DE3213592C2 - - Google Patents

Description

Der Entcoffeinierung pflanzlicher Produkte kommt aus ge­ sundheitlichen Gründen erhebliche Bedeutung zu. Das als Nebenprodukt anfallende Coffein kann ebenfalls gewinnbrin­ gend verkauft werden.

Bei einigen Entcoffeinierungsverfahren werden die aufge­ schlossenen Kaffeebohnen mit organischen Lösungsmitteln entcoffeiniert. Die Rückgewinnung des Lösungsmittels er­ folgt z. B. durch Destillation, wobei das Coffein als Neben­ produkt anfällt.

Um zu vermeiden, daß Lösungsmittelreste möglicherweise das pflanzliche Material kontaminieren, wird in neuerer Zeit mit dem gesundheitlich unbedenklichen Kohlendioxid als Extraktionsmittel gearbeitet (DE-PS 20 05 293 und 22 12 281). Das Lösungsmittel Kohlendioxid wird hierbei bei diesen Verfahren mittels Aktivkohle vom gelösten Cof­ fein befreit.

Vor der Wiederverwendung gebrauchter Aktivkohle erfolgt üblicherweise eine Pyrolyse der adsorbierten Substanzen und anschließend eine thermische Reaktivierung. Wegen der Verwertbarkeit des Coffeins ist ein derartiges Verfahren unwirtschaftlich.

Es wurden daher Anstrengungen unternommen, das adsorbierte Coffein zurückzugewinnen. Maßnahmen zur Desorption des Coffeins müssen berücksichtigen, daß Aktivkohle ein sehr gutes Adsorptionsmittel ist, was eine Desorption erschwert. Außerdem soll vermieden werden, gesundheitlich bedenkliche Mittel zu verwenden, denn diese konnten ja gerade durch die Extraktion mit Kohlendioxid ausgeschaltet werden. Zur effi­ zienten und kostengünstigen Regenerierung der Aktivkohle sollte das Lösungsmittel eine hohe Löslichkeit bezüglich des Adsorbates und gute Stofftransporteigenschaften auf­ weisen; die Mischung sollte aber anschließend auch leicht trennbar sein.

Nach der Lehre der DE-OS 25 44 116 wird das Adsorbat mit überkritischen Gasen, insbesondere Kohlendioxid desorbiert. Hierbei muß das gelöste Adsorbat wiederum aus dem lösenden Gas entfernt werden.

In der US-PS 42 98 736 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem auf Aktivkohle adsorbiertes Coffein mit einem flüssigen, für Nahrungsmittel zulässigen Lösungsmittel, welches eine organische Säure oder ein Alkohol sein kann, desorbiert wird. Gearbeitet wird bevorzugt oberhalb 100°C mit Eis­ essig bzw. mit azeotropen Mischungen von Eisessig und zwei­ ten Komponenten.

Nach der Regenerierung der Aktivkohle mit nicht flüchtigen Lösungsmitteln muß jedoch in jedem Falle eine Trennung des Lösungsmittels von der Aktivkohle mit z. B. Wasserdampf stattfinden. Dies bedeutet notwendigerweise einen zusätz­ lichen Schritt.

In der DE-AS 22 21 560 ist ein Verfahren zur Rückgewinnung von an Aktivkohle gebundenem Coffein beschrieben, bei dem die Aktivkohle mit Wasserdampf von einer Temperatur von etwa 250°C behandelt wird. Das Coffein fällt dabei in sehr verdünnten wäßrigen Lösungen an.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und wirtschaft­ liches Verfahren zur Wiedergewinnung von auf Aktivkohle ad­ sorbiertem Coffein unter gleichzeitiger Regenerierung der Aktivkohle zur Verfügung zu stellen, wobei die Desorption des Coffeins von der Aktivkohle mit einem gesundheitlich un­ bedenklichen Mittel erfolgen soll.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem man die Desorption des Coffeins von der Aktivkohle unter gleich­ zeitiger Regenerierung der Aktivkohle mit Wasser bei einem Druck von wenigstens 86 bar, vorzugsweise wenigstens 150 bar, und einer Temperatur von wenigstens 300°C durchführt.

