DE69929220T2

DE69929220T2 - Verfahren zur extraktion von kaffee

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Publication number: DE69929220T2
Application number: DE69929220T
Authority: DE
Inventors: A. Paul KALENIAN
Original assignee: XCafe LLC
Current assignee: XCafe LLC
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: EP1634503A3; US7875304B2; CA2355663C; WO2000019833A9; US6887506B2; WO2000019833A3; CA2355663A1; ATE313961T1; AU6289899A; US20050112253A1; WO2000019833A2; EP1119259B1; EP1634503A2; EP1119259A2; US20030118707A1; US6203837B1; DE69929220D1; US6548094B2; US20010000145A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines verzehrbaren wässrigen Extrakts aus einem festen Rohmaterial. Besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen Verfahren zum Bilden konzentrierter wässriger Extrakte von geröstetem Kaffee zur Verwendung in Nahrungsmittelerzeugnissen, Duftstoffen und Getränkeprodukten.
Hintergrund der Erfindung
Verschiedene feste Rohmaterialien werden häufig mit wässrigen Lösungsmitteln, wie zum Beispiel heißem Wasser, extrahiert, um verzehrbare wässrige Extrakte zur Verwendung in Nahrungsmitteln, in Duftstoffen und Getränken herzustellen. Übliche Materialien sind unter anderem gemahlener Röstkaffee, Tee und Kakao, um nur einige Beispiele zu nennen. Typische und repräsentative gegenwärtig angewendete Verfahren und Systeme zum Durchführen solcher Extrahierungen sind jene zum Aufgießen und Extrahieren gerösteten Kaffees. Normalerweise lassen sich Systeme des Standes der Technik in zwei breite Kategorien unterteilen: kleine Systeme für den privaten Haushalt oder gewerbliche Brautechnik zum Herstellen von Getränken sowie große industrielle Extraktoren zum Herstellen konzentrierter Extrakte zur Verwendung als Aromastoffe oder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Instantkaffeeerzeugnissen. Bei Verwendung für die Herstellung von Instantkaffeeerzeugnissen wird das wässrige Lösungsmittel normalerweise durch Verfahren, wie zum Beispiel Gefriertrocknen oder Sprühtrocknen, aus den gelösten Kaffeefeststoffen entfernt. Typische große Kaffeeextraktoren des Standes der Technik und zugehörige Extraktionsverfahren, insbesondere wenn sie zur Herstellung von Kaffeeextrakten für die darauf folgende Herstellung von Instantkaffee verwendet werden, sind ausgelegt, um den Ertrag löslicher Kaffeeefeststoffe in dem Extrakt aus einer vorgegebenen Menge von gemahlenem Röstkaffee zu maximieren. Dies erfolgt aus wirtschaftlichen Gründen: je mehr lösliche Kaffee feststoffe aus einer vorgegebenen Menge von geröstetem Kaffeerohmaterial extrahiert werden, umso größer ist die Menge des bei Austreiben des Wassers erhaltenen Instantkaffeeerzeugnisses. Zu diesem Zweck werden für den Stand der Technik typische große Kaffeeextraktoren für erschöpfende Extraktion von üblicherweise minderwertigem gemahlenem Kaffee und nicht für die Herstellung von hochqualitativem, aromatischem, wohlriechendem Extrakt ausgelegt. Zahlreiche typische Extraktorsysteme dieser Art des Standes der Technik arbeiten mit einer Säule oder mit mehreren Säulen mit Festbetten von gemahlenem Röstkaffee. Ein für diese Art repräsentatives System wird in dem auf Sivetz erteilten US-Patent 3,830,940 beschrieben. Zahlreiche Systeme des Standes der Technik arbeiten mit Umwälzung von Heißwasser durch die Säulen, wobei das Wasser in den Boden einer jeden Säule fließt und von oben austritt, wodurch das Bett ausgedehnt und in Bewegung versetzt wird. Sehr heißes Extraktionswasser, häufig von über 160 Grad Celsius, wird häufig zu der Säule zugeführt, die den bereits weitgehend verbrauchten Kaffee (Kaffee, von dem die meisten Feststoffe bereits extrahiert worden sind) enthält, um den Kaffee thermisch zu hydrolysieren, um Extraktion weiterer Feststoffe zu ermöglichen, die im Wesentlichen frei von Geschmack und Wohlgeruch sind. Häufig kann das Extrakt durch die Säule im Kreislauf geführt werden, um das Ausmaß der Extraktion von gemahlenem Röstkaffee weiter zu erhöhen. Wenngleich die genannten Systeme und Verfahren für erschöpfende Extraktion brauchbar sind, sind sie jedoch nicht ideal geeignet für die Herstellung von hochqualitativen Kaffeeextrakten mit den gewünschten Wohlgeschmacks- und Geruchseigenschaften. Die relativ langen Extraktionszeiten (zum Beispiel mehr als eine Stunde), die hohen Wassertemperaturen sowie die Verdünnungsstufen, die in bestimmten Extraktionsverfahren des Standes der Technik angewendet werden, können Extrakte ergeben, die eine relativ hohe Konzentration an Komponenten aufweisen, die bitter sind oder schlechte Geschmackseigenschaften aufweisen, die von solchen Extrakten häufig in die getrockneten Instantkaffeeerzeugnisse übergehen. Zahlreiche der konzentrierten Kaffeeextrakte, die in der Nahrungsmittelindustrie häufig als Aromastoffe eingesetzt werden (wie zum Beispiel als Aromastoffe für Kaffeeeis, Eiskaffee oder Kaffeesirups), werden hergestellt, indem solche minderqualitativen Instantkaffeeerzeugnisse mit Wasser oder anderen Materialien zu ursprünglichen Konzentrationen verdünnt werden.
Bekanntlich können zu Beginn des Extraktionszyklus, wenn der frisch gemahlene Kaffee über einen relativ kurzen Zeitraum mit einer nur relativ geringen Menge Wasser in Kon takt gewesen ist, süßere und geschmackvollere Kaffeeextrakte hergestellt werden als zu einem späteren Zeitpunkt in dem Extraktionsprozess, nachdem der Kaffee zusätzlichen Mengen von Wasser und einer erschöpfenderen Extraktion ausgesetzt worden ist. Es sind Anstrengungen unternommen worden, um die Qualität und den Geschmack von Kaffeeextrakten und Instantkaffeeerzeugnissen, die in Großproduktion hergestellt werden, zu verbessern. Ein solches Verfahren, das in dem auf Gasuu erteilten US-Patent 4,534,985 (nachfolgend das Patent '985 genannt) beschrieben wird, beschreibt ein großtechnischen kontinuierliches Extraktionsverfahren und einen solchen Apparat für die Extraktion von Kaffee beziehungsweise von Tee. Der Apparat umfasst ein komplexes System, das mit einer Reihe von Extraktionsmittelschichten und Extraktionszonen arbeitet, wobei die Schichten durch Drehung des Apparates zwischen den Zonen bewegt werden können. Das Verfahren reduziert die Gesamtdauer des Extraktionsverfahrens im Vergleich zu den Extraktionsverfahren des Standes der Technik. Das Patent '985 beschreibt weiterhin die Verwendung von Druckluft oder eines inerten Gases in einer „Rückgewinnungsstation" des Apparates, um die Rückgewinnung von nach Extraktion in dem verbrauchten Satz vorliegender Restflüssigkeit zu maximieren.
Verschiedene kleintechnische Aufguss-/Extraktions-Verfahren für private und gewerbliche Nutzung für die Herstellung von Getränken aus festem Rohmaterial, wie zum Beispiel Kaffee, Tee oder Kakao, sind nach dem Stand der Technik bekannt. Übliche Verfahren sind unter anderem das Einweichen oder Aufquellen oder das Aufgießen in einem statischen Volumen von heißem Wasser (d.h. das Einweichen oder Aufquellen eines Teebeutels in einer Tasse mit heißem Wasser), das Durchfiltern und Extraktion über einen kontinuierlichen Strom heißen Wassers unter Schwerkraft durch ein Bett von festem, extrahierbarem Material, üblicherweise Kaffee. Das zuletzt beschriebene Verfahren ist eines, das üblicherweise in sogenannten Durchlaufkaffeemaschinen für den privaten Haushalt angewendet wird. Alle genannten Verfahren erzeugen üblicherweise einen relativ verdünnten oder gestreckten Extrakt (üblicherweise 453,6 g (ein englisches Pfund) gemahlenen Röstkaffees ergibt etwa 9,07 kg (320 oz) an trinkbarem Extrakt). Aufgrund der kontinuierlichen Zugabe von Wasser, das verwendet wird, um den Fluss des Extraktes durch das Bett anzutreiben, können die hergestellten Getränke unerwünschte Mengen an bitteren oder fremdgeschmacklichen Komponenten enthalten.
Eine Verbesserung gegenüber den meisten der oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines süßeren, geschmackvolleren, stärker wohlriechenden und konzentrierteren Kaffeegetränkes ist das Espressoverfahren der Kaffeeextraktion. Das Espressoverfahren der Extraktion verwendet üblicherweise eine kleinere Aufbrühvorrichtung oder eine gewerbliche Aufbrühvorrichtung, die mit einem weniger erschöpfenden Extraktionsverfahren arbeiten, um ein relativ süßes, konzentrierteres Getränk herzustellen. Üblicherweise wird ein höheres Verhältnis von gemahlenem Kaffee zu heißem Wasser verwendet; zum Beispiel können 453,6 g (ein englisches Pfund) gemahlenen Röstkaffees üblicherweise etwa 1,81 bis 3,63 kg (64–128 oz) an Kaffeegetränk ergeben. Um eine hinreichende Kontaktzeit zwischen dem Wasser und dem gemahlenen Kaffee zu ermöglichen, verwendet das Verfahren üblicherweise fein gemahlenen Kaffee (wie zum Beispiel 14 Grammgewicht), wobei das heiße Wasser durch das Bett aus Satz, das sich in der Aufbrühkammer befindet, durch zusätzliches unter Druck stehendes Wasser hindurchgedrückt wird. Die meisten der gegenwärtig verwendeten Espresso-Extraktionsapparate können lediglich relativ kleine Mengen von Extrakt im einem jeden Extraktionszyklus herstellen. Darüber hinaus kann die Qualität des Getränkes sehr stark von der Mahlung und der Packung des Kaffees abhängig sein, wodurch der durch das während der Extraktion fließende Wasser entwickelte Gegendruck sowie die Extraktionszeit für ein vorgegebenes Gesamtvolumen an Getränk bestimmt werden. Ungenügende Steuerung der genannten Variablen kann zu einer schlechten oder schwankenden Qualität von Extrakt führen. Da weiterhin üblicherweise heißes Wasser verwendet wird, um Extrakt während des gesamten Extraktionsprozesses aus dem Bett von gemahlenem Kaffee zu drücken, kann dennoch ein unerwünschtes Maß an Extraktion auftreten, wodurch sich ein Extrakt ergibt, der zu stark verdünnt oder gestreckt ist und der ohne nachfolgendes unerwünschtes Entfernen von überschüssigem wässrigem Lösungsmittel aus dem Extrakt nicht ideal zur Verwendung als Nahrungsmittel oder Aromastoff geeignet ist.
Verschiedene kleine Espresso-Kaffeemaschinen sind beschrieben worden, die einen Versuch darstellen, eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Espressomaschinen vorzunehmen. Das auf Selby erteilte US-Patent 5,127,318 (nachfolgend das Patent '318 genannt) und das auf Cortese erteilte US-Patent 5,473,973 (nachfolgend das Patent '973 genannt) beschreiben beide einen Apparat und ein Verfahren zum Extrahieren von Espressokaffee, bei dem der Druck in dem Extraktionsbereich über eine vorgespannte Ventilanordnung an der Auslassleitung hinter dem Kaffeebett geregelt wird. Die Ventile sind ausgelegt, um während der anfänglichen Druckbeaufschlagung der Extraktionskammer durch heißes Wasser geschlossen zu bleiben, bis ein voreingestellter Druck erreicht ist, der die Vorspannung des Regelventils überwinden kann. Wenn dieser Druck erreicht ist, öffnet das Ventil für Strömung und hält während des restlichen Extraktionsprozesses relativ unabhängig von der Mahlung oder der Packung des Kaffees einen relativ konstanten Druck in der Extraktionskammer vor. In den beschriebenen Systemen steigt der Druck konstant an, bis ein vorbestimmter Druck erreicht ist, an welchem Punkt Fluss unverzüglich beginnt.
