DE2147878A1 - Verfahren zum Herstellen von gefrier getrockneten Kaffee oder Tee Extrakten und Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von gefrier getrockneten Kaffee oder Tee Extrakten und Vorrichtung zur Durchfuhrung des VerfahrensInfo
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Description
Verfahren zum Herstellen von gefriergetrockneten Kaffee- oder Tee-Extrakten und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft die Herstellung löslicher Extrakte aus pflanzlichen Stoffen, insbesondere die Herstellung von
gefriergetrockneten Kaffee- oder Tee-Extrakten.
Die Herstellung derartiger Produkte besteht im allgemeinen aus den Grundverfahrensschritten der wässrigen Extraktion
des Pflanzenmaterials, des Einfrierens des erhaltenen wassrigen
Extrakts und des Gefriertrocknens. Um den trockenen Extrakt in Form von Teilchen zu erhalten, umfasst das Verfahren
auch eine Mahlstufe, die entweder beim gefrorenen Material oder beim getrockneten Produkt durchgeführt werden kann.
Die Dichte und das Aussehen des trockenen Produkts sind wichtig, insbesondere bei gefriergetrocknetem Kaffee-Extrakt.
In der Praxis muss die Dichte des Produkts innerhalb bestimmter gut definierter Grenzen gehalten werden, wie 0,2 bis
0>3 g/ccm bei Kaffee und 0,08 bis 0,12 g/ccm bei Tee, weil
der Verbraucher gewöhnt ist, eine Faustregel anzuwenden, wonach ein LÖffelvoll Extrakt gewöhnlich einer Tasse des ferti-
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- 2 gen Getränks entspricht, sei es Tee oder Kaffee.
Die gewünschte Dichte kann in einfacher Weise durch Gefriertrocknen
eines Extrakts mit entsprechender Konzentration an Feststoffen erreicht werden. Bei Kaffee liegt diese Konzentration
zwischen etwa 27 und 30 $, während bei Tee dieser Bereich
um 9 bis 14 i° liegt. Das Gefriertrocknen von Extrakten mit
relativ geringer Feststoffkonzentrat ion ist jedoch ziemlich unwirtschaftlich wegen der grossen Wassermenge, die je Gewichtseinheit
Feststoffe entfernt werden muss. Diese wirtschaftlichen Nachteile können dadurch überwunden werden, dass
der Extrakt, der bis zu 60 $ Feststoffe enthält, zuerst in einen Schaum überführt wird, der nach dem Gefriertrocknen ein
trockenes Produkt ergibt, das die gewünschte Dichte hat.
Ohne Rücksicht darauf, ob ein Schaum gebildet wird, muss der
Extrakt gefroren werden, was absatzweise oder kontinuierlich in einer Kühlkammer erfolgt, in der die Temperatur unterhalb
der Schmelztemperatur des gefrorenen Extrakts gehalten wird, die -3O0G oder darunter beträgt. Es ist deutlich, dass bei
der grosstechnischen Herstellung das Betreiben solcher Kammern
notwendigerweise einen erheblichen Energieverbrauch für die Kühlung erfordert und dass die Kammern selbst ebenfalls einen
erheblichen Raumbedarf benötigen.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines kontinuierlichen Verfahrens zum Gefrieren von Tee- und Kaffee-Extrakten vor
dem Gefriertrocknen, das keine ausgedehnten Anlagen für das Kühlen erfordert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer kompakten Anlage zum Gefrieren von Extrakten mit hohem Feststoffgehalt
zur Erzeugung eines gefrorenen Materials mit niedriger Dichte.
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Schliesslich ist Ziel der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens zur Verbesserung des Verhaltens von Kaffee- und
Tee-Extrakten beim Gefriertrocknen.
