DE6923352U

DE6923352U - Konzentrierungsvorrichtung

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Publication number: DE6923352U
Application number: DE6923352U
Authority: DE
Original assignee: Struthers Scientific and International Corp
Current assignee: Struthers Scientific and International Corp
Priority date: 1965-12-02
Filing date: 1969-06-11
Publication date: 1969-11-06
Also published as: US3381302A; GB1172834A; FR1501439A; DE1692777C3; CH514992A; GB1172838A; CH511567A; GB1172833A; GB1172835A; DE1692777A1; DE1792728A1; GB1172832A; DE6603450U; GB1172837A; GB1172836A

Description

Patentanwälte Dipl. !ng. F. We ic km an n,

Dipl.-Ing. Η.Ψειοκμανν, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke HZWHK Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 27, DEN

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

STRUTHERS SCIENTIFIC AND INTERNATIONAL CORPOI \TION, New York/USA

KonzentrierunMSVorrichtung

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung konzentrierter flüssiger Nahrungsmixtel und von Extrakten flüssiger Nahrungsmittel, insbesondere eine Vorrichtung zur Herstellung von löslichen Kaffeefeststoffen oder Pulverkaffee· Speziell betrifft die Neuerung eine Vorrichtungsanordnung zur Verwendung bei der Vorbehandlung von Flüssigkeiten und Flüssigkeitsextrakten vor der Entfernung des Wassers aus dem Extrakt nach einem Gefrierverfahren.

Löslicher oder pulverisierter Kaffee wurde bisher hergestellt, indem zuerst die Kaffeebohnen mit heißem Wasser extrahiert wurden und anschließend der Extrakt durch Vakuumsprühtrocknung entwässert wurde. Dieses Verfahren war von großem technischem Erfolg, das Aroma des so hergestellten löslichen

Kaffees ließ jedoch viel zu v/ünachen übrig» Unter den angewandten Vakuumbedingungen wird nicht nur das Wasser aus dem Extrakt entfernt, sondern auch flüchtige Geschmacks- und Aromaelemente des Kaffees<, Das erhaltene lösliche Produkt ist daher niemals so gut wie der Extrakt, aus dem es hergestellt wurde.

Zur Verbesserung des Aromas von löslichem Kaffee wurde häufig vorgeschlagen, wesentliche Y/assermengen im Extrakt zu entfernen, indem der Extrakt teilweise eingefroren und die erhaltenen reinen Eiskristalle aus dem konzentrierten Extrakt abgetrennt wurden. Dieses partielle Gefrierverfahren wird dann von einer vollständigen Entwässerung durch Verdampfung des Wassers gefolgt, die unter Vakuum durchgeführt werden kann. Auf diese Weise verliert der Kaffee weniger flüchtige Komponenten, da der Extrakt nur kürzere Zeit den Verdampfungsbedingungen unterliegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gefrierverfahrens wird der Kaffee-Extrakt teilweise eingefroren durch indirekte Kühlung in einem geeigneten Kristallisator und die erhaltene Aufschlämmung von Eis in dem Konzentrat wird zur Abtrennung des Eises aus dem Konzentrat zentrifugiert. Für eine wirtschaftliche Durchführung dieses Verfahrens muß diese Abtrennung und das aneschließende Waschen der Kristalle im Zentrifugenbecher mit Wasser eine ziemlich vollständige Entfernung der Mutterlauge von den Eiskristallen bewirken»

Wenn jedoch der Kaffee-Extrakt nahe an seinen anfänglichen Gefrierpunkt abgekühlt wird, scheiden sich häufig aus der Lösung vor der Bildung von Eis ein gummi- oder wachsartiger fester Stoff ab„ Dieses Wachs oder Teer wird zusammen mit

den Eiskriatailen und dem Kaifee-Extrakt in die Zentrifuge gebracht und sammelt sich im Zentrifugenbecher an, wooei der Becher gelegentlich verstopft wird und eine vollständige Abtrennung ces Eises vom k.c _tzentrierten Extrakt unmöglich gemacht wird.

Dieses Problem der Ausfällung unlöslicher Stoffe im Kaffee-Extrakt tritt nicht nur bei Kaffee-Extrakten auf, sondern auch bei der Herstellung anderer konzentrierter Extrakte von Nahrungsmitteln,, Daher läßt sich die neuerungsgemäße Vorrichtung auch zur Herstellung konzentrierter Extrakte von solchen Nahrungsmitteln wie Tee, Grapefruitsaft, Apfelsaft, Essig, Bier und Organgensaft anwenden.