Das auf Cai erteilte US-Patent 5,267,506 (nachfolgend das Patent '506' genannt) beschreibt einen Apparat zum automatischen Aufgießen von Espressokaffee und umfasst ein Ausführungsbeispiel, bei dem durch eine Heizvorrichtung erzeugter Druckdampf durch den Kaffeesatz gedrückt wird, um Flüssigkeit auszuspülen, so dass der Satz nicht tropft, wenn die Aufgießkammer entfernt wird.
Das auf Fischer et al. erteilte US-Patent 5,337,652 (nachfolgend das Patent '652' genannt) beschreibt eine Espressomaschine und ein Verfahren, die ein vorgespanntes Entlastungsventil hinter der Aufgießkammer ähnlich wie bei dem oben beschriebenen US-Patent 5,127,318 (nachfolgend das Patent '318' genannt) und dem US-Patent 5,473,973 (nachfolgend das Patent '973' genannt) verwenden. Das vorgespannte Ventil hindert Strömung daran, aus der Austrittsleitung auszutreten, bis der Druck in der Kammer auf ein festes vorbestimmtes Niveau ansteigt; unmittelbar danach öffnet das Ventil und hält während der restlichen Extraktion einen relativ konstanten Druck in der Kammer aufrecht. Das System '652 umfasst weiterhin eine Luftpumpe mit einer Auslassleitung in Fluidverbindung mit der Wasserheizkammer. Die Luftpumpe wird an dem Ende des Aufgießzyklus verwendet, um Luft durch den Kaffeesatz zu pumpen, um den Kaffee zu trocknen und u eine Schaumkrone zu bilden. Die Luft von der Pumpe wird von dem Heißwasserbehälter über einen relativ komplexen Ventil-/Schalt-Mechanismus an einem Strömungsverteiler, der sich innerhalb der Wasserheizkammer befindet, zu der Aufgießkammer geleitet. Die in dem System '652 zu der Aufgießkammer zugeführte Luft geht durch die Wasserheizkammer hindurch, bevor sie in die Aufgießkammer eintritt, wodurch dem Gas Wärme und Feuchtigkeit zugeführt werden. Das System '652 ist ein System relativ niedrigen Druckes, wobei der größte Betriebsdruck mit etwa 0,35 Mpa (3,5 Bar, etwa 50 psi) angegeben wird.
Das auf Austin et al. erteilte US-Patent 3,582,351 beschreibt ein Verfahren zum Aufgießen von Kaffee, wobei frisch gemahlener Kaffee in einem Kaffeeextraktor mit heißem Wasser aufgegossen wird, um „Starkkaffee" herzustellen, der nicht genusstauglich ist. Der „Starkkaffee" wird danach aus dem Extraktor durch Anwendung eines Gases, wie zum Beispiel Kohlendioxid, ausgetrieben und zu einer Karbonisieranlage geleitet, wo es mit Kohlensäure versetzt, unter Druck gespeichert und schließlich durch ein Mischventil in Bemischung von heißem Wasser ausgegeben wird, um den „Starkkaffee" verzehrbar zu machen.
Das auf Pitchan et al. erteilte US-Patent 3,790,689 betrifft Extraktion von geröstetem und gemahlenem Kaffee und beschreibt eine Abänderung eines Filterverfahrens, das auch als geteiltes Extraktions-Filterverfahren bekannt ist.
Die auf die Saden Corporation lautende EP0812558 A1 beschreibt einen Kaffeeextraktionsapparat, der Druckluft verwendet, die in einem Kompressor mit Hilf eines Luftregelventils erzeugt wird.
DE 3318317 A1 betrifft ein Verfahren und einen Apparat zum Einweichen und Extrahieren von Stoffen, die etherische Stoffe enthalten, aus Naturprodukten, die das Öffnen von die Produkte enthaltenden Zellen über Druckbeaufschlagung und plötzliche Druckentspannung und Extrahieren der Produkte unter Verwendung eines Extraktionsfluids umfassen.
Das auf Suzuki et al. erteilte US-Patent 5,297,472 betrifft eine Getränkeextraktionsmaschine, bei der pulverförmiges Material (wie zum Beispiel Kaffee) mit heißem Wasser in einer Extraktionskammer gemischt wird, die durch einen Filter von dem Getränke-Sammelbehälter getrennt ist. Hochdruckluft wird verwendet, um den Kaffee und das heiße Wasser zu mischen, das danach in den Sammelbehälter angesaugt wird, wo es in eine Tasse abgelassen wird.
DE 19706005 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Kaffeegetränkes durch Anlegen eines Druckstoßes, der das heiße Aufgießwasser plötzlich durch den gemahlenen Kaffee drückt.
Das US-Patent 5,704,950 betrifft ein komplexes Verfahren zur Herstellung von Lebensmittelfarben aus Hibiskusblumen. Das Verfahren umfasst unter anderem die Schritte von Waschen, Erwärmen, Kühlen, Filtern, Trocknen und Sieben.
Wenngleich einige der oben genannten Systeme und Verfahren für die Herstellung verzehrbarer Extrakte aus festen Rohmaterialien in einigen Fällen nützliche Beiträge des Standes der Technik zur Herstellung verzehrbarer Extrakte darstellen, besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren und Systemen zur Herstellung veränderlicher Mengen, einschließlich großer Volumina, von verzehrbaren Extrakten, einschließlich stark konzentrierter Extrakte, aus festen Rohmaterialien, wobei die Extrakte wünschenswerte Wohlgeschmacks- und Geruchseigenschaften aufweisen.
Kurzfassung der Erfindung
Dementsprechend besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung verbesserter Verfahren zur steuerbaren Herstellung mehr oder weniger stark konzentrierter Extrakte, die hervorragende und wünschenswerte Geschmacks- und Geruchseigenschaften aufweisen, aus festen Rohmaterialien.
Die Erfindung wird in den Patentansprüchen definiert.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren des Extrahierens eines verzehrbaren Materials aus einem festen Rohmaterial. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer Menge von festem Rohmaterial in einem umschlossenen Volumen eines Behälters (der größer ist als das Volumen des festen Rohmaterials). Ein wässriges Lösungsmittel wird danach in das umschlossene Volumen eingeleitet. Das wässrige Lösungsmittel wird dazu gebracht, durch die Menge von Material hindurch zu fließen, um einen wässrigen Extrakt aus dem festen Rohmaterial zu bilden. Der Fluss von wässrigem Lösungsmittel durch die Menge von Material wird unterbrochen, nachdem ein vorgegebenes Gesamtvolumen des wässrigen Lösungsmittels durch das Material hindurch gegangen ist. Da nach wird ein Strom eines Gases durch die Menge von Material eingerichtet, um gegebenenfalls verbliebenen wässrigen Extrakt aus dem Material auszutreiben. Das Gas wird durch eine Einlassleitung, die in Fluidverbindung mit dem umschlossenen Volumen steht, zu dem umschlossenen Volumen zugeführt. Das Gas wird von einer zu dem umschlossenen Volumen externen Quelle von Druckgas zugeführt.
In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Extraktes, der ein verzehrbares Material von einem festen Rohmaterial enthält. Das Verfahren umfasst Herstellen einer Menge von festem Rohmaterial in einem umschlossenen Volumen, das größer ist als das Volumen des festen Rohmaterials. Das umschlossene Volumen umfasst wenigstens eine Einlassleitung und eine Auslassleitung. Bei geschlossener Auslassleitung wird das umschlossene Volumen mit einem vorgegebenen Volumen eines wässrigen Lösungsmittels gefüllt. Danach wird das umschlossene Volumen auf einen vorbestimmten und kontrollierbaren Druck beaufschlagt, indem ein Fluid unter Druck von einer zu dem umschlossenen Volumen externen Quelle von druckbeaufschlagtem Fluid durch eine Einlassleitung zu dem umschlossenen Volumen zugeführt wird. Der Druck wird in dem umschlossenen Volumen unter Nicht-Flussbedingungen über einen vorgegebenen und kontrollierbaren Zeitraum aufrecht erhalten. Danach wird die Auslassleitung geöffnet, um wässrigen Extrakt aus dem umschlossenen Volumen aufzufangen.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren des Extrahierens eines festen Rohmaterials bereit, um einen Extrakt herzustellen, der ein verzehrbares Material enthält. Das Verfahren umfasst das Einrichten eines Bettes aus festem Rohmaterial, das Zuführen eines Volumens von wässrigem Lösungsmittel zu dem Bett, das Druckbeaufschlagen des Lösungsmittels und des Bettes auf einen vorgegebenen und kontrollierbaren Druckpegel, das Vorhalten des erzeugten Druckes über einen gewünschten Zeitraum unter Nicht-Flussbedingungen sowie das Einrichten eines Flusses von wässrigem Extrakt aus dem Bett. Wässriger Extrakt wird danach mit einem Gas aus dem Bett ausgetrieben.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Austreiben verbrauchten extrahierbaren festen Materials aus einem Extraktionsgefäß ohne Notwendigkeit der Demontage des Gefäßes bereitgestellt. Das Gefäß umschließt ein Innenvolumen und weist wenigstens ein Filter element auf. Das Gefäß ist beschaffen und angeordnet, um eine gewünschte Menge von festem Rohmaterial zu enthalten. Das Gefäß weist wenigstens eine Einlassspülleitung und wenigstens eine Auslassleitung auf. Vor der Durchführung des Verfahrens enthält das Gefäß eine Menge verbrauchten festen Rohmaterials. Bei dem Verfahren wird zuerst ein unter Druck stehendes Fluid durch wenigstens eine Einlassspülleitung gedrückt, wodurch das verbrauchte Material durch die Auslassleitung mit dem Fluss der unter Druck stehenden Flüssigkeit mitgerissen und ausgetrieben wird, während im Wesentlichen parallel dazu das Filterelement rückgespült wird.
In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines verzehrbaren Extraktes aus einem festen Rohmaterial. Das Verfahren umfasst wenigstens teilweises Füllen eines Extraktionsgefäßes, das ein Innenvolumen umschließt und wenigstens eine Einlassleitung und eine Auslassleitung aufweist, mit einer Menge festen Rohmaterials. Danach wird ein Fluss von flüssigem Lösungsmittel durch das Material eingerichtet, um aus dem festen Rohmaterial einen Extrakt herzustellen. Der Fluss von flüssigem Lösungsmittel durch das Bett wird unterbrochen, nachdem ein vorgegebenes Volumen des flüssigen Lösungsmittels durch das Material hindurch gegangen ist. Danach wird ein Strom eines Gases durch das Material eingerichtet, um den Extrakt zum Zwecke des Auffangens aus dem Material auszutreiben. Das Gas wird durch eine Einlassleitung von einer zu dem Gefäß externen Quelle von Druckgas zugeführt.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Extrahieren eines festen Rohmaterials bereit, um einen verzehrbaren Extrakt herzustellen. Das Verfahren umfasst wenigstens teilweises Füllen eines Extraktiansgefäßes, das ein Innenvolumen umschließt und wenigstens eine Einlassleitung und wenigstens eine Auslassleitung aufweist, mit einer Menge von festem Rohmaterial, um ein Bett des Materials auszubilden. Bei geschlossener Auslassleitung wird das Gefäß mit einem vorgegebenen Volumen an flüssigem Lösungsmittel gefüllt. Das vorgegebene Volumen ist gleich oder größer als das in dem Bett vorliegende Porenvolumen. Das Innenvolumen des Gefäßes wird danach von einer zu dem Gefäß externen Quelle von unter Druck stehendem Fluid durch eine Einlassleitung zu dem Gefäß auf einen vorgegebenen und kontrollierbaren Druck beaufschlagt. Der Druck in dem Gefäß wird unter Nicht-Flussbedingungen über einen vorgegebenen und kontrollierbaren Zeitraum aufrecht erhalten, bevor eine Auslassleitung geöffnet wird, um den verzehrbaren Extrakt aus dem Gefäß aufzufangen.