Es wurde gefunden, dass das Gefriertrocknen von Kaffee- und Tee-Extrakten, insbesondere in kontinuierlich arbeitenden
Vorrichtungen, erheblich verbessert werden kann, wenn das in den Trockner eingespeiste gefrorene Material eine bestimmte
spezifische Struktur.aufweist. Es wurde*beobachtet, dass
bei einem kontinuierlich arbeitenden Gefriertrockner die Verweilzeit des Produkts sehr kurz ist und in der Grössenordnung
von Minuten liegt und daher die Sublimation des Eises schnell erfolgen muss. Der Trocknungsprozess wird wesentlich durch
die Wärmezufuhr und das an die Vorrichtung angelegte Vakuum gesteuert, wobei ein Anstieg der Wärmezufuhr und die Verminderung
des Drucks für eine kürzere Trocknungszeit sorgen. Praktische Beschränkungen erzwingen jedoch eine Untergrenze
des Drucks, die bei etwa 50 JUm Hg liegt, während eine übermässige Wärmezufuhr sowohl das Ansengen des getrockneten Produkts
als auch das Schmelzen des gefrorenen Materials verursacht. Ausserdem sind die Teilchen in ständiger Bewegung, was
einen erheblichen Anstieg der Bildung von sehr feinem Material durch die gegenseitige Reibung verursachen kann. Erfindungsgemäss
kann die Trocknungsgeschwindigkeit dadurch erhöht werden, dass den gefrorenen Teilchen eine poröse Struktur verliehen
wird. In der Praxis wird diese erwünschte Struktur dadurch sichergestellt, dass der Extrakt während des Frierens
unter besonderen Bedingungen expandieren gelassen wird und der Expandierungsgrad mit Bezug auf den Feststoffgehalt des
Extrakts ausgewählt wird. Überraschenderweise sind trotz der porösen Struktur die Teilchen hart und widerstandsfähiger
gegen ein Zerreiben.
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Allgemein ausgedrückt ist das erfirxdungsgemässe Verfahren . dadurch gekennzeichnet, dass man einen wässrigen Kaffeeoder
Tee-Extrakt auf eine Temperatur zwischen etwa 50C und dem Gefrierpunkt des Extrakts abkühlt und den gekühlten
Extrakt unter verminderten Druck bringt, wobei der Extrakt expandiert und zu einem festen Stoff gefroren wird. Der
gefrorene feste Stoff kann zu jeder gewünschten Teilchengrösse zerkleinert werden und das zerkleinerte Material kann
dann unmittelbar gefriergetrocknet werden, vorzugsweise in einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung.
Es sollte beachtet werden, dass das Abkühlen des Extrakts, bevor er unter verminderten Druck gebracht wird, ein wesentliches
Kennzeichen des Verfahrens ist, weil diese Abkühlungsstufe einen erheblichen Einfluss auf die Struktur des gefrorenen
Materials hat. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird das Abkühlen in zwei Stufen durchgeführt, wie im folgenden näher erläutert wird. Die Vorteile des erfindungsgemässen
Verfahrens können durch Verwendung von Extrakten erzielt werden, die Feststoffgehaltevon wenigstens
30 Gewichtsprozent aufweisen, z.B. im Bereich von um 35 bis 50 Gewichtsprozent, wobei bevorzugt ist, Extrakte, zu verwenden,
die etwa 38 bis 42 JS Feststoffe enthalten.
Eine Vorrichtung ssur Durchführung des Verfahrens ist ebenfalls
Gegenstand der Erfindung, die aus einer Vorrichtung zum Kühlen des Extrakts, einer gasdichten Gefrierkammer, einer
beweglichen Stützvorrichtung für das Produkt innerhalb der Kammer, einer Vorrichtung für die Zufuhr von gekühltem Extrakt
zu der Stützvorrichtung an deren einem Ende, einer Vorrichtung
zum Zerkleinern, gegenübei* dem anderen Ende der Stützvorrichtung
für das Zei'kleinern dss gefrorenen Extrakts, einer Vorrichtung
ζυχα Entfernen des zerkleinerten Extrakts aus der Kammer und
einer Vorrichtung zum Aufrechterhalten eines verminderten
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Drucks innerhalb der Kammer besteht. Vorzugsweise ist die Vorrichtung unmittelbar mit einer Gefriertrocknungsanlage
verbunden, so dass das gefrorene Produkt unmittelbar nach dem Zerkleinern getrocknet werden kann.
