DE2905078C2

DE2905078C2 -

Info

Publication number: DE2905078C2
Application number: DE2905078A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Chem. Dr. 5277 Marienheide De Zosel
Original assignee: Studiengesellschaft Kohle gGmbH
Current assignee: Studiengesellschaft Kohle gGmbH
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1979-02-10
Publication date: 1989-02-16
Also published as: JPS6158137B2; AT370282B; NL189845B; US4348422A; NL7901126A; IE790271L; CA1132836A; DE2905078A1; LU80907A1; IE48070B1; FR2423166A1; DK153812C; DK153812B; GB2014425B; NL189845C; FR2423166B1; DK60079A; SE7901211L; ES477634A1; IT7920122A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Entcoffeinierung von wäßrigen Kaffee-Extraktlösun gen.

In der US-Patenanmeldung 3 64 190 sowie der DE-OS 20 05 293 der Anmelderin vom 25. 5. 1973 wird ein Verfahren zur Entfernung von Coffein aus Kaffee durch Behandlung der Kaf feestoffe entweder in Form von Bohnen oder ge mahlenem Kaffee mit feuchtem CO₂ unter überkriti schen Temperatur- und Druckbedingungen beschrie ben. Bei diesem Verfahren wird zwar das Coffein aus dem Kaffee ohne die Möglichkeit einer Verun reinigung des Kaffees mit unerwünschten Extrak tionslösungsmitteln o. dgl. wirksam entfernt, jedoch erfordert das Verfahren die Handhabung des festen Kaffeeprodukts und häufig eine in Stunden gemesse ne Behandlungszeit für eine im wesentlichen voll ständige Entfernung des Coffeins.

Im Falle der Behandlung von geröstetem Kaffee an stelle von grünem Kaffee werden zusätzlich zum Coffein Kaffeeöle, die Aroma- und Geschmacksstoffe enthalten, entfernt. Wird also das Verfahren auf gerösteten Kaffee angewandt, so ist es im allgemei nen notwendig, zunächst die Aroma- und Geschmacks stoffe selektiv zu entfernen und diese nach der Coffein-Extraktion wieder hinzuzufügen. Ein der artiges Verfahren ist Gegenstand der DE-PS 21 19 678.

Gemäß der DE-OS 26 38 383 wurde bereits auch versucht, überkritisches CO₂ einzusetzen, um Coffein aus wäßriger Kaffee-Extrakt lösung zu entfernen. So z. B. bei der Herstellung von löslichem Kaffee. Entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren werden Aroma- und Geschmacksstoffe zu nächst entfernt, der wäßrige Extrakt, befreit von solchen Inhaltsstoffen, wird dann zwecks Entfernung des Coffeins mit CO₂ in Berührung gebracht und danach Aroma- und Geschmacksstoffe wieder hinzugefügt. Die Coffeinentfernung ist aber weder effektiv noch öko nomisch, da ein Schäumen auftritt, das eine wirk same Coffein-Extraktion verhindert und eine verlän gerte Behandlungszeit erfordert.

In der DE-OS 23 40 566 wird zudem ein Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen mit geringem Dampfdruck durch extraktive Destillation in Anwesenheit überkri tischer Stoffe unter hohem Druck beschrieben, bei dem zusätzlich zum Extraktionsmittel ein Schleppmittel eingesetzt wird, das den Trennfaktor der Komponenten des Stoffgemisches erhöht und damit die Trennung auf destillativem Wege erleichtert. Dieses Verfahren er fordert jedoch nicht nur den Zusatz einer weiteren Komponente zum Trennsystem, sondern auch deren spätere Abtrennung aus dem Destillat, die mitunter problema tisch sein kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah ren für die direkte, selektive Entfernung von Coffein aus wäßriger Kaffee-Extraktlösung zur Verfügung zu stellen, das ohne die vorher beschriebenen Probleme abläuft und eine vorhergehende Entfernung von Aroma- und Geschmacksstoffen nicht erfordert.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entcoffeinierung von Kaffee mittels überkritischen Kohlendioxids, wobei eine wäßrige Kaffee-Extraktlösung mit dem überkritischen Kohlendi oxid, vorzugsweise im Gegenstrom, behandelt wird, das Coffein aus dem coffeinhaltigen Kohlendioxid in be kannter Weise abgetrennt wird und das coffeinfreie Kohlendioxid erneut zur Extraktion eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche dünner Filme einer wäßrigen, sämtliche Aroma- und Geschmacks stoffe enthaltenden Kaffee-Extraktlösung behandelt.

