CN1384712A - 形成浓缩的可耗尽提取物的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
由固体原材料,如磨碎的炒咖啡生产大量的浓缩提取物的典型的已知方法不能理想地适合生产富有风味和香味,并能够保留生产该提取物的炒咖啡的品种特征的高品质的咖啡提取物。本发明提供过滤方法,如反转渗透法和纳米过滤法,用于通过除去溶剂,从更稀的提取物来生产这样高品质的浓缩提取物。本发明提供具有充分灵活性和规模化的宽范围应用的方法,包括生产用于水平和饮料工业的工业规模的提取物。本发明也提供可生产高度浓缩的用于调味剂的方法和装置。根据本发明的除去溶剂的方法生产的溶剂减少的、浓缩的提取物可有利地用于生产高品质的咖啡提取物。
Description
相关申请
本申请要求以在此引入作为参考的1999年10月28日提交的美国临时申请60/161,981为优先权。
发明领域
本发明涉及一种由固体原材料生产可耗尽水性提取物的方法及系统，更具体地说，涉及到通过使用过滤来浓缩这种可耗尽提取物的方法及系统。本发明的具体实施例包括形成炒咖啡的浓缩水性提取物的方法，该炒咖啡在食物、香味及饮料产品中有用。
发明背景
大量的固体原材料通常利用水性溶剂，例如热水来提取，以形成用于食物、香味或饮料中的可耗尽水性提取物。普通的材料包括炒的磨碎的咖啡、茶叶和可可粉，这里仅仅列举了一小部分。目前进行这种提取所使用的方法及系统的典型和代表是那些用于酿造和提取炒咖啡的方法及系统。在先技术的系统大体上落入两个宽类别中：用于生产饮料的小规模家庭式或工业酿造式设备；和大规模工业化提取设备，该提取设备用于生产用作调味剂或用作生产速溶咖啡产品的原材料的浓缩提取物。当用于生产速溶咖啡产品时，通过如冷冻干燥或喷雾干燥处理把水性溶剂典型地从溶解的咖啡固体中除去。
典型的大规模咖啡提取设备及相关提取方法的在先技术，特别是当用于生产用作后续速溶咖啡生产的咖啡提取物时，设计为最大量地提取给定量的磨碎的炒咖啡和水解炒咖啡的纤维素。这样做是为了经济的原因：从给定量的炒咖啡原材料中提取的可溶性咖啡固体越多，通过干燥除去水以后得到的最后的速溶咖啡产品的量就越大。最后，典型的大规模咖啡提取设备的在先技术设计为典型的低等级磨碎的咖啡的最大量地提取和水解，而不是从给定量的磨碎的炒咖啡中生产高品质的、美味的、香味的提取物或者生产不同等级的提取物。该类的许多典型的在先技术提取设备系统使用一个或多个具有磨碎的炒咖啡的固定床的柱子。这样的系统的代表是在美国专利3,830,940中所描述的系统。尽管这样的系统有利于通过水解最大量地提取，但是它们不能理想地适用于生产具有符合要求的甜度和香味特点的高品质咖啡提取物或用于由给定选择的磨碎的炒咖啡来生产不同等级的提取物。在一定的在先技术提取过程中使用的相对长的提取时间(例如超过1小时)、高的水温以及稀释度可能导致提取物具有差的风味或香味特征，该特征常常传递给由该提取物生产的干燥的速溶咖啡产品。此外，在形成速溶咖啡产品过程中，通过典型的在先技术的方法，例如喷雾干燥或冷冻干燥，进行的提取物脱水过程可能导致磨碎的炒咖啡的要求品种的风味和香味成分失去或降级。在食品工业中通常被用作风味成分的许多浓缩咖啡提取物(例如用作冰淇淋、冰冻的咖啡饮料以及果汁中的香味剂)是通过使用水或其它原料使这样差品质的速溶咖啡产品还原来产生的。
应当理解的是，在提取循环的开始附近，当刚刚磨碎的咖啡已与仅仅相对少量的水接触相对短的时间时，产生的咖啡提取物比当咖啡已与另外量的水接触并更彻底地提取以后的随后提取过程产生的咖啡提取物更甜的和更美味。已作出努力以提高通过大规模提取过程生产的咖啡提取物和速溶咖啡产品的品质和香味。在美国专利4,534,985中描述了一种这样的方法，该专利(‘985)公开了一种用于咖啡或茶叶的提取的工业规模连续提取的方法和装置。该装置包括一种使用大量提取剂床和提取区域的复杂系统，通过装置的旋转，该提取剂床可在提取区域之间移动，该方法与更常用的在先技术的提取方法相比较，减少了提取过程的总时间。该‘985专利也公开了在该装置的“回收阶段”使用压缩空气或一种惰性气体，以便最大量的增加在提取以后用完的渣滓中存在的残留液体的回收。
各种各样的用于家庭或工业使用的较小规模酿造/提取方法在由固体原材料如咖啡、茶叶以及可可粉生产饮料的在先技术中是已知的。通常的方法包括浸渍或浸泡在固定体积的热水中(如把包茶叶袋浸渍在热水中)、蒸气驱动渗滤以及通过在重力作用下热水连续流动-穿过固体可提取材料的床的提取。所述的后面的方法是在家庭“滴落法”咖啡制造者中典型使用的方法。所有这些方法典型地生产一种稀饮料浓度提取物(典型地，1lb磨碎的炒咖啡将出产约320oz.的稀饮料浓度提取物)。此外，由于连续地添加水用于驱动提取物流动以穿过该床，产生的饮料可能包含风味和/或香味不符合要求量的某种苦味成分，可不符合某些应用的要求。也因为这些在先技术的方法是在氧气存在情况下酿造的，最后提取物的风味和香味可能被不符合要求的氧气降级。
上述的大多数用于应用的方法希望产生具有更甜的风味和香味的更浓缩的咖啡饮料，对此的一个改进是咖啡提取物的蒸馏咖啡方法。咖啡提取物的蒸馏咖啡方法典型地使用一个小规模的家用或工业酿造装置，该装置使用不彻底提取的方法生产一种相对较甜、更浓缩的饮料。典型地，使用更高比率的磨碎的咖啡和热水，例如，约1lb的磨碎的炒咖啡可以典型地产出约64-128oz.的咖啡饮料。为了提供水与磨碎的咖啡之间的充分的接触时间，该方法特别利用通过加压的热水推动一种含热水的磨得细的咖啡(如重量为14克)穿过包含在酿造室里的渣滓床。大多数典型的目前使用的蒸馏咖啡类提取设备在每一个提取循环过程中只能够生产相对少量的提取物。除了饮料的量非常依赖咖啡的研磨和包装以外，其规定在提取过程中通过流动水产生的向后的压力，以及给定总体积的饮料的提取时间。对这些变化缺乏控制可导致提取物差的或不稳定的品质。也因为在提取过程中，热水被典型地用于驱使从磨碎的咖啡进行提取，不符合某些应用的提取物等级仍有可能发生，产出的提取物对某些应用来说太稀，并且不能理想地适于用作食品或调味品添加剂。
致力于改进常用蒸馏咖啡酿造用具的性能的多种小规模的蒸馏咖啡型咖啡酿造用具已经进行了描述。美国专利5,127,318(‘318)和美国专利5,473,973(‘973)都揭示了一种提取蒸馏咖啡型咖啡的装置和方法，其中通过安置在咖啡床的下游出口管线上的偏置阀门来调节提取区域内的压力。该阀门设计成在通过热水进行的提取室的开始增压过程中保持关闭，直到达到预置的能克服调节阀门的偏斜的压力。当达到这样的压力时，该阀门打开以开始流动，并且在相对独立于咖啡的研磨或包装的剩下的提取过程中，保持提取室里相对恒定的压力。在该所揭示的系统中，压力持续增加，直到达到预定的压力为止，在该点，流动立即开始。
美国专利5,267,506(‘506)揭示了一种用于自动酿造蒸馏咖啡的装置，及通过加热单元产生的增压蒸气穿过咖啡渣滓以清除液体，以便当酿造室被移动时渣滓不会滴落的实施例。
美国专利5,337,652(‘652)揭示了一种蒸馏咖啡机器及方法，与上述的美国专利5,127,318(‘318)和美国专利5,473,973(‘973)相似，它利用酿造室下游的偏置减压阀。该偏置阀防止从流出管线离开的流动，直至室内的压力增加到固定的预定值为止；随后，该阀门立即打开并且在剩下的提取过程中保持相对恒定的压力。该‘652系统也包括具有一条与水加热室流体连接的出口管线的空气泵。该空气泵用于在酿造循环的最后阶段抽进空气穿过咖啡渣滓，以便干燥咖啡并产生起泡沫的头状物。通过位于水加热室里的流动控制集合管上的相对复杂的自动化的阀门/开关机构，来自泵的空气从热水室直接进入酿造室。供给‘652系统中的酿造室的空气在进入酿造室以前先穿过水加热室，以便增加气体的热量和湿度。虽然上面引用的一些用于由固体原材料生产可耗尽提取物的系统和方法在某些情况下对生产可耗尽提取物的技术呈现出有用的贡献，但是，存在改进由固体原材料生产不同量，包括大体积的可耗尽提取物，包括高浓缩的提取物，以及生产具有符合要求的甜度、风味、香味特征结合的提取物的方法及系统的必要。
发明简述
因此，本发明在一些实施例中，可提供改进的方法及装置，该方法和装置能够可控制的由固体原材料生产具有优异和符合要求的甜度、风味、香味品质的高度浓缩的或稍微高度浓缩的可耗尽提取物。在其它的实施例中，提供利用过滤法，如反转渗透和/或纳米过滤，从可耗尽提取物中除去多余的溶剂以生产更浓缩的提取物而最小程度地损失符合要求的风味和香味特征的方法及装置。
一方面，一种方法被描述成增加可耗尽材料在可耗尽提取物中的浓度。在一个实施例中，该方法包括供给提取物至过滤器的滞留物侧并使提取物的至少一部分溶剂成分穿过过滤介质，以便在渗透侧形成渗透，同时保留至少一部分可耗尽材料在过滤器的滞留物侧，从而形成溶剂减少的可耗尽提取物。该溶剂减少的可耗尽提取物在可耗尽材料中更浓缩，并且被从过滤器的滞留物侧收集。
在另一个实施例中，揭示了一种生产混合咖啡提取物的方法。该方法包括用一定量的水性溶剂提取一定量的炒咖啡，以形成具有溶解的咖啡固体的第一浓度值的第一次透过的咖啡提取物。该方法还包括用另外量的水性溶剂提取相同量的上步先前提取的炒咖啡，以形成具有小于溶解的咖啡固体的第一浓度值的第二浓度值第二次透过的咖啡提取物。该方法还包括通过从第二次透过的咖啡提取物中除去一定量的水性溶剂以增加溶解的咖啡固体在第二次透过的咖啡提取物中的浓度。该方法还包括用一定量的在上步中浓缩的第二次透过的咖啡提取物与第一次透过的咖啡提取物混合，以形成混合的提取物。
在另一方面，揭示了水性咖啡提取物。该提取物是通过一定量的炒咖啡的提取而获得的，该炒咖啡包括至少一种选择种类的炒咖啡。该提取物包括至少约15％溶解的咖啡固体并且保留有效量的特征为从其它种类的炒咖啡中选择的至少一种品种炒咖啡的风味和香味成分。
从下面对本发明的详述并结合附图考虑，本发明的其它优点、新颖特征以及目的将变得明显，但这只是为了说明，而不是想要限制范围。在图中，在不同的图中所示的每个相同的或相似的成分用单个数字表示。为了清楚的目的，不是把每个成分都标在每个图中。
本发明附图简述
图1表示用于根据本发明的一个实施例由固体原材料形成一种可耗尽提取物的装置的示意图；
图2表示图1所示装置的俯视图；
图3表示图1中装置从顶部的剖视图，表示一个包含多孔筛的过滤单元的实施例；
图4是图1中装置的侧剖视图，表示容器的密封的内部体积和内部成分；
图5表示用于根据本发明的一个实施例，用于浓缩一种可耗尽提取物的过滤系统的一部分的示意图；
图6是根据本发明的一个实施例，以过滤为基础的提取物浓缩系统的流程方框示意图；
图7是根据本发明的另一个实施例，以过滤为基础的提取物浓缩系统的流程方框示意图；
图8根据本发明的另一个实施例，以过滤为基础的提取物浓缩系统的流程方框示意图。
发明详述
