JP3042847B2 - 超臨界流体を用いたコーヒーのカフェイン除去法 - Google Patents

超臨界流体を用いたコーヒーのカフェイン除去法

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JP3042847B2 JP01293768A JP29376889A JP3042847B2 JP 3042847 B2 JP3042847 B2 JP 3042847B2 JP 01293768 A JP01293768 A JP 01293768A JP 29376889 A JP29376889 A JP 29376889A JP 3042847 B2 JP3042847 B2 JP 3042847B2
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    • A23FCOFFEE; TEA; THEIR SUBSTITUTES; MANUFACTURE, PREPARATION, OR INFUSION THEREOF
    • A23F5/00Coffee; Coffee substitutes; Preparations thereof
    • A23F5/20Reducing or removing alkaloid content; Preparations produced thereby; Extracts or infusions thereof
    • A23F5/206Reducing or removing alkaloid content; Preparations produced thereby; Extracts or infusions thereof by extraction of the beans with selective solvents other than water or aqueous bean extracts, including supercritical gases

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、超臨界流体を用いてグリーンコーヒーから
カフェインを抽出する方法に関する。より詳細には、本
発明はグリーンコーヒーが入っている抽出容器の底部
(第一末端部)に実質的にカフェインを含有していない
超臨界流体を連続的に供給し、その抽出容器の頂部(第
二末端部)からカフェインを含んだ超臨界流体を取り出
す工程を含む。カフェインを除去した湿潤グリーンコー
ヒーの一部は定期的に抽出容器から取り出し、それと実
質的に同時にカフェインを除去していないグリーンコー
ヒーを新たに入れる。また、抽出容器の第二末端部から
取り出した超臨界流体は吸収器に導き、そこで水を向流
に流すことによって超臨界流体中に含まれている実質的
にすべてのカフェインを除去する。吸収器からでてきた
水に含まれているカフェインは逆浸透することによっ
て、濃厚なカフェイン溶液と、非カフェイン固形分を溶
解しており実質的にカフェインを含有していない溶液に
する。本発明のカフェイン除去法によれば、従来のバッ
チを用いたカフェイン除去法によるよりも、質の良い脱
カフェインコーヒーを効率良く製造することができる。

(先行技術) コーヒーからカフェインを除去する方法として様々な
技術が知られている。その中でも最も一般的なのは、ま
ずコーヒー豆を水で湿らせておいて、有機溶媒またはカ
フェインの少ないグリーンコーヒー可溶化物の溶液でカ
フェインを抽出し、次いでその溶液中にとりこまれたカ
フェインを別の溶媒と接触させることによって除去する
方法である。コーヒー豆からカフェインを抽出する際に
上記のいずれの溶媒を使用したとしても、少なくとも溶
媒の一部はグリーンコーヒーと接触するが普通である。
従って、グリーンコーヒーには微量の溶媒が残存してし
まう。カフェイン抽出溶媒として最も有用なのはハロゲ
ン化炭化水素であるが、いかなる微量の溶媒もコーヒー
中に残存させないようにするためにかかる溶媒は使用し
ないようにするのが望ましくなってきている。

これらの方法よりも望ましいが費用がかかる方法とし
て、超臨界流体を使用してグリーンコーヒーからカフェ
インを除去する方法がある。超臨界流体として好ましい
のは、超臨界二酸化炭素である。ゾセル(Zosel)の米
国特許第4,260,639号には、カフェインを除去するため
にグリーンコーヒーを水で湿らせた超臨界二酸化炭素と
接触させることが記載されている。また、ゾセル(Zose
l)の米国特許第3,806,619号には、4時間ごとに新しい
水に交換している水溜めにカフェインを含んだ二酸化炭
素をバブルさせることによって、二酸化炭素からカフェ
インを除去してもよいことが記載されている。しかし、
このようなカフェイン回収系は、水を4時間ごとに交換
しなければならないために連続操作ができないという欠
点がありかなり非効率的である。しかも、コーヒー豆か
らはカフェインしか取り出されない。さらに、ゾセル
(Zosel)の米国特許第4,247,570号には、コーヒーと超
臨界流体とを接触させる前に、グリーンコーヒーをカフ
ェイン吸収剤と混合しておく方法が記載されている。こ
の方法によれば、超臨界流体に抽出されたカフェインは
吸収剤に吸収されるため、超臨界流体からカフェインを
除去する工程をさらに別個に設ける必要がない。しか
し、この方法もまたバッチを用いた方法であるため、連
続操作をする場合と比べると効率が悪いという欠点があ
る。また、系のパージや固形吸収剤中への吸着によって
カフェイン以外の固形分がロスするため、グリーンコー
ヒーを焙妙したかおりに悪影響がでる。

(発明が解決しようとする課題) 本発明は、従来法よりも操作が連続しており、超臨界
流体を用いてグリーンコーヒーのカフェインを除去し、
カフェイン以外の固形分をグリーンコーヒーへ回収する
方法を提供することを目的とする。

また、本発明はカフェインの除去に伴う、カフェイン
以外の固形分のロスを抑え、グリーンコーヒーの系内滞
留時間を実質的に短縮することによって、質の高い脱カ
フェインコーヒーを製造することをも目的とする。