In der beigefügten Zeichnung ist in Seitenansicht,,teilweise
im Schnitt, ein Beispiel für ein kombiniertes Gefrier- und Gefriertrocknungssystem dargestellt, das aus miteinander verbundenen
Gefrier- und Trocknungskammern besteht.
Ein wässriger Kaffee- oder Tee-Extrakt, der durch Perkolieren
hergestellt und durch Verdampfen oder Einengen durch Gefrieren auf einen Peststoffgehalt vorzugsweise im Bereich von 38 bis
42 i° eingeengt ist, wird im Tank 1 gelagert. Der Extrakt wird
aus dem Tank durch die Leitung 2 abgezogen und in einem Wärmetauscher 3» wie einem "Votator", auf eine Temperatur
vorgekühlt, die vorzugsweise unterhalb 50C, z.B. bei etwa
O0G liegt. Um eine Struktur des Produkts sicherzustellen, die
besonders auf das kontinuierliche Gefriertrocknen zugeschnitten ist, wird ein Gas in den vorgekühlten Extrakt im Mischer
zugemischt. Das Gas, das zweckmässig inert bezüglich des Extrakts sein sollte, kann z.B. Luft, Kohlendioxid, Stickstoff
oder Stickoxid sein. Da die zugesetzte Gasmenge die Struktur des Produkts beeinflusst, sollte sie genau dosiert und homogen
durch den gekühlten Extrakt verteilt werden. Je nach dem Peststoff
gehalt des Extrakts entspricht die zugesetzte Gasmenge im allgemeinen 0,4 bis 0,8 Normalliter je kg Kaffeefeststoffe.
Es wurde gefunden, dass Tee-Extrakte eine etwas grössere Gasmenge benötigen, gewöhnlich zwischen etwa 1,0 und 1,5 Normalliter
je kg Peststoffe. Nach der Gaseinleitung wird der Extrakt
weiter gekühlt, vorzugsweise auf eine Temperatur von -4 bis -120C in einem zweiten Wärmetauscher 5. Die tatsächlich verwendete
Temperatur wird bezüglich des Peststoffgehalts des
Extrakts ausgewählt, wobei die niedrigeren Temperaturen bei
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- 6 niedrigeren Konzentrationen bevorzugt werden, und umgekehrt.
Das Kühlen des Extrakts wird vorzugsweise unter solchen Bedingungen
durchgeführt, dass ein Teil des im Extrakt vorhandenen Wassers gefroren wird. Dadurch, dass in dieser Weise eine
bestimmte Menge Eiskristalle in dem gekühlten Extrakt gebildet werden, verlaufen die Expandierung und das Gefrieren des
Extrakts unter vermindertem Druck glatt.
Nach der zweiten Kühlstufe wird der Extrakt, der zweckmässig
Eiskristalle enthält, durch die Leitung 6 in die Gefrierkammer
* 7 eingeführt, in die er durch eine flache Düse 8 eintritt. Der Druck in der Kammer 7 sollte ausreichend niedrig sein,
dass eine Expandierung und ein Gefrieren des Extrakts verursacht wird, wobei dieser Druck gewöhnlich unterhalb 500 pirn. Hg
liegt und vorzugsweise zwischen etwa 100 und 200 jjna Hg. Der
verminderte Druck innerhalb der Gefrierkammer wird im wesentlichen durch Kondensatoren 9 aufrechterhalten, jedoch sind
auch Pumpen (nicht dargestellt) für das Evakuieren von nicht kondensierbaren Stoffen vorgesehen. Eine Kühlvorrichtung geeigneter
Kapazität ist ebenfalls zum Kühlen des Kühlgutes in den Konc
vorgesehen«
in den Kondensatoren auf eine Temperatur von —30 bis -50 G
Der Extrakt tritt aus der Düse 8 unter positivem Druck in Form eines Bandes 10 ein. Sofort nach dem Verlassen der Düse
expandiert sich das Extraktband und gefriert und wird auf dem Förderband 11 abgeladen. Die Dicke der Extraktschicht nach
dem Expandieren beträgt gewöhnlich zwischen 2 und 4 cm. Wenn
der Extrakt in die Gefrierkammer eingeführt wird, wird er einem erheblichen Temperaturabfall unterworfen, der durch das
schnelle Verdampfen verursacht wird, was die Unterkühlung begünstigt, die eine ungenügende Kristallisation von Eis verursachen
kann. Die Unterkühlungseffekte werden durch das vor-
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herige Abkühlen des Extrakts vermieden und ausserdem kann
eine homogene Kristallisation dadurch gefördert werden, dass der Extrakt mit feinen Eiskristallen oder gefrorenen Extraktteilchen
geimpft wird. Es ist ebenfalls möglich, den Extrakt leicht anzuwärmen, nachdem er in die Gefrierkaiamer eingeführt
worden ist, z.B. dadurch, dass eine Wärmequelle, wie eine Infrarotlampe, gegenüber der Düse 8 voi'gesehen wird«
Das Förderband 11 kann ein endloses Band darstellen und es fördert den Extrakt durch die Kammer, während dieser gefriert.