Diese und weitere erfindungsgemäße Verfahrensweisen werden durch die folgende Beschreibung erläutert, insbesondere im Zusammenhang mit dem Fließschema, aus dem eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ersichtlich wird.

Gemäß der Erfindung wurde nämlich überraschenderweise ge funden, daß das Coffein aus Kaffee im wesentlichen vollständig und selektiv und zudem in stark vereinfachter Weise und in viel kürzerer Zeit ohne vorhergehende Entfernung von Aroma- und Geschmacksstoffen extrahiert werden kann, indem die Oberfläche eines dünnen Films einer wäßrigen Kaffee-Extraktlösung mit überkritischem CO₂ behandelt wird. Hierdurch wird das Coffein direkt wirksam aus dem wäßrigen Kaffee-Extrakt entfernt und in der überkritischen Kohlendioxidschicht ab transportiert, aus der es isoliert werden kann.

Die gemäß der Erfindung verwendete wäßrige Kaffee- xtraktlösung kann eine beliebig übliche wäßrige Kaffee-Extraktlösung sein, wie sie beispielsweise durch Aufgießen von Kaffee oder bei einem Verfah ren zur Herstellung von löslichem festem Kaffee- Extrakt, der als Instantkaffee bekannt ist, erhal ten wird. Der wäßrige Kaffee-Extrakt wird somit im allgemeinen durch Behandeln von gemahlenen Kaffeebohnen mit heißem oder siedendem Wasser er halten und enthält im allgemeinen etwa 20 bis 40, vorzugsweise 25 bis 38 Gew.-% gelöste Kaffeefest stoffe, deren Coffeingehalt etwa 3 bis 6 und im allgemeinen 4 bis 5 Gew.-% betragen kann. Die gemäß der Erfindung behandelte wäßrige Kaffee- Extraktlösung kann auch durch Entfernung eines Teils des in ihr enthaltenen Wassers bis zum Punkt der Sättigung mit den gelösten Kaffeefeststoffen konzentriert werden. Die wäßrige Kaffee-Extrakt lösung kann auch aus gemahlenem Röstkaffee, der zur Entfernung des Kaffeeöls und der Aroma- und Ge schmackstoffe mit trockenem Kohlendioxid auf die in der US-PS 39 69 196 oder in der DE-PS 21 19 678 be schriebenen Weise behandelt worden ist, hergestellt werden. Nach dem Entcoffeinieren ist es dann natür lich notwendig, das Kaffeeöl und die Aroma- und Ge schmacksstoffe dem Kaffeepulver wieder zuzuführen. Es ist danach vorteilhaft, den ganzen wäßrigen Kaffee-Extrakt, von dem Aroma- und Geschmacksstoffe nicht entfernt wurden, einzusetzen.

Das Kohlendioxid kann als solches verwendet werden oder Wasser bis zu der Menge, die es unter den jeweiligen Bedingungen der Temperatur und des Drucks, unter denen es verwendet wird, sättigt, enthalten, und im allgemeinen ist es in dieser Weise gesättigt, wenn es gemäß dem Verfahren gemäß der Erfindung im Kreislauf geführt wird.

Die überkritischen Bedingungen der Temperatur und des Drucks, unter denen die Behandlung durchgeführt wird, können im Temperaturbereich zwischen 32° und 140°C, vorzugsweise zwischen 40° und 80°C, und im Druckbereich zwischen 75 und 350 bar, vorzugsweise zwischen 150 und 250 bar liegen.

Das CO₂ muß an der Oberfläche eines dünnen Films der wäßrigen Kaffee-Extraktlösung entlang geführt werden und nicht durch die Flüssigkeit der wäßrigen Kaffee-Extraktlösung perlen. Hierzu kann die wäßrige, sämtliche Aroma- und Geschmacksstoffe enthaltende Kaffee-Extraklösung in jeder bekannten oder gewünschten Weise in der Form eines dünnen Films für den Oberflächenkontakt mit dem CO₂ gebracht werden, so z. B. indem man die wäßrige Kaffee-Extraktlösung in Form eines dünnen Films über eine geeignete Oberfläche führt oder indem man sie durch eine Kaskade oder ähnliche Vorrichtung, die die Lösung in einen frei laufenden Film mit großer Oberfläche umwandelt, führt. Apparaturen, die Dünnfilmverdampfern oder Ana logen entsprechen, sind geeignet.