(課題を解決するための手段) 本発明の目的は、グリーンコーヒーが入っている抽出
容器の末端部に本質的にカフェインを含有していない超
臨界流体を連続的に供給し、その抽出容器の反対側の末
端部からカフェインを含んだ超臨界流体を取り出すこと
からなる方法によって達成されることが判明した。抽出
容器中のグリーンコーヒーの一部は底端(末端部)から
定期的に取り出され、同時に反対側の頂端(末端部)か
らカフェインを除去していないグリーンコーヒーが供給
される。カフェインを本質的に含有していない超臨界流
体はグリーンコーヒーを取り出すほうの末端部から供給
される。そして、カフェインを含んだ超臨界流体は、極
性液体を向流に流す吸収器に導かれる。吸収器におい
て、カフェインは超臨界流体から極性液体へと移動す
る。その後、実質的にカフェインを含有しなくなった超
臨界流体は再び抽出容器に導かれて使用される。カフェ
インに富んだ超臨界流体は逆浸透系へ導かれ、濃縮され
たカフェインの98重量%が回収される。酸性で本質的に
カフェインを含有していない溶液は吸収器またはグリー
ンコーヒーにリサイクルされる。

本発明では、超臨界流体を用いてグリーンコーヒーか
らカフェインを除去する。超臨界流体は、臨界温度およ
び臨界圧力を越える温度、圧力下に維持された流体をい
う。超臨界流体は、周囲環境では気体であるのが普通で
ある。本発明では、二酸化炭素、窒素、亜酸化窒素、メ
タン、エチレン、プロパンおよびプロピレン等の超臨界
流体を使用するのが適している。その中でも特に、臨界
温度31℃、臨界圧力72.8気圧の二酸化炭素を使用するの
が好ましい。二酸化炭素は、爆発性がなく食品加工用と
して極めて安全でありかつ安価で大量に入手しうるもの
である。これらの超臨界流体は、単独で使用しても二種
以上を組み合わせて使用してもよい。

また、いわゆる増強剤(enhancer)を超臨界流体に加
えて溶媒特性をさらによくしてもよい。もっとも有用な
増強剤は低沸点から中沸点のアルコールおよびエステル
であり、メタノール、エタノール、酢酸エチル等が典型
的なものとして挙げられる。本質的にカフェインを含有
しない超臨界流体に加える増強剤の量は、約0.1〜20.0
重量%の範囲内であってもよい。本発明で使用する増強
剤は、ここで開示する条件下で超臨界流体とならない物
質であるのが典型的であり、また本発明で使用する超臨
界流体に溶解してその溶媒特性をさらに良くすることだ
けを作用とするものである。

本発明の一実施態様では、実質的にカフェインを含有
しない超臨界流体を抽出容器に供給する前に増強剤と混
合する。また、別の実施態様では、実質的にカフェイン
を含有しない超臨界流体をあらかじめ増強剤と混合する
ことなく抽出容器に供給し、これがカラムの全長の1/4
〜1/3に進行したところで増強剤の供給をして両者を混
合する方法もある。その後、グリーンコーヒーに残存し
ている増強剤を除去するために、増強剤を含有していな
い超臨界流体でグリーンコーヒーを洗浄する。

本発明では抽出容器として、グリーンコーヒーと超臨
界流体との接触を効率よく行うことができ、超臨界流体
の存在に必要な電圧力条件に耐え得るものを使用する。
抽出容器として好ましいのは、直径の4〜10倍の長さを
有しており、超臨界流体が通過するグリーンコーヒーが
層状に維持されている縦長のカラムである。本発明で用
いる抽出容器、とりわけ縦長の抽出容器は、容器内のグ
リーンコーヒーの移動を重力を利用して行うために鉛直
に立てて使用するのがもっとも典型的である。

超臨界流体によるカフェインの抽出を向流で行うた
め、カフェインを除去したグリーンコーヒーを取り出す
抽出容器末端部と同じ末端部から本質的にカフェインを
含有しない超臨界流体を供給し、また、カフェイン除去
前のグリーンコーヒーを入れる抽出容器末端部と同じ末
端部からカフェインを含んだ超臨界流体を取り出す。鉛
直に立てた縦長抽出容器を使用する場合は、カラム内で
グリーンコーヒーを移動させるのに重力を利用するため
に、カフェインを除去したグリーンコーヒーを抽出容器
の底から取り出すのが好ましい。抽出容器内のグリーン
コーヒーは、グリーンコーヒーの一部を定期的に出し入
れする際に移動する。カフェインを除去したグリーンコ
ーヒーの一部を定期的に抽出容器から取り出すと、グリ
ーンコーヒーの層自体の重さで層全体が下に移動し、同
時に抽出容器の頂部にできる空間にカフェイン除去前の
グリーンコーヒーが入れられる。すなわち、カフェイン
を除去したグリーンコーヒーを取り出すとともに、残り
のグリーンコーヒーの層がカラムの下方に移動するので
ある。もちろん、カラムを鉛直に立てて使用しカフェイ
ンを除去したグリーンコーヒーを底からとりださなくて
はならないことはない。しかし、特にグリーンコーヒー
の一部を出し入れする時等にもっとも便利なのでカラム
は鉛直に立てて使用するのが好ましい。