本发明包括用于由各种固体原材料形成含有一种可耗尽材料的可耗尽提取物的方法，与根据典型的在先技术提取方法生产的相似的提取物相比较，该提取物在风味和香味方面可具有较高品质。本发明的一些实施例也包括从可耗尽提取物中除去多余的水，以形成一种更浓缩的提取物，而实质上不降低提取物风味和香味特征的方法。此处所用的词语“可耗尽”指含有一种在可耗尽溶剂中可溶的或悬浮的可耗尽材料。一种“可耗尽溶剂”指一种基本上非毒性、可吸收性液体，该液体具有溶解或悬浮一种非零数量的可耗尽材料的能力。此处所用的“可耗尽材料”指一种固体原材料的可提取成分，该成分被提取出来，并且可以溶解或悬浮在可耗尽溶剂中。此处所用的一种“固体原材料”指一种包括至少一种固体成分在可耗尽溶剂中不可溶，而至少一种其它的成分是可耗尽材料的固体原材料。本发明中使用的优选的可耗尽溶剂是水性溶剂。本发明所述的一种水性溶剂包括水，并且还可包括其它在水中易溶或易混合的成分，该成分可有利于或符合特殊应用。当在本发明中使用一种水性溶剂时，产生的可耗尽提取物将是水性提取物。
根据本发明可有利地使用的固体原材料可包括各种有机固体，由它可提取可耗尽的材料，如茶叶、可可粉、水果、香草豆以及炒咖啡。然而应当理解的是，根据本发明在此处所述的方法及装置可潜在地被用于任何合适的固体原材料，包括但不限于上面所列举的那些，为了详细地说明的目的，以炒咖啡作为具体的参考，举例说明该方法。
与由炒咖啡(即咖啡提取物)生产水性提取物的在先技术的方法和装置不同，本发明能够生产呈现出高水平的甜度和风味品质的相对浓缩的咖啡提取物，并且被提出的特殊种类的咖啡保留品种特种。与生产浓缩咖啡提取物，如生产速溶咖啡的典型在先技术的方法不同，本发明的方法，在一些实施例中，避免用可能会导致水解的高水温(特别是超过水在大气压下的沸点)彻底地提取炒咖啡，这将导致香味的损失，并且产生不符合要求量的苦味成分的提取物及可相反地影响提取物的风味和香味的酸。在一些实施例中，从一给定量的磨碎的炒咖啡可生产超过一种的不同等级的提取物，在咖啡的不同的耗尽程度生产每一种提取物。如下面进行的详细描述，这些提取物可被浓缩并以各种方式混合以产生具有不同风味/香味特征的混合提取物。
在先技术方法中，咖啡的甜度风味典型地产生于酿造(提取)循环的第一阶段。富含风味、糖和香味的被首先提取出来。油、酸以及较苦的风味成分在酿造的最后阶段，当更大量的提取发生时被酿造出来。例如，这就是为什么一些过滤咖啡和通过彻底提取生产的咖啡提取物常常是苦味道、具有弱香味并且在其表面有油。
对于应用来说，咖啡提取物具有较高的香味和风味典型地不认为是关键，例如对于生产速溶咖啡，已经利用通过水解彻底地提取，是为了从给定量的固体原材料(即炒咖啡)中能获得最大总产量的可耗尽材料(即速溶咖啡固体)。然而，由于在这些在先技术中，常常使用粗糙的提取条件和溶剂脱除条件，当用水或其它溶剂重新恢复以形成一种用作食品、风味或香味成分的咖啡饮料或咖啡提取物时，这样的在先技术典型地不提供那些欣赏较高品质咖啡的消费者所需要的风味和/或香味特征。特别是，这些在先技术彻底地提取方法典型地生产不能保留符合要求种类的风味和香味成分，以及区别由生长在一个特定地区或国家的咖啡生产的提取物或两种或多种这样互相不同品种的咖啡的混合物的咖啡提取物。根据本发明生产的提取物可提供能够用于“专业”咖啡应用的风味和香味品质，并且对于那些设计为用于这种专业咖啡应用的实施例，保留具有特定品种的炒咖啡的特征的有效量的品种风味和香味成分，该提取物是由该炒咖啡生产的。有利地保留在根据本发明的这些实施例生产的咖啡提取物中的品种风味和香味成分是在炒咖啡中存在的相对容易挥发的可提取的化学化合物、或化学化合物的混合物。不同的咖啡品种(如Costa Rican Tarrazu vs.Sumatranmandheling)，或限定的这些品种的混合物或混和物，将典型地占有不同相对量的和/或类型的这些区别不同酿造的咖啡的风味和香味的品种风味和香味成分。存在的这些品种风味和香味成分通常被那些本领域的技术人员用品尝测量(品尝和嗅闻试验)。与生产不含有效量的这些品种成分的相对浓缩的咖啡提取物的典型的在先技术方法不同，本发明可提供保留有效量的相对浓缩的咖啡提取物。
此处使用的“相对浓缩的咖啡提取物”，指一种浓度比咖啡饮料浓度提取物(典型地约1-4％wt溶解的咖啡固体)高的咖啡提取物，并且含有至少约6％wt的溶解的咖啡固体。此处所用的关于保留在咖啡提取物中的品种成分数量的“有效量”指在该浓缩的提取物自身或在通过用附加的水稀释该提取物至饮料浓度以获得的一种咖啡饮料中，提取物中这样成分的浓度足以被品尝咖啡(品尝试验)领域的普通技术人员通过品尝或嗅闻探测到。上面所用的“探测”指由于存在品种成分，这样的试验者辨别用相同方法但由不同种类的炒咖啡生产的提取物的能力。做为选择，可通过对咖啡提取物进行标准化学分析来测定和限定存在的有效量的品种成分。这样的分析可通过对于本领域技术人员很显而易见的各种方法来进行，例如气相色谱、液相色谱、质谱计等等。通过这种方法测定的一种“有效量”的品种成分可通过比较利用一种典型的在先技术饮料酿造法，如在此更详细地讨论的滴落法或蒸馏咖啡法，生产的饮料浓度提取物的分析与利用一种已用附加的水稀释至与进行比较的饮料浓度提取物具有相同总量的溶解固体的一种浓缩的提取物来限定。如此分析的具有一种“有效量”的品种成分的一种稀释的浓缩的提取物将包含约等于或高于作为通过典型的在先技术饮料酿造法生产的饮料浓度提取物的这种成分的浓度。
此外，因为本发明的方法提供生产具有一个宽范围的可溶物浓度，包括高度浓缩的提取物，咖啡提取物的灵活性，所以许多根据本发明生产的提取物在一些实施例中可被直接应用在要求高度浓缩上午咖啡提取物的地方，不必通过除去溶剂来额外增加浓度。例如，根据本发明的一些实施例生产的浓缩的咖啡提取物可被用于生产咖啡浆、咖啡冰淇淋、冰冻咖啡饮料、咖啡香水等等，所有的这些都可显示出优异的风味、甜度、和/或香味，并且保留生产该产品的咖啡的品种特征。对于其它的实施例，它被要求甚至进一步浓缩通过磨碎的炒咖啡的提取生产的提取物，本发明提供新颖的基于过滤的方法，例如反转渗透法，以从提取物中除去多余的溶剂(如脱水)，优选地，不过度地降低稀释提取物的风味和香味品质。这种溶剂除去方法可被特别用于形成在包括用相对大量的提取溶剂彻底地或相对高度的提取磨碎的炒咖啡的实施例中的浓缩的提取物。
本发明也提供可充分灵活地允许生产具有不同浓度和提取程度以适合各种目的和应用的一个宽范围的提取物的方法及装置。本发明的方法和装置也很容易升级以提供生产任何要求量的提取物的装置。根据本发明的小规模形式的装置可被用于家庭或零售/商业使用，而此处更详细地描述的较大规模的装置可被用于咖啡提取物的工业化生产。
根据本发明，用于形成提取物和脱水提取物的本方法，允许提取的程度和咖啡提取物的浓度比典型的在先技术的设备和方法要能被更精确地控制。例如，通常用于家庭和商业使用的典型的滴落型咖啡酿造，典型地每1lb.磨碎的炒咖啡生产约2.5gallons咖啡饮料，产生一种浓度约为1-1.5％wt的典型的溶解的固体。另一种流行的生产咖啡饮料的方法是“蒸馏咖啡方法”，其典型地包括在压力下(依据研磨的精细度和水的流速，典型地约为120-140psig)，驱使热水在一段短暂的时间内穿过精细研磨的炒咖啡，以产生一种“蒸馏咖啡饮料”。这种方法典型地由约1lb.咖啡产生约1gallon咖啡饮料，并生产一种含有高达约4％wt的溶解的咖啡固体的饮料。通常，该“蒸馏咖啡”方法典型地生产一种比滴落方法更甜、更浓缩的饮料，因为它利用更大的咖啡与水的比率，同时也减少了原材料(磨碎的咖啡)的提取程度。根据蒸馏咖啡方法生产咖啡饮料的装置典型地被限制在具有最大容量约为14克干燥、磨碎的炒咖啡的小规模设备。相反地，本发明在某些实施例中提供由大量炒咖啡，在一些实施例中为300-1300lb的炒咖啡，生产咖啡提取物的方法及装置。通过允许使用者根据需要容易地调整生产的提取物与所使用的炒咖啡的比率，本发明也允许根据使用者需要生产各种具有一种品种风味/香味特征和/或浓度的咖啡提取物。例如，根据本发明生产的提取物的范围可从滴落咖啡浓度(每1gallons提取物1lb.干燥的咖啡)或更少至高度浓缩的提取物，例如使用每1gallon生产的提取物2.5lb、5lb、7lb、10lb、15lb、20lb、251b、30lb或40lb干燥的咖啡或更多，产生的溶解的咖啡固体的浓度可超过10％wt、15％wt、20％wt、25％wt、30％wt或40％wt。根据本发明生产的提取物的风味和香味品质根据提取过程中的稀释和提取程度的不同而不同，在炒咖啡的较低程度的提取时，生产的提取物典型地具有最大的甜度，而在较高程度地提取和较多的溶剂稀释时生产的提取物具有更多的苦味和酸味成分，该提取物随后可通过在下面详细描述的过滤/反转渗透进行浓缩。如下面的详细描述，对于一定的应用，，在相对低程度的提取生产的提取物可一选择性地与在较高程度提取生产的提取物混合，以生产具有符合要求的甜度和风味/香味品质的平衡的混合的提取物。这种提取物可选择性地被配方设计以产生一种用于特殊应用的风味/香味平衡；例如，在一个优选的实施例中，在较低程度的提取时生产的一定量的高甜度提取物可与在较高程度提取，并且随后脱水至与高甜度提取物相似的可溶解的浓度水平的一种提取物混合，以生产一种浓缩的提取物，当用足够量的水使提取物复原以产生饮料浓度咖啡时，该提取物产生一种良好平衡的、芳香的咖啡饮料。
现在将参照咖啡提取物的形成说明用于由固体原材料生产可耗尽提取物的本发明方法的基本特征。在基本描述之后，将参照在图1-4中所示的一种提取装置的一个例证性的实施例，更详细地说明每一步骤。
在一些实施例中的本发明的提取方法在某些方面与前面描述的咖啡提取的“蒸馏咖啡方法“相似。本发明的方法利用具有足以包含要求量的固体原材料如炒咖啡的封闭内体积的提取容器、室或场地。对于本领域技术人员显而易见的各种应用可以潜在地使用宽范围的提取容器尺寸和形状。该容器应当易于密封，以便内部体积可被压至要求的水平而没有不符合要求的泄露，并且具有至少一条进口管线和至少一条出口管线，以便流体从那里流过，使连续流动的溶剂穿过包含在容器的内部体积中的固体原材料(如咖啡)。该容器应当也具有用炒咖啡充满内部体积的装置，例如，该容器可包含两个或多个可分离的部件，该部件可被分离开以暴露用于添加的内部体积，和/或可具有一条或多条穿过容器壁的管线，该管线与该内部体积相连接，炒咖啡可通过该管线进入到内部体积中。用于流体流动的进口和出口管线最好是位于容器上，在含有咖啡的内部体积的相对侧，以便基本上所有通过进口管线流进容器，通过出口管线离开容器的流体当它流动-穿过容器时，都基本上穿过全部量的咖啡。该容器的一个优选的构形具有一条或多条位于该容器的顶面或其附近的进口管线，因此，在优选的实施例中，允许发生水性溶剂从超过内部体积中的咖啡的程度穿过咖啡的流动，并且在重力方向穿过内部体积内的该数量的咖啡。这样在重力方向穿过咖啡的流动导致在流动-穿过提取过程中压缩咖啡，并增加了溶剂和咖啡之间的接触，与溶剂朝向与重力方向相反或垂直的方向流动相比较，这改善了提取工艺性能，
本发明所述的用于形成一种咖啡提取物的一种方法的一个实施例包括首先至少部分地，并且最好是基本上全部用炒咖啡填满容器的内部体积。保持某些管线关闭，而安装在与该容器的内部体积流体连接的一条管线上的至少一个阀门打开，该容器至少部分充满水性溶剂。在一些实施例中，可通过容器顶部的进口管线填充该水性溶剂，或者更优选地，至少一部分开始填充该容器的水性溶剂可通过使水性溶剂穿过一条或多条安装在容器底部附近，例如所用的过滤筛下面的管线流进容器来完成，该管线在提取过程的其它步骤中作为提取物出口管线或排水管线。在开始填充水性溶剂的过程中，通过背后冲洗该筛，该后面的填充过程可帮助减少潜在的细炒咖啡堵塞过滤筛(参考图3和下面的讨论)。