Die Fördergeschwindigkeit wird dei&rt eingestellt, dass eine
ausreichende Verweiizeit für den Extrakt sichergestellt wird, um sicherzustellen, dass dieser vollständig gefroren ist, wenn
er das Ende des Durchlaufs erreicht. Sie Yerweiiseit hängt
wiederum von der Dicke des Bandes ab, die durch di& Zuführungsgeschwindigkeit des Extrakts gesteuert wird. Beim Erreichen
des Endes des Förderbandes am anderen Ende■der Dust wird das
expandierte Extraktband von einem Aufbrecher 12 aufgebrochen
und die aufgebrochenen Bruchstücke werden in der Mühle 13 gemahlen,
die so eingestellt ist, dass Teilchen von zwischen
0,25 und 2 mm Grosse erzeugt werden. Das Material aus der Mühle kann gegebenenfalls gesiebt werden und wird durch die
Luftschleuse 14 in eine kontinuierlich arbeitende Gefrier« trocknungskammer 15 eingeführt.
Es wurde gefunden, dass nach dem Kühlen des Extrakts vor dem
Gefrieren unter vermindertem Druck der Extrakt leicht eu einer harten Substanz friert, die ohne übermässige Bildung sehr
feiner Teilchen zerkleinert werden kann, so dass sin Sieben vor der Einspeisung des Extrakts in den Trockner nieiit erforderlich
ist. Dieser Effekt wird besonders dann sichtbar, wenn kleine Eiskristalle im gekühlten Extrakt vorhanden sind* Die
nach dem Zerkleinern erhaltenen Teilchen bleiben hart und kompakt, so dass wenig feine Staubteilchen durch Zerreiben
während des Trocknens gebildet werden.
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Innerhalb der Kammer 15 wird der gefrorene gemahlene Extrakt auf dem einen Ende eines Tabletts 16 abgelagert. Das Tablett
wird durch Vibratoren 17 mit geeigneter Amplitude und Frequenz vibriert, um das Produkt entlang dem Tablett zu fördern, während
gleichzeitig dessen Orientierung geändert wird. Die Kammer 15 wird unter vermindertem Druck gehalten, z.B. bei 200 /Am Hg oder
darunter mit Hilfe der Kondensatoren 9 und von Pumpen (nicht dargestellt) für nicht kondensierbare Stoffe. Die Vorrichtung
zur Verminderung des Drucks ist üblich sowohl für die Gefrierkammer wie für die Trocknungskammer und es wird zwischen den
Kammern eine Leitung 18 für den Druckausgleich vorgesehen. Während der Förderung des Produkts entlang dem Tablett 16 wird
Wärme auf das Produkt einwirken gelassen, so dass das Wasser, das als Eis vorliegt, vollständig sublimiert, wenn die Teilchen
das Ende des Tabletts erreicht haben. Das trockene Produkt wird in einer Luftschleuse 19 gesammelt und ist dann fertig
zum Abpacken.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert. Hierbei sind die Teile auf das Gewicht bezogen.