Bekanntlicherweise ist das Coffein bis zu einem gewissen Grade in Wasser löslich (die Löslichkeit beträgt 1,3% bei 15°C und 4,6% bei 40°C), jedoch haben Versuche mit heißem Wasser ergeben, daß die Desorption des Coffeins von der Aktivkohle unter diesen Bedingungen praktisch nicht möglich ist. Überraschenderweise wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung nun festgestellt, daß man die Aktivkohle mit Hil­ fe von Wasser bei einem Druck von wenigstens 86 bar, vorzugs­ weise wenigstens 150 bar, und einer Temperatur von wenigstens 300°C praktisch vollständig von dem Coffein befreien und dabei gleichzeitig das Coffein zurückgewinnen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem obenerwähnten, in der DE-AS 22 21 560 beschriebenen Rück­ gewinnungsverfahren in dreierlei Hinsicht. Zum einen wird anstelle von Wasserdampf flüssiges Wasser verwendet, zum anderen wird bei höheren Drücken gearbeitet und zum dritten wird erfindungsgemäß eine höhere Temperatur angewendet. Es ist überraschend, daß diese Abänderungen zu einem wesent­ lich effektiveren Verfahren zur Rückgewinnung des Coffeins führen. Zunehmende Drücke führen nämlich bei dem Gleichge­ wichtsprozeß Adsorption/Desorption nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges immer zu einer zunehmenden Adsorption, während umgekehrt abnehmende Drücke und Unterdrücke zu einer Desorption des adsorbierten Stoffes führen. Im vor­ liegenden Fall aber führen gerade höhere Drücke unter den anderen abgeänderten Bedingungen zu einem wesentlich effek­ tiveren Verfahren zur Rückgewinnung des Coffeins. Es war für den Fachmann auch nicht naheliegend, höhere Temperatu­ ren als 250°C für die Rückgewinnung anzuwenden, da im Stand der Technik allgemein bekannt ist, daß bei zunehmen­ der Temperatur die Gefahr der Zersetzung des Coffeins be­ steht. Schließlich war aufgrund der höheren Wasserkonzentra­ tion durch Verwendung von flüssigem Wasser nicht zu erwarten, daß dennoch höher konzentrierte Coffeinlösungen erreicht werden können, als dies bei dem in der DE-AS 22 21 560 be­ schriebenen Verfahren der Fall ist. Wie der weiter unten beschriebene Vergleichsversuch zeigt, kann unter den Be­ dingungen des bekannten Verfahrens nur eine geringfügige Desorption des Coffeins erreicht werden.

Eine bevorzugte Temperatur zur Durchführung des Verfahrens liegt bei etwa 350°C, während ein bevorzugter Druck etwa 200 bar beträgt. Die Behandlungsdauer der Aktivkohle liegt im Bereich von etwa 1 bis 3 Stunden, wobei zur Desorption des Coffeins unter gleichzeitiger Regenerierung der Aktiv­ kohle mindestens etwa die 15fache, vorzugsweise etwa die 20fache Menge an Wasser, bezogen auf das Gewicht der bela­ denen Aktivkohle, verwendet werden sollte.

Die einzelnen Maßnahmen, wie Druck, Temperatur, Wasser­ menge und Behandlungsdauer können vom Fachmann leicht von Fall zu Fall optimal aufeinander abgestimmt werden. Zu beach­ ten ist hierbei lediglich, daß unter schärferen Bedingungen, also überhöhten Druck- und Temperaturbedingungen und länge­ ren Behandlungsdauern, zwar eine vollständige Desorption des Coffeins von der Aktivkohle erreicht wird, gleichzeitig aber die Gefahr einer übermäßigen Zersetzung des Coffeins infol­ ge Hydrolyse und/oder thermischer Zersetzung besteht.