优选地，加入足够的水性溶剂，以填充容器中该数量的炒咖啡的空隙体积，并且完全覆盖和润湿该炒咖啡。出口管线优选地通过至少一个可控制的阀门装置关闭。此处所用的“可控制阀门“指可以用手或自动化操作的阀门，例如，用手旋转或计算机控制和开动，如操作者要求的，在任何要求的时间和在各种要求的条件下的打开、关闭、和/或部分打开或关闭该阀门。这样的阀门可以是对本领域技术人员显而易见的闸阀、球阀、球状阀、针阀等等，并且区别于在一种预置的条件下没有操作者控制而打开和关闭的阀门，诸如，例如一种偏置的减压阀。在优选的实施例中，与咖啡接触的水性溶剂的温度高于室温，最优选地，它在190至212华氏度。
在该提取方法的优选实施例中，在上面略述的填充步骤之后，接着该炒咖啡经受新颖的“压力-处理”步骤，该步骤促进咖啡的彻底润湿，并消除气穴或空气通道，水性溶剂也渗透进入咖啡微粒本身，以增加提取的效率。压力-处理步骤是通过增加含有咖啡和水性溶剂的容器内的静压力至预定的并可控制的压力值，同时保持出口阀门处于关闭形态以防止来自容器的提取物的任何流动来完成的。可通过加入另外加压的水性溶剂加压该容器，或者选择从外部的加压气体源通过一条与容器连接的进口管线加入加压气体至该容器中。在发生提取物的流动以前，该压力保持一段要求的时间。在该“压力-处理”步骤中使用的压力的最佳值根据炒咖啡是以整个豆子的形式，还是以磨碎的形式、研磨的精细度(对于磨碎的咖啡)、咖啡的类型、炒的程度等等来决定，并且应当由操作者对于生产一种符合要求特征的提取物的给定条件，使用常规实验和/或优化来决定。通常，咖啡的研磨越粗糙，由压力-处理产生最大效益应当需要的压力越高。已经发现，对于许多类型的磨碎的咖啡(例如，使用一种Bunn咖啡研磨机(HVG，Bunn-o-matic，springfield，IL)，在4.0位置，或炒咖啡研磨至与使用滚筒辗粉研磨机研磨相似的粗糙度)磨碎的炒咖啡，在压力-处理步骤中的压力最好为至少约40-50psig，在一些实施例中至少约100psig，并且在某些优选的实施例中，在120与132psig之间。对于使用较粗糙磨碎的咖啡和整个豆子的咖啡的实施例，压力最好为高于该范围，例如150-1000psig或更大。在开始流动以前，该压力在非流动状态下保持一段预定的并可控制的时间。处理的时间可从几秒到几分钟不同，典型的静压处理时间为约10-30分钟。
当静态压力-处理步骤完成时，出口阀门至少部分打开以建立来自该容器的提取物的流动，并且对于一些实施例，额外的水性溶剂通过一条进口管线同时加入容器中。在流动-穿过提取的过程中，出口管线上的阀门可被控制以保持容器内的符合要求的压力值。因此，操作者通过控制出口阀门选择和控制容器内压力的能力使提取过程中压力及容器内的调节和控制不依赖咖啡研磨的精度或今年口溶剂和/或气体的流速。对于要求一种非常浓缩的提取物的实施例，在来自容器的该提取物的流动过程中，供给很少的或不额外加入水性溶剂。对于其它的实施例，供给计量的、要求量的额外的水性溶剂，以产生符合要求水平的提取物及最后提取物的浓度。
在供给了一符合要求量的额外的水性溶剂之后，溶剂的流动停止，并且通过出口管线收集提取物，典型地，直到容器与大气压平衡为止。在本方法的优选的实施例中，在此点，磨碎的咖啡的空隙体积中存在的残留的提取物被除去，并且通过供给容器一流体，简而言之为气体(在标准温度和压力下)的流动-穿过与容器连接的进口管线来回收，其直接与封闭的内部体积流体连接，来自容器外部的压缩气体源。该流向容器的气体取代了来自湿咖啡的提取物，该提取物由出口管线收集并加入在前述的步骤中收集的提取物中。用气体清除湿咖啡允许高浓缩的提取物出现在通过湿咖啡微粒之间和内部的空隙限定的空隙体积中，它被回收，而不是如典型的蒸馏咖啡型咖啡提取设备那样浪费掉。它也考虑到用与在先技术方法相比少量的稀释和较低的提取程度来收集给定体积的提取物，在先技术方法中，用额外的溶剂使所有收集的咖啡受到来自咖啡的压力。在优选的实施例中，用于清除咖啡的气体不是用作溶剂，因此，不能进一步提取或稀释收集的咖啡提取物，本发明中使用的优选的气体与溶剂、提取物及固体原材料相比相对惰性。压缩空气可用于本文中，但是特别优选的气体包括不含氧的惰性气体如氮或惰性气体如氩、氦等等。此处所用的“惰性气体”指不与固体原材料、水性溶剂以及水性提取物不反应的气体，并且不会显著地影响水性提取物的风味或香味特征。不会相反地影响提取物的风味的优选的气体在水性溶剂中也基本上是可溶的，只是保守地可溶或者不是非常可溶的。例如，气体，如二氧化碳，其在水性溶剂中非常易溶，并产生“碳酸化作用”，它通常不优选用于本发明。也优选在室温或低于室温下把气体提供给容器，以便有利地冷却固体原材料和防止释放进入提取物中的脱离的风味/香味。
根据操作的需要和要求，可以改进上面所述的本发明方法的步骤，或者删除某些步骤，或者增加另外的步骤。例如，在该方法的一些实施例中，可以省略静止压力-处理步骤。在这样一个实施例中，在用干燥的炒咖啡填满容器的内部空间之后，可建立水性溶剂穿过咖啡的连续流动，通过调节出口管线上的可控制的收集提取物的出口阀门和/或通过控制水性溶剂的进口流速，其动压头是可以控制的。然后，在提供了符合要求的预定体积的用于提取的水性溶剂之后，溶剂流动停止，并且用前述的气体清除留在湿咖啡中的提取物。在一些要求特别浓缩的提取物的实施例中，上述提供的预定体积的水性溶剂基本上等于容器内包含的干燥的炒咖啡的床的空隙体积。
上述的本发明方法也有灵活性，可被用于由单一量的固体原材料提供各种不同浓度和提取程度的提取物。例如，相同量的固体原材料可经受上述方法的多重、反复应用，以由相同给定量的固体原材料生产各种提取物，每种提取物具有表明提取程度的不同的浓度和/或风味/香味特征，由第一次透过提取步骤生产的提取物是最浓缩的并具有最甜的风味/香味特征，而随后的提取物逐渐变弱，并包括更多苦味和酸味/风味成分。使用这样的多重循环方法来进行多重提取可以考虑到用于各种目的的各种提取物的消费产量，通过选择性地混合两种或多种上述提取物可以获得甚至更多的提取物，而且同时增加了来自给定批量原材料的的利用性及产量。在一些实施例中，此处描述的改进的多重循环方法可与由相同橄榄的多步压榨生产不同品质的橄榄油(如超纯洁的、天然的等等)的方法类似。在该情况下，可利用相同批量的炒咖啡，由多重循环生产不同品质的咖啡提取物。此外，如果需要，从循环生产的提取物可被重新循环，并被用作或同样充满固体原材料，或新鲜装填的固体原材料的随后提取循环的水性溶剂。
如下面详细描述的，也是在一些实施例中，在炒咖啡的较高程度的提取时生产的提取物，典型地用水将其更加稀释，通过使用本发明的过滤方法的渗透，从提取物中除去一部分水性溶剂，该提取物在咖啡固体中被有利地浓缩，因此他们具有等于或大于通过第一次透过提取生产的提取物的固体浓度。然后，具有更平衡的甜/苦风味/香味特征的混合的提取物可通过选择性地混合第一次透过的提取物与随后的已被浓缩而总固体浓度没有任何稀释的提取物来生产。作为选择，该提取物可在提取之后，脱水以前混合在一起，并且接着该混合的提取物经受脱水，直至达到符合要求的最后的咖啡固体浓度为止。此外，利用本发明过滤方法中的某种方法，如反转渗透法或纳米过滤法，从该提取物中除去的水性溶剂可以含有能给予它作为产品的经济价值的物质(如咖啡因)。利用某种本发明的过滤方法，如反转渗透法，从该提前物渗透除去的水性溶剂因为具有较低的矿物硬度，也可以具有增加溶剂化能力，以进行随后的咖啡提取。在一些实施例中，也可以重复使用这样的渗透，用作在先前提取量的炒咖啡上进行随后提取循环的水性溶剂或其一种成分，，或者可被用作在新填充的炒咖啡上进行新的、第一次透过提取的水性溶剂或其一种成分。
图1-4示意性地表示用于进行本发明所述方法的一种工业规模的提取装置和系统10的一个实施例。应当注意的是，对本领域技术人员显而易见的一些成分没有必要标示在图中，并且成分的特别的排列只是例证性的，其成分可以被重新配置，或其它本领域技术人员显而易见的相互连接、取代或结合。首先请参考图1，该装置包括具有可移动顶盘12和可移动的底盘13的圆柱形压力容器11。该装置可被拆开以允许检查、清洗和/或替换内部元件。在其它的实施例中，特别是对于小规模系统，该容器可以是不可拆开的单个元件。顶盘12和底盘13通过连接器连接到主圆柱体11的整个法兰上，该连接器可以是螺母和螺钉型。典型地，在盘12或14与主体11上的法兰之间可包括密封衬垫或垫圈。虽然在例证性的实施例中，该顶盘和底盘具有基本上平的、盘状构形，但是在其它实施例中，特别是对于非常大容量的提取设备，例如那些能够容纳1000lbs或更多的固体原材料的提取设备，顶部和底部“盘”中的一个或两者都可以具有穹顶状的、半球状形状，以使对于一给定的截面厚度，它能够经受住更高的压力。在一些实施例中，容器的可拆开性不是关键的，该顶和/或底盘可与主圆柱体整体地结合，或者用永久的连接方式，如焊接，连接到主圆柱体上，以增加容器的抗泄露性和/或消除使用衬垫和连接器的必要。该容器和其它与水性提取物或水性溶剂相接触的元件，最好是由相对惰性和非反应性的物质制成，诸如，如不锈钢。该压力容器11被制成和安排成能够经受住最大的可预见的操作压力。在所示的一个具体实施例中，该容器11的尺寸为可容纳约300lb的炒咖啡。在图4的剖视图中所示的该容器11的内部体积75可具有约24英寸的内部直径、约48英寸的高度和约12.5立方英尺(约90加仑)的体积容量。通过多条支撑腿15，坚硬的固体表面支撑着该容器。在另一个实施例中，该容器的尺寸达到可容纳1300lbs的炒咖啡，可具有约38英寸的内部直径、约96英寸的高度和约62.5立方英尺的体积容量。
参考图1，通过一条或两条原材料管线17和19把咖啡或其它的固体原材料注入该容器11中，管线17和19各自与穿过顶盘12的孔相连接。每一条原材料管线包括阀门，阀门18在在管线17上，阀门20在在管线19上，该阀门可打开以注入咖啡，并且随后关闭以密封该容器11。典型地，当把咖啡注入容器11时，咖啡通过至少一个阀门被注入，同时，该装置上至少另一个阀门打开至大气以允许取代的空气溢出。在其它的实施例中，取代配置两条原材料管线的提取设备，提供最好是位于顶盘的中部的单条原材料管线。在一些实施例中，特别是对于非常大型的提取设备，使用一种可安装在原材料进料管线包括的阀门(如18和/或20)上的螺旋推运器或其它类型进料器(未示出)，通过把炒咖啡加入原材料中来将炒咖啡注入该容器中。在某些这样的实施例中，当要将该容器加料至符合要求的、预定值时，可自动化操作该螺旋推运器或其它类型进料器，以填充该容器和停止地加料。在这样的一个实施例中，该容器也可包括水平传感器，诸如那些通常在食品和奶制品领域用于检测罐槽材料的水平的传感器，该传感器电连接在控制器上，当提取设备中检测到符合要求的、预定的材料水平时，该控制器程序控制地/设定关掉进料器。