Im allgemeinen verläuft die Entfernung des Coffeins um so wirksamer und schneller, je inniger die Berüh rung zwischen der wäßrigen Kaffee-Extraktlösung und dem Kohlenoxid ist. Es erwies sich als vorteilhaft, die wäßrige Kaffee-Extraktlösung von oben nach unten durch eine Füllkörperkolonne zu leiten und das Koh lendioxid von unten nach oben im Gegenstromkontakt mit der wäßrigen Kaffee-Extraklösung durch die Kolonne zu führen. Im allgemeinen sollte das Koh lendioxid in Mengen zwischen 10 g und 100 g, vor zugsweise zwischen 30 g und 40 g pro cm³ wäßrigen Kaffee-Extrakt verwendet werden. Das zur Erzielung von maximaler Geschwindigkeit, maximalem Wirkungs grad und maximaler Entcoffeinierung erforderliche Mengenverhältnis der Ströme von CO₂ und wäßriger Kaffee-Extraktlösung läßt sich sehr einfach empi risch ermitteln. Nach der Behandlung mit CO₂ ist der wäßrige Kaffee-Extrakt im wesentlichen frei von Coffein und im allgemeinen von wenigstens 97 bis 98% seines Coffeingehaltes befreit. Dieser wäßrige Kaffee-Extrakt ist so, wie er gewonnen wird, unmittelbar für den Verzehr als entcoffeinier ter Kaffee geeignet und kann nach den üblichen be kannten Verfahren, d. h. nach Sprühtrocken- oder Gefriertrockenverfahren, zur Bildung von festem, löslichem Instantkaffee konzentriert werden.

Das mit dem Coffein beladene Kohlendioxid kann einer Behandlung zur Entfernung des Coffeins in beliebiger üblicher Weise, beispielsweise durch Adsorption mit Aktivkohle oder Lösungsmittelextrak tion, unterworfen werden. Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung das mit Coffein und Wasser beladene Kohlendioxid aus der Behandlung am Kopf der Kolonne abgezogen und danach zuerst einer Druckentspannung unterworfen, wodurch das Koh lendioxid abgetrieben wird und eine wäßrige Coffeinlösung zurückbleibt, aus der das Wasser und das Coffein durch Destillation getrennt werden können. Beson ders bevorzugt wird eine Arbeitsweise, bei der das mit dem Coffein beladene Kohlendioxid am Kopf der Kolonne abge zogen und danach einem Waschturm, beispielsweise einer Füllkörper kolonne, zugeführt wird. Eine Phase, die Wasser und darin gelöstes Coffein und Kohlendioxid enthält, wird vom Boden dieser Kolon ne abgezogen und durch Druckentspannung in einer Druckentspannungskammer bei einem Druck zwischen 0,5 und 1 bar und vorzugsweise bei einer Temperatur von 80°C bis 90°C entgast, wobei das Kohlendioxid frei gegeben wird. Das Kohlendioxid wird wieder auf den gleichen Druck, der im Waschturm herrscht, gebracht, und im Kreislauf zum Boden des Waschturms zurückge führt, der bei einer Temperatur zwischen 32°C und 140°C, vorzugsweise zwischen 40°C und 80°C, und einem Druck zwischen 75 und 350 bar, vorzugsweise zwi schen 150 und 250 bar, betrieben wird. Die zurückblei bende wäßrige Coffeinlösung wird einer Destillation zugeführt, bei der das Coffein entfernt und das über Kopf übergehende Wasser zum oberen Ende der Waschko lonne zurückgeführt wird.

Die Abbildung zeigt ein Fließschema, das eine Aus führungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung veranschaulicht.

