物损失。
为了说明的目的，下文显示了在观察重新引入阶段时获得的结果：
A)仍然在装配有加热盘管和搅拌器的50L容量的提取器中装载10kg生咖啡连同30L加热至85℃温度的软化水。一小时之后，溶液以60L/小时的速度再循环通过来自前一批次咖啡的装载1.6kgGAC(颗粒状活性炭)型活性炭的第一柱，其中再循环时间为4小时。两小时之后，溶液完全从提取器中排出并且再循环通过装载1.6kg新鲜活性炭的第二柱。四小时之后，停止芳香溶液的再循环，并且使Brix数等于约5％的溶液与咖啡豆分离。将咖啡豆干燥直至约15％的湿度并且与之前浓缩的芳香溶液混合，直至约等于17％的Brix数。
在该情况下，通过在80℃下在大气压力下继续咖啡和芳香溶液之间的混合达6小时进行重新引入。结束时，用热空气在85℃下干燥咖啡直至达到10％的水分含量。然后将咖啡冷却，显示出比原始咖啡更深的颜色。
B)重复A)中描述的脱咖啡因方法，改变重新引入的方法和操作时间：在该情况下，进行重新引入同时在80℃的温度下维持咖啡和溶液之间的混合，并且使用蠕动泵再循环浓缩溶液。系统维持0.8和0.99巴之间的微真空。两小时之后，咖啡吸收所有溶液。使蠕动泵继续操作，在如下情况之后停止方法：
-5小时的重新引入(第一阶段2小时，第二阶段3小时)，
-6小时的重新引入(第一阶段2小时，第二阶段4小时)。操作结束时，将咖啡干燥至10％的水分含量并且冷却。
在2kg咖啡容量的“Petroncini”烘烤器中烘烤所有咖啡。
考虑具有相似烘烤程度和烘烤时间的咖啡。附表3汇总了评估人群对使用被称为“espresso”的酿造方法获得的饮料(在7至10bar的压力下在约90℃的热水中约25-30秒获得的体积在25和30ml之间的咖啡饮料)的感官评价结果。
实施方法的装置
实施方法的装置包括连接在一起并且通过导管和阀手动或自动控制的部件，所述部件在参考图1的权利要求中限定，图1示意性地说明了实施方案的实施例中的装置的基础部件。
表1.
表2.
表3
Claims (14)
1.从生咖啡中除去咖啡因的方法，其中将一批生咖啡引入至少一个提取器(1)，所述提取器(1)容纳维持在60℃和90℃之间的常规工作温度下的软化水，并且咖啡豆留在热水中使其溶胀必要的一段时间使得咖啡因转移至热水并且形成溶液，所述溶液包含芳香软化热水和咖啡中包含的一部分转移的咖啡因和芳香水溶性物质，其中实施步骤从而通过设置在至少一个合适容器中的活性炭吸收脱咖啡因的上述芳香溶液中包含的咖啡因，所述容器在其入口处设置有过滤器(9、9a)，所述过滤器(9、9a)适合于截留不希望的固体成分，其特征在于，所述方法包括如下阶段：在提取器(1)中预干燥通过活性炭脱咖啡因的芳香溶液；在浓缩设备(5)中浓缩所述溶液并且将其再次转移至保持一定真空程度(11)的提取器(1)，所述真空程度(11)帮助将芳香物质重新引入预干燥的咖啡；干燥、冷却和排出脱咖啡因咖啡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在提取器(1)中通过搅拌机构(Al)保持搅拌所述芳香溶液，所述搅拌机构(Al)适合赋予大量“芳香溶液-咖啡”混合移动，咖啡颗粒被提取器出口处的多孔隔板截留，而溶液和咖啡膜允许通过所述多孔隔板。
3.根据权利要求1、2所述的方法，其特征在于，芳香溶液首先移动至第一活性炭容器(C1)，然后一次或多次返回提取器(1)，在所述提取器(1)中其它咖啡因量从咖啡转移至溶液。
4.根据权利要求1、2所述的方法，其特征在于，芳香溶液首先从提取器(1)转移至被咖啡因部分饱和的第一活性炭容器(C1)，然后从所述第一容器(C1)转移至至少第二至第n个新鲜活性炭容器(C2-Cn)，所述新鲜活性炭吸收咖啡因，溶液一次或多次地再次转移至提取器(1)，在所述提取器(1)中其它咖啡因量从咖啡转移至溶液，所述程序造成每个活性炭柱(C1-Cn)基本上全部饱和。
5.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，在咖啡因的在线控制显示高于预期的值的情况下，活性炭容器(C2-Cn)串联使用。
6.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，在咖啡因的在线控制显示高于预期的值的情况下，活性炭容器(C2-Cn)并联使用。