Weiterhin wird ein Apparat zum Herstellen eines verzehrbaren Extraktes aus einem festen Rohmaterial beschrieben. Der Apparat kann ein verschließbares Extraktionsgefäß mit einer Oberseite und einer Unterseite umfassen und ein Innenvolumen umschließen. Die Oberseite stellt Fluidverbindung zwischen einem Innenvolumen und einer Leitung oder mehreren Leitungen bereit, die für Fluidfluss da hindurch beschaffen und angeordnet sind. Jede der Leitungen umfasst wenigstens ein Ventil, wobei wenigstens eine der Leitungen mit einer externen Quelle von erhitzten, unter Druck stehendem Wasser verbunden ist und wobei wenigstens eine andere Leitung mit einer externen Quelle von Druckgas verbunden ist, wenn sich der Apparat in einer betriebsfähigen Konfiguration befindet. Die Unterseite stellt Fluidverbindung zwischen dem Innenvolumen und wenigstens einer Leitung bereit, die beschaffen und angeordnet ist für Fluidfluss dazwischen und die wenigstens ein steuerbares Ventil umfasst. Das Innenvolumen des Gefäßes ist beschaffen und angeordnet, um eine Menge von festem Rohmaterial zu enthalten, und umfasst wenigstens ein Filterelement, das beschaffen und angeordnet ist, um das Material während wenigstens einem Teil des Extraktionsvorganges in dem Gefäß zu halten.
Ein Apparat wird weiterhin bereitgestellt, der ohne Notwendigkeit einer Demontage ausgespült werden kann, um einen verzehrbaren Extrakt aus einem festen Rohmaterial herzustellen. Der Apparat umfasst ein verschließbares Gefäß, das ein Innenvolumen umschließt und wobei das Innenvolumen beschaffen und angeordnet ist, eine Menge von festem Rohmaterial zu enthalten. Das Innenvolumen umfasst weiterhin wenigstens ein Filterelement darin, das beschaffen und angeordnet ist, das Material während der Extraktion in dem Innenvolumen zu halten. Das Innenvolumen des Gefäßes steht in Fluidverbindung mit wenigstens zwei Leitungen, von denen eine jede für Fluidfluss durch diese hindurch beschaffen und angeordnet ist, wobei wenigstens eine der Leitungen mit einer externen Quelle von unter Druck stehendem Fluid verbunden ist und wobei wenigstens eine andere der Leitungen in Fluidverbindung mit einem Auslassstutzen an dem Gefäß steht und mit einem Abfallentsorgungssystem verbunden ist, wenn sich der Apparat in einer betriebsfähigen Konfiguration befindet. Die Leitungen stehen in Fluidverbindung mit dem Innenvolumen des Gefäßes, um zu ermöglichen, dass verbrauchtes festes Rohmaterial von dem Gefäß durch den Auslassstutzen entfernt wird, wobei gleichzeitig das Filterelement rückgespült wird, ohne dass das Gefäß demontiert werden muss.
Weiterhin wird ein wässriger Kaffeeextrakt bereitgestellt, der durch Extraktion einer Menge von geröstetem Kaffee gewonnen wird, der wenigstens eine ausgewählte Sorte von geröstetem Kaffee umfasst und wenigstens sechs Gewichtsprozent gelöster Kaffeefeststoffe enthält. Der Extrakt enthält eine wirksame Menge der sortenspezifischen Geschmacks- und Geruchsstoffe, die eine jeweilige Sorte oder eine Mischung von Sorten von geröstetem Kaffee von anderen Sorten unterscheidet.
Ein Verfahren des Herstellens eines Kaffeegetränkes wird beschrieben. Das Verfahren umfasst das Herstellen eines wässrigen Kaffeeextraktes, der wenigstens etwa sechs Gewichtsprozent gelöster Kaffeefeststoffe enthält, durch Extrahieren einer Menge an geröstetem Kaffee mit einem wässrigen Lösungsmittel, wobei die Menge an geröstetem Kaffee wenigstens eine ausgewählte Sorte umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin Verdünnen des wässrigen Kaffeeextraktes mit zusätzlichem wässrigem Lösungsmittel, um einen getränketauglichen Extrakt herzustellen, der eine Konzentration an gelösten Kaffeefeststoffen zwischen etwa einem Gewichtsprozent und etwa vier Gewichtsprozent aufweist. Der getränketaugliche Extrakt enthält vorteilhaft eine wirksame Menge der sortenspezifischen Geschmacks- und Geruchsstoffe, die die wenigstens eine ausgewählte Sorte von Kaffee von anderen Sorten von Kaffee unterscheiden.
Weitere Vorteile, neue Merkmale und Ziele der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung ersichtlich sein, wenn diese in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen gesehen wird, die als Schemazeichnungen und nicht als maßstabsgerechte Zeichnungen zu verstehen sind. In den Figuren werden jeweils identische oder annähernd identische Komponenten, die in den verschiedenen Figuren veranschaulicht werden, jeweils mit gleichen Verweisziffern bezeichnet. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist nicht jede Komponente in jeder Figur bezeichnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Apparates zum Herstellen eines verzehrbaren Extraktes aus einem festen Rohmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist eine schematische Veranschaulichung des in 1 gezeigten Apparates, von oben gesehen.
3 zeigt einen Querschnitt des Apparates in 1, gesehen von oben, und zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Filterelementes, das ein Porensieb umfasst; und
4 ist ein Querschnitt des Apparates aus 1, gesehen von der Seite, und zeigt das umschlossene Innenvolumen und die innenliegenden Komponenten des Gefäßes.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zum Herstellen verzehrbarer Extrakte bereit, die ein verzehrbares Material aus einer Sorte fester Rohmaterialien enthalten, wobei die Extrakte in Bezug auf Geschmack und Geruch im Vergleich zu ähnlichen Extrakten, die gemäß bekannten Extraktionsverfahren des Standes der Technik hergestellt werden, von besserer Qualität sein können. Der Ausdruck „verzehrbarer Extrakt" bei Verwendung hierin betrifft eine Lösung, die ein gelöstes oder suspendiertes verzehrbares Material in einem verzehrbaren Lösungsmittel enthält. Ein „verzehrbares Lösungsmittel" betrifft eine im Wesentlichen ungiftige, als Nahrung aufnehmbare Flüssigkeit, die in der Lage ist, eine Nicht-Null-Menge des verzehrbaren Materials zu lösen bzw. zu suspendieren. „Verzehrbares Material" bei Verwendung hierin betrifft ein festes Material, einschließlich wenigstens einer festen Komponente, die in dem verzehrbaren Lösungsmittel unlösbar ist, und wenigstens einer anderen Komponente, die ein verzehrbares Material ist. Bevorzugte verzehrbare Lösungsmittel zur Anwendung in der Erfindung sind wässrige Lösungsmittel. Ein erfindungsgemäßes „wässriges Lösungsmittel" umfasst Wasser und kann zusätzlich andere Komponenten umfassen, die in Wasser lösbar oder mischbar sind, wobei die genannten Komponenten für bestimmte Anwendungen zweckdienlich oder wünschenswert sein können. Wenn ein wässriges Lösungsmittel in der Erfindung angewendet wird, werden die hergestellten verzehrbaren Extrakte wässrige Extrakte sein.
Das feste Rohmaterial, das vorteilhaft gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann, kann eine Reihe organischer Feststoffe umfassen, aus denen verzehrbare Materialien extrahiert werden können, wie zum Beispiel Teeblätter, Kakao, Obst, Vanillebohnen oder gerösteter Kaffee. Wenngleich gilt, dass die hierin beschriebenen Verfahren und Apparate erfindungsgemäß für beliebige geeignete feste Rohmaterialien, einschließlich unter anderem der oben genannten, genutzt werden können, um das Verfahren für den Zweck der ausführlichen Beschreibung beispielhaft zu erläutern, wird speziell Bezug auf gerösteten Kaffee genommen werden.
Im Gegensatz zu typischen Verfahren und Apparaten des Standes der Technik zum Herstellen wässriger Extrakte aus geröstetem Kaffee (d.h. von Kaffeeextrakten) ermöglicht die vorliegende Erfindung die Herstellung von relativ konzentrierten Kaffeeextrakten, die eine gute Geschmacks- und Geruchsqualität aufweisen und die sortenspezifischen Eigenschaften einer bestimmten Sorte von extrahiertem Kaffee aufweisen. Im Gegensatz zu Verfahren des Standes der Technik zum Herstellen konzentrierter Kaffeeextrakte, wie zum Beispiel zur Anwendung bei der Herstellung von Instantkaffee, vermeiden die erfindungsgemäßen Verfahren in zahlreichen Ausführungsbeispielen erschöpfende Extraktion des gerösteten Kaffees und hohe Wassertemperaturen, die zu Hydrolyse führen (typischerweise oberhalb des Siedepunktes von Wasser bei atmosphärischem Druck), die beide zu Verlust von Geruch und zu Extraktion von bitteren Komponenten und Säuren führen können, die die Qualität des Geschmacks und Geruchs des Extraktes verschlechtern können. Der beste Kaffeegeschmack wird bei Verfahren des Standes der Technik während des ersten Teiles eines Brühvorganges (Extraktion) erzeugt. Reicher Geschmack, Zucker und Aroma werden zuerst extrahiert. Öle, Säuren und Fremdgerüche brühen in einem späteren Stadium des Brühvorganges aus, wenn extensivere Extraktion eintritt. Dies ist zum Beispiel der Grund dafür, dass durch erschöpfende Extraktion hergestellte Filterkaffeegetränke und Kaffeeextrakt oft bitter im Geschmack sind, ein schlechtes Aroma haben und Öle auf der Oberfläche aufweisen.
Für Anwendungen, bei denen Kaffeeextrakte mit gutem Geruch und Geschmack normalerweise nicht als entscheidend angesehen werden, zum Beispiel bei der Herstellung von Instantkaffeeerzeugnissen, ist erschöpfende Extraktion in dem Bemühen eingesetzt worden, die Gesamtausbeute an verzehrbarem Material (d.h. lösbare Kaffeefeststoffe), die aus einer vorgegebenen Menge von festem Rohmaterial (d.h. geröstetem Kaffee) gewonnen werden können, zu maximieren. Wenn sie jedoch durch Verdünnung mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel auf die ursprüngliche Konzentration zurück geführt werden, um Kaffeegetränke oder Kaffeeextrakt zur Anwendung als Nahrungsmittel herzustellen, weisen solche Erzeugnisse des Standes der Technik normalerweise nicht die Geschmacks- und/oder Geruchseigenschaften auf, die von den Verbrauchern gefordert werden, die einen hochqualitativen Kaffee schätzen. Insbesondere erzeugen solche erschöpfenden Extraktionsverfahren des Standes der Technik normalerweise Kaffeeextrakte, die nicht die gewünschten sortenspezifischen Geschmacks- und Geruchsstoffe aufweisen, die den in einer bestimmten Region oder in einem bestimmten Land gewachsenen Kaffe oder Mischungen aus zwei oder mehr solcher Kaffeesorten von anderen unterschiedlichen Sorten unterscheiden können. Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Extrakte können Geschmacks- und Geruchsattribute bereitstellen, durch die sie in „Spezialitätenkaffee"-Anwendungen angewendet werden können, und enthalten für die für solche Spezialitätenkaffee-Anwendungen sortenspezifischen Geschmacks- und Geruchsstoffe, die eine besondere Sorte von Röstkaffee charakterisieren, aus der der Extrakt hergestellt wurde. Die sortenspezifischen Geschmacks- und Geruchsstoffe, die in gemäß diesen Ausführungsbeispielen der Erfindung hergestellten Kaffeeextrakten vorteilhaft zurückgehalten werden, sind relativ flüchtige extrahierbare chemische Verbindungen oder Kombinationen von chemischen Verbindungen, die in dem gerösteten Kaffee vorliegen. Verschiedene Kaffeesorten (zum Beispiel Costa Rica Tarrazu im Vergleich zu Sumatra Mandheling) beziehungsweise definierte Mischungen oder Gemische solcher Sorten werden normalerweise verschiedene relative Mengen und/oder Arten dieser sortenspezifischen Geschmacks- und Geruchsstoffe aufweisen, die die verschiedenen gebrühten Kaffees nach Geschmack und Geruch unterscheiden. Das Vorliegen dieser sortenspezifischen Geschmacks- und Geruchsstoffe wird durch den Durchschnittsfachmann herkömmlich durch Verkosten (von Geschmack und Geruch) festgestellt. Im Gegensatz zu den Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung relativ konzentrierter Kaffeeextrakte, die keine wirksamen Mengen dieser sortenspezifischen Stoffe enthalten, kann die vorliegende Erfindung relativ konzentrierte Kaffeeextrakte bereitstellen, die wirksame Mengen enthalten.