从图2中所示的俯视图可更清楚的看出原材料管线的位置。在其它的实施例中，管线也可以位于不同于所示的位置，或者该装置可以具有更多、更少或没有原材料管线。例如，对于一些非常大型的提取设备，它可以有利地包括四条、或更多条原材料管线以减少填满容器需要的时间。如前面所述，对于一些提取设备，可以配置单条原材料管线，或者对于小规模的提取设备，该容器可以没有原材料管线，在此情况下，该容器要求可被拆开以填充固体原材料。
在一些实施例中，当容器11填满了固体原材料时，可搅拌该容器，以便促进原材料在该容器的内部体积75里的沉降。对于图1所示的实施例，通过气体操作的箱式振动器70提供搅拌，该箱式振动器70通过管线72和阀门71连接到外部气体源41。对于利用箱式搅拌器的实施例，优选箱式搅拌器位于离底盘1 3约三分之一该容器高度位置处。该装置10的其它实施例不包括箱式振动器。在这样的实施例中，如果需要，可提供搅拌器，例如用橡胶或木制的槌棒敲打该容器11，或者把该装置放在振动的平台上。可选择地，代替通过使用搅拌器分布和沉淀该固体原材料，该容器的内部体积75内可包括分配元件，以完成相同的目的。
如图1、2和4所示，该装置10也包括一种水性溶剂进口管线46(参见图2和4)，该进口管线46通过管线49和阀门47与外部热水源32流体连接。在管线46上包括温度读取设备48，以测量管线46中流体的温度和/或该容器11的内部体积75的温度。在所示的实施例中，该容器11的内部体积75的温度是通过控制热水源32的温度来控制的。在选择性的实施例中，特别是那些包括相对小规模的提取设备的实施例中，可以直接加热容器11，例如用蒸气套或热水套，或者使用整体电阻加热或其它本领域技术人员显而易见的加热方法。如图4所示，水性溶剂进口管线46与喷头63流体连接，该喷头位于该容器11的内部体积75里面。喷头被制成和安排成在内部体积75内形成的固体原材料床的顶部相对均匀地分配热水。各种工业喷头可用于此目的，如一种多个气流固体冲洗喷嘴(Lechler，St.Charles，iL)。喷头的出口最好是被放置在固体原材料床的典型的加料管线65的上面。
在该容器11的顶盘12上也包括一条气体进口/出口管线33(参见图1)，该管线包括T形连接器34。T形连接器34通过管线39和40及阀门38与外部压缩气体源41流体连接，并通过阀门35和出口管线36与大气相通。在可选择的实施例中，代替具有通过T形连接器与压缩气源和出口管线两者都流体连接的单条进口管线，该容器可代替配置两条直接与该容器的内部体积75连接的分开的管线。如图所示，具有与两条不同时使用的外部管线流体连接的单条管线减少了在该容器11的盘12和盘13中必须进行的操作的量。当通过顶盘12上的管线46和/或通过底盘13上的管线23，和/或通过无直接关系的管线42和/或55，该容器11的内部体积填满水性溶剂时，通过关闭阀门38和打开阀门35，管线33可用于排出或“打嗝”来自容器的取代的空气。在如上面提及的实施例中，包括在容器内的自动水平检测，在容器内的水平检测探测器被设定成可检测容器内的液体水平，并控制打嗝阀门35和水性溶剂进料管线上的阀门，水性溶剂通过该阀门加入到容器中，以便在自动控制下进行上述的加料/打嗝步骤。当在压力-处理步骤过程中加压容器的内部体积75时，或当提取以后从床上清除残留提取物时，通过关闭阀门35和打开阀门38，管线33可用作气体进口管线。管线39包括压力测量设备37，该设备用于在操作过程中测量该容器11的内部体积75内的压力。
如图1所示，在底盘13上包括一条通过底盘13上的排水孔与该容器11的内部体积75流体连接的提取物出口管线23。水性溶剂通过管线23，穿过球座24、可控制阀门25和管线27离开该容器11，到达冷却器28，该冷却器将提取物的温度降到低于室温，以防止风味的降级和/或香味的损失。冷却的提取物通过管线29排出，并可被收集在容器30中。在优选的实施例中，容器30是密封的容器，其顶部空间充满和/注满一种惰性气体，如氮气，以便防止该提取物暴露在大气的氧气中。如下文图6-8中更详细的描述，容器30也可用作本发明的除去溶剂的过滤系统的物料容器，该过滤系统是在一些实施例中为浓缩该咖啡提取物而利用的。热水源32也通过阀门26和管线31与球座24和管线23流体连接；在一些实施例中，可使用热水源管线31，以在如前面所述的容器填满了炒咖啡之后，通过管线23向容器添加水性溶剂，此外这些管线用于下面详细描述的新用尽材料排出法。
在流动-穿过提取过程中，为了防止固体原材料通过管线23排出该容器，在容器11中，管线23的上游包括过滤件。过滤件的优选的布置示于图3中，并且截面图示于图4中。该优选的过滤件包括具有孔的多孔筛，其中孔小到足以保留基本上所有的固体原材料。在优选的实施例中，该多孔筛包括商业上可获得的(例如，U.S.Filter，Johnson Screen Division，St.Paul，mn.Model63V，具有尺寸为0.020的长孔)V形金属网型筛，保持朝向固体材料床的表面，具有约25％的开放空间。如图4中更清晰的示意，用底盘13支撑多孔筛58，该盘包括多个通道和凹槽59，该通道和凹槽制造和安排成可指引水性提取物穿过多孔筛58流动到水性提取物出口管线23。多孔筛58提供保留固体原材料床的支柱和装置，并具有一直径，该直径最好基本上与容器11的内直径相等。多孔筛58也可通过螺丝钉或任何其它合适的连接装置连接到底盘13。在一些其它的实施例中，过滤件可被安置在内部体积75的任何地方。在其它的实施例中，过滤件可能是一种直接安置在提取物出口管线23的上游或甚至其内部的较小的筛子或过滤器。本领域技术人员显而易见的过滤件的宽范围的布置是可能的；所有的这些都包括在本发明的范围内。
如前面所述的，提取装置10也包括一种用于从该容器11的内部体积75排出用尽的固体原材料，并且为了在提取已经完成之后，进行随后的提取以前清洗该容器的元件的新布置。所示的元件的布置允许用尽的原材料从提取装置10排出，并且允许进行清洗而不必拆开该装置。在该实施例中，如图1所示，该冲洗系统包括用尽材料废料出口管线21，该管线包括阀门22，其与废料收集系统，如下水道，流体连接。如图4所示，由管线21开口于容器11的内部体积75内的出口端60最好直接安置在多孔筛58的上面。在可选择的实施例中，未示出，代替包括穿过容器11的侧壁的孔安置在筛子上面的出口端60，该出口端可改为安置在底盘上，并与容器的内部体积连接，以便通过安置在其附近，并与底盘上的出口端流体连接的多孔筛中的孔排出用尽的固体原材料。对于这样可选择的实施例，可包括衬垫或其它的密封装置，以流体地隔离用尽材料出口端与来自提取设备的提取物在此收集和流动的多孔筛的下游侧，以便防止用用尽的固体原材料污染收集的提取物，这对于本领域的技术人员是显而易见的。
一种优选的冲洗结构包括一条制成和安排成可从后面冲洗该过滤件的流体供给管线。在该实施例中，向后冲洗是通过管线23这样进行的：首先关闭阀门25，然后打开阀门26，以便流体，在实施例中为来自加压的热水源32的热水，通过现在用作进口冲洗管线的管线23进入容器11中，从而从后面冲洗多孔筛58。典型地，在冲洗过程中，阀门22将打开，以允许从容器11中除去用尽的材料；然而，在一些实施例中，在至少一部分冲洗过程中，阀门22可以关闭，允许容器11的内部体积75至少部分充满液体，以便分散和液化用尽的材料。在可选择的实施例中，管线31也可以与加压气源流体连接。在这样的实施例中，或气体、液体、或气-液两相流体可被用于从后面冲洗该过滤件并冲洗出用尽的固体原材料。
也包括在该优选的实施例中的是另外附加的冲洗管线42和55(参见图1和3)，该管线通过用于冲洗管线42的阀门43和管线44、用于冲洗管线55的阀门56和管线57以及连接到管线44和57的热水源32流体连接到加压的冷水源45，例如通过连接管线44a和三通阀门43a。如前面讨论的，在开始的提取过程中，充满固体原材料之后，在水性溶剂开始加入容器的过程中，这些附加的冲洗管线也可有利地用作填充管线的热水性溶剂。管线42和45两者都被安置在大致与容器11的圆柱体壁相切的平面上，其在容器11的内部体积75内的开口(例如，参见图4管线55的开口61)垂直安置在多孔筛58上方约与该实施例中出口端60至用尽材料废料排出管线21相同高度的位置上。该冲洗管线42和45相对于容器壁的附加取向趋向使容器内的清洗液体产生漩涡、涡流式流动方式，这有助于彻底地通过管线21从容器11中除去用尽的材料。此外，至少一条附加的冲洗管线(在实施例中是管线55)最好安置在以便容器壁上的开口61引导冲洗液体进行易发生在出口端60倾斜流动，用尽材料通过其排出容器11，以便驱动泥浆材料穿过管线21而废弃掉，并且防止出口端60堵塞。在其它的实施例中，可以使用超过两条附加的管线以增加用尽材料的除去，例如对于非常大型的提取设备，或者选择性地只是可使用单条管线。对于小的提取设备，附加的冲洗管线典型地不需要有效地从容器中除去用尽材料。
在该实施例中，在图2和4中可以最清楚地看出，也包括一条可选择的穿过顶盘12的冲洗管线62。冲洗管线62通过球座50、阀门51及管线53(冷水)，或阀门52和管线54(热水)与加压冷和热水源流体连接。冲洗管线62最好连接到安置在容器11的内部体积75内的可旋转的喷嘴64上。当供给加压流体时，可旋转的喷嘴64将旋转并喷射流体，以便有效地冲洗容器11和顶盘12的壁及内表面。各种商业上可获得的旋转喷嘴可被用于此目的。该实施例使用旋涡槽喷嘴(Lechler，St.Charles，IL)。其它的实施例可以包括另外的冲洗管线和旋转喷嘴，然而，在另外的实施例中，可以除去冲洗管线62，并且可以通过只利用管线46和喷头63来完成冲洗，在一些实施例中，用于清洗目的所使用的水可以包括一种或多种本领域公知的清洁和/或防腐剂。
提取装置的操作
参考图1-4所示的装置，下面进行使用上述装置的典型的咖啡提取过程。在该过程开始时，所有的阀门处于关闭状态。然后通过打开阀门52以建立加压热水通过旋转喷嘴64向容器的流动而预热该容器11。当从压力测量设备37所读出的容器内的压力大约等于热水源的压力时，打开提取物出口管线23下游的阀门25，以建立热水向排水沟或冷却器28的流动，接着关闭阀门52。然后打开阀门38，以通过管线33提供加压气体给容器，加压气体最好是惰性气体，如氮气。维持气体流动，直到观测到不再有液体离开容器为止。然后通过关闭阀门28使气体流动停止，该容器与大气压力平衡。提取物出口管线23下游的阀门25保持打开。