本発明は高圧条件下で行うため、一般にブローケース
として知られている中圧容器を使用するとグリーンコー
ヒーの定期的な出し入れがもっとも楽に行える。ブロー
ケースは、定期的に出し入れするグリーンコーヒーの体
積とほぼ等しい体積を有する比較的小さな圧力容器であ
る。ブローケースの両端は弁になっており、その弁は玉
弁であるのが典型的である。ブローケースは、抽出容器
の上下に各々ひとつずつ接続する。各々のブローケース
には二つの弁があり、そのうちの一つで抽出容器に接続
している。定期的にグリーンコーヒーを出し入れする前
に、上のブローケース(鉛直に立てた抽出容器を使用し
た場合)には所望の体積のグリーンコーヒーを満たして
弁をしめておく。抽出容器内と同一の圧力にするため
に、ブローケースの空いている空間は超臨界流体で満た
しておく。また、下のブローケースは超臨界流体で圧力
をかけておく。そして、定期的な出し入れを行う時に、
上のブローケースと抽出容器とをつないでいる弁と、抽
出容器と下にある圧力をかけたブローケースとをつない
でいる弁をあける。グリーンコーヒー豆の出し入れが終
わったところで、両方の弁を閉じる。上のブローケース
には少量の超臨界流体が残っているが実質的には空であ
る。また下のブローケースにはカフェインを除去したコ
ーヒーと超臨界流体がいくらか入っている。下のブロー
ケースに入っている貴重な超臨界流体を大切に使用する
ために、ブローケースからグリーンコーヒーを出す前に
超臨界流体を保持容器または上のブローケースに送って
もよい。または、圧力容器用として知られている回転錠
を使用して、よりスムーズで簡単な操作を行えるように
してもよい。しかしながら、かかる回転錠は機構が比較
的複雑であり、コスト高であるとともに維持も一般に大
変である。

カフェインを除去したグリーンコーヒーの一部を取り
出し、カフェインを除去していないグリーンコーヒーを
入れる操作は、一定の時間ごとに行う。その時間は以下
に記載する点を考慮して決定する。定期的に取り出すカ
フェインを除去したグリーンコーヒーの量は、抽出容器
内に入っているグリーンコーヒーの体積の5〜33%の範
囲内とするのが最も好ましい。定期的に抽出容器に入れ
るカフェイン除去前のグリーンコーヒーの量もこれと同
様にして測る。そして、取り出すカフェインを除去した
グリーンコーヒー豆とほぼ同じ高さのグリーンコーヒー
を同時に抽出容器に入れる。カフェインを除去していな
いグリーンコーヒーは、カフェインを除去したグリーン
コーヒーを取り出した末端部と反対側の末端部から入れ
る。縦長の鉛直容器の場合には、通常頂部から入れる。
例えば、グリーンコーヒー層の15体積%を取り出したと
きには、これと同体積である15体積%のカフェイン除去
前のグリーンコーヒー豆を入れる。

具体的な操作条件は使用する系の構成によって変わる
ことは明らかであるが、本発明ではグリーンコーヒーか
ら十分にカフェインを除去しつつ生産性を最大限に高め
るように操作するのがもっとも好ましい。具体的には、
最初に含まれていたカフェインの97重量%以上を抽出す
るのが通常は望ましい。操作条件の中でより重量なの
は、超臨界流体とグリーンコーヒーとの重量比とグリー
ンコーヒーを定期的に出し入れする頻度である。超臨界
流体とグリーンコーヒーとの最適重量比は、二つの競合
する目的を考慮しつつ決定しなくてはならない。操作の
費用を安くあげるためには、超臨界流体の使用量をでき
るだけ少なくするのが好ましいことは言うまでもない。
しかし、超臨界流体の使用量が十分でないと生産性を減
ずることとなり、さらに脱カフェインが十分になされな
いうちに超臨界流体がカフェインで飽和状態になってし
まうため全工程の効率が悪くなってしまう。重量比は抽
出容器中のグリーンコーヒー1kgあたり超臨界流体を30
〜100kgとするのがもっとも好ましいことが明らかにな
っている。

グリーンコーヒーの出し入れの頻度もまた、カフェイ
ンの除去効率に影響を及ぼす重要な条件である。生産性
を高めることも望ましいが、グリーンコーヒーから所望
量のカフェインを除去するのもまた重要である。従っ
て、グリーンコーヒーの出し入れの頻度は、これらの二
つの目的を調和させるようにして決定しなくてはならな
い。もっとも好ましい頻度は使用する系により変わるも
のではあるが、カフェインを除去したグリーンコーヒー
は約10〜120分ごとに取り出すのが便利であることが明
らかになっている。また、カフェインを除去していない
グリーンコーヒーは、カフェインを除去したグリーンコ
ーヒーを取り出すのと同時に抽出容器に入れるのがもっ
とも好ましいことから、同様に約10〜120分ごとに抽出
容器に入れる。抽出容器内のグリーンコーヒーの総保持
時間は、定期的に行うグリーンコーヒーの出し入れの頻
度および一回の出し入れの量によって決まる。例えば、
縦長のカラムの体積の15%のグリーンコーヒーを54分ご
とに出し入れするときの総保持時間は6時間となる。上
記の制約があるため、縦長の抽出容器内のグリーンコー
ヒーの総保持時間は約2〜13時間の範囲内となる。