Die neuerungsgemäße Vorrichtung zur Konzentrierung von flüssigen Nahrungsmitteln und Getränken ist gekennzeichnet dprch ein Vorkühlungsgerät, ein Niederschlagsabtrennungsgex t und ein Gefrierkonzentrierungsgerät, die miteinander in dieser Reihenfolge unter Bildung eines Systems verbunden sind·

Die ersten Stufen im Verfahren zur Herstellung von sofort löslichem oder Pulverkaffee sind die gleichen wie bei der Herstellung von normalem Kaffee, Nach dem Rösten wird der Kaffee gemahlen, jedoch kann die Granulierung extrem grob sein, und in einigen Fällen werden feine Teilchen, die beim Mahlen anfallen, ausgesiebt und anderweitig verwendet·

Die gemahlenen Stoffe werden in geschlossene Behälter gebracht, die als Extraktoren bezeichnet werden. Diese Extrak toren sind in Batterien angeordnet mit mehreren Extraktoren je Batterie,,

Geiiiahlenäer Kaffee und heißes Wasser werden in der ersten Extraktor eingefüllt» Der Kaffee wird dann extrahiert, bis die notwendigen Stoffe aus den gemahlenen Bestandteilen entfernt sind. Der erhaltene Extrakt wird dann in den zweiten Extraktor überführt, der frischen Kaffee enthält.

Der zweite Extraktor wird laufen gelassen, bis die Extraktion vollständig ist» Der erhaltene Kaffee-Extrakt (der nun stärker ist als ein gewöhnliches Kaffeegetränk) wird in den dritten Extraktor gebracht, der frischen gemahlenen Kaffee enthält, und das Aufbrühen wird erneut wiederholte

Im technischen Fabrimaßstab wird das Verfahren halbkontinuierlich durchgeführt, wobei frisches Wasser, welches in eine Extraktionsbatterie gelangt, zuerst in den Extraktor gelangt, der die am stärksten verbrauchten und erschöpften Mahlteilchen enthält« Von hier gelangt es zu den nächsten, am stärksten verbrauchten, gemahlenen Teilchen und von dort wiederum zu den am nächsten, meist verbrauchten Mahlteilchen uafo, bis es schließlich im letzten Extraktor die frischen, zuletzt zugesetzten Mahlteilchen erreicht. Dieses Verfahren ist als Gegenstrom-Extraktionssystem bekannt»

Temperatur und Druck im Extraktorsystem variieren stark. Kaffee, der aus frischen Mahlteilchen hergestellt wird, wird gewöhnlich bei niedriger Temperatur mit niedrigem Druck behandelt» Kaffee, der aus verbrauchten, erschöpften Mahlteilchen hergestellt wird, wird bei hoher Temperatur und unter hohem Druck extrahiert»

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"Her Kaif oe—Extrr.kt, der diiroh die ''efrierkonzentrierunr ϊό Γ. Θ " "t r ^ ·° V t V.'er der FiO*¹! . ""Ρ,ΊΤ """(!θ¹" ^Τ'Ρ. ffp θ "Γθ Pt Γ" "^T f "^r^-Ph p"¹ t Γ'¹' ν/pi ε ρ ^ , Γ'ν/τ sehen wev·? ■""ep 'fy^v.oTiX b^J ρ ™τ ^₇O 'κί?^τι ■ ^rir'. T* .τ γ
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Wasser muß in der Gefrierkonzentrieren;-?- und Trockunrcvor riohti-nfr entfernt v/erder. Andererseits \-mrde gefvvAer., daß die Ausführung des fxtraktionsverfrhrens bis rv d^rr Punkt, wo ein hoher TCaffeefeststoffi-ehalt erreicht werder. kann,
häufig die Aromaqualität des Extraktes verschlechtert. Ein bevorzugter Bereich für den Kaffeefer.tstoffrehalt des Extraktes bei Anv;endun^ der neuerunrsp-emnßer. Vorrichtung lie daher zwischen etv/a. 10 unr¹ 30⁰^ Kaf ""eef estc coff en.

"Bei den bisher bekannten Verfahrer wird der Kaffee-Extrakt nach den· Verlassen des Extraktorsystoms vom Pediment geklärt, während er sich noch bei erhöhter Temperatur befindet. Eines der üblichsten Klärverfahrer, wird mittels eir.er Zentrifuge durchgeführt, bei der die ?Iaffeeflüssipkeit einen sich rasch drehenden Zylinder durchströmt und als klare flüssigkeit austritt. "Pci einem anderen Verfahren v:ird eine Druckpumpe verwendet, welche das Konzentrat durch Filterpapier oder -tuch preßt.