„Relativ konzentrierter Kaffeeextrakt" betrifft bei Verwendung hierin einen Kaffeeextrakt, der konzentrierter ist als kaffegetränketauglicher Extrakt (etwa ein bis vier Gewichtsprozent gelöste Kaffeefeststoffe), und enthält wenigstens etwa sechs Gewichtsprozent gelöster Kaffeefeststoffe. Bei Verwendung hierin betrifft eine „wirksame Menge" in Bezug auf die in dem Kaffeeextrakt enthaltene Menge an sortenspezifischen Stoffen eine Kon zentration der genannten Stoffe in dem Extrakt, die für Detektion in dem konzentrierten Extrakt selbst oder in dem durch Verdünnung des Extraktes mit zusätzlichem Wasser auf Getränkestärke erhaltenen Kaffeegetränk durch Geschmacks- und/oder Geruchsverkostung durch einen Durchschnittsfachmann ausreichend ist. „Detektieren" bei Verwendung wie oben betrifft die Fähigkeit der Verkoster, aufgrund des Vorliegens von sortenspezifischen Stoffen, durch das gleiche Verfahren, jedoch aus verschiedenen Sorten von geröstetem Kaffee hergestellte Extrakte unterscheiden zu können. Alternativ dazu kann das Vorliegen einer wirksamen Menge von sortenspezifischen Stoffen durch das Durchführen von chemischen Standardanalysen an den Kaffeeextrakten bestimmt und ermittelt werden. Solche Analysen können durch verschiedene dem Durchschnittsfachmann bekannte Verfahren und Methoden durchgeführt werden, wie zum Beispiel durch Gaschromatographie, durch Flüssigkeitschromatographie, durch Massenspektrometrie u.s.w. Eine „wirksame Menge" an sortenspezifischen Stoffen nach Messung durch die genannten Verfahren und Methoden kann durch Vergleichen der Analyse eines getränketauglichen Extraktes, der durch ein typisches Verfahren des Standes der Technik, wie zum Beispiel nach dem Durchlaufverfahren oder dem Espressoverfahren, die beide hierin diskutiert werden, hergestellt wurde, mit einem konzentrierten Extrakt, der mit zusätzlichem Wasser verdünnt wurde, um die gleiche Menge gelöster Feststoffe zu enthalten wie der getränketaugliche Extrakt, mit dem er verglichen wird, bestimmt werden. Ein wie beschrieben mit einer „wirksamen Menge" von sortenspezifischen Stoffen analysierter verdünnter Extrakt wird etwa die gleiche Konzentration oder eine größere Konzentration an den genannten Stoffen enthalten wie oder als der getränketaugliche Extrakt, der durch das typische Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde.
Da weiterhin die erfindungsgemäßen Verfahren eine breite Flexibilität der Herstellung von Kaffeeextrakten mit einem breiten Bereich von gelösten Stoffen bereitstellen, einschließlich hochkonzentrierter Extrakte, können zahlreiche der gemäß der Erfindung hergestellten Extrakte direkt für Anwendungen genutzt werden, bei denen hochkonzentrierte Kaffeeextrakte erwünscht sind, ohne dass die Notwendigkeit zusätzlicher Aufkonzentrierung durch Austreiben des Lösungsmittels besteht. Zum Beispiel können gemäß einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung hergestellte konzentrierte Kaffeeextrakte zur Herstellung von Kaffeesirups, von Kaffeeeis, von Eiskaffee, von Kaffeeparfüm etc. verwendet werden, die alle hervorragenden Geschmack, Wohlgeschmack und/oder Wohlgeruch aufweisen und die sortenspezifischen Eigenschaften des Kaffees, aus dem die Erzeugnisse hergestellt wurden, beibehalten. Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin Verfahren und Apparate bereit, die hinreichend flexibel sind, um die Herstellung einer breiten Palette von Extrakten mit unterschiedlichen Konzentrationen und Extraktionsgraden zu ermöglichen, um für eine Reihe von Einsatzzwecken und Anwendungen geeignet zu sein. Die erfindungsgemäßen Verfahren und Apparate sind weiterhin problemlos skalierbar, um Mittel zum Herstellen beliebiger gewünschter Mengen von Extrakt bereitzustellen. Kleintechnische Versionen der erfindungsgemäßen Apparate können für Anwendungen im privaten Haushalt oder im Einzelhandel/im gewerblichen Bereich verwendet werden, wohingegen großtechnische Apparate, die hierin ausführlicher beschrieben werden, für die industrielle Produktion von Kaffeeextrakten verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die genauere Steuerung des Niveaus der Extraktion und der Konzentration des Kaffeeextraktes im Vergleich zu typischen Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik. Zum Beispiel erzeugen typische Durchlaufkaffeemaschinen, wie sie verbreitet im privaten Haushalt oder im gewerblichen Bereich verwendet werden, normalerweise etwa 9,5 Liter (2,5 Gallonen) an Kaffeegetränk pro 453,6 g (ein englisches Pfund) an gemahlenem Röstkaffee, was eine typische Konzentration an gelösten Feststoffen von etwa 1 bis 1,5 Gewichtsprozent ergibt. Ein weiteres verbreitetes Verfahren der Herstellung von Kaffeegetränk ist das „Espressoverfahren", das üblicherweise das Pressen von Heißwasser durch fein gemahlenen, gerösteten Kaffee unter Druck (üblicherweise etwa 0,93 bis 1,1 MPa (120 bis 140 psig) in Abhängigkeit von der Feinheit der Mahlung und der Wasserströmungsgeschwindigkeit) über einen kurzen Zeitraum, um ein „Espressogetränk" herzustellen. Diese Verfahren erzeugen üblicherweise etwa 3,8 Liter (eine Gallone) an Kaffeegetränk aus etwa 453,6 g (ein englisches Pfund) an Kaffee, und sie ergeben ein Getränk, das etwa vier Gewichtsprozent gelöste Kaffeefeststoffe enthält. Normalerweise erzeugt das „Espressoverfahren" ein süßeres, konzentrierteres Getränk als das Durchlaufverfahren, da es ein größeres Verhältnis von Kaffee zu Wasser nutzt, während es gleichzeitig das Extraktionsniveau des Rohmaterials (des gemahlenen Kaffees) reduziert. Die Apparatur zum Herstellen von Kaffeegetränk nach dem Espressoverfahren ist üblicherweise auf kleine Geräte beschränkt, die ein Fassungsvermögen von höchstens etwa 14 Gramm trockenem, gemahlenem Röstkaffee aufweist. Im Gegensatz dazu stellt die vorliegende Erfindung in bestimmten Ausführungsbeispielen Verfahren und Geräte zur Herstellung von Kaffeeex trakten aus großen Mengen, in einigen Ausführungsbeispielen von über 136 kg (300 englische Pfund), von geröstetem Kaffee bereit. Die Erfindung ermöglicht weiterhin die Herstellung von Kaffeeextrakt unterschiedlicher Konzentrationen entsprechend den Bedürfnissen des Benutzers, indem der Benutzer problemlos das Verhältnis des hergestellten Extraktes zu dem gerösteten Kaffee einstellen kann. Zum Beispiel können die gemäß der Erfindung hergestellten Extrakte in dem Bereich von der Stärke von Filterkaffee (453,6 g (ein englisches Pfund) Trockenkaffee auf 9,5 Liter (2,5 Gallonen) an Extrakt) oder weniger bis zu hochkonzentrierten Extrakten, wie zum Beispiel mit 1,134 kg, 2,268 kg, 3,175 kg (2,5 englische Pfund, 5 englische Pfund, 7 englische Pfund) an Trockenkaffee oder mehr auf 3,8 Liter (eine Gallone) an hergestelltem Extrakt reichen, was Ertragskonzentrationen von mehr als zehn Gewichtsprozent ergibt. Die Geschmacks- und Geruchsqualität von erfindungsgemäß hergestellten Extrakten schwankt je nach dem Grad der Verdünnung und Extraktion, wobei die konzentrierteren Extrakte üblicherweise den niedrigsten Extraktionsgrad und den größten Wohlgeschmack und die größte Geschmacks-/Geruchsqualität betreffen.
Die grundlegenden Merkmale der erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen verzehrbarer Extrakte aus festen Rohmaterialien werden nunmehr unter Bezugnahme auf die Herstellung von Kaffeeextrakten beschrieben werden. Nach der grundlegenden Beschreibung wird eine ausführliche Beschreibung eines jeden Schrittes unter Bezugnahme auf ein veranschaulichtes Ausführungsbeispiel eines in den 1 bis 4 gezeigten Extraktionsapparates gegeben werden.
Die erfindungsgemäßen Extraktionsverfahren sind in einigen Ausführungsbeispielen in einigen Aspekten dem bereits beschriebenen „Espressoverfahren" der Kaffeeextraktion ähnlich. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein Extraktionsgefäß, eine Kammer oder Umhausung, die ein umschlossenes Innenvolumen haben, das ausreichend ist, um die gewünschte Menge an festem Rohmaterial, wie zum Beispiel geröstetem Kaffee, zu enthalten. Eine breite Palette an Größen und Konfigurationen von Extraktionsgefäßen können potenziell für verschiedene Anwendungen verwendet werden, wie der Durchschnittsfachmann mühelos erkennen wird. Das Gefäß muss verschließbar sein, so dass das Innenvolumen ohne unerwünschte Undichtheit bis zu einem gewünschten Niveau mit Druck beaufschlagt werden kann, und es muss wenigstens eine Einlassleitung und wenigstens eine Auslassleitung für Fluidfluss durch diese hindurch aufweisen, um kontinuierlichen Fluss von Lösungsmittel durch das feste Rohmaterial (zum Beispiel Kaffee), das in dem Innenvolumen des Gefäßes enthalten ist, zu ermöglichen. Das Gefäß muss weiterhin eine Vorrichtung zum Befüllen des Innenvolumens mit geröstetem Kaffee umfassen; zum Beispiel kann das Gefäß ein oder zwei separate Teile umfassen, die getrennt werden können, um das Innenvolumen zum Füllen freizusetzen, und/oder es kann eine oder mehrere Leitungen durch eine Wand des Gefäßes und in Verbindung mit dem Innenvolumen haben, durch die gerösteter Kaffee in das Innenvolumen eingeführt werden kann. Die Einlass- und Auslassleitung für Fluidfluss sind vorzugsweise an dem Gefäß an gegenüberliegenden Seiten des Innenvolumens, das den Kaffee enthält, angeordnet, so dass im Wesentlichen der gesamte Fluidfluss, der durch die Einlassleitung in das Gefäß eintritt und durch die Auslassleitung aus dem Gefäß austritt, im Wesentlichen durch die gesamte Menge an Kaffee hindurch geht, wenn er durch das Gefäß fließt. Eine bevorzugte Anordnung des Gefäßes hat eine oder mehrere Einlassleitungen, die an oder nahe der Oberseite des Gefäßes angeordnet ist oder sind, und eine oder mehrere Auslassleitungen an oder nahe der Unterseite des Gefäßes, wodurch in den bevorzugten Ausführungsbeispielen ermöglicht wird, dass ein Fluss von wässrigem Lösungsmittel durch den Kaffee von oberhalb des Füllstandes des Kaffees in dem Innenvolumen und durch die Menge an Kaffee in dem Innenvolumen in Richtung der Schwerkraft fließt. Dieser Fluss durch den Kaffee in der Richtung der Schwerkraft wirkt, um den Kaffee während der Durchlaufextraktion zu verdichten und um den Kontakt zwischen dem Lösungsmittel und dem Kaffee zu verbessern, wodurch die Leistung des Extraktionsverfahrens im Vergleich zu einem Lösungsmittelfluss entgegen der Richtung der Schwerkraft oder im rechten Winkel zu der Richtung der Schwerkraft verbessert wird.
Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines Kaffeeextraktes gemäß der Erfindung umfasst zuerst wenigstens teilweises und vorzugsweise vollständiges Füllen des Innenvolumens des Gefäßes mit geröstetem Kaffee. Bei geschlossenen Auslassleitungen wird das Gefäß wenigstens teilweise mit einem wässrigen Lösungsmittel gefüllt. Vorzugsweise wird ausreichend wässriges Lösungsmittel hinzugegeben, um das Porenvolumen der Menge an geröstetem Kaffee in dem Gefäß zu füllen und um den gerösteten Kaffee vollständig abzudecken und zu benetzen. Die Auslassleitungen werden vorzugsweise mittels einer Vorrichtung aus wenigstens einem regelbaren Ventil geschlossen. Ein „regelbares Ventil" betrifft bei Verwendung hierin ein Ventil, das manu ell oder automatisch bedient werden kann, wie zum Beispiel durch Drehen von Hand oder durch Computersteuerung und -betätigung, um das Ventil nach Wunsch des Bedieners zu einer beliebigen Zeit und unter verschiedenen gewünschten Betriebsbedingungen zu öffnen, zu schließen und/oder teilweise zu öffnen oder zu schließen. Solche Ventile können Schieber, Kugelventile, Sitzventile, Nadelventile u.s.w. sein, wie sie dem Durchschnittsfachmann bekannt sind und die sich von Ventilen unterscheiden, die ohne Bedienereingriff unter einer vorgegebenen Bedingung öffnen oder schließen, wie zum Beispiel ein vorgespanntes Entlastungsventil. In bevorzugten Ausführungsbeispielen liegt die Temperatur des wässrigen Lösungsmittels in Kontakt mit dem Kaffee oberhalb der Umgebungstemperatur, vorzugsweise zwischen 87,8 und 100 Grad Celsius (zwischen 190 und 212 Grad Fahrenheit).
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Extraktionsverfahrens, nach den oben beschriebenen Füllschritten, setzen den gerösteten Kaffee als nächstes einem neuartigen „Druckbehandlungsschritt" aus, der durch gründliches Benetzen des Kaffees und Eliminieren von Lufttaschen oder Luftkanälen sowie durch Durchdringen des wässrigen Lösungsmittels in die Kaffeeteilchen selbst hinein ermöglicht, die Wirksamkeit der Extraktion zu erhöhen. Der Druckbehandlungsschritt wird durchgeführt, indem der statische Druck in dem Gefäß, das den Kaffee und das wässrige Lösungsmittel enthält, auf einen vorgegebenen und kontrollierbaren Druck oberhalb des atmosphärischen Druckes erhöht wird, während die Auslassventile geschlossen gehalten werden, um Überlauf von Extrakt aus dem Gefäß zu verhindern. Das Gefäß kann durch Zugabe von zusätzlichem unter Druck stehendem wässrigem Lösungsmittel druckbeaufschlagt werden, oder alternativ dazu durch Zugabe eines unter Druck stehenden Gases zu dem Gefäß von einer externen Quelle von unter Druck stehendem Gas durch eine Einlassleitung zu dem Gefäß. Der Druck wird über einen gewünschten Zeitraum vorgehalten, bevor Fluss von Extrakt eingerichtet wird. Das optimale Druckniveau zur Anwendung in dem „Druckbehandlungsschritt" ist davon abhängig, ob der geröstete Kaffee als gemahlener Kaffee oder als Kaffee in ganzen Bohnen vorliegt, von der Feinheit der Mahlung (bei gemahlenem Kaffee), von der Art des Kaffees, von dem Röstgrad u.s.w., und es sollte von dem Bediener für eine gegebene Menge an Bedingungen festgelegt werden, um einen Extrakt mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Normalerweise muss der Druck umso größer sein je grober die Mahlung von Kaffee ist, um einen größtmöglichen Nutzen aus der Druckbehandlung zu erlangen. Es ist für gemahlenen Kaffee (zum Beispiel gerösteter Kaffee, der mit einer Bunn-Kaffeemühle (HVG, Bunn-o-matic, Springfield, Illinois, USA) mit einer Einstellung von 4,0 gemahlen worden ist) festgestellt worden, dass der Druck während des Druckbehandlungsschrittes vorzugsweise wenigstens 0,45 MPa (50 psig), stärker vorzugsweise 0,9 MPa (100 psig) und am stärksten vorzugsweise zwischen etwa 0,93 MPa und 1,0 MPa (120 und 132 psig) oder darüber, beträgt. Für Ausführungsbeispiele, bei denen sehr grob gemahlener Kaffee oder Kaffee in ganzen Bohnen verwendet wird, ist der Druck vorzugsweise höher als der genannte Bereich, zum Beispiel 1,14 bis 9 MPa (150 bis 1000 psig) oder höher. Der Druck wird über einen vorgegebenen und kontrollierbaren Zeitraum unter Nicht-Flussbedingungen vorgehalten, bevor Fluss einsetzt. Die Zeit oder Dauer der Behandlung kann zwischen einigen Sekunden und einigen Minuten schwanken, wobei etwa zehn Minuten bei einem statischen Druck eine typische Behandlungszeit oder -dauer sind.
Bei Abschluss des Behandlungsschrittes bei statischem Druck wird ein Auslassventil wenigstens teilweise geöffnet, um Fluss von Extrakt aus dem Gefäß einzurichten, und bei manchen Ausführungsbeispielen wird gleichzeitig wässriges Lösungsmittel durch eine Einlassleitung zu dem Gefäß zugeführt. Das Ventil an der Auslassleitung kann gesteuert werden, um während der Durchlaufextraktion einen gewünschten Druckpegel in dem Gefäß aufrechtzuerhalten. Somit ermöglicht die Fähigkeit des Bedieners, den Druck in dem Gefäß über Ansteuerung eines Auslassventils auszuwählen und zu steuern, dass der Druck während der Extraktion in dem Gefäß unabhängig von der Feinheit der Mahlung von Kaffee oder der Einlassströmungsgeschwindigkeit von Lösungsmittel eingestellt und kontrolliert werden kann. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein stark konzentrierter Extrakt erwünscht ist, wird sehr wenig bis kein zusätzliches Lösungsmittel während des Flusses des Extraktes aus dem Gefäß zugeführt. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird eine gemessene erwünschte Menge von zusätzlichem wässrigem Lösungsmittel zugeführt, um einen gewünschten Grad an Extraktion und an endgültiger Extraktkonzentration zu erhalten.
Nachdem eine gewünschte Menge an zusätzlichem Lösungsmittel zugeführt worden ist, wird der Fluss von Lösungsmittel unterbrochen, und Extrakt wird durch die Auslassleitung aufgefangen, üblicherweise bis das Gefäß mit atmosphärischem Druck ausgeglichen ist. An diesem Punkt wird in bevorzugten Ausführungsbeispielen des Verfahrens in dem Porenvolumen des gemahlenen Kaffees vorliegender Restextrakt ausgetrieben und zurückgewonnen, indem ein Strom von Fluid, welches ein Gas ist, (bei Standardtempe ratur und -druck) von einer zu dem Gefäß externen Quelle von Druckgas durch eine Einlassleitung zu dem Gefäß zugeführt wird, welcher in direkter Fluidverbindung mit dem umschlossenen Innenvolumen steht. Der Gasstrom zu dem Gefäß treibt den Extrakt aus dem nassen Kaffee aus, wobei der Extrakt von der Auslassleitung aufgefangen und zu dem in dem vorangegangenen Schritt aufgefangenen Extrakt hinzugegeben wird. Spülen des nassen Kaffees mit einem Gas ermöglicht, dass der in dem Porenvolumen, das durch die Zwischenräume zwischen und innerhalb der nassen Kaffeeteilchen definiert ist, vorliegende konzentrierte Extrakt zurückgewonnen wird und nicht wie bei typischen Espresso-Kaffeeextraktoren vergeudet wird. Ein gegebenes Volumen von Extrakt kann weiterhin mit weniger Verdünnung und einem geringeren Grad an Extraktion im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik, bei denen der gesamte aufgefangene Extrakt mit zusätzlichem Lösungsmittel aus dem Kaffee ausgetrieben wird, aufgefangen werden. Das in den bevorzugten Ausführungsbeispielen zum Spülen des Kaffees verwendete Gas wirkt nicht als Lösungsmittel und extrahiert oder verdünnt daher den aufgefangenen Kaffeeextrakt nicht weiter. Bevorzugte Gase zur Verwendung in der Erfindung sind relativ reaktionsträge in Bezug auf das Lösungsmittel, den Extrakt und das feste Rohmaterial. Druckluft kann in diesem Kontext verwendet werden, jedoch sind besonders bevorzugte Gase unter anderem sauerstofffreie inerte Gase, wie zum Beispiel Stickstoff, oder Edelgase, wie zum Beispiel Argon, Helium u.s.w. Bei Verwendung hierin betrifft „inertes Gas" Gase, die mit dem festen Rohmaterial, dem wässrigen Lösungsmittel und dem wässrigen Extrakt nicht reaktionsfähig sind und die die Geschmacks- und Geruchseigenschaften des wässrigen Extraktes nicht wesentlich beeinflussen oder beeinträchtigen. Vorzugsweise wird das Gas bei oder unterhalb der Raumtemperatur zugeführt, so dass es das feste Rohmaterial vorteilhaft kühlt und die Freisetzung oder Abgabe von Fremdgeschmack/-geruch in den Extrakt verhindert.
Die oben beschriebenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können abgeändert werden beziehungsweise bestimmte Schritte können weggelassen oder zusätzliche Schritte können hinzugefügt werden, je nach den Bedürfnissen und Wünschen des Bedieners. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsbeispielen des Verfahrens der Schritt mit dem statischen Druck ausgelassen werden. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann, nachdem das Innenvolumen des Gefäßes mit trockenem geröstetem Kaffee gefüllt worden ist, ein kontinuierlicher Fluss von wässrigem Lösungsmittel durch den Kaffee eingerichtet werden, dessen dynamischer Druckabfall durch Einstellen des steuerba ren Auslassventils an der Auslassleitung, durch die der Extrakt aufgefangen wird, und/oder durch Steuern der Einlassströmungsgeschwindigkeit von wässrigem Lösungsmittel kontrolliert werden kann. Durch Zuführen eines gewünschten vorbestimmten Volumens an wässrigem Lösungsmittel für Extraktion wird der Lösungsmittelfluss danach unterbrochen und der in dem nassen Kaffee verbleibende Extrakt wird mit einem Gas wie weiter oben beschrieben ausgespült. In einigen Ausführungsbeispielen, bei denen besonders konzentrierter Extrakt gewünscht wird, ist das vorbestimmte Volumen an wässrigem Lösungsmittel, das wie weiter oben beschrieben zugeführt wird, im Wesentlichen gleich dem Porenvolumen des Bettes aus trockenem, geröstetem Kaffee, das in dem Gefäß enthalten ist.
Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren sind auch sehr flexibel und können verwendet werden, um eine Palette an Extrakten unterschiedlicher Konzentration und unterschiedlichen Extraktionsgrades aus einer einzigen Menge an festem Rohmaterial bereitzustellen. Zum Beispiel kann die gleiche Menge an festem Rohmaterial einer mehrfachen, wiederholten Anwendung der oben beschriebenen Verfahren unterworfen werden, um verschiedene Extrakte aus der gleichen gegebenen Menge an festem Rohmaterial herzustellen, wobei ein jeder Extrakt eine andere Konzentration und andere Geschmacks-/Geruchseigenschaften als Zeichen des Extraktionsgrades aufweist, wobei die durch das erste Extraktionsverfahren hergestellten Extrakte die am stärksten konzentrierten sind und die besten Geschmacks-/Geruchseigenschaften aufweisen und wobei die nachfolgenden Extrakte allmählich schwächer und schlechter in Geschmack/Geruch werden. Die Verwendung eines solchen Mehrfachverfahrens zur Durchführung mehrerer Extraktionen kann die Herstellung verschiedener Extrakte für verschiedene Zwecke nach Kundenwunsch ermöglichen, während gleichzeitig die Auslastung und die Ausbeute für eine gegebene Charge an Rohmaterial erhöht werden. Das hier beschriebene abgeänderte Mehrfachverfahren ist analog zu der Herstellung verschiedener Qualitäten von Olivenöl (zum Beispiel Jungfernöl extra, Jungfernöl u.s.w.) aus Mehrfachpressungen der gleichen Oliven. In dem vorliegenden Fall werden verschiedene Qualitäten an Kaffeeextrakten aus Mehrfachzyklen unter Verwendung der gleichen Charge an geröstetem Kaffee hergestellt. Es ist ebenso denkbar, dass der aus einem Extraktionszyklus hergestellte Extrakt zurückgeführt und dass das wässrige Lösungsmittel für einen nachfolgenden Extraktionszyklus entweder mit der gleichen Char ge von festem Rohmaterial oder mit einer frischen Ladung von festem Rohmaterial verwendet wird.
Ein Ausführungsbeispiel eines großtechnischen Extraktionsapparates und Systems 10 zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren wird schematisch in den 1 bis 4 gezeigt. Es ist zu beachten, dass einige Komponenten dem Durchschnittsfachmann bekannt sind und dass die jeweilige Anordnung von Komponenten lediglich veranschaulichend ist, wobei diese Komponenten nach Maßgabe des Durchschnittsfachmannes anders angeordnet oder anders verbunden oder anders kombiniert werden können. Unter Bezugnahme zunächst auf 1 umfasst der Apparat einen zylindrischen Druckbehälter 11 mit einer abnehmbaren Oberplatte 12 und einer abnehmbaren Bodenplatte 13. Der Apparat kann zwecks Überprüfung, Reinigung und/oder Austausch von innenliegenden Komponenten demontiert werden. In anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere bei kleintechnischen Systemen, kann der Behälter eine Einzelkomponente sein, die nicht demontierbar ist. Die Oberplatte 12 und die Bodenplatte 13 sind über eine Vielzahl von Verbindungsstücken, welche verschraubt sein können, an integrierten Flanschen des zylindrischen Hauptkörpers 11 befestigt. Üblicherweise ist eine Dichtung oder eine Scheibe zwischen den Platten 12 oder 14 und den Flanschen an dem Hauptkörper 11 angeordnet, um eine druckdichte Abdichtung bereitzustellen. Der Behälter und andere Komponenten in Kontakt mit dem wässrigen Extrakt oder dem wässrigen Lösungsmittel sind vorzugsweise aus einem Stoff beschaffen, der relativ inert und reaktionsunfähig ist, wie zum Beispiel aus Edelstahl. Der Druckbehälter 11 ist so beschaffen und ausgelegt, dass er vorhersehbaren größten Betriebsdrücken (zum Beispiel etwa 1,0 MPa (132 psig)) standhält. In dem gezeigten konkreten Ausführungsbeispiel ist der Behälter 11 dimensioniert, um 136 kg (300 englische Pfund) an geröstetem Kaffee aufzunehmen. Das Innenvolumen 75 des Behälters 11, das in der Schnittdarstellung von 4 gezeigt wird, hat einen Innendurchmesser von etwa 24 Zoll, eine Höhe von etwa 48 Zoll und ein Fassungsvermögen von etwa 12,5 Kubikfuß (etwa 340,7 Liter (90 Gallonen)). Der Behälter ist über eine Vielzahl von Stützbeinen 15 auf einer stabilen, festen Fläche abgestützt.
Unter Bezugnahme auf 1 wird Kaffee oder ein anderes festes Rohmaterial durch eine oder beide der Rohmaterialleitungen 17 und 19, die jeweils durch die Oberplatte 12 in Verbindung mit einer Öffnung stehen, in den Behälter 11 eingegeben. Jede Rohmate rialleitung umfasst ein Ventil 18 an der Leitung 17 und ein Ventil 20 an der Leitung 19, die geöffnet werden können, um Kaffee einzugeben, und die danach geschlossen werden können, um den Behälter 11 abzudichten. Bei dem Eingeben des Kaffees in den Behälter 11 wird der Kaffee üblicherweise durch wenigstens ein Ventil eingegeben, wohingegen wenigstens ein anderes Ventil an dem Apparat ins Freie offen ist, damit ausgetriebene Luft entweichen kann. Die Anordnung der Rohmaterialleitungen ist deutlicher aus der Draufsicht in 2 zu erkennen. In anderen Ausführungsbeispielen können die Leitungen abweichend von der gezeigten Anordnung angeordnet werden, oder der Apparat kann mehr, weniger oder keine Rohmaterialleitungen aufweisen. Bei sehr großen Extraktoren kann es zum Beispiel zweckdienlich sein, vier oder mehr Rohmaterial-Einlassleitungen bereitzustellen, um die Zeit, die zum Füllen des Behälters erforderlich ist, zu reduzieren. Bei kleintechnischen Extraktoren kann eine einzelne Rohmaterial-Einlassleitung ausreichend sein, oder der Behälter hat gegebenenfalls keine Rohmaterial-Einlassleitungen, in welchem Fall der Behälter ausgebaut werden muss, um mit festem Rohmaterial gefüllt zu werden.
Während der Behälter 11 mit dem festen Rohmaterial gefüllt wird, ist es vorteilhaft, den Behälter in Bewegung zu versetzen, um das Setzen des Materials in dem Innenvolumen 75 des Behälters zu unterstützen. Für das in 1 bereitgestellte Ausführungsbeispiel wird Bewegung durch einen gasbetätigten Silorüttler 70 bereitgestellt, der über die Gasleitung 72 und das Ventil 71 mit einer externen Gaszuführung 41 verbunden ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Schütteleinrichtung an einem Ort in einem Abstand von der Bodenplatte 13 von etwa einem Drittel der Höhe des Behälters angeordnet. Andere Ausführungsbeispiele des Apparates 10 weisen keinen Silorüttler auf. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann Bewegung, falls wünschenswert, zum Beispiel bereitgestellt werden, indem der Behälter 11 mit einem Gummihammer oder einem Holzhammer angeschlagen wird oder indem der Apparat auf einer Schwingplattform platziert wird. Alternativ dazu, anstelle das feste Rohmaterial durch Bewegung zu verteilen und setzen zu lassen, kann ein Verteilerelement in dem Innenvolumen 75 des Behälters 11 bereitgestellt werden, um den gleichen Zweck zu erfüllen.
Wie in den 1, 2 und 4 gezeigt wird, umfasst der Apparat 10 weiterhin eine Einlassleitung 46 für wässriges Lösungsmittel (siehe 2 und 4) in Fluidverbindung mit einer externen Quelle von Heißwasser 32 über die Leitung 49 und das Ventil 47. Die Leitung 46 umfasst ein Temperaturablesegerät 48 zur Messung der Temperatur des Fluids in der Leitung 46 und/oder der Temperatur des Innenvolumens 75 des Behälters 11. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des Innenvolumens 75 des Behälters 11 kontrolliert, indem die Temperatur der Heißwasserversorgung 32 gesteuert wird. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Behälter 11 direkt beheizt werden, zum Beispiel durch einen Dampfmantel oder einen Heißwassermantel oder durch integrierte elektrische Widerstandsheizung oder andere dem Durchschnittsfachmann bekannte Heizmethoden. Wie in 4 gezeigt wird, steht die Einlassleitung 46 für wässriges Lösungsmittel in Fluidverbindung mit einem Sprühkopf 63, der in dem Innenvolumen 75 des Behälters 11 angeordnet ist. Der Sprühkopf ist beschaffen und angeordnet, um das Heißwasser relativ gleichmäßig über das Oberteil des Bettes aus festem Rohmaterial, das in dem Innenvolumen 75 ausgebildet ist, zu verteilen. Verschiedene Industriesprühköpfe können für diesen Zweck verwendet werden, wie zum Beispiel eine Mehrstrom-Waschdüse (Lechler, St. Charles, Illinois, USA). Die Auslässe des Sprühkopfes werden vorzugsweise oberhalb der typischen Füllleitung 65 des Bettes aus festem Rohmaterial angeordnet.
Weiterhin umfasst die Oberplatte 12 des Behälters 11 eine Gaseinlass/Entlüftungsleitung 33 (siehe 1), einschließlich eines T-Verbindungsstückes 34. Das T-Verbindungsstück 34 steht über die Leitungen 39 und 40 und das Ventil 38 in Fluidverbindung mit einer externen Quelle von Druckgas 41 sowie über das Ventil 35 und die Entlüftungsleitung 36 mit der Atmosphäre. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Behälter anstelle der einen Einlassleitung in Fluidverbindung mit einer Quelle von Druckgas und einer Entlüftungsleitung über ein T-Verbindungsstück mit zwei getrennten Leitungen versehen sein, die in direkter Verbindung mit dem Innenvolumen 75 des Behälters stehen. Das Vorhandensein von nur einer Einlassleitung in Fluidverbindung mit zwei externen Leitungen, die wie gezeigt nicht gleichzeitig genutzt werden, reduziert vorteilhaft die Anzahl der Perforationen, die in den Platten 12 und 13 des Behälters 11 angebracht werden müssen. Während das Innenvolumen 75 des Behälters 11 durch die Leitung 46 mit wässrigem Lösungsmittel gefüllt wird, kann die Leitung 33 genutzt werden, um aus dem Behälter ausgetriebene Luft zu entlüften oder zu „abzulassen", indem das Ventil 38 geschlossen und das Ventil 35 geöffnet wird. Während das Innenvolumen 75 des Behälters während des Druckbehandlungsschrittes oder während des Ausspülens von Restextrakt aus dem Bett nach Extraktion mit Druck beaufschlagt wird, wirkt die Leitung 33 als Gaseinlassleitung, indem das Ventil 35 geschlossen und das Ventil 38 geöffnet wird. Die Leitung 39 umfasst eine Druckmessvorrichtung 37, die verwendet wird, um den Druck des Innenvolumens 75 des Behälters 11 während des Vorganges zu messen.
Wie in 1 gezeigt wird, umfasst die Bodenplatte 13 eine Extrakt-Auslassleitung 23 in Fluidverbindung mit dem Innenvolumen 75 des Behälters 11 über ein Ablaufloch in der Bodenplatte 13. Wässriger Extrakt tritt über die Leitung 23 aus dem Behälter 11 aus und geht durch das T-Stück 24, das steuerbare Ventil 25 und die Leitung 27 zu einem Kühler 28, der die Temperatur des Extraktes auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur reduziert, um Verschlechterung des Geschmackes und/oder Geruchsverlust zu verhindern. Der gekühlte Extrakt tritt über die Leitung 29 aus dem Kühler 28 aus und wird in dem Behälter 30 aufgefangen. Weiterhin steht eine Heißwasserversorgung 32 über ein Ventil 26 und eine Leitung 31 mit dem T-Stück 24 in Fluidverbindung; diese Leitungen werden in Verbindung mit den neuartigen Material-Ausspülverfahren verwendet, die unten ausführlicher beschrieben werden.
