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Verfahren zur Entcoffeinierung von Rohkaffee
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Zur Entcoffeinierung von Kaffee sind eine größere Anzahl von Verfahren
bekannt. Dabei wird im allgemeinen dem mit Wasser aufgeschlossenen Rohkaffee das
Coffein durch Behandlung mit Lösungsmitteln, die möglichst selektiv wirken, entzogen.
Vor allem haben Ester, aromatische Kohlenwasserstoffe und besonders halogenierte
Kohlenwasserstoffe allein oder in Mischung technische Anwendung gefunden. Außerdem
werden auch wäßrige Rohkaffee- und Röstkaffee-Extrakten in Gegenstromapparaten das
Coffein beispielsweise mit chlorierten Kohlenwasserstoffen entzogen, wobei der coffeinfreie
wäßrige Extrakt zu den extrahierten Bohnen zurückgegeben wird.
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Die verwendeten Lösungsmittel müssen bei erhöhten Temperaturen
aus
den Bohnen und den Extrakten wieder vollständig entfernt werden. Das erfolgt im
allgemeinen durch Ausdämpfen mit Wasser dampf, was mit entsprechendem technischen
und analytischen Aufwand verbunden ist. Daher wurden vielfach Versuche unternommen,
dem Kaffee das Coffein auf anderem Wege zu entziehen.
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So wird in der US-Patentschrift 1640648 ein Verfahren vorgeschlagen,
das die Eigenschaft des Coffeins, bei erhöhten Temperaturen zu sublimieren, ausnutzt.
Dabei wird der Rohkaffee zur Freisetzung des Coffeins zunächst mit Alkalien behandelt.
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Danach wird der Rohkaffee auf 1780C erhitzt und bei dieser Temperatur
ein Inertgasstrom hindurch geleitet. Das sublimierende Coffein wird mit dem Gasstrom
abtransportiert. Als Inertgase sind Wasserstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid geeignet.
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Allerdings konnten bei diesem Verfahren Endwerte von 0,35 ffi Coffein
im Rohkaffee nicht unterschritten werden, so daß der behandelte Kaffee weder als
coffeinarm noch als coffeinfrei im Sinne der deutschen Lebensmittelverordnung angesprochen
werden kann. Nachteilig ist weiterhin, daß der Kaffee mit Alkalien behandelt und
hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
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Weiterhin ist ein Verfahren bekannt geworden (DT- AS 2005 293), bei
welchem dem feuchten Rohkaffee das Coffein mit Uberkritischem, d.h. gasförmigem
Kohlendioxid entzogen wird. Der bevorzugte Arbeitsbereich liegt zwischen 40 und
soo; die untere Grenze bildet die kritische Temperatur des Kohlendioxids. Die Behandlung
von Rohkaffee in diesem Temperaturbereich führt zu einem Kaffee, der nach der Röstung
einen Kaffee ergibt, welcher im Geschmack nicht voll befriedigt.
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Andere Arbeiten ergaben, daß das Coffein dem Rohkaffee auch bei Temperaturen
unterhalb der kritischen Temperatur mit flüssigem Kohlendioxid entzogen werden kann.
Die Enteoffelnierung ist mit einem Gemisch von flüssigem und gasförmI#-'trn Kohlendioxid
sowie mit flüssigem Kohlendioxid allein (d.h. bei Drucken etwas oberhalb des Dampfdruckes
des flüssigen Kohlendioxids) möglich.
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Unter diesen Bedingungen ist jedoch die Tösefähigkeit des fliissigen
Kohlendioxids nicht sehr selektiv, so daß dem Roh!;nffee außer dem Coffein auch
Stoffe entzogen erden, welche für die Bildung von Aroma beim Rösten von Bedeutung
sind. Der mit flüssigem C02 behandelte Kaffee ist daher in seinem Aroma beeinträchtigt.