接着通过打开原材料管线17和19上的阀门18和20，把符合要求量的干燥的咖啡加入容器中，并且通过管线17和19将咖啡倒入或加入容器中直到容器基本上满为止。然后，通过打开阀门71以提供气体流动至箱式振动器70，以便使干燥的咖啡沉淀，或者选择性地，如果需要，用槌棒轻敲容器。选择性地，可以不用搅拌容器，而通过短暂地打开阀门52和/或47，和/或26，和/或43，和/或56，以便在加入咖啡的过程中，在一个或多个时间间隔内提供热水给咖啡，或者在咖啡已经被加入以后，使咖啡增湿和沉淀。如果需要，在关闭阀门18和20之前，现在可以加入更多的咖啡，以便更完全地填满容器。接着，部分打开阀门47，以便通过水性溶剂进口管线46给容器提供加压的热水。当提取物出现第一次从管线29流出的迹象时，提取物出口管线23的下游阀门25被关闭，并且容器充满了符合要求量的热水。在容器中填满水而“打嗝”放出气体的过程中的某点，或手动或自动控制至少部分打开出口管线36上的阀门35；当观察提取物从管线36流动时，关闭该阀门35。加入咖啡中的热水的体积最好等于或大于咖啡床的空隙体积，以便所有的咖啡都被润湿。在一些实施例中，该体积基本上等于该床中存在的空隙体积。如上所述，在该阶段，容器也可通过管线46、23、42和55中的一条或多条，填满热水性溶剂。接着，或通过打开阀门47利用加压的热水，或通过打开阀门38利用加压的气体，将该容器加压至进行静态压力-处理步骤所要求的压力(典型地约40-132psig)。在没有流动的该容器中，保持该压力一段符合要求的时间(典型地约10-30分钟)。接着，可控制地打开提取物出口管线23下游的阀门25，以便开始符合要求的，提取物穿过管线27和冷却器28和进入收集容器30的流动速率。对于一些实施例，在该步骤过程中，根据要求的提取物浓度和提取程度，可打开阀门47，向容器中加入计量的热水，以便通过流动-穿过提取步骤进一步提取容器内的咖啡。在该流动-穿过提取过程中，可通过调节提取物出口管线23上的阀门25，和/或热水进口管线46上的阀门47，可控制容器内的压力。对于在压力-处理步骤之后已经加入额外量热水的实施例，在流动-穿过提取过程中，在已经供给了要求量的日外溶剂水以后，关闭阀门47以停止从热水源的流动。然后打开阀门38，使压缩气体通过管线33进入容器中，以便冲洗来自咖啡床的空隙体积的残留的提取物。当观察到从提取物收集管线29的气体流动时，关闭阀门47。在该点时，提取过程完成，该容器可被用于随后的利用相同咖啡原料的提取过程，生产一种更彻底提取炒咖啡的，具有更苦/酸风味/香味特征的提取物，或者从容器中除去用尽的咖啡。对于要求最大浓度提取物的实施例，在压力-处理步骤之后，可立即用气流从床上冲洗提取物，不用给流动-穿过提取步骤提供额外的热溶剂水。
为了从容器中除去用尽的渣滓，关闭提取物出口管线23上的阀门25，并打开用尽的材料废料管线21上的阀门22。然后打开阀门26，用加压的热水穿过管线23从后面冲洗多孔筛58；打开阀门43和56，以便提供加压的水，分别流动至附加的冲洗管线42和55，并打开阀门51或52，通过管线62提供加压的冷或热水给可旋转的喷嘴64。在观察到离开废料管线21的液流清澈和干净之后，关闭给用于冲洗的不同管线提供积压水的阀门；关闭废料管线21上的阀门22，该过程结束。通过阀门26后的孔阀门25也可冲洗提取物出口管线27、冷却器28和提取物收集管线29，阀门26指引加压水由水源32穿过管线31、阀门26、球座24、阀门25、管线27、冷却器28以及管线29。
如前所述，本发明也提供为了浓缩涉及可溶解的或悬浮的可耗尽材料的提取物，而从该可耗尽的提取物中除去多余溶剂的方法。应当理解的是，此处所述的本发明基于过滤的浓缩方法可被用于浓缩一个宽范围的由提取宽范围的固体原材料生产的可耗尽提取物，诸如那些在前面讨论的本发明的提取方法。也应当理解的是，虽然在一些优选的实施例中，本发明的浓缩方法被用于浓缩使用上述本发明的提取方法和装置生产的提取物，在其它实施例中，此处所述的新颖的浓缩方法也可被用于浓缩通过在先技术已知的用于形成可耗尽提取物的宽范围的其它提取方法生产的可耗尽提取物。关于上述的提取方法，下文参考包括炒咖啡水性提取物的浓缩的具体实施例，说明本发明的提取物浓缩方法；然而，应当理解的是，此处所述的方法和装置不是有限的，该方法和装置可以使用通过本发明范围内的宽范围的提取方法生产的宽范围的其它可耗尽提取物。
图5是用于浓缩一种可耗尽提取物，例如一种通过上述提取方法生产的咖啡提取物，的基于过滤的系统的一部分的草图。图5表示过滤器100的截面图，该过滤器包括过滤介质102，其把过滤器分成滞留侧104和渗透侧106。此处所用的词语“过滤器”广泛地指任何包含过滤介质并能够进行液体过滤的装置或系统。此处所用的“过滤介质”指任何介质、材料或物体，其具有足够的渗透压，允许液体溶液或悬浮液，如咖啡提取物，中的至少一种成分，如一种溶剂，穿过介质，同时保留和防止至少一种溶液或悬浮液中的其它成分如溶解的溶解物成分通过。根据本发明，可以使用宽范围的过滤器和过滤介质来浓缩可耗尽提取物，如咖啡提取物。
根据本发明可被利用的过滤器可包括本领域已知的宽范围的结构，例如凝胶渗透过滤器，以及宽范围结构的膜过滤器，如平板过滤器、中空纤维过滤器、螺旋过滤器、管式膜过滤器和其它对于本领域普通技术人员显而易见的结构。优选的过滤器使用包含一种半透性膜的过滤介质。可由宽范围的材料，如陶瓷制品和其它无机材料，或有机材料如聚合物，制造这样的膜。本发明的某些优选实施例利用一种包含一种半透性聚合物膜的过滤介质。该聚合物膜可由宽范围的聚合物材料制得，并制成具有宽范围孔隙和分子大小独特特性。该膜在过滤领域是熟知的，并可广泛的从商业上获得。例如，聚合物膜可潜在地由包括但不限于以下的聚合物制成：聚酰胺、纤维素和/或纤维素酯、聚砜、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯氧化物、聚丙烯氧化物、聚偏二乙烯氟化物、聚四氟乙烯、聚丙烯酸酯、其它在过滤和膜分离领域已知的共聚物和/或化合物。
参考图5，本发明浓缩方法的基本步骤可包括提供要被浓缩的提取物给过滤器100的滞留侧104，使包括至少一部分提取物的溶剂成分的渗透物穿过过滤介质102，如箭头108所示，并且从过滤器的滞留侧104收集该浓缩的且溶剂减少的提取物，选择地从过滤器的渗透侧106收集渗透物。在一些实施例中，可以以没有出口的模式操作过滤器100，滞留物直接附带地向过滤介质基本上没有流动或只有非常少的流动，或者在更优选的实施例，可以如所示的交叉流动模式操作过滤器，保持一种滞留成分直接附带地流向(箭头109)过滤介质，以便防止淤塞并增加过滤器的过滤效率。
最好选择具有空隙和临界分子量能够允许提取物的溶剂成分诸如水通过，同时使形成提取物的风味和/或香味成分的可溶解的或悬浮的溶解物保留在过滤器的滞留侧。对于该方法被用于咖啡脱水的实施例，过滤膜102最好选择那些能自由地透过水，而同时在滞留侧保留提取物中可溶咖啡固体的实质部分。此处所用的“实质部分”在本文中指给予保留的提取物“有效量”的如前面定义的品种成分所要求的一部分咖啡固体。在一些优选的实施例中，保留至少90％的咖啡固体，甚至在更优选的实施例中，基本上所有溶解的包括风味和/或香味成分的固体都通过过滤膜保留在过滤器的滞留侧。对于涉及咖啡脱水的优选的实施例，该过滤膜102包括反转渗透膜或纳米过滤膜。此处所用的“反转渗透膜”指具有小于约0.003微米平均孔尺寸和小于约1000Da.的临界分子量的膜。此处所用的“纳米过滤膜”指具有约0.001微米至约0.01微米范围的平均孔尺寸和约300Da.至约2000Da.的临界分子量的膜。在一个优选的实施例中，过滤器膜102包括聚酰胺纳米过滤膜，在另一个优选的实施例中，该过滤器膜包括螺旋缠绕的多层薄膜组成的反转渗透膜，如可从道化学公司买到的FIlMTEC反转渗透膜。
根据本发明，通过一种更稀的前体提取物脱水形成一种浓缩的咖啡提取物的浓缩方法，可通过在压力P1下，提供相对稀释的咖啡提取物给过滤器100的滞留侧104来进行，该压力P1足够超过过滤器的渗透侧106的压力P2，以便驱使溶剂穿过膜102，而把咖啡溶剂的实质部分保留在滞留侧104，这样，使溶解的咖啡固体在滞留侧的浓度c1增加到超过前体咖啡提取物中的浓度。过滤过程可继续进行，直到达到符合要求的浓度c1。该系统可被监控，例如通过测量由过滤器的渗透侧收集的渗透物的体积，并把收集的渗透物的体积与咖啡提取物在开始过滤过程之前的初始体积进行比较来监控，和/或测量滞留物的电导率和测定溶解固体的浓度，通过对比标准曲线来来监控。例如，对于要求在最初的咖啡提取中，通过二因素中之一因素来减少溶剂体积的实施例，这样就通过大约二因素中之一因素增加了咖啡固体在浓缩的提取物中的浓度，该过滤过程可继续进行，直到收集的渗透物的体积大约等于供给过滤器滞留侧的提取物初始体积的一半为止。
过滤器尺寸，例如通过测量用于过滤的膜102的平面表面110的总面积，应用的压力差(P2-P1)、流速和其它过滤器的操作参数，以及过滤膜的临界分子量和孔尺寸，必须根据每个具体要求的应用来选择。可根据下列因素来选择这样的参数：在一段具体的时间内要求浓缩的提取物的总体积、在提取物中要求保留溶解的和或悬浮的成分的浓度和尺寸、过滤器具体的结构以及其它对于本领域普通技术人员显而易见，如在许多诸如“perry’s化学工程师手册”(第六版，Robert h.Perry，Don W.Green，和James O.maloney，Eds.，1984，17章)的标准文本中所述的因素，在此引入作为参考。如下面参考图6-8所述，许多用于进行反转渗透或纳米过滤的过滤系统可存在商业上获得，并且其大小和设计可用于处理宽范围种类和量的液体溶液/悬浮液。
对于具体应用，必须通过常规试验和优选法来具体选择操作参数。例如，可以进行筛选试验来选择合适类型的过滤膜和临界分子量，该试验如下：用具体膜进行稀释物，例如饮料浓度咖啡提取物的试验过滤，直到获得要求的脱水程度，接着从过滤器的滞留侧收集浓缩的提取物，用与在过滤过程中除去的渗透物体积相等体积的新鲜溶剂水使浓缩的提取物复原，并通过如前所述的品尝，比较重新复原的提取物与最初的饮料浓度提取物的味道和/或风味特征。可以根据膜过滤/分离的熟知的原理来选择操作压力、过滤器大小、流速以及其它操作参数，该原理在许多熟知的，并很容易获得的描述过滤/反转渗透的文章中进行了描述，例如上文参考的McCabe，Smith和Harriott著的“Perry’化学工程师手册”，“化工单元操作”(第四版，KiranVerma和Madelaine Eichberg，Eds.，1985)，在此引入作为参考，结合了常规试验和优选法。典型地，对于具有如上所述选择的临界分子量和孔隙的给定过滤膜，选择总膜面积，以便在过滤介质和过滤器系统元件的材料限制所规定的可接受的压差范围内，提供要求范围的渗透物通过量(即过滤的体积/时间)。
如图5所示，当过滤咖啡提取物以形成更浓缩的咖啡提取物时，随着时间的过去，咖啡固体112层可以具有趋向于堵塞过滤器膜102的滞留侧110。从降低给定压差下穿过膜102的过滤速率的立场，和从由过滤器的滞留侧收集的滞留物中的咖啡固体浓度c1的损失的立场，这都是不符合要求的。在一些优选的实施例中，在过滤过程中的一处或多处，可向后冲洗膜102，通过在一段短暂时间内提供相对小体积的向后冲洗溶剂(在一些实施例中，其可以包括在过滤过程中收集的渗透物)给膜102的渗透侧114，并通过在渗透侧产生高于过滤器的滞留侧压力P1的压力P2，驱使向后冲洗的溶剂穿过膜102，以箭头116的方向，从过滤器的渗透侧106到达过滤器的滞留侧104。在该方法中，可把膜102上形成的咖啡固体层112从膜上移去，以便提高它在随后的过滤过程，以及使咖啡固体112重新悬浮在过滤器滞留侧104存在的浓缩的咖啡提取物的总过滤速率。因此，使用该向后冲洗过程可增加总回收量和咖啡固体在脱水的提取物中的浓度，这可导致形成更有价值的脱水提取物产品，该产品增强了浓缩之前的最初前体咖啡提取物的风味/香味特征的保留。也应当注意的是，在一些实施例中，在咖啡提取物的脱水过程中，从过滤器的渗透侧106收集的渗透物可包含具有经济价值的成分，如咖啡因。对于这样的实施例，该渗透物可以被收集并被用作其它食品或药物产品的组分或成分。