Um zu verhindern, dass festes Rohmaterial während der Durchlaufextraktion über die Leitung 23 aus dem Behälter austritt, wird ein Filterelement in dem Behälter 11 vor der Leitung 23 eingebaut. Eine bevorzugte Anordnung des Filterelementes wird in 3 und im Querschnitt in 4 gezeigt. Das bevorzugte Filterelement umfasst ein Porensieb 58 mit Perforationen, die ausreichend klein sind, um im Wesentlichen das gesamte feste Rohmaterial zurückzuhalten. Wie in 4 deutlicher gezeigt wird, wird das Porensieb 58 auf der Bodenplatte 13 abgestützt, wobei die Platte eine Vielzahl von Kanälen und Nuten 59 umfasst, die beschaffen und angeordnet sind, um den Fluss von wässrigem Extrakt, der durch das Porensieb 58 hindurchgeht, zu der Auslassleitung 23 für wässrigen Extrakt zu leiten. Das Porensieb 58 stellt eine Abstützung bereit sowie eine Zurückhaltungsvorrichtung für das Bett aus festem Rohmaterial, und weist einen Durchmesser auf, der vorzugsweise im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Behälters 11 ist. Das Porensieb 58 kann über Schrauben 67 oder durch andere geeignete Verbindungsmittel an der Bodenplatte befestigt werden. In einigen anderen Ausführungsbeispielen kann das Filterelement an einem anderen Ort in dem Innenvolumen 75 angeordnet werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Filterelement ein kleineres Sieb oder ein kleinerer Filter sein, das oder der direkt vor oder sogar in der Ex trakt-Auslassleitung 23 angeordnet wird. Zahlreiche verschiedene Anordnungen des Filterelementes sind möglich, wie der Fachmann erkennen wird; diese fallen allesamt in den Erfindungsbereich und den Erfindungsgedanken der Erfindung.
Wie bereits erwähnt worden ist, umfasst der Extraktionsapparat 10 auch eine neuartige Anordnung von Komponenten zumchten festen Rohmaterials aus Ausspülen verbradem Innenvolumen 75 des Behälters 11 und zum Reinigen des Behälters, nachdem Extraktion durchgeführt worden ist und bevor eine nachfolgende Extraktion durchgeführt wird. Die veranschaulichte Anordnung von Komponenten ermöglicht, dass verbrauchtes Rohmaterial aus dem Extraktionsapparat 10 ausgespült wird und dass Reinigung erfolgen kann, ohne dass der Apparat demontiert werden muss. In dem wie in 1 gezeigten veranschaulichten Ausführungsbeispiel umfasst das Auswaschsystem eine Auslassleitung 21 für verbrauchtes Material, einschließlich einem Ventil 22, die in Fluidverbindung mit einem Abfallerfassungssystem, wie zum Beispiel einer Kanalisation, steht. Wie in 4 gezeigt wird, ist ein Auslassstutzen 60, der von der Leitung 21 in das Innenvolumen 75 des Behälters 11 mündet, vorzugsweise direkt oberhalb des Porensiebes 58 angeordnet. Die bevorzugte Auswaschkonfiguration umfasst eine Fluidzuführleitung, die beschaffen und angeordnet ist, um das Filterelement rückzuspülen. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird das Rückspülen über die Leitung 23 durchgeführt, indem zuerst das Ventil 25 geschlossen wird und indem danach das Ventil 26 geöffnet wird, so dass ein Fluid – in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel Heißwasser von einer unter Druck stehenden Heißwasserversorgung 32 – über die Leitung 23 in den Behälter 11 eintreten wird, wobei diese nunmehr als Einlass-Spülleitung wirkt und dadurch das Porensieb 58 rückspült. Üblicherweise wird das Ventil 22 während des Ausspülvorganges geöffnet sein, so dass verbrauchtes Material aus dem Behälter ausgetrieben werden kann; dennoch kann das Ventil 22 bei einigen Ausführungsbeispielen während wenigstens eines Teiles des Ausspülverfahrens geschlossen sein, damit das Innenvolumen 75 des Behälters 11 wenigstens teilweise mit Flüssigkeit gefüllt werden kann, um das verbrauchte Material zu verteilen und zu verflüssigen. In alternativen Ausführungsbeispielen können Gas, Flüssigkeit oder Zweiphasenfluid Gas-Flüssigkeit zum Rückspülen des Filterelementes und zum Auswaschen des verbrauchten festen Rohmaterials verwendet werden.
Weiterhin umfasst das bevorzugte Ausführungsbeispiel zusätzliche tangentiale Spülleitungen 42 und 55 (siehe 1 und 3), die über das Ventil 43 und die Leitung 44 für die Spülleitung 42 sowie über das Ventil 56 und die Leitung 57 für die Spülleitung 55 in Fluidverbindung mit einer Quelle von unter Druck stehendem Wasser 45 stehen. Beide Leitungen 42 und 55 sind so positioniert, dass sie etwa tangential zu der zylindrischen Wand des Behälters 11 sind, wobei Öffnungen (siehe zum Beispiel 4 zu Öffnung 61 von Leitung 55) in das Innenvolumen 75 des Behälters 11 vertikal oberhalb des Porensiebes 58 in etwa der gleichen Höhe wie der Auslassstutzen 60 zu der Auslassleitung 21 für verbrauchtes Material angeordnet sind. Die tangentiale Ausrichtung der Spülleitungen 42 und 55 in Bezug auf die Behälterwände erzeugt tendenziell ein wirbelndes, wirbelähnliches Strömungsbild des Waschfluids in dem Behälter, was die gründliche Austreibung des verbrauchten Materials aus dem Behälter 11 über die Leitung 21 unterstützt. Zusätzlich ist wenigstens eine der tangentialen Spülleitungen (Leitung 55 in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel) vorzugsweise so positioniert, dass die Öffnung 61 der Leitung in der Behälterwand einen Strom von Spülfluid schräg einfallend auf den Auslassstutzen 60 richtet, durch den verbrauchtes Material aus dem Behälter 11 austritt, um das aufgeschlämmte Material durch die Leitung 21 zu Abfall zu treiben und um Zusetzen des Auslassstutzens 60 zu verhindern. In anderen Ausführungsbeispielen können mehr als zwei tangentiale Spülleitungen verwendet werden, um Austreiben von verbrauchtem Material – zum Beispiel bei sehr großen Extraktoren – zu verbessern oder alternativ dazu kann eine einzelne Leitung verwendet werden. Bei kleinen Extraktoren sind tangentiale Spülleitungen üblicherweise nicht erforderlich, um verbrauchtes Material wirksam aus dem Behälter auszutreiben.
Wie in den 2 und 4 am deutlichsten zu erkennen ist, umfasst das veranschaulichte Ausführungsbeispiel weiterhin eine Waschleitung 62 durch die Oberplatte 12. Die Waschleitung 62 steht in Fluidverbindung mit einer Zuführung von Kalt- und Heißwasser über das T-Stück 50 und das Ventil 51 und die Leitung 53 (Kaltwasser) beziehungsweise über das Ventil 52 und die Leitung 54 (Heißwasser). Die Waschleitung 62 ist vorzugsweise mit einer Drehsprühdüse 64 verbunden, die in dem Innenvolumen 75 des Behälters 11 angeordnet ist. Wenn sie mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird, dreht sich die Drehsprühdüse 64 und sprüht Fluid, um die Wände und die Innenseite der Oberplatte 12 und des Behälters 11 wirksam zu waschen. Verschiedene handelsübliche Drehsprühdüsen können für diesen Zweck verwendet werden. Das veranschaulichte Ausführungsbeispiel verwendet eine Verwirbelungsbehälterdüse (Lechler, St. Charles, Illinois, USA). Ausführungsbeispiele mit großen Extraktionsgefäßen können mehrere Waschleitungen und Drehsprühdüsen umfassen, wohingegen kleine Extraktionsgefäße gegebenenfalls keine solche Leitung erfordern. In einigen Ausführungsbeispielen kann das zum Waschen verwendete Wasser ein oder mehrere bekannte Reinigungsmittel und/oder Korrosionshemmer beinhalten.
Betrieb des Apparates
Unter Bezugnahme auf die Figuren kann ein beispielhaftes Kaffeeextraktionsverfahren unter Verwendung des oben beschriebenen Apparates wie folgt ablaufen. Am Anfang des Verfahrens sind alle Ventile geschlossen. Der Behälter 11 wird danach vorgewärmt, indem das Ventil 52 geöffnet wird, um Strömung von unter Druck stehendem Heißwasser durch die Drehsprühdüse 64 in den Behälter einzurichten. Wenn der Druck in dem Behälter gemäß Ablesung an der Druckmessvorrichtung 37 etwa gleich dem Heißwasser-Zuführdruck ist, wird das Ventil 25 hinter der Extrakt-Auslassleitung 23 geöffnet, um Strömung von Heißwasser zu dem Kühler 28 einzurichten, und danach wird das Ventil 52 geschlossen. Das Ventil 38 wird danach geöffnet, um unter Druck stehendes Gas über die Leitung 33 zu dem Behälter zuzuführen. Der Gasstrom wird aufrechterhalten, bis anscheinend keine Flüssigkeit mehr über die Leitung 29 aus dem Kühler 28 austritt. Das Ventil 25 hinter des Extrakt-Auslassleitung 23 wird offen gelassen.
Eine gewünschte Menge an trockenem Kaffee wird in den Behälter gegeben, indem die Ventile 18 und 20 an den Rohmaterialleitungen 17 und 19 geöffnet werden und indem Kaffe durch die Leitungen 17 und 19 in den Behälter eingeschüttet wird, bis der Behälter im Wesentlichen voll ist. Der trockene Kaffee kann danach setzen gelassen werden, indem das Ventil 71 geöffnet wird, um einen Gasstrom zu dem Silorüttler 70 zuzuführen oder alternativ dazu indem mit einem Gummihammer oder einem Holzhammer an den Behälter geklopft wird. Alternativ dazu kann der Kaffee ohne Bewegung des Behälters setzen gelassen werden, indem das Ventil 52 kurzzeitig geöffnet wird, um Heißwasser während der Zugabe von trockenem Kaffee in einem oder in mehreren Intervallen oder nach erfolgter Zugabe des Kaffees auf den Kaffee aufzubringen, um den Kaffee zu befeuchten und setzen zu lassen. Wenn dies gewünscht wird, kann nunmehr mehr Kaffee zugegeben werden, um den Behälter vollständiger zu füllen, bevor die Ventile 18 und 20 geschlossen werden. Das Ventil 47 wird danach teilweise geöffnet, um unter Druck stehendes Heißwasser über die Einlassleitung 46 für wässriges Lösungsmittel in den Behälter zuzuführen. Bei dem ersten Anzeichen von Extrakt-Austritt aus der Leitung 29 wird das Ventil 25 hinter der Extrakt-Auslassleitung 23 geschlossen, und der Behälter wird mit einer gewünschten Menge an Heißwasser gefüllt. Das Ventil 35 an der Entlüftungsleitung 36 wird an einem gewissen Punkt während des Einfüllens von Wasser in den Behälter wenigstens teilweise geöffnet, um Luft „abzulassen"; das Ventil 35 wird geschlossen, wenn beobachtet wird, dass Extrakt aus der Leitung 36 ausströmt. Das zu dem Kaffee zugegebene Volumen an Heißwasser ist vorzugsweise gleich oder größer als das Porenvolumen des Bettes von Kaffee, so dass der gesamte Kaffee benetzt wird. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Volumen im Wesentlichen gleich dem Porenvolumen, das in dem Bett vorliegt. Der Behälter wird danach entweder mit unter Druck stehendem Heißwasser durch Öffnen des Ventils 47 oder mit unter Druck stehendem Gas durch Öffnen des Ventils 38 auf einen gewünschten Druck (üblicherweise etwa 0,93 bis 1,0 MPa (120 bis 132 psig)) weiter unter Druck gesetzt, um den Druckbehandlungsschritt bei statischem Druck durchzuführen. Der Druck wird in dem Behälter ohne Strömung über einen gewünschten Zeitraum (üblicherweise etwa zehn Minuten) vorgehalten. Als nächstes wird das Ventil 25 hinter der Extrakt-Auslassleitung 23 steuerbar geöffnet, um eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit von Extrakt durch die Leitung 27 und den Kühler 28 und in den Auffangbehälter 30 einzuleiten. Für einige Ausführungsbeispiele kann das Ventil 47 während dieses Schrittes in Abhängigkeit von der gewünschten Stärke des Extraktes und dem Extraktionsgrad geöffnet werden und eine gemessene Menge an Heißwasser kann zu dem Behälter zugegeben werden, um den Kaffee in dem Behälter über den Durchlaufextraktions-Schritt weiter zu extrahieren. Während der Durchlaufextraktion kann der Druck in dem Behälter durch Einstellen des Ventils 25 an der Extrakt-Auslassleitung 23 und/oder des Ventils 47 an der Heißwasser-Einlassleitung 46 kontrolliert werden. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen zusätzliches Heißwasser nach dem Druckbehandlungsschritt zugegeben worden ist, nachdem die gewünschte Menge an zusätzlichem Lösungsmittelwasser während der Durchlaufextraktion zugeführt worden ist, wird das Ventil 47 geschlossen, um die Strömung von der Heißwasserversorgung zu unterbrechen. Das Ventil 38 wird danach geöffnet, so dass Druckgas über die Leitung 33 in den Behälter eintritt, um Restextrakt aus dem Porenvolumen des Bettes aus Kaffee auszuspülen. Das Ventil 47 wird geschlossen, wenn Gasströmung aus der Extrakt-Sammelleitung 29 beobachtet wird. An diesem Punkt ist die Extraktion abgeschlossen und der Behälter kann für eine nachfolgende Extraktion mit der gleichen Charge von Kaffee erneut genutzt werden, oder der verbrauchte Kaffee kann aus dem Behälter entfernt werden. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein möglichst starker Extrakt gewünscht wird, kann der Extrakt mit der Gasströmung unmittelbar nach dem Druckbehandlungsschritt aus dem Bett ausgespült werden, ohne dass zusätzliches heißes Lösungsmittelwasser für eine Durchlaufextraktion zugegeben wird.