Die wäßrige Kaffee-Extraktlösung wird aus einem Tank 1 durch die Pumpe 2 in die Fülkörperkolonne 3 gepumpt, die eine in der chemischen Industrie ver wendete Füllkörperkolonne von üblicher Konstruktion ist und beispielsweise Füllkörper wie Raschigringe, Glaskugeln oder Spiralen aus nichtrostendem Stahl enthält. In dem Maße, wie die wäßrige Kaffee-Extrakt lösung von oben nach unten über die Füllkörper der gepackten Kolonne geführt wird, entsteht aus der Flüssigkeit ein dünner Film mit einer großen Oberfläche. Kohlendioxid wird unter überkritischen Bedingungen der Temperatur und des Drucks am Boden in die Kolonne 3 gepumpt und streicht an der Ober fläche des dünnen Films des flüssigen Extraktes auf den Füllkörpern vorbei. Die von Coffein befreite wäßrige Kaffee-Extraktlösung wird in der Vorlage 4 gewonnen. Dieser coffeinfreie wäßrige Kaffee-Extrakt kann einem üblichen Gefriertrockner o. dgl. zugeführt werden, um entcoffeinierten Instantkaffee herzustel len. Das mit Wasser und Coffein beladene Kohlendi oxid wird vom Kopf der Kolonne 3 abgezogen und unten in den Waschturm 5 von üblicher Konstruktion eingeführt. Dieser Waschturm kann mit Füllkörpern z. B. Raschigringen, Glaskugeln oder Spiralen aus nichtrostendem Stahl, gefüllt sein. Vom Fuß des Waschturms werden Wasser und Kohlendioxid und darin ge löstes Coffein zur Entgasungs- und Druckentspan nungskammer 6 geführt, in der der Druck entspannt und Kohlendioxid als Gas von einer Wasser und Coffein enthaltenden Flüssigphase abgetrennt wird. Das Kohlendioxid wird vom oberen Teil der Kammer 6 abge zogen und durch die Pumpe 10 zum unteren Teil des Waschturms 5 zurückgepumpt. Die wäßrige Coffeinlösung wird zur Destillation 7 geführt, in der das Wasser vom Coffein abdestilliert und das Coffein isoliert wird. Das Wasser wird durch die Pumpe 8 zum oberen Teil des Waschturms 5 zurückgepumpt. Das Kohlendioxid wird vom oberen Teil des Wasch turms 5 mit Hilfe der Pumpe 9 zum Fuß der Kolonne 3 zurückgepumpt.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.

Beispiel 1

Eine Vorrichtung, wie sie in der Abbildung darge stellt ist, wird verwendet. Der wäßrige Kaffee-Ex trakt im Behälter 1 wird in üblicher Weise durch Behandeln von gemahlenem Kaffee mit siedendem Was ser hergestellt. Er enthält 32 Gew.-% gelöste Kaf feefeststoffe mit einem Coffeingehalt von 4,5%. Die Kolonne 3 hat eine Höhe von 6 m und einen Durch messer von 6 cm und ist mit Glaskugeln von 1 cm Durchmesser gefüllt. Der Waschturm 5 hat eine Höhe von 5 m, einen Durchmesser von 6 cm und ist mit Glaskugeln gefüllt. Die Kolonne 3 wird bei einer Temperatur zwischen 50° und 51°C und einem Druck zwischen 200 und 202 bar gehalten. Die wäßrige Kaffee-Extraktlösung 1 hat eine Temperatur von 50°C und wird durch die Pumpe 2 auf das obere Ende der Kolonne 3 aufgegeben. Kohlendioxid wird durch die Pumpe 9 in das untere Ende der Kolonne 3 einge führt. Es wird in der Kolonne bei überkritischen Bedingungen der Temperatur und des Drucks gehalten, indem der Druck bei 200 bar und die Temperatur bei 50°C gehalten wird. Das Kohledioxid strömt von unten nach oben durch die Kolonne im Gegenstrom kontakt mit der wäßrigen Kaffee-Extraktlösung, die von oben nach unten über die Füllkörper fließt. Der wäßrige Kaffee-Extrakt wird in einer Menge von 17 cm³ oder g/Minute in die Kolonne gepumpt und durch die Kolonne gleitet, und das Kohlendioxid strömt von unten nach oben durch die Kolonne in einer Menge von 800 g/Minute. Das mit Wasser und Coffein beladene Kohlendioxid wird vom Kopf der Kolonne 3 abgezogen und in den Fuß des bei einer Temperatur von etwa 50°C gehaltenen Waschturms eingeführt. Die mit Kohlendioxid gesättigte wäßrige Coffeinlösung wird vom Boden des Waschturms in die Druckentspannungskammer 6 eingeführt, die aus einem mit einer Heizvorrichtung versehenen Druckge fäß besteht, in dem der Druck auf etwa 0,l5 bis 1 bar bei einer Temperatur von 80°C bis 90°C entspannt wird, wodurch gasförmiges Kohlendioxid freigesetzt wird, das durch die Pumpe 10 zum Boden des Waschturms 5 gepumpt wird. Das das Coffein enthaltende Wasser wird als Flüssigphase vom Boden der Kammer 6 abgezo gen und der Destillation zugeführt. Im wesentlichen reines Coffein wird abgetrennt und isoliert, während das Wasser abdestilliert und durch die Pumpe 8 in einer Menge von etwa 80 cm³/Minute zum Turm 5 zurück gepumpt wird. Kohlendioxid wird vom Kopf des Wasch turms 5 abgezogen und durch die Pumpe 9 zur Kolonne 3 zurückgeführt. Die Behandlungszeit, die erforderlich ist, um die bei 4 gewonnene wäßrige Kaffee-Extraktlö sung im wesentlichen zu entcoffeinieren, beträgt weniger als 30 Minuten. Das Coffein wird zu mehr als 98% entfernt.