また、抽出容器内で超臨界流体を扱うため、温度と圧
力は臨界点より高くなくてはならない。従って本発明で
は、抽出容器内の温度と圧力もまた重要な条件である。
温度と圧力には上限はないが、グリーンコーヒーが劣化
するような高温や、抽出容器に高価な付属品を付けなく
てはならない程の高圧にはすべきではない。高温に対す
る耐性はグリーンコーヒーの種類によって様々である
が、一般にグリーンコーヒーは温度の影響を受け安い。
例えば、約100℃を越えるとある種のグリーンコーヒー
はその風味を損ねることがある。しかし、グリーンコー
ヒーからカフェインを除去する速度を速めるためには高
温にするのがよいため、臨界温度で超臨界流体を抽出容
器に供給するのは好ましくない。抽出容器内の温度は、
グリーンコーヒーの温度に対する耐性に応じて約70〜14
0℃に維持するのが好ましい。その中でも約80〜140℃に
維持するのがより好ましい。アラビカコーヒーの場合は
約80〜100℃にし、ロブスタコーヒーの場合は100〜120
℃にするのが好ましい。抽出容器内の圧力は、超臨界流
体を取り扱うことができるように臨界圧力以上に維持し
なくてはならない。圧力を上げれば超臨界流体の溶媒特
性は良くなることが知られている。しかし、圧力が一般
に400気圧程度になると、溶媒特性は良くなっても、そ
のような圧力に耐え得るようにするために必要なコスト
を埋め合わせることができなくなる。

カフェインの除去を容易にするために系に水分を導入
するのが好ましいことがある。抽出容器に入れる前に、
カフェインを除去していないグリーンコーヒーをあらか
じめ湿らせて、グリーンコーヒーに含まれているカフェ
インを溶解させておき後の抽出を容易にしてもよい。グ
リーンコーヒーは、約25〜50重量%の水分で湿らせるの
が典型的である。また、本質的にカフェインを含有して
いない超臨界流体を、抽出容器に入れる前に水で飽和さ
せておいてもよい。超臨界流体は通常約1〜3重量%の
水分で飽和する。このようにして水分を系に入れること
によってカフェインの除去効率を高めることができる。

本発明に従って超臨界流体を向流に流すことによって
カフェインの抽出効率は高まり、従来の方法によるより
も質の高い脱カフェインコーヒーを提供することができ
ることがわかっている。超臨界流体とカフェインを含有
するグリーンコーヒーとの接触によって、両者の間でカ
フェインが分配する。その分配の比は、系の構成によっ
て変化しない。カフェインはなるべく多く超臨界流体に
移動するのが好ましいことは言うまでもない。しかし、
かかる分配は、カフェインの超臨界流体への溶解度とグ
リーンコーヒーへの溶解度との比によって決する。分配
係数は一定の条件下で実験的に測定した測定値から計算
すればよい。具体的には、平衡状態における超臨界流体
中のカフェイン濃度をグリーンコーヒー中のカフェイン
濃度で割ることによって計算される。通常分配係数に影
響を与える条件には、温度、圧力およびグリーンコーヒ
ー中の水分量等がある。例えば、カフェイン抽出用に使
用する超臨界流体二酸化炭素の分配係数は約85℃、約25
0気圧、グリーンコーヒーの水分量約35〜40重量%の条
件下では0.026と計算される。

本発明の連続向流系は従来の回分系に比べてかなり利
点が多いことが明らかになっている。これは、連続向流
系では抽出容器中ですでにグリーンコーヒーと接触して
カフェインを含んでいる超臨界流体が、その抽出容器を
出る直前にカフェイン除去前の新しいグリーンコーヒー
と接触するようになっていることに起因している。天然
のグリーンコーヒー豆に存在するカフェイン量はコーヒ
ーの種類によって異なる。例えば、ロバスタコーヒーで
は約2.0重量%であり、コロンビアコーヒーでは約1.1重
量%であるのが普通である。超臨界流体は抽出容器を出
る直前に新しいグリーンコーヒーと接触するために、超
臨界流体のカフェイン濃度は使用する超臨界流体の分配
係数に応じて漸近的かほぼ漸近的に増大する。向流操作
を経て抽出容器から出て来る超臨界流体のカフェイン濃
度は得られうるカフェインの最大濃度の40重量%以上、
好ましくは50重量%以上である。ロブスタコーヒーの脱
カフェインを行うときは70%重量%以上が好ましい。こ
こで、得られうるカフェインの最大濃度は、分配係数と
カフェインを除去しようとするグリーンコーヒーに元来
含まれているカフェインの量によって決まるものであ
る。このように向流系によれば超臨界流体中のカフェイ
ン濃度が極めて高くなるため、カフェインの除去効率が
よくなるという望ましい効果がある。また、超臨界流体
からカフェインを有用な副次物質として効率よく回収す
ることもできる。

一方回分系では、系中のグリーンコーヒーからカフェ
イン分配してくることになるので、得られうるるカフェ
インの最大濃度はかなり低くなる。従って、本発明の向
流抽出系と同程度のカフェイン除去を行うためには、向
流系よりもかなり多量の超臨界流体を使用しなくてはな
らない。例えば、超臨界二酸化炭素によってグリーンコ
ーヒー豆のカフェインを97重量%除去するためには、向
流系の約5〜8倍の二酸化炭素が必要である。さらに、
マイルドコーヒーを有する本発明の向流抽出系を出てく
る超臨界二酸化炭素中のカフェイン濃度は1900ppm代で
あるのに対し、回分系の場合は約35ppmである。また、
ロブスタコーヒーの場合、抽出系から出てくる超臨界流
体のカフェイン濃度は440ppmであるのに対し、回分系で
は60ppmである。本発明の向流抽出によってカフェイン
濃度を高くすることができれば、超臨界流体のカフェイ
ン回収効率を良くすることもできるので、超臨界流体中
のカフェイン濃度を高めることは特に重要である。