图6所示为根据本发明用于脱水和浓缩咖啡提取物的一个例证性实施例的过滤系统。如图所示的过滤系统150，为各种可买到的反转渗透/纳米过滤系统的代表，如可从PROSYS公司(Chelmsford，MA)买到。在本发明的一个具体的实施例中，过滤系统150包括改进的PROSYS型号为No.400的系列反转渗透系统，其具有名义上设计为1加仑/分钟的渗透物流速。在例证性实施例所示的该系统由食品/药物级材料制成。在一些实施例中，该系统还可包括各种附加的阀门、开关、压力表、传感器、温度探测器、基于电子/微处理的监视器/工艺控制硬件和软件等等，除了所示的具体元件以外，其它对于本技术领域的普通技术人员是显而易见。在例证性实施例所示的系统150包括平行排列的四个滤筒152、154、156和158。所示的每个滤筒包括型号为No.TFC-4921S的螺旋缠绕滤筒(Koch MembraneSystems，Wilmington，MA)。每个滤筒包括约7.5平方米的膜面积。该渗透膜被制成具有玻璃纤维外套的螺旋缠绕形式，并且半透性的膜包括纳米过滤型的聚酰胺膜。用于滤筒的最大的操作压力约为350psi.，典型的操作压力为约80psi.。系统150还包括位于滤筒152、154、156和158上游的5微米的筒状预过滤器160。在例证性的实施例中，提取物被加压，并通过泵162提供给滤筒，在该例证性的实施例中，泵包括具有弄湿的不锈钢元件的多级离心泵。在其它的实施例中，泵162可以被用于加压容纳有要被压缩的提取物164的容器30补充或替换。在一个优选的实施例中，该提取物加压系统可包括通过管线168和阀门170连接在容器30上的压缩气源166，其被制成可供给足够压力的压缩气体，以便驱使提取物穿过过滤系统150。对于利用外部加压气源加压提取物164的实施例，优选加压的气体包括一种惰性气体，例如氮气。在优选的实施例中，在处理过程中，气源166提供的惰性气体与容器30中的提取物164保持接触并将其覆盖，以便使其最小地暴露给氧气。在一些实施例中，从气源166出来的惰性气体也可在处理过程的最后，在来自系统的浓缩的提取物产品的收集以后，被用于从系统的管线和用于收集的滤筒“吹出”残留的滞留物。
根据本发明，系统150可进行以下操作，以脱水和浓缩咖啡提取物。例如，如上所述通过利用本发明的提取方法和装置，可生产出容器30中的非浓缩的提取物164。此处所用的“非浓缩的”提取物特别指一种形成流向物包含在该系统中的过滤器的滞留侧的物料的提取物。应当理解的是，在许多情况下，利用本发明的提取方法和装置生产的该“非浓缩的”提取物，具有超过典型地用于典型饮料浓度提取物的提取物的咖啡固体浓度。相反地，在下面描述中所用的“浓缩”提取物指一种包括水减少(即脱水)的，从该系统内包含的过滤器的滞留侧回收的滞留物产品。如前所述。在一些优选的实施例中，非浓缩的提取物164可包括一种由给定料炒咖啡的第二次或随后的提取步骤生产的提取物。对于提取物164是由给定料炒咖啡的第二次或随后的提取步骤生产的提取物的实施例，典型地，与在炒咖啡的第一次透过提取过程中生产的提取物相比，该提取物中咖啡固体的浓度将更低，用水稀释的程度将更高。因此，有时要求浓缩该第二次或随后透过提取物，以便具有与第一次透过提取相似的咖啡固体浓度和稀释度。这样，如下面更详细地描述，根据本发明在第一次透过提取过程中生产的提取物，可以与在第二次或随后阶段的提取过程中生产的具有和第一次透过提取物相似的总浓度的提取物混合，以便形成混合的咖啡提取物，而不用大量地稀释第一次透过提取物中的咖啡固体的总浓度。
提取物164可穿过阀门172和管线176流向泵162，如通过重力，在泵中被加压至滤筒152、154、156和158的操作压力。然后，该提取物由泵出来穿过管线178和穿过预过滤器160到达总管180，该总管包括安置在其上，用于监控滤筒152、154、156和158的滞留侧压力的压力表或传感器182。在其它的实施例中，可以直接在各个滤筒152、154、156和158安装另外的压力表/传感器。此外，虽然例证性的实施例中滤筒152、154、156和158是以与总管平行的方式连接的，但是在其它的实施例中，滤筒可以替代成相互串联连接。从总管180出来，提取物164分别通过管线184和阀门186、管线188和阀门190、管线192和阀门194以及管线196和阀门198穿过每个滤筒152、154、156和158。非浓缩的提取物164流到滤筒的滞留侧。当流动穿过滤筒的滞留侧时，至少一部分提取物的溶剂成分穿过过滤膜，到达滤筒的渗透侧，这样就在滤筒的滞留侧形成了更浓缩的咖啡提取物，并在滤筒的渗透侧形成相对稀的或脱除咖啡固体的渗透物。然后，该浓缩的咖啡提取物滞留物流出滤筒，分别通过用于滤筒152、154、156和158的管线200和阀门202、管线204和阀门206、管线208和阀门210以及管线212和阀门214，进入到浓缩的提取物总管199。浓缩的提取物总管199可以包括安置在其上，用于监控滤筒滞留侧压力的压力表/传感器216。总管199中浓缩的咖啡提取物通过管线218和阀门220流到收集容器222中，以便容纳浓缩的咖啡提取物224。
在一些用于操作过滤系统150的优选实施例中，在单次透过穿过系统形成浓缩的提取物224时，非浓缩的提取物164只穿过滤筒152、154、156和158一次。在其它的实施例中，系统150可以被作为多次透过系统来操作，在该实施例中，使浓缩的提取物通过管线226和阀门228再循环回到容器30中。对于这样的实施例，接着用泵把提取物从容器30中抽出，穿过滤筒，并再循环到容器30，直到已经除去了要求量的溶剂，作为渗透物，容器30包含的提取物已经达到了要求的浓度值。
渗透物通过管线230、232、234和236从滤筒收集，并流进可具有安置在其上的压力表/传感器240的总管238中，并进入渗透物收集容器242中。如前所述，渗透物244可以被保存和用作另外的食品/药物的成分，或者可被丢弃。在另一个优选的实施例中，特别地，通过穿过滤筒152、154、156和158，含有渗透物244的溶剂水已经被大量去除矿物质，水性渗透物244可被有利地用作进行新鲜或以前提取的炒咖啡的提取过程的溶剂，并且为了此目的，如前面杂图1和2中所示，可以被再循环回到提取系统10上的管线46。如前所述，在浓缩过程中从提取物中除去的渗透物的量决定于所要求的最后浓缩提取物的浓度。对于一些涉及单次透过操作模式，并要求高度浓缩的提取物的实施例，供给滤筒的滞留侧的提取物中至少50％的溶剂成分透过滤筒的渗透侧，或者对于多次透过/多次循环的实施例，在多次透过过滤过程中，最初的前提非浓缩的提取物中至少50％的溶剂成分通过该系统除去。也如前所述，对于一些实施例，滤筒152、154、156和158可以被简单地向后冲或向后冲洗，例如通过反向泵162和/或供给总管238一定量加压渗透物或其它向后冲洗溶剂。对于这样的实施例，在向后冲洗过程中，滤筒中的过滤介质可以至少部分被清洗和再生，并且可以从滤筒的滞留侧收集额外的咖啡固体，以加到浓缩的提取物224中。
根据本发明，用于脱水和浓缩咖啡提取物的过滤系统的第二个例证性实施例示于图7中。在本发明的一个具体的实施例中，过滤系统300包括改进的流体溶液型No.10037反转渗透系统(流体溶液，Inc.Lowell，MA)，它具有名义上设计为约12-15加仑/分钟的渗透物流速。在该例证性实施例中的系统由食品/药物级材料制成。在一些实施例中，该系统还可以包括各种附加的阀门、开关、压力表、传感器、温度探测器、基于电子/微处理的监视器/工艺控制硬件和软件等等，除了所示的具体元件以外，其它对于本技术领域的普通技术人员是显而易见。在例证性实施例所示的系统300包括五个滤筒302、304、306、308和310。滤筒302、304、306平行排列，并与相互平行连接的滤筒308和310串联连接。所示的每个滤筒包括三个FILMTEC型No.BW30-4040过滤膜件。每个过滤膜件包括约6.5平方米的过滤膜面积。用于过滤膜件的最大的操作压力约为600psi.，典型的操作压力为约250-400psi.。系统300还包括位于滤筒302-310上游的5微米的筒状预过滤器312。在例证性的实施例中，提取物被加压，并通过升压泵314和R/O泵316提供给滤筒，在其它的实施例中，泵314和/或316可以被用于加压容纳有要被压缩的提取物164的容器30补充或替换。在一个优选的实施例中，该提取物加压系统可包括通过管线168和阀门170连接在容器30上的压缩气源166，其被制成可供给足够压力的压缩气体，以便驱使提取物穿过过滤系统300。对于利用外部加压气源加压提取物164的实施例，优选加压的气体包括一种惰性气体，例如氮气。如所示，容器30也包括一条通过阀门320连接到城市水源的进口管线318和一条用于穿过阀门324排出容器的出口管线322。在优选的实施例中，在处理过程中，气源166提供的惰性气体与容器30中的提取物164保持接触并将其覆盖，以便使其最小地暴露给氧气。在一些实施例中，从气源166出来的惰性气体也可在处理过程的最后，在来自系统的浓缩的提取物产品的收集以后，被用于从系统的管线和用于收集的滤筒“吹出”残留的滞留物。
根据本发明，系统300可进行以下操作，以脱水和浓缩咖啡提取物。例如，如上所述通过利用本发明的提取方法和装置，可生产出容器30中的非浓缩的提取物164。提取物164可穿过阀门326和管线328流向升压泵314，如通过重力。可选择地，或同时发生的，提取物可以直接通过管线320和阀门332流进该系统。通过升压泵将提取物加压至足以使提取物穿过预过滤器312的压力，用压力表334测量该压力。可通过比较通过压力表336测量的预过滤器下游的压力与通过压力表334测量的上游的压力来确定穿过预过滤器的压降。如前面所讨论的，包括电导计338，以便能够在滤筒302、304、306、308和310中脱水以前测定提取物中固体的浓度。
接着通过R/O泵316，将该提取物加压至滤筒302、304、306、308和310的操作压力。然后，该提取物由泵316出来，穿过包括分别位于其上游和下游的压力表344和346的管线340和节流阀342，到达总管348。在其它的实施例中，压力表/传感器安装在总管上，或者直接安装在在各个滤筒302、304和306上。从总管348出来，提取物164分别通过管线350、管线352和管线354穿过各个滤筒302、304和306。非浓缩的提取物164流到滤筒的滞留侧。当流动穿过滤筒的滞留侧时，至少一部分提取物的溶剂成分穿过过滤膜，到达滤筒的渗透侧，这样就在滤筒的滞留侧形成了更浓缩的咖啡提取物，并在滤筒的渗透侧形成相对稀的或脱除咖啡固体的渗透物。然后，该浓缩的咖啡提取物滞留物流出滤筒，分别通过用于滤筒302、304和306的管线358、管线360和管线362，进入到浓缩提取物的总管356。总管356中的浓缩的咖啡提取物通过管线364流到进口总管366，该进口总管分别通过管线368和370给滤筒308和310进料。接着使流出滤筒308和310的浓缩的咖啡提取物滞留物通过管线374和376进入浓缩的提取物总管372，利用滤筒308和310进一步浓缩该提取物。然后浓缩的提取物通过安装有压力表380的管线流动，穿过节流阀到达冷却器384。在节流阀382的下游包括用于测量滞留物的流体体积流量的流量计386和用于测定浓缩的提取物的固体含量的电导计388。如果由测量的电导值所确定的滞留流体的固体浓度符合要求的产品值，就可通过打开阀门392，从管线390收集浓缩的提取物作为最后的产品；否则，可通过打开管线396上的阀门394，将提取物再循环至容器30以进行进一步处理。