Um den verbrauchten Satz aus dem Behälter zu entfernen, wird das Ventil 25 an der Extrakt-Auslassleitung 23 geschlossen und das Ventil 22 an der Abfallleitung 21 für verbrauchtes Material wird geöffnet. Das Ventil 26 wird danach geöffnet, um das Porensieb 58 mit unter Druck stehendem Wasser durch die Leitung 23 rückzuspülen; die Ventile 43 und 56 werden geöffnet, um Strömung unter Druck stehenden Wassers zu den tangentialen Spülleitungen 42 bzw. 44 zuzuführen, und das Ventil 51 oder 52 wird geöffnet, um unter Druck stehendes Kaltwasser oder Heißwasser über die Leitung 62 zu der Drehsprühdüse 64 zuzuführen. Nachdem beobachtet wird, dass die Strömung von aus der Abfallleitung 21 austretender Flüssigkeit klar und sauber ist, werden die Ventile, durch die unter Druck stehendes Wasser zu den verschiedenen Leitungen zum Ausspülen zugeführt wird, geschlossen; das Ventil 22 an der Abfallleitung 21 wird geschlossen, und das Verfahren ist abgeschlossen. Die Extrakt-Auslassleitung 27, der Kühler 28 und die Extrakt-Sammelleitung 29 können ebenfalls gespült werden, indem das Ventil 25 und danach das Ventil 26 geöffnet wird, um unter Druck stehendes Wasser von der Quelle 32 durch die Leitung 31, das Ventil 26, das T-Stück 24, das Ventil 25, die Leitung 27, den Kühler 28 und die Leitung 29 zu leiten.
Die Funktionsweise und Vorteile der Erfindung werden aus dem untenstehenden Beispiel besser verständlich werden. Das folgende Beispiel dient der Veranschaulichung des Betriebes der Erfindung, soll jedoch nicht den vollen Erfindungsbereich beispielhaft darstellen.
Beispiel
Der in Verbindung mit den 1 bis 4 beschriebene großtechnische Extraktor wurde verwendet, um Kaffeeextrakt unter Verwendung der in den vorstehenden Abschnitten beschriebenen Verfahren mit den unten angedeuteten Modifikationen herzustellen. Etwa 120,0 kg (265 englische Pfund ) einer Mischung aus Kaffeebohnen aus Costa Rica, Kolumbien und Sumatra, auf einen mitteldunklen Abgang geröstet, wurde unter Verwendung einer Kaffeemühle Bunn (HVG, Bunn-o-matic, Springfield, Illinois, USA) mit einer Einstellung von 4,0 gemahlen. Eine Rotap-Siebanalyse ergab eine Zurückhaltung von 80% in Tyler-Sieben 12, 16 und 18, wobei die verbleibenden 20% auf die Siebe 20, 30, 40, 45 und die Bodenschale verteilt waren.
Der Behälter wurde mit dem trockenen, gemahlenen Kaffee gefüllt, der ein Bett ausbildete, und das System wurde mit Heißwasser von einer Versorgung, die wie oben beschrieben auf 193 Grad F und 0,72 MPa (90 psig) aufrechterhalten wurde, benetzt. Danach wurde das Ventil 25 an der Extrakt-Auslassleitung 23 geschlossen, und etwa 151,4 Liter (40 Gallonen) des Heißwassers wurden über die Einlassleitung 46 zu dem Behälter zugegeben, was einen endgültigen Behälterdruck von etwa 0,72 MPa (90 psig) ergab. Der Behälter wurde sodann entlüftet, um überschüssige Luft wie bereits beschrieben auszutreiben, und danach mit Druckluft auf einen Druck von etwa 0,93 MPa (120 psig) beaufschlagt. Der Kaffee wurde bei diesem Druck ohne Strömung etwa zehn Minuten lang „druckbehandelt", zu welchem Zeitpunkt das Ventil 25 geöffnet war, um das Ausströmen von Extrakt aus dem Behälter durch einen Wärmeaustauscher aus Edelstahl (den Kühler 28), der betrieben wurde, um die Temperatur des austretenden Extraktes in etwa zwei Minuten von etwa 165 Grad auf etwa 55 Grad F zu senken, und in einen Sammelbehälter zu ermöglichen. Als der Druck in dem Behälter auf etwa 0,72 MPa (90 psig) fiel, wurde Heißwasserzuführung zu dem Behälter eingerichtet, indem das Ventil 47 an der Einlassleitung 46 für wässriges Lösungsmittel geöffnet wurde. Zusätzliche 340,7 Liter (90 Gallonen) an Heißwasser wurden danach durch das Bett aus Kaffee hindurchgeleitet, bevor das Ventil 47 geschlossen wurde. Als augenscheinlich kein Extrakt mehr aus dem Behälter floss, wurde Druckluft bei 0,93 MPa (120 psig) zu dem Behälter zugeführt, um Restextrakt aus dem Bett zum Auffangen auszuspülen. Die Gesamtausbeute an Extrakt aus den 120,5 kg (265 englischen Pfund) trockenen Kaffees betrug etwa 378,5 Liter (100 Gallonen).
Der Extrakt wurde nach Geschmack und Geruch als von außergewöhnlichem Wohlgeschmack und Wohlgeruch befunden, wobei ein klarer Kaffeegeschmack die sortenspezifischen Komponenten beibehielt und im Wesentlichen frei von saurem Fremd- oder Beigeschmack war. Der Extrakt hatte einen Brixgrad von etwa 8,0 (etwa 6,5% gelöste In haltsstoffe) und kann mit etwa 1,81 bis 2,27 kg (4 bis 5 englische Pfund) Wasser pro Pfund Extrakt auf die ursprüngliche Konzentration zurückgeführt werden, um ein Kaffeegetränk normaler Filterkaffeestärke, jedoch mit besserem Wohlgeschmack und Wohlgeruch, zu erhalten.

Claims

Verfahren zum Extrahieren eines verzehrbaren Materials aus einem festen Rohmaterial, das umfasst: (a) Ausbilden einer Menge an festem Rohmaterial in einem umschlossenen Volumen (75) eines Behälters (11); (b) Zuführen eines Volumens an wässrigem Lösungsmittel zu dem umschlossenen Volumen (75) und der Menge an festem Rohmaterial, um so eine Kombination aus dem Lösungsmittel und dem festen Rohmaterial auszubilden; (c) Ausüben von Druck auf das umschlossene Volumen (75) und die Kombination aus dem Lösungsmittel und der Menge an festem Rohmaterial auf einen ausgewählten und gesteuerten Druckpegel von mehr als ungefähr 3,44 × 10⁵ Pa; (d) Aufrechterhalten des Druckpegels über einen vorgegebenen Zeitraum unter Nicht-Flussbedingungen; und dadurch gekennzeichnet, dass: (e) das umschlossene Volumen sowie die Kombination aus dem Lösungsmittel und der Menge an festem Rohmaterial von dem Druckpegel auf normalen Druck gebracht werden, indem ein Auslassventil (25) an einer Auslassleitung (23) des umschlossenen Behälters geöffnet wird und ein Strom von wässrigem Extrakt aus dem Gefäß erzeugt wird, der wenigstens teilweise durch Druck in dem umschlossen Volumen (75) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material als ein Bett ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Richtung des Stroms von wässrigem Extrakt die gleiche ist wie die Richtung der Schwerkraft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das umschlossene Volumen in Schritt (a) in Bewegung versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in Schritt (b) das Volumen an Lösungsmittel einem Porenvolumen, das in dem Bett vorhanden ist, das aus dem festen Rohmaterial besteht, gleich ist oder größer ist als dieses.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Volumen an Lösungsmittel im Wesentlichen einem Porenvolumen, das in dem Bett vorhanden ist, das aus dem festen Rohmaterial besteht, gleich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (c) eine Quelle von unter Druck stehendem Wasser zur Druckerzeugung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (c) eine Quelle von unter Druck stehendem Gas zur Druckerzeugung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren nach dem Schritt des Druckablassens den Schritt des Erzeugens eines Stroms von Lösungsmittel durch die Menge an Material umfasst, wobei der Extrakt aufgefangen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, das des Weiteren als einen abschließenden Schritt des Unterbrechens des Stroms von Lösungsmittel durch die Menge an Material, nachdem ein ausgewähltes Gesamtvolumen des Lösungsmittels durch die Menge an Material hindurchgetreten ist, und des Erzeugens eines Stroms von Gas durch die Menge an Material umfasst, um Extrakt aus dem Material zu entfernen, wobei der Extrakt aufgefangen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Gas verdichtete Luft ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas ein inertes Gas ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Gas verdichteter Stickstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Gas bei einer Temperatur zugeführt wird, die Umgebungstemperatur nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei dem Bett während der Ausbildung des Extraktes nach Schritt (b) kein zusätzliches Volumen an wässrigem Lösungsmittel zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während Schritt (b) durch das Lösungsmittel verdrängte Luft über eine Entlüftungsleitung (36), die ein Ventil (35) daran enthält, an die Atmosphäre abgelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der ausgewählte und steuerbare Druck höher ist als ungefähr 9 × 10⁵ Pa.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der ausgewählte und steuerbare Druck höher ist als ungefähr 8,27 × 10⁵ Pa.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (b) das Lösungsmittel bei einem Druck über atmosphärischem Druck zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das feste Rohmaterial gerösteter Kaffee ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der geröstete Kaffee gemahlen ist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der geröstete Kaffee Kaffe in ganzen Bohnen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Lösungsmittel Wasser ist, das eine Temperatur hat, die Raumtemperatur übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Temperatur des Wassers zwischen ungefähr 88 und ungefähr 100 Grad Celsius beträgt.