本発明の技術分野では、いくつかのカフェイン除去技
術が知られている。例えば、カフェインを含んだ超臨界
流体を活性炭層のような吸着層に通してカフェインを吸
着させる方法がある。また、超臨界流体の圧力を下げて
カフェインおよび任意に使用される増強剤を析出させる
方法もある。しかし、超臨界流体はカフェインだけを選
択的に抽出するのではなく、カフェイン以外の固形分を
も抽出してしまうのが普通である。例えば、超臨界二酸
化炭素はカフェインとカフェイン以外の固形分を重量比
で約1.5:1〜3:1で抽出する。従って、グリーンコーヒー
中のカフェインを超臨界二酸化炭素で抽出するときにカ
フェイン濃度を220ppmに高めようとすれば、カフェイン
以外の固形分の濃度も約300〜660ppmとなってしまう。
上記のいわゆる吸着法および減圧法では、カフェインだ
けを選択的に回収することはできないことがわかってい
る。即ち、コーヒーの風味成分として重要なカフェイン
以外の固形分も、超臨界流体からカフェインを回収する
際に同時に失われてしまうのである。

本発明では、カフェイン抽出容器から出て来るカフェ
インを含んだ超臨界流体を、続けて向流吸収器に導く。
この本発明に係る連続向流吸収器を従来法において使用
するのは実際的でなくかつ経済的でもない。それは、従
来法の回分抽出系から出てくる超臨界流体中のカフェイ
ン濃度が低いからである。本発明に係る向流吸収器は単
に効率が良くて経済的であるだけではなく、吸収器中で
極性流体を使用すれば超臨界流体中のカフェインだけを
選択的にとりだしカフェイン以外の固形分はそのまま超
臨界流体中に残すこともできる。このため、本質的にカ
フェインを含有しない状態で吸収器からでてくる超臨界
流体中には、その超臨界流体が吸収器に入るときに含有
している量とほぼ同量の、カフェイン以外の固形分を含
有している。従って、この超臨界流体をカフェイン抽出
容器に再び供給して再利用すれば、グリーンコーヒーか
らカフェイン以外の固形分をほとんど抽出しないで、カ
フェインだけを抽出しうることになる。このため、超臨
界流体を再利用すれば、かおりの優れた脱カフェインコ
ーヒーを製造することができる。また、かかる本発明の
方法によれば、一般にカフェイン以外の固形分のロスに
伴う収率のロスも防ぐことができる。

本発明による液体吸収器は超臨界状態で作動させる。
通常、温度と圧力はカフェイン抽出容器内の温度と圧力
に等しいかまたはほぼ等しくする。上述したように、超
臨界温度および圧力は使用する流体の種類によって極め
て大きく左右される。吸収器の形は、当業者の有する通
常の技術範囲内のものでよいと考えられる。また、当業
者が通常用いるパッキンのいずれかを吸収器に使用する
のが普通である。一般に、超臨界流体と接触させる極性
流体の重量と超臨界流体の重量との比は、約5:1〜25:1
とするが、その中でも約10:1〜20:1にするのが典型的で
ある。あるいは、向流吸収器は、本明細書の一部として
引用する「臨界二酸化炭素からのカフェインの回収」と
題する1988年8月5日に同時出願された米国特許出願番
号07/229,369号に記載される、臨界二酸化炭素および水
用ディストリビューターを備えた空のカラムであっても
よい。本発明の連続向流吸収器に使用するのに適した極
性流体は水である。本発明で使用する極性流体は、超臨
界流体中のカフェインを90重量%以上、好ましくは95重
量%以上除去するものであるのが望ましい。

超臨界二酸化炭素によってコーヒーからカフェインを
抽出した後、カフェインと酸性の非カフェイン固形分を
回収する。その後、吸収器内で向流に洗浄水を流すこと
によって、二酸化炭素からカフェインを除去する。吸収
器から排出されるカフェインを含んだ洗浄水は、ここに
本明細書の一部として引用する1988年8月5日に同時出
願された米国特許出願番号07/229,373号の「逆浸透透過
物のリサイクルを含むコーヒーの脱カフェイン法」に記
載される方法で処理され、酸性の非カフェイン固形分を
含み、実質的にカフェインを含まない溶液とする。本発
明の一実施態様においては、該溶液の少なくとも一部は
吸収器にリサイクルされ、洗浄水の一部として利用す
る。また、別の実施態様においては、該溶液の少なくと
も一部は二酸化炭素との脱カフェインに先立ちコーヒー
を水和するのに使用する。酸性の非カフェイン固形分を
溶解している溶液をこのように使用することによって、
コーヒーの脱カフェイン速度やコーヒーの水和速度を速
めることができる。処理するコーヒーが未加工のコーヒ
ーを含む場合は、酸性の非カフェイン固形分を含む溶液
の一部は、吸収器へリサイクルしたり、コーヒーを水和
するのに使用したりすることができる。いずれの場合に
も、非カフェイン固形分をリサイクルすることによっ
て、収率を高め、かおりに代表されるコーヒーの質を高
めることができる。