通过管线398、400、402和404由滤筒收集渗透物，并且渗透物流进总管408。总管408依次供料给安装有流量计412的渗透物管线410。通过打开管线上的阀门414，渗透物可被送至排水沟或被收集，或者，如果需要，通过打开管线420上的阀门418再循环至容器30。如前所述，对于一些实施例，滤筒302、304、306、308和310可以被简单地向后冲向后冲洗，例如通过例如通过反向泵316和/或供给总管408一定量加压渗透物或其它向后冲洗溶剂。对于这样的实施例，在向后冲洗过程中，滤筒中的过滤介质可以至少部分被清洗和再生，并且可以从滤筒的滞留侧收集额外的咖啡固体，以加到浓缩的提取物产品中。
根据本发明，用于脱水和浓缩咖啡提取物的过滤系统的第三个例证性实施例示于图8中。除了系统的大小和容量以及滤筒的布置以外，过滤系统500在结构和操作上与前面图7中所示的系统300相似。系统500在设计和功能上与前面讨论的系统300的相应元件类似的元件(虽然在大小和设计上存在潜在的差异，以便适合更大尺寸和容量的系统500，但这对于本领域的普通技术人员是显而易见的)被设定为与图7中相同的数字标记，并且在此不单独讨论。在本发明的一个具体的实施例中，过滤系统500包括改进的流体溶液型No.FSRO-600-10VS反转渗透系统(流体溶液，Inc.Lowell，MA)，它具有名义上设计为约30-40加仑/分钟的渗透物流速。在该例证性实施例中的系统由食品/药物级材料制成。在一些实施例中，该系统还可以包括各种附加的阀门、开关、压力表、传感器、温度探测器、基于电子/微处理的监视器/工艺控制硬件和软件等等，除了所示的具体元件以外，其它对于反转渗透/纳米过滤技术领域的普通技术人员是显而易见。在例证性实施例所示的系统500包括五个滤筒502、504、506、508和510。滤筒502和504平行排列，并与相互串联连接的滤筒506、508和510串联连接。平行的滤筒502和504分别通过管线514和516，通过与连接到滤筒502和504的进口总管512进料。从滤筒502和504排出的滞留物分别通过管线520和522流进出口总管518中，并通过管线524从总管518流到滤筒506。从滤筒506排出的滞留物通过管线526流到滤筒508，从滤筒508排出的滞留物通过管线528流到滤筒510。通过最后的滤筒510生产的浓缩的滞留物从滤筒通过管线530流动，以便收集和再循环。所示的滤筒502、504、506、508和510每个滤筒包括两个FILMTEC型No.SW30-8040螺旋缠绕的过滤膜件。每个过滤膜件包括约28平方米的过滤膜面积。用于过滤膜件的最大的操作压力约为1015psi.，典型的操作压力为约600-900psi.。
如前所述，用于形成浓缩的可耗尽提取物，如咖啡提取物，的本发明的溶剂减少和脱水方法给本发明的提取物生产方法和系统提供多种有益特征和优点。例如，在一些涉及咖啡提取物的生产的实施例中，诸如上文参考图6所述的脱水过程，可被用于使用上述的本发明的提取方法生产的咖啡提取物的浓缩和脱水，以形成更高度浓缩的咖啡提取物，例如含有至少约6％wt.的咖啡固体，在一些实施例中至少约10％wt.的咖啡固体，在一些实施例中至少约12％wt.的咖啡固体，在一些实施例中至少约15％wt.的咖啡固体，在一些实施例中至少约20％wt.的咖啡固体，在一些实施例中至少约25％wt.的咖啡固体，在一些实施例中至少约30％wt.的咖啡固体，在一些实施例中至少约40％wt.的咖啡固体。此外，通过此处所述的本发明的提取和脱水方法生产的高度浓缩的提取物可有利地保留有效量的用于制备该提取物的炒咖啡的品种风味和香味成分。这样高度浓缩的提取物可有利地用于要求低水咖啡风味产品的应用。诸如用作咖啡冰淇淋的生产的一种风味成分，是涉及使用本发明的高度浓缩的咖啡提取物的应用的例子，在该例子中，过量的水可导致最后的冰淇淋产品有害地冰冻和质地降级。此外，通过此处所述的本发明的浓缩方法生产的咖啡提取物的浓度和脱水可有利地提供具有相对低的总产品重量和体积的浓缩咖啡提取物产品。该产品其中含有给定量的包括有效量品种风味和香味成分的咖啡固体。例如，通过二因素中之一因素，通过增加提取物的浓度，对于给定量的咖啡香味和风味(与存在的咖啡固体量成比例)，可类似地通过二因素中之一因素来减少咖啡提取物产品的体积，并且可将产品的量减少到接近该量，这样节省了大量运送和包装成本，类似地，例如，通过5、10、20、30、40、50或60因素中之一因素增加浓度，通过实行本发明能够获得的甚至更高程度的浓缩物，可实现甚至更大地减少运送、包装和贮存成本。
也如上所述，本发明的提取和浓缩方法允许通过提取给定料的炒咖啡生产浓缩的咖啡提取物，该提取物具有各种不同的香味和风味特征。此处所述的本发明提取方法的本质是：用于咖啡提取物的水越少，生产的提取物中咖啡固体的浓度将趋向于越高，而且，更多的风味和可提取的咖啡固体将趋向于留在保留在提取设备中的非彻底提取的渣滓中。使用本发明的浓缩方法第一次透过，通过用相对少量的水提取新鲜加入的炒咖啡，并分离开作为“超纯洁”的咖啡浓缩物。然后，在提取设备中的炒咖啡可以经受一个或多个另外的提取循环，在提取过程中使用增加量的水，以便更彻底地提取炒咖啡及提高提取效率。接着，使用上述的本发明的浓缩方法将从第二次和随后的提取循环获得的提取物脱水，在一些实施例中，脱水至具有与“超纯洁”的咖啡浓缩物相似的总咖啡固体浓度。由随后的提取循环生产的“超纯洁”的咖啡浓缩物和脱水的浓缩物接着可进行混合，以形成一种具有由“超纯洁”的提取物给予的相对甜风味/香味与由炒咖啡的第二次和随后的提取过程生产的提取物给予的更苦/酸风味/香味的平衡的提取物。这些混合的提取物常常具有通过许多在先技术咖啡饮料制造方法生产的更典型的饮料品质的咖啡的全部风味/香味。这样复合的提取物可以被用作调味剂，或可以用水稀释，复原到典型饮料浓度提取物的最后的溶解的咖啡固体的浓度，例如，含有约1％wt.至约4％wt.溶解的咖啡固体，以由此生产一种美味的和很好平衡的咖啡饮料。如果需要，很容易调整甜度和苦度/酸度之间具体的平衡，例如，通过调整“超纯洁”的提取物与随后的提取和浓缩过程生产的提取物的相对比例。对于“超纯洁”的提取物与通过炒咖啡随后的提取过程生产，接着通过脱水进行浓缩的提取物的全部咖啡固体浓度大约相同，对于要求更丰富、更甜的提取物/饮料的实施例，加入混合物中的“超纯洁”的提取物应当少于通过随后的提取和浓缩过程生产的提取物的量，对于要求更均匀平衡的提取物/饮料的实施例，加入混合物中的“超纯洁”的提取物应当大约等于通过随后的提取和浓缩过程生产的提取物的量。
综上，本发明的提取和脱水方法提供了一种产生“超纯洁”的提取物以及其他由更完全的提取炒咖啡的方法所产生的提取物的较宽范围的灵活性，其中每一个都具有一种较高浓缩水平的溶解咖啡固体，诸如至少6％wt.的溶解的咖啡固体，它们可以按各种不同的比例予以结合，以产生具有适合顾客风味/香气风味的提取物，或者它们可以分别销售到不同的市场去。
另外，在另一实施例中，炒咖啡的一次单独充料可以在一次单独的提取中得到完全提取，以产生具有典型的普通煮制风味特征的饮料浓度或低于饮料浓度的提取物，并且这一提取物可以接着按照如上所述进行脱水并浓缩，以产生具有减少体积和重量的浓缩提取物，它们可以接着用水重新构置以产生具有同样典型的普通煮制咖啡的风味特征。因为咖啡提取物的风味、质量、和上架寿命会由于过长地曝露于氧气而减少，在本发明的优选实施例中的提取过程中，该提取物对于大气的曝露、脱水、以及任何后续的处理以及包装被减少到最低，其方法是利用诸如惰性气体，如氮气，作为覆盖/提纯气体按照上述方法在生产和处理过程中与该提取物接触。
本发明的作用和优点可以从下列实例中得到更为全面的理解。下列实例仅为说明本发明的操作，并未对本发明的全部范围作限定。
实例1：不用后续脱水的一次透过提取
如图1-4所示的工业规格的提取设备过去用于产生咖啡提取物，采用了前面各节所述并在下面作出更改的方法。大约有265磅的哥斯多黎加、哥伦比亚和苏玛特兰(Sumatran)的咖啡豆，先经炒制成中等黑色品，后采用布恩咖啡研磨器(伊利诺斯州司普林菲尔德BUNN-O-MATIC HVG)设定在4.0上予以研磨。一种罗太普滤网分析表明80％余留在泰勒12，16和18滤网上，其余20％穿过滤网20，30，40，45分布，以及底盘。
如上所述，该容器被充满形成为床的研磨后的干咖啡，而该系统由保持在193华氏度和90psig的热水所润湿。在提取物出口管线上的阀门25然后被关闭，并且大约40加仑的热水通过进口管线46被加入到该容器中，产生大约为90psig的最后的容器压力。该容器然后被“轻拍”以排除前面所描述的多余空气，然后用该压缩空气使之压至大约120psig。该咖啡在此压力下被“压力处理”而大约10分钟不再流动，这时，阀门25开启，以使该提取物从该容器中流出，通过不锈钢热交换器(冷却器28)使其流出提取物的温度在大约2分钟之内从大约165降到大约55华氏度在，然后进入收集容器中。当该容器中的压力降到90psig时，该热水对该容器的供应由于水溶剂进口管线46上的阀门47被开启而重新启动。当观察到没有更多的提取物从该容器中流出时，被压缩的空气被提供至该容器中，压力为120psig，以从该床中提纯剩余的提取物。该提取物的总产量大约是从265磅干咖啡中得到100加仑提取物。
该提取物由味觉和嗅觉实验来判定，以具有特殊的甜度，并具有保留的品种成分的清纯咖啡风味，同时实质上还不带有酸性后味。该提取物具有大约为8.0(约为6.5％溶解溶剂)的白利糖度读数(Brix reading)，并且可以用大约为每磅提取物配7磅水的方法重新构置，以获得普通点滴煮制浓度的咖啡饮料，但是带有更高级的甜度和风味。
实例2：带有对第二次透过提取物作后续脱水的
二次透过提取以及混合咖啡提取物的形成
如图1-4所示的工业规模的提取设备过去用于产生咖啡提取物，采用了前面各节所述并在下面作出更改的方法。大约有200磅的苏玛特兰(Sumatran)的咖啡豆按照上述实例1所述方式被炒制和研磨。
该提取容器被填充研磨后的干咖啡并且大约有60加仑的第一次透过的咖啡提取物被按照实例1的方式生产出来，本实例的不同是压缩氮气被用来取代实例1中的压缩空气。此外，在实例1中，将额外热水通过咖啡床通过的步骤在本实例中被省略了，其中的咖啡床是在用空气提纯床上余留提取物之前所形成的。该第一次透过的提取物的总产量大约为200磅的干咖啡提取60加仑提取物。将该提取物分离。
如上所述，除了采用原用作生产第一次通过提取物的同一次填充的研磨咖啡之外，第二次通过提取物得到制备，并且除了仅接着在加压处理步骤之后提取物从该容器中被收集后、并且在从带有氮气的床上提纯余留提取物之前，一附加的60加仑的热水以在实例1中所述的类似方式通过该咖啡床。第二次通过提取物的总获得大约为120加仑。