Das Coffein wird durch Eindampfen, Konzentrieren durch Membranen, Ausfrieren, Aussalzen oder durch andere übliche Verfahren aus der wäßrigen Lösung gewonnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann absatzweise oder auch kontinuierlich durchgeführt werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren anfallende Aktiv­ kohle kann sofort wieder eingesetzt werden, ohne daß eine zusätzliche Behandlungsstufe notwendig wäre. Die Adsorp­ tionsaktivität der Aktivkohle verringert sich von Einsatz zu Einsatz nur geringfügig. Eine Hochtemperatur-Reaktivie­ rung ist erst nach vielfachem Gebrauch der Aktivkohle er­ forderlich.

In dem folgenden Beispiel wurde die nachstehend beschrie­ bene Arbeitsweise angewandt:

Mit einer Pumpe wird Wasser, welches in einem Autoklaven auf die gewünschte Temperatur gebracht wird, durch eine Schüttung der zu extrahierenden Aktivkohle gedrückt. Die Aktivkohle befindet sich in einem heizbaren Stahlrohr. Ein Regelventil dient als Drosselstelle und erhält einen Druck aufrecht, welcher ein Verdampfen des Wassers im Autoklaven verhindert. Nach der Drosselstelle wird die Lösung abge­ kühlt und in Fraktionen aufgefangen.

Beispiel

50 g beladene Aktivkohle mit einem Wassergehalt von 5,87% und einem Coffeinanteil von 8,3% i. T. wurden bei 345°C und 200 bar mit der 20fachen Wassermenge extrahiert. Die Ver­ suchszeit betrug 150 Minuten. Es wurden 75% des adsorbier­ ten Coffeins in der Lösung (0,29%) gefunden; nur noch 3,4% des adsorbierten Coffeins sind auf der Aktivkohle verblieben. Bereits nach einer Versuchszeit von 75 Minuten und nach dem Durchsatz der 10fachen Wassermenge waren 64% des adsor­ bierten Coffeins extrahiert worden.

Vergleichsbeispiel

Zu dem in der DE-AS 22 21 560 beschriebenen Desorptionsver­ fahren wurde ein Vergleichsversuch durchgeführt.

96 g Aktivkohle, die mit 16,1% Coffein beladen waren, wur­ den 75 Minuten lang unter Luftausschluß und N₂-Vorspülung mit insgesamt 43 kg überhitztem Dampf bei 250°C durchströmt. Der Dampf wurde kondensiert und aufgefangen.

Nach der Behandlung wurde ein Coffeingehalt der Aktivkohle von 12,1% festgestellt. Das Coffein-Desorptionsniveau lag somit nur bei 25%. Im Kondensat wurden insgesamt 0,73 g Coffein gefunden, was einer Ausbeute von 4,5% entspricht.

In Beispiel 1 wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen im gleichen Zeitraum 64% des adsorbierten Coffeins extrahiert. Vorsorglich ist dabei darauf hinzuweisen, daß die Coffeinbeladung bei dem Vergleichsversuch zwar etwa doppelt so hoch war als in Beispiel 1, daß dieser Unter­ schied jedoch eher zu ungunsten des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ausgelegt werden muß, da die Desorptionsneigung mit zunehmendem Beladungsanteil der Aktivkohle zunimmt. Wäre bei dem Vergleichsversuch ebenfalls eine nur mit 8,3% beladene Aktivkohle eingesetzt worden, wäre die prozentuale Ausbeute eher noch niedriger gewesen, keinesfalls aber höher.

Claims (2)

1. Verfahren zur Wiedergewinnung von auf Aktivkohle adsorbiertem Coffein unter gleichzeitiger Regene­ rierung der Aktivkohle, dadurch ge­ kennzeichnet, daß man die mit Coffein beladene Aktivkohle bei einem Druck von wenigstens 86 bar und einer Temperatur von wenigstens 300°C mit Wasser behandelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach ausreichender Desorption von Coffein die Temperatur auf über 350°C zur Zersetzung des restlichen Coffeins erhöht wird.