Gemäß einer Ausführungsform der Feuerung wird das heiße
Kaffee-Extrakt jedoch zuerst bis nahe an den Gefrierpunkt
abgeschreckt, so daß wachsartige, teerartige und gummiartige Su/hrt-insen, die im heißer Extrakt "löslich sind, ausfallen. Per kalte ExtrpJct wird dann filtriert oder zentrif\igiert,
um nicht ηυτ ausgefallenen Gummi, Teer und ','achs zu entfernen sondern auch alle sonstigen Sedimente, die vom Extraktionsverfahren herstrmmeη.

Da der anfängliche Gefrierpunkt des Kaffee-Extraktes vom Gesamtkaffeefeststoffgehalt des Extraktes abhängt, schwankt die Temperatur, auf die der Extrakt zur Ausfällung von Gummi, Teeren und Wachsen abgeschreckt werden soll, mit der Art des Extraktes_o Gewöhnlich können jedoch bei der Erfindung bzw. Neuerung Mindesttemperaturen von 4,5 C (40 F) und darunter angewendet werden» Wenn keine Eisbildung im Extrakt während des Ausfällungsverfahrens gewünscht wird, sollte die Temperatur, auf die der Extrakt abgeschreckt wird, nicht unter dem anfänglichen Gefrierpunkt liegen. Bei einem Kaffee-Extrakt mit 30 Gew.fi Kaffeefeststoffen liegt diese Temperatur bei etwa -2,8⁰C (27⁰F).

In der Praxis wurde gefunden, daß die Ausfällung der Teere, Wachse und Gummis im Kaffee bei Temperaturen von etwa 26,7⁰C (80⁰F) beginnt und daß die Hauptmenge des unlöslichen bei Temperaturen oberhalb O⁰C ausfällt. Daher weist bei einer Ausführungsform die Neuerung eine Vorrichtung zum Abkühlen des Extraktes zwischen 26,7 und O⁰C vor dem Filtrieren und Gefrierkonzentrieren auf. Bevorzugte Temperaturen für das Abschrecken liegen zwischen etwa 7,2⁰C (45°F) und 0 C, da dieser Temperaturbereich eine praktisch vollständige Entfernung der unlöslichen Bestandteile sicherstellt.

Der Kaffee-Extrakt kann mit jeder geeigneten Apparatur abgeschreckt werden. Vorzugsweise wird der Extrakt jedoch unter Rührung gehalten, so daß das Wachs und die Gummis, die während der Ausfällun^astufe gebildet werden, nicht an der Wärmeübertragungsoberfläche der zur Ausfällung verwendeten Vorrichtung ankleben. Gegebenenfalls kann der abgeschreckte Extrakt bei der niedrigen Temperatur zwischen wenigen Sekunden und mehreren oder vielen Stunden gehalten werden, ehe die Wachse, Teere und Gummis entfernt werden,

entweder durch Zentrifugieren oder Filtrieren. Die Bildung und Ausfällung der Teere, Gummis und Wachse ist oft zeitabhängig, und eine vollständige Ausfällung kann es notwendig machen, das Material bei der angewendeten niedrigen Temperatur zu halten, bis das Verfahren vervollständigt ist» Wenn daher die neuerungsgemäße Vorrichtung kontinuierlich betrieben wird, hängt die zwischen dem Abschrecken zur Fällung von Wachsen und der tatsächlichen Aotrennung der Wachse, Teere und Gummis vom abgeschreckten Kaffee-Extrakt verflossene Zeit von der genauen Artdes Extraktes ab.

In einigen Kaffee-Extrakten bewirkt eine fortgesetzte Einwirkung niedriger Temperatur auch die Bildung eines nicht wachsartigen, teilchenförmigen Niederschlags. Dieser teilchenförmige Niederschlag entsteht nach der Bildung der unlöslichen Teere, Wachse und Gummis und stört die Abtrennung des konzentrierten Kaffee-Extraktes nach dem Gefrierkonzentrierungsverfahren vom Eis mit der Zentrifuge nicht. Jedoch sollte eine solche Einwirkung niedriger Temperaturen, die ausreicht, um diesen teilchenförmigen Niederschlag hervorzurufen, vermieden werden, da hierdurch der Kaffee-Extrakt verschlechtert wird. Das bei dieser Verschlechterung erhaltene konzentrierte Produkt ist sieht SO äüfrieaeüStelleilu wie ein Kaffee, der aus einem Extrakt hergestellt wird, welches lediglich ausreichend zur Fällung von Teeren, Gummis und Wachsen abgeschreckt wurde.