如上所述，第二次提取物得到制备，除了采用该第二次通过提取物接着被脱水处理，这一处理是通过使用有关图6的说明中PROSYS 400型序列反向渗透系统(配有4个平行设置的4921S型克士(KOCH)毫微过滤膜盒)完成的。该系统如上所述在一种多次通过模式下操作，其中该提取物以一种交叉流动的方式被汲送，并且该浓缩的滞留物被循环返回到提取物供应容器之中。该系统在此模式下操作直到大约60加仑的水溶剂从该系统中作为渗透物被收集起来。由此得到的浓缩提取物然后以相等比例与上述产生的第一次通过提取物相混合成为一种混合的、浓缩的咖啡提取物。
该混合的提取物由味觉和嗅觉实验所鉴定，以使其具有一种清新的、其甜和苦/酸味元素皆有良好均衡的咖啡风味。该提取物还被鉴定为保持有各种各样的、表示由其制备出来的苏马特兰(Sumatran)烤咖啡的组份。该提取物具有大约8.0(大约6.5％重量比的溶解溶剂)的白利糖度读数，并且可以用大约每磅提取物配7磅水的方式予以重新构置，以获得包括有所需的各种风味和香料组份的一般煮制浓度的咖啡饮料。
实例3：采用后续脱水的一次通过提取，
以生产一种高度浓缩的咖啡提取物
一种与图1-4所述说明的相类似的工业规模的提取器，除了具有圆形的、带有单一的、中心安置的原料进给管线和阀门的顶板外，由一机械用料推进系统所进给。用于本实例的该工业提取器具有一个内部大约为62.5立方英尺的空间，设计为用于提取大约1300磅的研磨过的烤咖啡。在实例2中说明的大约1300磅的研磨咖啡被进给于该提取器中，之后由该阀门关闭该原料进给管线。
该容器被填充进可构成床的研磨干咖啡，并且该系统被如上所述的来自保持在193华氏度至90psig的热水所润湿，除了该加入到该提取器中的第一次大约250加仑的热水通过经过管线23的底屏以及通过正切管线42和55而被添加。在250加仑上，该通风管线被关闭，并且附加的50加仑的热水通过管线46和水喷头63而被添加到该关闭的提取物上，将提取器的内压提高到40-50psig。该咖啡在这一压力上被“压力处理”而未流动大约30分钟，这时，阀门25被有控制地打开以允许该提取物通过一篮式过滤器和不锈钢热交换器(冷却器28)从该容器中以大约每分钟6-8加仑的速率流出并进入收集容器中。对该容器中的热水供给接着在一大约为40psig的可控供压下、以将水溶剂进口管线46上的阀门47开启的方式重新设立，并且将热水在上述压力下以一大约为每分钟6-8加仑的控制速率泵送至该提取器，直到一附加的大约为600加仑的热水得以通过该咖啡床，此时流动中断，阀门47关闭。当观察到没有更多的提取物从该容器中流出时，加压的氮气从该收集床上被加至该容器中以提纯余留的提取物(大约100加仑)。提取物的总收获大约为从1300磅的干咖啡中得到1000加仑。
1000加仑的上述提取物接着被脱水处理，处理方式是用有关图7的说明中所述的10037型流体溶剂反向渗透系统(配有15个BW30-4040型FILMTEC反向渗透膜盒)完成的。该系统在一种如上所述的多次通过/循环往复模式下操作，其中，该提取物以一交叉模式被泵送通过该过滤器元件，并且该浓缩余留物被循环返回至该提取物供应容器中。该系统在此模式下操作直至大约850加仑的水溶剂作为渗透物从系统中被收集。
该浓缩提取物由味觉和嗅觉试验来鉴定，以使其具有一种清爽的、其甜和苦/酸风味组份得到良好均衡的咖啡风味。该提取物还被鉴定为保持有各种各样的、表示由其制备出来的苏马特兰(Sumatran)烤咖啡的组份。该提取物具有一大约为30(大约25％重量比的溶解溶剂)的白利糖度读数，并且可以用每磅提取物配30磅水的方式重新构置以获得普通煮制浓度的、并且包括有所需各式风味和香气组份良好均衡的咖啡风味的咖啡饮料。
虽然本发明已对照各个实施方案和具体范例予以表示和说明，但应该理解，该发明不限于上述实施例和范例，并且本发明的传授可以由本领域技术人员以各种附加方式出于各种目的予以进行。本领域人员应随时理解这里所述的所有的参数和配置仅为说明性的，实际参数和配置取决于具体的使用本发明方法和系统的实施。本领域人员应认识到，或能够分清，在除了日常实验外，可在上述本发明实施例中使用许多替换物。因此应该理解上述实施例仅为示例，在所述权利要求和等同物的范围内，本发明也可在本说明之外的方式下实施。本发明针对每一单独的特征、系统或是所述方法。此外，任何两个以上的这些特征、系统或是方法的组合皆在本发明范围之内，除非这些特征、系统或方法相互不协调。
Claims (44)
1.一种用于增加可消耗提取物的耗材浓度的方法，该方法包括：
a.向过滤器的余留物侧供给提取物；
b.至少使该提取物的部分溶剂组份通过过滤介质，以在过滤器的渗透物侧构成渗透物，同时至少在该过滤器的余留物侧保持一部分耗材，以此在所述过滤器的余留物侧构成已被减少溶剂的可消耗提取物，此所述提取物在耗材中更为浓缩，以及
c.收集该已被减少溶剂的提取物。
2.根据权利要求1所述方法，该方法在步骤(b)之后还进一步包括：从该过滤器的渗透物侧收集该渗透物。
3.根据权利要求2所述方法，该方法还包括：以把收集到的渗透物在一定量的固体原料中流过的方式，形成带有已收集渗透物的二次提取物。
4.根据权利要求3所述方法，该方法在步骤(a)之前进一步包括：以把可消耗溶剂在该量的固体原料中流过的方式形成该可消耗提取物。
5.根据权利要求1所述方法，该方法在步骤(a)前还包括：
i.设置固体原料床；
ii.为该床供给一定量的可消耗溶剂；
iii.对该溶剂和床施加预定的和可控制的压力；
iv.在非流动状态下将该所得到的压力保持一段所需的时间；
v.使该可消耗提取物从该床流动；
vi.用气体使该附加的可消耗提取物从该床上去除。
6.根据权利要求5所述方法，其中所述气体为惰性气体。
7.根据权利要求1所述方法，其中该过滤介质至少包括一种聚合过滤膜。
8.根据权利要求7所述方法，其中该过滤膜包括反向渗透膜。
9.根据权利要求7所述方法，其中该过滤膜包括毫微过滤膜。
10.根据权利要求1所述方法，其中至少在部分的步骤(b)中，施加到该过滤器的余留物侧的上游压力被保持在比施加到该过滤器渗透物侧的下游压力更高的压力上。
11.根据权利要求10所述方法，其中该上游压力是对在步骤(a)中被施加到该过滤器余留物侧的提取物加压而产生的。
12.根据权利要求11所述方法，其中该提取物是用泵机对该提取物施加泵压的。
13.根据权利要求11所述方法，其中该提取物被压缩空气所施加压力的。
14.根据权利要求13所述方法，其中该空气是惰性气体。
15.根据权利要求1所述方法，其中在步骤(b)中，至少大约50％的、在步骤(a)中供给该过滤器余留物侧的该提取物的溶剂组份通过该过滤器的渗透物侧。
16.根据权利要求2所述方法，该方法在步骤(c)后进一步包括：
d.以对该过滤器的渗透物侧供给一定量的回洗溶剂的方式用可消耗的回洗溶剂对该过滤介质进行回洗；将该回洗溶剂通过该过滤介质输送到该过滤器的余留物侧，以此至少将部分的任何在该过滤介质的余留物侧形成的耗材层进行去除；以及，把回洗溶剂与任何从该过滤器的余留物侧去除的耗材一起进行收集。
17.根据权利要求1所述方法，其中该可消耗提取物包括烤咖啡的水提取物。
18.根据权利要求5所述方法，其中该固体原料包括有烤咖啡并且该可消耗溶剂包括有水。
19.根据权利要求1所述方法产生的一种减少了溶剂的可消耗的提取物。
20.根据权利要求17所述方法所产生的一种减少了水的咖啡提取物。
21.根据权利要求20所述的减少了水的咖啡提取物，其中该提取物包含有至少大约6％重量比的溶解咖啡固体。
22.根据权利要求21所述的减少了水的咖啡提取物，其中该提取物包含有至少大约10％重量比的溶解咖啡固体。
23.根据权利要求22所述的减少了水的咖啡提取物，其中该提取物包括有至少大约15％重量比的溶解咖啡固体。
24.根据权利要求23所述的减少了水的咖啡提取物，其中该提取物包括有至少大约20％重量比的溶解咖啡固体。
25.根据权利要求24所述的减少了水的咖啡提取物，其中该提取物包括有至少大约25％重量比的溶解咖啡固体。
26.根据权利要求25所述的减少了水的咖啡提取物，其中该提取物包括有至少大约30％重量比的溶解咖啡固体。
27.根据权利要求26所述的减少了水的咖啡提取物，其中该提取物包括有至少大约40％重量比的溶解咖啡固体。
28.一种采用提取一定量烤咖啡的方法所获得的水咖啡提取物，所述量至少包括一种选中类别的烤咖啡，所述提取物具有至少大约15％重量比的溶解咖啡固体，并且包括有效量的、区别于其他种类烤咖啡的、以所述至少一种选中种类烤咖啡为特征的种类风味和香气组份。
29.根据权利要求28所述的水咖啡提取物，其中该提取物包含有至少大约20％重量比的溶解咖啡固体。
30.根据权利要求29所述的水咖啡提取物，其中该提取物包含有至少大约25％重量比的溶解咖啡固体。
31.根据权利要求30所述的水咖啡提取物，其中该提取物包含有至少大约30％重量比的溶解咖啡固体。
32.根据权利要求31所述的水咖啡提取物，其中该提取物包含有至少大约40％重量比的溶解咖啡固体。
33.一种生产混合咖啡提取物的方法，该方法包括：
a.用一定量的水溶剂提取一定量的烤咖啡，以制成第一质量的、其中具有溶解咖啡固体浓度的第一次通过咖啡提取物；
b.对步骤(a)中提取的相同量的烤咖啡用附加量的水溶剂进行提取，以制成比第一质量低的第二质量的、其中具有溶解咖啡固体浓度的第二次通过咖啡提取物；
c.以将一定量的水溶剂从其去除的方法，增加在第二次通过咖啡提取物中的溶解咖啡固体的浓度；
d.将一定量的第一次通过提取物与一定量的、在步骤(c)中浓缩的第二次通过提取物进行混合。
34.根据权利要求33所述方法，其中在步骤(c)中，在该第二次通过咖啡提取物中的浓缩溶剂咖啡固体由于将一定量的水溶剂从其过滤予以去除而得到增加。
35.根据权利要求33的方法，其中在步骤(d)中，该第一次通过提取物的量大于在步骤(c)中浓缩的第二次通过提取物的量。
36.根据权利要求33的方法，其中在步骤(d)中，该第一次通过提取物的量小于在步骤(c)中浓缩的第二次通过提取物的量。
37.根据权利要求33的方法，其中在步骤(d)中，该第一次通过提取物的量与在步骤(c)中浓缩的第二次通过提取物的量实质上相同。
38.根据权利要求33的方法，其中在步骤(c)中，在第二次通过提取物中的该溶剂咖啡固体的浓度被增加至大约在所述的第一数值上。
39.根据权利要求38的方法，其中在步骤(d)中，该第一次通过提取物的量与在步骤(c)中浓缩的第二次通过提取物的量实质上相同。
40.根据权利要求33所述方法生产的混合咖啡提取物。
41.根据权利要求33所述方法，其中该混合提取物具有至少大约为6％重量比的溶解咖啡固体浓度。
42.根据权利要求41所述方法制成的混合咖啡提取物。
43.根据权利要求41所述的方法，该方法在步骤(d)后进一步包括：
e.用水溶剂稀释该混合提取物，以便该溶解咖啡固体
浓度处于大约1％和4％重量比之间。
44.根据权利要求43的方法制成的咖啡饮料。
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