未加工のコーヒーとしてのグリーンコーヒーは、脱カ
フェイン前に、蒸煮やソーキング等の当業者に周知の方
法によって水分量25〜50重量%、好ましくは約30〜45重
量%に水和される。例えば、グリーンコーヒーは約100
℃で2時間まで蒸煮、ソーキングしてもよい。また、実
質的にカフェインを含まない逆浸透後の溶液を、未加工
のコーヒーの水和に使用してもよい。水道水でなくこの
ような溶液を使用することによって、コーヒーの水和速
度を約5〜15%速め、脱コーヒー速度を約10〜20%速め
ることができる。

本発明をさらに図面を参照しながら説明する。第1図
は、カフェイン抽出容器の好ましい実施態様を示したも
のである。定常状態では、抽出容器5はグリーンコーヒ
ー豆の層で充填されている。実質的にカフェインを含有
しない超臨界流体を抽出容器の第一末端部6から供給
し、抽出してカフェインを含有した後に第二末端部4か
ら取り出す。グリーンコーヒーは定期的にバルブ1を通
してブローケース2に入れる。ブローケース2から抽出
容器の第二末端部4を通してグリーンコーヒーを入れ、
それとともに抽出容器の第一末端部6を通してブローケ
ース8に実質的にカフェインを除去したグリーンコーヒ
ーの一部を取り出すために、断続的にバルブ3およびバ
ルブ7を同時に開く。その後、バルブ3およびバルブ7
を閉じ、バルブ9を開いてブローケース8から実質的に
カフェインが除去されたグリーンコーヒーを取り出す。
さらに新たなグリーンコーヒーをバルブ1を通してブロ
ーケース2に入れ、上記の工程を繰り返す。

第2図は、本発明のカフェイン除去系を図示したもの
である。グリーンコーヒーを12から抽出容器10に入れ、
カフェインを除去した後14から取り出す。本質的にカフ
ェインを含有しない超臨界流体を16の流れに従ってグリ
ーンコーヒーと向流に流し、カフェインを抽出して含有
した後に18に従って流す。このカフェインを含有した超
臨界流体は18を通って水吸収器20に導かれ、本質的にカ
フェインを含有しない超臨界流体にして再び16に流す。
水は、水吸収器中に22を通して入れ、超臨界流体と向流
に流してカフェインを含ませた後、24を通して出す。

第3図は、本発明の好ましい脱カフェイン系の略図で
ある。グリーンコーヒー(30)は、まずモイスチュライ
ザー(32)に供給される。そこで、カフェインを実質的
に含有せず酸性の非カフェイン固形分を含んでいる回収
溶液(36)および/または新しい水(34)が、あたたか
いグリーンコーヒーに加えられ、グリーンコーヒーの水
分量が25〜50重量%、好ましくは30〜45重量%にされ
る。所望により回収溶液と新しい水の両方をモイスチュ
ライザーに供給してもよい。たいていの場合は、新しい
水の一部をグリーンコーヒーと吸収器(56)のいずれか
に加えるか、または両方に加えなくてはならない。水分
を含ませたグリーンコーヒーは、モイスチュライザー
(32)からバルブ(38)を通してブローケース(40)に
導き、さらに圧力をかけてバルブ(42)を通して抽出器
(44)に供給する。そこで、約97重量%抽出されたコー
ヒーがバルブ(46)を通して圧力をかけたブローケース
(48)に導かれ、さらに、バルブ(50)を経た後、加工
されて脱カフェインコーヒーとなる。

抽出器(44)内のグリーンコーヒーに対して向流に、
実質的にカフェインを含有していない超臨界二酸化炭素
(52)を供給し、カフェインを含んだ超臨界二酸化炭素
(54)として排出する。排出した超臨界二酸化炭素はデ
ィストリビューター(55)を通して空の水吸収器(パッ
キング、プレート等を備えていない)(56)に供給さ
れ、実質的にカフェインを含まない超臨界二酸化炭素
(52)として排出され、排出器(44)にリサイクルされ
る。

新しい水および/または逆浸透でリサイクルされた水
を、ディストリビューター(62)を通して吸収器(56)
の超臨界二酸化炭素と向流に流す。除去されたカフェイ
ンはライン(64)を通して貯蔵タンク(66)に導かれ、
さらに、連続的にまた平行に設置された1以上の逆浸透
系(68)に供給される。そこで、貯蔵タンク(66)から
供給されたカフェインを含んだ水を、5〜100倍、好ま
しくは10〜50倍に濃縮して、1〜15重量%の比較的純粋
なカフェイン溶液(70)とする。この溶液は、さらに再
結晶等の公知の方法によって純粋なカフェインに加工さ
れる。逆浸透系(68)から排出される透過液(72)は、
酸性の非カフェイン固形分に富み、実質的にカフェイン
を含まないものである(0.010重量%以下)。この溶液
は、ライン(60)を通して吸収器(56)に供給される
か、モイスチュライザーかグリーンコーヒーに供給され
るか(36)、または両方に供給される。