Je nach der genauen Art der zur Herstellung des Extraktes verwendeten Kaffeemischung und des Extraktes selbst, bilden sich in der Ausfällungsstufe zwischen weniger als 0,5 bis etwa 5 Gew.?fe Teere, Gummis und Wachse. Obwohl die meisten Gummis, Wachse und Teere, die sich im Kaffee-Extrakt bilden, nahe am anfänglichen Gefrierpunkt des Extraktes auftreter , können weitere gebildet werden, nachdem der Extrakt

der Gefrierkonzentrierung unterworfen wurde. So kann der Kaffee-Extrakt unter die anfängliche Gefriertemperatur gekühlt werden, um unlösliches V/achs, Teer oder Gummi zu fällen und eine kleinere Eismenge im Extrakt zu bilden. Ler Extrakt kann dann von den Wachsen und Teeren durch Filtrieren, Dekantieren oder Zentrifugieren getrennt werden. Die gebildete kleinere Eismenge kann zusammen mit den Wachsen und Teeren entfernt werden, oder der Extrakt kann geringfügig erwärmt werden, um das Eis schmelzen zu lassen, ehe die Wachse und Teere durch Filtrieren, Dekantieren oder Zentrifugieren abgetrennt werden»

Die durch das Abschrecken des Kaffee-Extraktes gebildeten Teere, Wachse oder Gummis können auf jede geeignete Weise entfernt werden, wie oben erwähnt wurde. Der abgeschreckte Extrakt kann bei der Abschreck-Temperatur solange gehalten werden, bis sich der Niederschlag am Boden des Behälters absetzt und der niederschlagsfreie Teil der Lösung kann dekantiert und dann weiterverarbeitet werden. Wahlweise kann der abgekühlte Extrakt in gleicher Weise wie heißer Kaffee-Extrakt behandelt werden, der von einem niederschlag frei werden soll» So können kontinuierliche oder diskontinuierliche Zentrifu^ier— oder Druckfiltrstio&s— verfahren, die alle bekannt sind, zur Abtrennung des Extraktes vom Niederschlag angewendet werden.

Nach der Beseitigung des Niederschlags wird der erhaltene niederschlagsfreie Kaffee-Extrakt dann durch teilweises Ausgefrieren des Wassers konzentriert. Diese Gefrierkonzentrierung kann in chargenweisen, halbkontinuierlichen oder kontinuierlichen Vorrichtungen nach bekannten Methoden und Verbesserungen dieser Methoden durchgeführt werdene Jedes Verfahren zur Entfernung des Wassers aus dem Kaffee-Extrakt durch kristallisation in Form von Eis läßt sich anwenden. Die erhaltene Aufschlämmung von Eis im konzen-

trierten Kaffee-Extrakt wird dann zentrifugiert, um die konzentrierte Löcung von den Eiskristallen zu befreien. Die erhaltener Eiskristalle werden gewöhnlich mit Wasser oder verdünntem Kaffee-ixtrakt gewas&en, um sie vollständig von restlicher Mutterlauge zu befreien, und die Waschflüssigiceiteh können in die Gefrierkonzentrierung zurückgeführt werden. Die neuerungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß der Zentrifugsnkörper .licht mit ausgefällten Teeren und Wachsen verstopft wird und die Trennung und Waschung in ihrem Wirkungsgrad verbessert werden.

Die Gefrierkonzentrierung von wachs-, teer- und gommifreien flüssigen Nahrungsmitteln oder Extrakten kann entweder in einer Stufe oder in mehreren Stufen erfolgen, von denen jede einen Kristallisator aufweist, in dem Wärme dem Kaffee-Extrakt entzogen wird" unter Bildung einer Aufschlämmung von Eiskristallen und konzentrierter Mutterlauge, Nach jeder Kristallisationsstufe wird das Eis aus der Aufschlämmung entfernt und der konzentrierte Extrakt wird entwedei der Weiterverarbeitung zur Herstellung von löslichem oder Pulverkaffee zugeführt oder wird in einer nachfolgenden Stufe des Gefri erkonzentrier ungsverf ahrens weiter konzentriert· Zur Kristallisation von Eis aus dem Extrakt dient vorzugsweise ein röhrenförmiger Wärmeaustauscher, dessen Auflenoberflächen durch ein zirkulierendes Kühlmittel gekühlt werden. Der Innenabschnitt des Rohres ist gewöhnlich mit einer Welle ausgerüstet, auf der Rührflügel befestigt sind· Wahlweise kann ein üblicher Röhrenwärmeaustauscher mit abgeschabter Oberfläche verwendet werden. Zur Abtrennung des konzentrierten Kaffee-Extraktes von den erhaltenen Eiskristallen kann jedes brauchbare Trenngerät vorgesehen, werden. Das bevorzugte Verfahren zur Trennung von Eis und Mutterlauge Desteht im Zentrifugieren, und die Zentrifuge veist gewöhnlich einen rotierenden Körper oder Becher auf, der Perforationen enthält, um einen Durchtritt der Mutterlauge möglich zu machen» Die Zentrifuge kann auch mit Mitteln zum ',Vaschen restlicher Mutterlauge von den Eis