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Die Eigenschaften von flüssigem Kohlendioxid als Lösungsmittel für
Coffein sind verschiedentlich untersucht und beschrieben worden. So wird in M. Sivetz
Coffein Processsing Technology", Bd. 2, S. 21 bis 23 die Gewinnung von Kaffee-Aroinaöl
behandelt.
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Erwähnt seien in diesem Zusammenhang ferner das brit. Patent 11 06468
bzw. österr. Patent 2 85 307. Ebenso wird die Herstellung anderer Aromakonzentrate
mit Hilfe von flüssigem Kohlendioxid beschrieben, z.B. in Food Technology 23, 11,
50 (1969). Solche Aromakonzentrate stellen Gemische aus einer sehr großen Zahl von
Komponenten dar. Somit werden bei der Extraktion von Rohkaffee mit flüssigem Kohlendioxid
mit dem Coffein gleichzeitig andere Stoffe entzogen. Dadurch fällt das Coffein in
stark verunreinigter Form an und dem Kaffee fehlen Komponenten, die für die Aromabildung
wichtig sind.
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Nach einem neueren Vorschlag (DT - AS 22 12 281) steigt bei Erhöhung
des Druckes im Extraktor die Selektivität des flüssigen Kohlendioxids für Coffein
stark an. Insbesondere wird bei Drucken oberhalb des kritischen Druckes dem Kaffee
praktisch reines Coffein entzogen, ohne daß der Gehalt an Stoffen, die für die Aromabildung
wichtig sind, merklich abnimmt. Im einzelnen ist das Verfahren dadurch charakterisiert,
da9 Rohkaffee zunächst mit Wasser auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 10 bis 60 %
gebracht wird und das Coffein mit Wasser gesättigtem flüssigent Kohlendioxid bei
einem Druck, der höher ist als der kritische Druck, selektiv extrahiert wird.
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Das so extrahierte Coffein fällt in einer Reinheit von über 98 fo
als weißes Pulver an. Vorzugsweise wird die Extraktion im Temperaturbereich zwischen
OOC und der kritischen Temperatur des Kohlendioxids und bei Drücken oberhalb 80
bar ausgeführt.
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Die Feuchte des Rohkaffees wird in üblicher Weise durch eine der Extraktion
vorangehende Dämpfung eingestellt. Das im flüssigen C02 gelöste Coffein wird in
einem nachgeschalteten Aktivkohle-Adsorber entfernt. Die Aktivkohle, die vorher
mit Wasser gesättigt wurde, adsorbiert das gelöste Coffein quantitativ. Das gereinigte
Lösungsmittel wird durch eine Pumpe im Kreislauf gefördert.
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Anstelle der Reinigung des Kreislaufmediums mit Hilfe eines Aktivkohle-Adsorbers
kann die Coffeinabscheidung aus dem Lösemittel auch dadurch erfolgen, daß der coffeinhaltige
Lösungsmittelstrom
zunächst in einen Trennbehälter geleitet und verdampft wird. In einem Kühler wird
der Dampf wieder kondensiert und durch eine Flüssigkeitspurnpe in den Extraktionsbehälter
zurückgefiihrt. Bei der Verdampfung bleibt dan Coffein quantitativ im Trennbehälter
und kann hier abgezogen werden.
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Da bei der Verdampfung im Trennbehälter die Kohlensäure an Wasser
verarmt, muß der in den kxtraktionsbehälter zuriickgefiihrten Kohlensäure eine entsprechende
Wassermenge zugesetzt werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Entcoffeinicrung von
Kaffee und zur Gewinnug des Coffeins, das nun dadurch gekennzeichnet ist, 4!#ß dem
mit Wasserdampf bei erhöhter Temperatur aufeeschlosse::tn Rohkaffee mit einem Wassergehalt
von 15 bis 55 Gevf;,mit Hilfe eines komprimierten Gases und eines Schleppmittels
das Coffein entzogen wird, und in einer Hilfskolonne das Coffein durch Teilkondensation
des Schleppmittels aus dem Gaskreislauf ohne Entsparinungsoperatlonen geschieden
und das Rohcoffein aus dem Kondensat durch Verdampfung des Schleppmittels gewonnen
wird.