実施例1 高さが直径の5倍ある縦長の圧力容器にあらかじめ水
分量約30〜40重量%に湿らせてある100%コロンビアコ
ーヒーを充填した。圧力容器に入れたグリーンコーヒー
は約120ポンドであった。圧力約250atm、温度約130℃の
条件下で本質的にカフェインを含有していない超臨界二
酸化炭素を圧力容器の底から連続的に供給した。この二
酸化炭素を圧力容器の頂部に向って流し、グリーンコー
ヒーからカフェインおよびカフェイン以外の固形分を抽
出した。そして、カフェインおよびカフェイン以外の固
形分を含有した超臨界二酸化炭素を圧力容器の頂部から
連続的に取り出した。19分ごとにコーヒー層の約10重量
%を圧力容器の下にあるブローケースに出し、同時にこ
れと同量のあらかじめ湿らせてあるコロンビアコーヒー
を圧力容器の頂部に取り付けたブローケースから圧力容
器に入れた。圧力容器中のグリーンコーヒーの総滞留時
間は約3時間であった。超臨界二酸化炭素はコーヒー1k
gあたり約50kgとした。

上記の操作条件での超臨界二酸化炭素とグリーンコー
ヒーとの分配係数を測定したところ約0.026であった。
コロンビアコーヒーのカフェイン平均含有量は、乾燥状
態で約1.22重量%であり天然の状態では約1.08重量%で
ある。従って、超臨界二酸化炭素中の得られ得る最大濃
度は約280ppmである。本実施例で圧力容器の頂部から出
て来るカフェインを含んだ超臨界二酸化炭素のカフェイ
ン濃度は約200ppmであり、これは得られ得る最大カフェ
イン濃度の約71重量%であった。このカフェインを含ん
だ超臨界二酸化炭素はまた、カフェイン以外の固形分を
も約350ppm含んでいた。圧力容器の下にあるブローケー
スから出て来たコーヒーを分析したところ、当初のコー
ヒーに含まれていたカフェインの97重量%以上が除去さ
れていることが明らかになった。

実施例2 実施例1で得られたカフェインを含んだ超臨界二酸化
炭素を、直径4.3インチ、充填高40フィートの吸収器に
底から連続的に供給した。超臨界二酸化炭素は1時間あ
たり1350lbsとなる速度で供給した。水は吸収器の頂部
から1時間あたり110〜120lbsで供給した。吸収器の圧
力は約250atmとし、温度は約130℃とした。下記の表
は、水がカフェインだけを極めて選択的に除去している
ことを示している(カフェインの純度は約88重量%、水
からミネラルを引けば93.5重量%)。

a)水の硬度に起因するカフェイン以外の固形分を171p
pm含有する。

吸収器から出て来た本質的にカフェインを含有しない
超臨界二酸化炭素は実施例1の抽出容器に導いて再利用
した。このカフェイン以外の固形分を含有するが本質的
にカフェインを含有しない超臨界二酸化炭素を用いてカ
フェインを除去したグリーンコーヒーを使ってコーヒー
をいれた(試料A)。また、本質的にカフェインもカフ
ェイン以外の固形分も含有しない超臨界二酸化炭素を用
いてカフェインを除去した対照用グリーンコーヒー豆も
使ってコーヒーをいれた(試料B)。試料Bの超臨界二
酸化炭素は、実施例1で得られたカフェインを含有した
超臨界二酸化炭素をあらかじめ活性炭に通して、その中
に含まれているカフェインおよびカフェイン以外の固形
分を活性炭に吸着させて取り除いてある。熟練したコー
ヒー試験官は、試料Aは試料Bに比べてかおりの質が高
いと判断した。これは、再利用した二酸化炭素中にカフ
ェイン以外の固形分が含まれているからであり、これが
グリーンコーヒーのカフェイン除去の際に価値の高いか
おりの成分がロスするのを防いでいるのである。

実施例3 グリーンコロンビアコーヒーを撹拌ミキサー中で100
℃の蒸気と約2時間接触させることによって、水分量を
41.1%とした。このグリーンコーヒーを、内径4インチ
高さ30フィートの抽出器に供給した。抽出器への供給
は、まず36分ごとに0.2立方フィートのグリーンコーヒ
ーをブローケースに供給し、このブローケースを系の圧
力まで加圧して、供給するのと同量の脱カフェインした
コーヒーを加圧した下方のブローケースに排出しながら
抽出器に供給した。ブローケースの大きさは抽出器内の
コーヒーの滞留時間が6時間となる大きさとした。

カフェインを296.7バール101.2℃で7.1ppm含んだ超臨
界二酸化炭素を、流速1959lb/hrで抽出器の底から向流
に流し、頂部から排出した。排出した超臨界二酸化炭素
のカフェイン濃度は69.3ppmであった。このカフェイン
に富んだ二酸化炭素を、内径4インチ高さ40フィートの
空の吸収器(パッキングもプレートも備えていない)の
頂部から同圧同温で水道水に対して向流に供給した。こ
れによって、二酸化炭素内の89.8重量%のカフェインが
除去された。カフェイン除去後の二酸化炭素は再び抽出
器に導いた。この工程によって脱カフェインされたコー
ヒーの脱カフェイン量は6時間で95.06重量%であり、
これより脱カフェイン速度は0.501hr-1と算出された
(1次反応と仮定した)。