kristallen ausgerüstet sein.

Bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung tritt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein wässriger Nahrungsmittelextrakt durch eine Beschickungsleitung 11 in eine Abschreck- oder Kühlvorrichtung 10 ein. Der AToschrecker kann eine übliche Kühlvorrichtung sein, ein kontinuierlicher, röhrenförmiger Wärmeaustauscher oder das Abschrecken kann chargenweise durchgeführt werden, indem Behälter mit dem Extrakt in einen gekühlten Raum gebracht werden. Der abgekühlte Extrakt wird dann durch die Leitung 13 dem Filter 12 zugeführt. Die Filtervorrichtung kann eine übliche Chargenfiltriereinheit sein oder kann, falls das ausgefällte Wachs oder Teer in einem Zentrifugenbecher gehqndhabt werden kann, aus einer Zentrifuge mit rotierendem Körper oder einer gewöhnlichen Labor- oder chargenweisen Zentrifuge bestehen. Der gefilterte Extrakt, der nun von Teeren, Gummis und Wachsen befreit ist, wird durch die Leitung 14 dem Röhrenkristallisator 15 zugeführt, wo die Temperatur ausreichend erniedrigt wird, um die Bildung von Eis im Extrakt hervorzurufen· Der genaue Grad der Konzentrierung hängt vom Kühlmedium und der Temperatur an der Außenseite des Kristallisierers 12 und der Verweilzeit in diesem ab. Die konzentrierte Aufschlämmung von Eis in Mutterlauge wird dann durch die Leitung 17 einer Trennvorrichtung 16 zugeführt. Die Trennvorrichtung 16 besteht vorzugsweise aus einer Zentrifuge mit rotierendem Körper, in der der Körper aus einem offenen Siebmaterial besteht, welches die Entfernung der konzentrierten Mutterlauge am äußeren Umfang der Zentrifuge durch die Lei tung 18 ermöglicht, während Eis, welches vorzugsweise wieder entweder in Wasser oder Beschickungsextrakt aufgeschlammt wurde, über die Leitung 19 abgezogen wird»

Wie oben erwähnt wurde, kann die Kristallisationskonzentrierung in einer Mehrzahl von Stufen durchgeführt werden.

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Claims

SchutζanSprüche

1. Vorrichtung zum Konzentrieren von Kaffee-Extrakt, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Vorkühl- und Kühlhaltungsgerät, einem. Niederschlagabtrennungr.^erpt, °iner ersten Leitung für gekühlten Kaffee-Extrakt, welche das Vorkühlungsgerät mit dem Abtrennungsgerät vorbindet, einem röhrenförmigen KristalÜFiPtor, ein^r zweiter. T. ei tuner für abgetrennten Kaffee-Extrakt, weiche das Vorkühlungsgerät mit dem Abtrennungsgerät verbindet, einem röhrenförmigen Kristallisator, einer zweiten Leitung für abgetrennten Kaffee-Extrakt, welche das Abtrenngerät mit dem röhrenförmigen Kristallisator verbindet, einer Eisabtrennungszentrifuge, einer dritten leitung, welche eine Aufschlämmung von Eiskristallen in einem konzentrierten Kaffee-Extrakt zur Eisabtrennungszentrifuge führt, einer vierten Leitung, welche konzentrierten Kaffee-Extrakt von der Eisabtrennungszentrifuge weiterleitet und einer fünften Leitung, welche Eis aus der Eisabtrennungszentrifuge entfernt, besteht, als einheitliches Gesamtgerät.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch Mittel zum Bewegen bzw. Rühren des Extrakts im Vorkühlgerät.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisabtrennungszentrifuge Mittel zum Abwaschen restlicher Mutterlauge von den Eiskristallen aufweist.

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