Es wird ein wässriger Extrakt von Röstkaffee, der etwa 18 %
Feststoffe enthält und durch Perkolieren hergestellt worden ist, auf einen Feststoffgehalt von 40 fi durch Gefrieren konzentriert.
Der konzentrierte Extrakt wird auf eine Temperatur von 0 bis 5°C in einem Wärmetauscher gekühlt. In den Extrakt
wird dann Kohlendioxid unter Verwendung eines Mischers in einer Menge von 0,6 Litern je kg Feststoffgehalt im Extrakt eingeleitet.
Nach dem Einleiten des Gases wird der Extrakt weiter auf eine Temperatur zwischen -5 und -100C in einem gerührten Wärme-
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tauscher gekühlt, um die Bildung von Eiskristallen zu fördern. Der gekühlte Extrakt wird danach in eine Gefrierkammer
eingespeist, in der der Druck um etwa 150 |λΐη Hg gehalten
wird. Der Extrakt wird durch eine flache Düse mit einer Geschwindigkeit von etwa 4 kg je Minute auf ein sich
bewegendes Förderband verteilt.
Unmittelbar beim Verlassen der Düse expandiert der Extrakt unter der Einwirkung des niedrigen Drucks. Das Endvolumen
wird erreicht, nachdem der Extrakt etwa 0,5m gefördert ist.
Wenn der Extrakt das Ende des Förderbandes erreicht, was nach etwa 3 Minuten der Fall ist, ist der Extrakt zu einer
harten festen Masse gefroren. Er wird dann auf eine Durchschnittsteilchengrösse zwischen 0,25 und 2 mm gemahlen.
Die gefrorenen Teilchen werden auf das Tablett eines kontinuierlichen
Gefriertrockners gebracht, der unterhalb der Gefrierkammer angeordnet ist, worin das Produkt innerhalb
von 5 Minuten getrocknet wird. Das getrocknete Produkt ähnelt gemahlenem Röstkaffee und hat eine Dichte von 0,25 g/ccm.
Wenn kein kontinuierlicher Gefriertrockner verfügbar ist, kann das gefrorene zerkleinerte Produkt aus der Gefrierkammer
durch eine Luftschleuse entnommen werden, um es in einer isolierten Vorrichtung zu trocknen.
Das Grundverfahren gemäss Beispiel 1 wird mit einem Kaffee-Extrakt
wiederholt, der 45 fi Feststoffe enthält und durch Eindampfen konzentriert worden ist. In diesem Fall wird jedoch
nach Zugabe von Gas (Stickstoff) der Extrakt auf eine Temperatur zwischen -4 und -70C gekühlt. Er wird danach in
die Düse mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,3 kg je Minute
eingespeist. Die Verweilzeit in der Gefrierkammer beträgt
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etwa 6 Minuten und das Produkt wird in einem kontinuierlichen
Gefriertrockner getrocknet.
Das getrocknete Material zeigt kein Anzeichen des Ansengens oder Schmelzens und lässt sich leicht mit Wasser zu einem
Kaffeegetränk mit hervorragendem Geschmack rekonstituieren.
Ein wässriger Extrakt von schwarzem Tee, der etwa 2,5 $ Peststoffe
enthält, wird durch Perkolieren hergestellt und anschliessend auf einen Feststoffgehalt von 40 % eingeengt. Der
konzentrierte Extrakt wird auf 5 G gekühlt und es wird Stickoxid in einer Menge von 1,25 1 je kg Extraktfeststoffe zugegeben.
Das Gas wird homogen unter Verwendung eines Mischers im Extrakt verteilt.
Der mit Gas versetzte konzentrierte Extrakt wird anschliessend auf eine Temperatur zwischen 0 und -4°G in einem gerührten
Wärmetauscher gekühlt und gemäss Beispiel 1 gefroren und getrocknet.
Das getrocknete Produkt, das eine Dichte von etwa 0,10 g/ccm
hat, zeigt kein Zeichen von Schmelzen oder Ansengen und wird mit Wasser zu einem hervorragenden Teegetränk rekonstituiert.