実施例4 上記と同様にして、撹拌したミキサー内で他のコロン
ビアグリーンコーヒー(上記と同一ロット)の水分量を
41.6重量%とし、これを36分ごとに抽出器へ供給し、抽
出器内の滞留時間を6時間とした。

カフェインを297.5バール99.9℃で6.7ppm含んだ超臨
界二酸化炭素を、流速1960lb/hrで抽出器の底から向流
に流し、頂部から排出した。排出した超臨界二酸化炭素
のカフェイン濃度は78.4ppmであった。このカフェイン
に富んだ二酸化炭素を、抽出器内と同圧同温で酸性逆浸
透溶液に対して向流に接触させた。これによって、二酸
化炭素内の91.4重量%のカフェインが除去された。カフ
ェイン除去後の二酸化炭素は再び抽出器に導いた。逆浸
透溶液は下記の方法で得た。

吸収器から排出されたカフェインに富んだ水を常圧に
フラッシュし、逆浸透系に送りカフェイン濃度を0.12か
ら4.5重量%に濃縮した。ここで使用した逆浸透膜は、
パテルソンキャンディー(Paterson Candy)社で製造さ
れるZF−99Rである。膜を透過した水はカフェインを0.0
02重量%含有し、pHは3.6であった。少量の水道水(約
4.5lb)を供給して水流を163lb/hrとした。酸性溶液は
吸収器に供給してリサイクルした。

この方法によって脱カフェインしたコーヒーの脱カフ
ェイン量は6時間で97.1重量%であり、これより脱カフ
ェイン速度は0.588hr-1と算出された(1次反応と仮定
した)。

実施例4の脱カフェイン速度0.588hr-1は、実施例3
の脱カフェイン速度0.501hr-1よりも17%大きいことが
示された。

【図面の簡単な説明】

第1図は、本発明に係る抽出容器を示したものである。 第2図は、本発明に係る抽出容器およびカフェイン回収
器を示したものである。 第3図は、カフェイン溶液からほぼ純粋な濃厚カフェイ
ンを回収し、カフェイン以外のコーヒー固形分を含む溶
媒を抽出機または吸収器にリサイクルする系を示した略
図である。

フロントページの続き (72)発明者 マイケル・ジェイ・オブライエン アメリカ合衆国ニュージャージー州 07758,ポート・モンマウス,ウィルソ ン・アベニュー 238 (72)発明者 ロナルド・エッチ・スキフ アメリカ合衆国ニュージャージー州 08820,エディソン,ステイシー・スト リート 16 (72)発明者 ジェラルド・ジェイ・ヴォーゲル アメリカ合衆国テキサス州75007,キャ ロルトン,パリサデス・ドライブ 1605 (72)発明者 ラヴィ・プラサド アメリカ合衆国ヴァージニア州23113, ミドロシアン,ヒンショー・ドライブ 10821 (56)参考文献 特許2763905(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) A23F 5/20 - 5/22

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)湿ったグリーンコーヒー豆から超臨
    界二酸化炭素へカフェインを移動させるのに十分な時
    間、湿ったグリーンコーヒー豆が入っている抽出容器の
    底部にカフェインを本質的に含有していない超臨界二酸
    化炭素を連続的に供給し、この移動の結果該超臨界二酸
    化炭素中のカフェインの濃度が得られうるカフェインの
    最大濃度の40重量%以上であり、その得られうるカフェ
    インの最大濃度は該超臨界二酸化炭素に対するカフェイ
    ンの分配係数によって定まる; (b)抽出容器の頂部から得られうるカフェインの最大
    濃度の40重量%以上を含有する超臨界二酸化炭素を取り
    出し、抽出容器中の湿ったグリーンコーヒー豆は35〜50
    %の重量湿分を含有する; (c)抽出容器の底端からカフェインを除去したコーヒ
    ー豆の一部を定期的に取り出し; (d)抽出容器の頂端からカフェインを除去していな
    い、湿らしたグリーンコーヒー豆の一部を定期的に供給
    し; (e)上記工程(b)からのカフェインを含んだ超臨界
    二酸化炭素を、実質的に吸収が妨げられない水性液体と
    向流に接触させて、超臨界二酸化炭素に含まれた実質的
    に全てのカフェインを水性液体に移動させるが、カフェ
    イン以外の固形分はほとんど水性液体に移動させず; (f)カフェインを含有した水性液体を集め、該水性液
    体を逆浸透させて、濃縮したカフェイン溶液と実質的に
    カフェインのない酸性の水性透過液を回収し;そして (g)抽出系に酸性の透過液を添加して、グリーンコー
    ヒー豆の抽出時間を短縮しかつグリーンコーヒー豆の品
    質を改善する; 各工程からなる抽出系におけるグリーンコーヒーのカフ
    ェイン除去方法。
  2. 【請求項2】透過液をグリーンコーヒーに添加して、グ
    リーンコーヒーを湿らせる請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】透過液を吸収器中で超臨界二酸化炭素と向
    流に接触させる請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】酸性の透過液が5より低いpHを有する請求
    項1記載の方法。
  5. 【請求項5】酸性の透過液に溶解した非カフェインの固
    形分は有機酸を含む請求項1記載の方法。
  6. 【請求項6】透過液は0.010重量%より多いカフェイン
    を含まない請求項1記載の方法。
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