Bei dem vorstehend beschriebenen Versuch werden beide Kolonnen 3 und 5 bei 50°C und dem gleichen Druck von 200 bar gehalten. Wenn die Temperatur der Kolonne 3 beispielsweise auf 80°C (bei unverändert bei 200 bar gehaltenem Druck) erhöht wird, steigt die Konzentra tion der Kaffee-Extraktlösung in der Kolonne 3 wäh rend der Entcoffeinierung. Mit anderen Worten, Was ser wird aus Kolonne 3 in Kolonne 5 transportiert. Kohlendioxid ist gegenüber Wasser nicht inert: Im überkritischen Zustand nimmt es bei höherer Tempera tur mehr Wasser auf als bei niedriger Temperatur. Dies mit dem Wasser-CO₂-System verbundene besonde re Effekt kann somit im Rahmen der Erfindung ausge nutzt werden.

Beispiel 2

Es wird nach Beispiel 1 verfahren, wobei in folgenden Parametern abgewichen wird: Die Kolonne 3 ist mit 6 mm V₂A-Drahtnetzwendeln gefüllt. Diese Kolonne wurde bei einer Temperatur von 65°C und einem Druck von 200 bar gehalten. Die wäßrige Kaffee-Extraktlösung hatte ebenfalls eine Tempe ratur von 65°C. Die wäßrige Kaffee-Extraktlösung, die 17,4% an festen, gelösten Stoffen enthielt, wird in einer Menge von 0,5 l/Std. in die Kolonne gepumpt, sie enthielt 4,16% Coffein (bezogen auf Trockensubstanz). Kohlendioxid wurde in einer Menge von 59 kg/Std. umgewälzt.

Die Temperatur des Waschturmes 5 betrug 64°C. Es wurden 3 l Wasser pro Stunde aufgegeben. Der Coffeingehalt des Extraktes in der Vorlage 4 betrug 0,48% (bezogen auf Trockensubstanz).

Beispiel 3

Man erfährt gemäß Beispiel 2, wobei die Temperaturen in 3 und 5 jeweils 55°C betrugen, verwendet aber einen Kaffee-Extrakt mit 31,4% festen, gelösten Anteilen im Ausgangsextrakt mit einem Coffeingehalt von 4,3% (bezogen auf Trockensubstanz), und einer Umwälzrate von 54 kg Kohlendioxid pro Stunde. Der Coffein gehalt in der Vorlage 4 beträgt 0,79% Coffein (bezogen auf Trockensubstanz).

Beispiel 4

Man verfährt gemäß Beispiel 2, wobei jetzt der Waschturm 5 mit 4 mm V₂A-Drahtnetzwendeln gefüllt ist.

Der Coffeingehalt des Extraktes in der Vorlage 4 betrug 0,08% (bezogen auf Trockensubstanz).

Claims

1. Verfahren zur Entcoffeinierung von Kaffee mittels über kritischen Kohlendioxids, wobei eine wäßrige Kaffee-Extrakt lösung mit dem überkritischen Kohlendioxid, vorzugsweise im Gegenstrom, behandelt wird, das Coffein aus dem coffeinhaltigen Kohlendioxid in bekannter Weise abgetrennt wird und das coffein freie Kohlendioxid erneut zur Extraktion eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche dünner Filme einer wäß rigen, sämtliche Aroma- und Geschmacksstoffe enthaltenden Kaffe- Extraktlösung behandelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kaffee-Extraktlösung von oben nach unten durch eine Füllkör perkolonne leitet und das Kohlendioxid im Gegenstrom zur Lösung von unten nach oben führt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die entcoffeinierte, wäßrige Kaffee-Extraktlösung vom unteren Ende der Kolonne abzieht und die mit Coffein beladene, Kohlendioxid enthaltende Phase vom oberen Teil der Kolonne entfernt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) das Kohlendioxid aus der Wasser, Coffein und Kohlendioxid enthaltenden Phase durch Druckentspannung abtrennt und gasför mig im Kreislauf zum unteren Teil des Waschturms zurückführt,
b) das Coffein von der verbleibenden Coffein-Wasser-Lösung durch Destillation isoliert und das Wasser im Kreislauf zum oberen Ende des Waschturms zurückführt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß man die Entcoffeinierung in der Kolonne und die Regenerierung der Lösungsmittel im Waschturm bei einer Temperatur von 32 bis 140°C und bei einem Druck zwischen 75 und 350 bar durchführt.