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Nach dem Verfahren dieser Erfindung werden also zur Extraktion des
Coffeins Gemische aus komprimierten gasförnigen und leichtflüchtigen Komponenten
verwendet. Beispielsweise wurde festgestellt, daß Stickstoff unter Drucken oberhalb
150 bar sehr selektive Lösungseigenschaften gegenüber Coffein besitzt.
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Die Selektivität des Stickstoffs gegenüber Coffein ist dagegen nicht
so hoch wie die des komprimierten Kohlendioxids. Durch
die Zugabe
eines geeigneten leichtflüchtigen Lösungsmittels eines Schleppmittels, kann aber
dabei die Löslichkeit des Coffeins im komprimierten Gas bedeutend erhöht werden.
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Das Schleppmittel löst sich im komprimierten Gas in einer Menge auf,
die dem mehrfachen seines Dampfdrucices entspricht.
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Zweckmäßigerweise setzt man dem komprimierten Gas soviel Schleppmittel
zu, daß es unter den gegebenen Prozeßbedingungen an Schleppmittel gesättigt oder
nahezu gesättigt ist. Eine besonders vorteilhafte Arbeitsweise ist es, Druck und
Temperatur so zu wählen, daß das System aus komprimiertem Gas und Schleppmittel
überkritisch ist. In diesem Fall ist nämlich die Einstellung einer praktisch beliebig
hohen Schleppmittelkonzentration in der Gasphase möglich. Dadurch ist auch gleichzeitig
eine hohe Löslichkeit des Coffeins zu erreichen.
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Zur Abscheidung des im Gemisch aus komprimiertem Gas und Schleppmittel
gelösten Coffeins wird das komprimierte Gas bei konstantem Druck entweder erwärmt
oder abgekühlt, jenachdem ob die Sättigungskonzentration des Schleppmittels im komprimierten
Gas mit der Temperatur zu- oder abnimmt. Beide Fälle sind möglich. Durch diese Maßnahme
wird nach dem Verfahren dieser Erfindung ein Teil des Schleppmittels kondensiert.
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Der auskondensierte Schleppmittelanteil dient gleichzeitig dazu, dasCoffein
aus dem im Kreislauf geführten komprimierten Gas auszuwaschen. Wird der auskondensierte
Schleppmittelanteil durch die Wahl der Temperatur entsprechend gering gehalten,
so
erhält man relativ konzentrierte Coffeinlösungen, aus denen leicht
reines Coffein gewonnen werden kann.
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Werden die Bedingungen bei der Extraktion so gewählt, daß das Gemisch
aus komprimiertem Gas und Schleppmittel überkritisch ist, so wird bei der Abscheidung
des Coffeins die Temperatur so gewählt, daß das Gemisch aus komprimiertem Gas und
Schleppmittel unterkritisch 7wird. Letzteres wIrd im allgemeinen durch Temperaturerhöhung
bewirkt.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand
Fig. 1 näher erläutert.
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In dem als Extraktor dienenden Druckgefäß 1 wird das zu bearbeitende
Gut mit einem Gemisch aus komprimiertem Gas und Schleppmittel in engen Kontakt gebracht.
Dabei belädt sich das Gemisch aus komprimiertem Gas und Schleppmittel mit Coffein.
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Nach Passieren des Extraktors tritt das Kreislaufmedium in die Kolonne
2 ein. Am Kopf der Kolonne befindet sich der Wärmetauscher 4, mit dessen Hilfe ein
Teil des Schleppmittels auskondensiert wird. Das auskondensierte Schleppmittel läuft
im Gegenstrom zum Kreislaufmedium die Kolonne herunter und wäscht das im Kreislaufmedium
gele#ste Coffein heraus. Im Sumpf der Kolonne 2 befindet sich der Wärmetauscher
3, der gegebenenfalls dazu dient, die Coffeinlösung durch teilweises Verdampfen
des Lösungsmittels aufzukonzentrieren. Das mit Coffein beladene Schleppmittel, das
die Gleichgewichtsmenge an komprimiertem Gas gelöst enthält, wird am Sumpf der Kolonne
2 abgezogen.