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Claims (1)
- 2H7878- 11 Patentansprüche1. Verfahren zum Herstellen von gefriergetrockneten Kaffeeoder Tee-Extrakten, dadurch gekennzeichnet , dass man einen wässrigen Kaffee- oder Tee-Extrakt, der wenigstens etwa 30 Gewichtsprozent Peststoffe enthält, auf eine Temperatur zwischen etwa 5 0 und dem Gefrierpunkt des Extrakts abkühlt, bis im Extrakt Eiskristalle gebildet werden, den gekühlten Extrakt unter vermindertem Druck nicht über 500 p.m Hg bringt, so dass der Extrakt expandiert und friert, und den gefrorenen Extrakt zerkleinert und gefriertrocknet.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass man den Extrakt auf eine Temperatur von etwa -4 bis -120C kühlt.3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass man den Extrakt in zwei Stufen abkühlt, wobei man in der ersten Stufe eine Temperatur von etwa plus 5 bis -40G und in der zweiten Stufe eine Temperatur von etwa -5 bis -120G anwendet.4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass man den Extrakt in zwei Stufen abkühlt und ein Gas zwischen der ersten und der zweiten Kühlstufe mit dem Extrakt vermischt.5. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeich net, dass man den Extrakt auf eine Temperatur von etwa 0 bis 50C in der ersten Stufe und auf etwa -5 bis -10 C in der zweiten Stufe abkühlt.209815/1027'6. Verfahren zur Herstellung von gefriergetrockneten Kaffee- oder Tee-Extrakten, dadurch gekennzeichnet, dass man einen wässrigen Kaffee- oder Tee-Extrakt, der etwa 35 bis 50 Gewichtsprozent Peststoffe enthält, auf eine Temperatur zwischen etwa 5 und O0G abkühlt, ein Gas mit dem gekühlten Extrakt vermischt, den Extrakt weiter auf eine Temperatur von etwa -4 bis -120C abkühlt, den gekühlten Extrakt unter vermindertem Druck nicht über 500 jn.m Hg bringt, wobei der Extrakt expandiert und zu einer festen Substanz gefroren wird, und die Substanz zerkleinert und gefriertrocknet.7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als Extrakt einen Tee-Extrakt verwendet, der etwa 40 i» Peststoffe enthält und in der zweiten Stufe auf eine Temperatur von zwischen -4 und -7 C gekühlt wird.8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Extrakt eine Gasmenge zufügt, die zwischen etwa 1,0 und 1,5 Normalliter je kg im Extrakt vorhandenen Peststoffen 'beträgt.9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Kaffee-Extrakt, der etwa 38 bis 42 <fo Feststoffe enthält, in der zweiten Stufe auf eine Temperatur von -5 bis -100G abkühlt.10. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, dass man dem Extrakt eine Gasmenge zufügt, die zwischen etwa 0,4 bis 0,8 Normalliter je kg im Extrakt vorhandene Peststoffe beträgt.11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine erste Kühlvorrichtung und eine zweite Kühlvorrichtung für209815/10272H7878den Extrakt, eine Mischvorrichtung für einen Gaszusatz zum Extrakt zwischen der ersten und zweiten Kühlvorrichtung, einer Gefrierkammer, einer Vorrichtung für die Zufuhr von Extrakt aus der zweiten Kühlvorrichtung in die Gefrierkammer, einer Fördervorrichtung in der Gefrierkammer zum Extrakttransport, eine Vorrichtung zur Verteilung von gekühltem Extrakt auf dem einen Ende der Fördervorrichtung im Abstand von der Verteilungsvorrichtung, eine Gefriertrocknungskammer, die mit der Gefrierkammer in Verbindung steht, eine Transportvorrichtung für gefrorenes Material durch die Gefriertrocknungskammer, eine Luftschleuse für den Abzug von getrocknetem Material aus der Gefriertrocknungskammer, und eine Vorrichtung für das Aufrechterhalten eines Druckes nicht über 500 jwn Hg in der Gefrierkammer und der Gefriertrocknungskamiaer·209815/1027Leerseite
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