7.根据权利要求1-6所述的方法，其特征在于，溶液从底部向顶部或者从顶部向底部进入并联或串联设置的活性炭容器(C1-Cn)。
8.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，通过合适的泵(10)完全除去仍然存在于活性炭容器(C1-Cn)中的溶液残留物。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，浓缩步骤(5)的过程中的冷凝水被回收并且重新用作之后待处理的咖啡的咖啡批次的溶胀的水。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在回路(1-9-11-1)中使水再循环通过提取器(1)、过滤器(9)和泵(11)并且使水返回提取器的顶部从而进行提取器(1)中的咖啡的溶胀。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过蠕动泵(11)产生提取器(1)中的真空状态，所述蠕动泵(11)通过从提取器(1)的底部汲取芳香溶液并且使其到达同一个提取器的顶部从而造成待重新引入的芳香化物的再循环(1-9-11-1)。
12.用于实施根据权利要求1-11所述的方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
-提取器(1)，所述提取器(1)适合于容纳咖啡和维持在希望温度下的软化热水的混合物，设置有赋予混合物混合移动的机构(Al)，
-第一活性炭柱(C1)，所述第一活性炭柱(C1)被咖啡因部分饱和而适合于从溶液中提取咖啡因，
-至少一个第二至第n个新鲜活性炭容器(C2-Cn)，所述新鲜活性炭容器(C2-Cn)适合于从溶液中提取咖啡因，
-蓄电池(2)，所述蓄电池(2)供应受控温度下的流体，在预干燥或干燥脱咖啡因咖啡的阶段中供应用于提取器(1)的温空气至热空气，替代性地，在最终冷却脱咖啡因咖啡的阶段中供应室温或冷却的流体从而使空气达到室温或更低温度，
-鼓风机(3)，所述鼓风机(3)与提取器(1)相联从而在溶液的预干燥和干燥阶段和咖啡的冷却阶段中吸入空气，
-机构(4)，所述机构(4)适合将活性炭柱(C1-Cn)中循环的溶液维持于希望温度，
-第一容器(5)，所述第一容器(5)设置有搅拌器(A2)并且接收咖啡因提取阶段结束时的芳香溶液并且在将溶液送往提取器(1)之前浓缩溶液，
-第二容器(6)，所述第二容器(6)收集浓缩步骤中从溶液中提取的水，
-第一真空泵(7)，所述第一真空泵(7)在溶液的浓缩阶段中激活，
-冷凝器(8)，所述冷凝器(8)适合于冷凝来自第一容器(5)的水蒸汽，装配有用于冷却水的入口(冷)和用于热水的出口(热)，
-第一过滤器(9)，所述第一过滤器(9)适合于截留前往活性炭柱(C1-Cn)的溶液中存在的固体，
-第二过滤器(9a)，所述第二过滤器(9a)适合于截留前往活性炭柱(C1-Cn)的溶液中存在的固体成分，当第一过滤器(9)维修时第二过滤器操作，
-第二泵(10)，所述第二泵(10)适合于循环活性炭柱(C1-Cn)中存在的溶液，将在第一容器(5)中浓缩的芳香溶液送往提取器(1)并且完全排空活性炭柱(C1-Cn)中仍然存在的溶液，
-第三泵(11)，所述第三泵(11)适合于回收来自提取器(1)底部的浓缩溶液，在重新引入的过程中将其送往提取器的顶部并且实现0.65和0.99巴之间的真空，所述真空改进芳香化物至脱咖啡因咖啡的重新引入，
-导管dA，所述导管dA用于将环境空气引入加热和冷却用蓄电池(2)，
-导管dV，所述导管dV用于将过热蒸汽引入加热和冷却用蓄电池(2)，
-导管SC，所述导管SC用于从加热和冷却用蓄电池(2)中排出冷凝流体，
-导管dM，所述导管dM用于将来自蓄电池(2)的热空气或冷空气送往提取器(1)，
-开口Dcf，所述开口Dcf用于从提取器(1)中卸载脱咖啡因咖啡，
-管(d)和阀(v)，所述管(d)和阀(v)适合于实施所述方法。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，第三泵(11)为蠕动泵。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，蠕动泵(11)的至少下游与透明管(d)相联。
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