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Die Kolonne 2 kann als Bodenkolonne oder als Füllkörperkolonne ausgeführt
werden.
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Das in der Kolonne 2 vom Coffein befreite Kreislaufmedium wird mit
Hilfe der Gasumlaufpumpe 5 in den Extraktor zurückgeführt, wo es sich wiederum mit
Coffein belädt. Die durch die Entnahme der Coffeinlösung entstehenden Verluste an
komprimiertem Gas und Schleppmittel werden durch Zugabe von Gas und Schleppmittel
in den Extraktor ersetzt.
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Nachdem der Coffeingehalt des im Extraktor befindlichen Rohkaffees
den gewünschten Betrag angenommen hat, wird der Extraktor entspannt und entleert.
Die Beschickung und Entleerung des Extraktors kann aber auch mit Hilfe von Druckschleusen
ohne Entspannung des Extraktorinhaltes in bekannter Weise vorgenommen werden. Das
Beschicken und Entleeren eines Druckbehälters mit festem Material mit Hilfe von
Schleusen ist eine bekannte Arbeitsweise, die beispielsweise bei der Druckvergasung
fester Brennstoffe in ruhenden Betten angewandt wird.
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Als Schleppmittel werden nach den erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise
chlorierte Kohlenwasserstoffe, insbesondere chlorierte Alkane, vorzugsweise mit
1 bis 2 Kohlenstoffatomen und 1 bis 4 Chloratomen im Molekül, so z.3.Methylenchlorid,
Dichloräthylen und Trichloräthylen verwendet.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden als Lösungsmittel
Ester, vorzugsweise von aliphatischen Säuren,
wie Fettsäuren mit
2 bis 4 Kohlenstoffatomen, mit aliphatischen Alkoholen, vorzugsweise mit 1 bis 3
Kohlenstoffatomen verwendet.
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Gute Ergebnisse werden Jedoch auch mit entsprechenden Estern von aliphatischen
Dicarbonsäuren mit 3 bis 4 Kohlenstoffatomen oder auch mit Estern der Acetessigsäure
erhalten. Als Beispiele seien genannt: Methylacetat, Äthylacetat, Propylen acetat,
Äthylproptonat, Malonsäurednmetnylester und Acetessigsäuremethylester.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht aliphatische Ketone
mit 3 bis 6 Kohlenstoffatomen, wie Aceton, Methyläthylketon, ferner Acetylaceton
als Lösungsmittel vor.
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Besonders gut sind erfindungsgemäß als Löstmgsmittel aliphatische
Alkohole, vorzugsweise mit bis zu 3 Kohlenstoffatomen, wie z.B. Methylalkohol, Äthylalkohol,
Isopropylalkohol, sowie Formaldehyddimethylacetal geeignet. Das Formaldehyddimethylacetal
wird dabei vorzugsweise mit Wasser gesättigt verwendet.
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Die Löslichkeit von Wasser in Formaldehyddimethylacetal beträgt bei
200C ca. 11,5, bei 400C ca. 14,9 Cew#o.
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Der zur Extra':tion nach dem neuen Verfahren gelangende Rohkaffee
wird zweckmäßigerweise durch eine der Extraktion vorangehende Dämpfung aufgeschlossen
und auf einen Feuchtigkeitsgehalt zwischen 20 und 60 % eingestellt, wie es im allgemeinen
bei der Extraktion von Coffein üblich ist.
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Als Schleppmittel werden bevorzugt Lösungsmittel verwendet, denen
soviel Wasser zugesetzt wurde, daß das binäre überkritische Gemisch aus Gas und
Schleppmittel an Wasserdampf gesättigt ist. Da in der Kolonne zur Abscheidung des
Coffeins im Verhältnis mehr Wasser als Lösungsmittel kondensiert wird, müssen dem
Gas strom nach Verlassen der Kolonne abgetrenntes Wasser und Lösungsmittel in entsprechender
Menge zugegeben werden.
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Die Behandlungstemperaturen des Rohkaffees nach dem Verfahren dieser
Erfindung können zwischen etwa 0 und 100 0C variieren.
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Doch werden Temperaturen zwischen etwa 20 und 450C bevorzugt.
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Bei Temperaturen in der #ähe der Zimmertemperatur bleibt der Rohkaffee
selbst nach sehr langer Benandlungsdauer von etwa drei Tagen praktisch unverändert.
Als komprimierte Gase nach dem Verfahren dieser Erfindung sind neben Stickstoff
beispielsweise auch Kohlendioxid, Stickoxydul, äthan, Äthylen, Methan, Propan, Propylen,Monochlortrifluormethan
geeignet.
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Die Arbeitsdrucke bei der Extraktion können in weiten Grenzen variiert
werden. Doch werden bei Gasen wie Stickstoff und Methan mit einer geringen kritischen
Temperatur höhere Drucke im Bereich von etwa 150 bis 1000 bar, vorzugsweise etwa
150 bis 500 bar gewählt werden. Sollten Stoffe als komprimiertes Gas verwendet werden,
deren kritische Temperatur in der Nähe oder innerhalb des Temperaturbereiches von
etwa 0 - 1000C liegen, so sind die Arbeitsdrucke höher als die betreffenden kritischen
Drucke.
Im letzteren Fall wird man im allgemeinen mit etwas geringeren Drucken bis etwa
200 bar auskommen. So ist der Druckbereich von C02 zwischen ca. 75 bis ca. 200 bar,
von Stickoxydul zwischen 72 bis ca. 200 bar, von Äthan zwischen ca. 50 bis ca. 200
bar, von Äthylen zwischen ca. 51 bis ca. 200 bar, von Propan zwischen ca. 40 und
ca. 200 bar, von Propylen zwischen ca. 45 und ca. 200 bar, von Monochlortrifluormethan
zwischen ca. 40 und ca. 200 bar gelegen.
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Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.
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Beispiel 1 In einer Anlage nach Zeichnung 1 wurden 0,5 kg Rohkaffee
mit einer eingestellten Feuchte von 46 % 14 Stunden bei einem Druck von 200 bar
bei 400C mit Stickstoff und Formaldehyddimethylacetal behandelt. Der Stickstoff
enthielt dabei etwa 3,0 Gew% Formaldehyddimethylacetal. Das Kreislaufgas als Stickstoff
und Formaldehyddimethylacetal war mit Wasserdampf gesättigt. In der Hilfakolonne
wurde das Kreislaufgas auf 20 0C abgekühlt. Das dabei auskondensierende Gemisch
aus Wasser und Formaldehyddimethylacetal enthielt das extrahierte Coffein gelöst.
Der Coffeingehalt des Rohkaffees wurde auf 0,07 % erniedrigt.
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Beispiel 2 In einer Anlage nach Zeichnung 1 wurden 0,5 kg Rohkaffee
mit einer eingestellten Feuchte von 50 % 14 Stunden bei einem Druck von 90 bar bei
45 0C mit Kohlendioxid und Formaldehyddimethylacetal behandelt. Das Kohlendioxid
enthielt dabei 17 Gew% Formaldehyddimethylacetal. Das XreislaufLas aus Stickstoff
und Formaldehyddimethylacetal war mit Wasserdampf gesättigt. In der Hilfskolonne
wurde das Kreislaufgas auf 80 0C erwärmt. Das dabei auskondensierendv Gemisch aus
Formaldehyddimethylacetal und Wasser enthielt das extrahierte Coffein gelöst. Der
Coffeingehalt des Rohkaffees wurde auf 0,06 % erniedrigt.
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