NO171703B - Fremgangsmaate for ekstrahering av kaffein fra raakaffeboenner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for ekstrahering av kaffein fra råkaffebønner. Mer spesielt omfatter oppfinnelsen kontinuerlig mating av i det vesentlige kaffein-fritt, overkritisk (i kravene betegnet superkritisk) karbondioksyd til nedre ende av et ekstraksjonskar inneholdende råkaffebønner, og kontinuerlig uttapping av det kaffein-ladete, overkritiske fluid fra den motsatte, øvre ende. En del av dekaffeinerte bønner uttømmes periodisk, mens en ny porsjon ikke-dekaffeinerte bønner i det vesentlige samtidig tilføres til ekstraksjonskaret. I det vesentlige alt kaffein fjernes så fra den kaffein-ladede, overkritiske fluidstrømmen i et motstrøms vannabsorpsjonsapparat. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er nærmere angitt i krav 1. Den er mer effektiv og gir dekaffeinert kaffe av bedre kvalitet enn tidligere kjente satsprosesser.

Forskjellige kaffedekaffeineringsmetoder er vel kjent på fagområdet. De vanligste teknikkene omfatter først å svelle kaffebønnene med vann og så ekstrahere kaffeinet med et organisk løsningsmiddel eller en kaffein-fri løsning av løselig råkaffe, hvilken løsning så selv bringes i kontakt med et løsningsmiddel for å fjerne kaffeinet derfra. I alle tilfeller kommer minst noe av løsningsmiddelet typisk i kontakt med bønnene og etterlater spor i dem. De mest anvendbare løsningsmidlene er halogenerte hydrokarboner, men det er blitt stadig mer ønskelig å unngå slike løsningsmidler for at kaffen skal bli fri for ethvert spor av løsningsmiddel.

Én av de mere lovende, alternative teknikkene er, selv om den er kostbar, bruken av et overkritisk fluid, fortrinnsvis overkritisk karbondioksyd, for å ekstrahere kaffeinet fra råkaffe-bønner. En slik teknikk er beskrevet i US-patent 4.260.639, hvor råkaffe bringes i kontakt med vann-fuktig, overkritisk karbondioksyd for å ekstrahere kaffeinet. Kaffeinet kan absorberes fra det kaffein-ladede, overkritiske karbondioksydet ved å boble karbondioksydet gjennom et vannreservoar, hvilket reservoar erstattes med nytt vann hver 4. time, som beskrevet i US-patent 3.806.619. Et slikt gjenvinningssystem er imidlertid meget ineffektivt, fordi vannreservoaret ikke utgjør en kontinuerlig

drivkraft for kaffeingjenvinning, og den periodiske erstatningen av reservoaret resulterer i en uønsket diskontinuitet i prosessen. I enda en teknikk, beskrevet i US-patent 4.247.570, blandes råkaffe med en kaffeinadsorbent før kontakt mellom kaffen og det overkritiske fluidet. Når så kaffeinet ekstraheres av det overkritiske fluidet, adsorberes det av kaffeinadsorbenten, hvilket eliminerer behovet for et separat kaffeinfjerningstrinn. De tidligere kjente metodene er satsteknikker, som har en tendens til å være mindre effektive enn de mer tilnærmet kontinuerlige metodene ville være.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en mer tilnærmet kontinuerlig metode for ekstrahering av kaffein fra råkaffebønner med et overkritisk fluid.

Det er et annet formål å fremstille en dekaffeinert kaffe med forbedret kvalitet ved å begrense tapet av ikke-kaffeinfaststoffer under dekaffeineringen.

Det er nå funnet at formålene med oppfinnelsen oppnås ved en fremgangsmåte som omfatter kontinuerlig mating av i det vesentlige kaffein-fritt, overkritisk karbondioksyd til nedre ende av et ekstraksjonskar og kontinuerlig uttapping av kaffein-ladet, overkritisk karbondioksyd fra øvre ende av karet. Periodisk uttømmes en porsjon av dekaffeinerte kaffebønner ved den ende av karet til hvilken det kaffein-frie, overkritiske fluidet mates, mens en porsjon ikke-dekaffeinerte bønner tilføres til den motsatte enden. Det kaffein-ladete, overkritiske fluidet mates så til et motstrøms væskeabsorpsjonsapparat, hvor kaffein overføres fra det overkritiske fluidet til et polart fluid. Det overkritiske fluidet som nå er i det vesentlige kaffein-fritt, tilbakeføres til ekstraksjonskaret. Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon som viser et ekstraksjonskar. Fig. 2 er en skjematisk illustrasjon som viser et system for dekaffeinering av råkaffe i et ekstraksjonskar og gjenvinning av kaffein fra kaffeinløsningsmiddelet i et væskeabsorpsjonsapparat.

Ifølge foreliggende oppfinnelse ekstraheres kaffein fra råkaffebønnene med et overkritisk fluid, nemlig karbondioksyd

(CC>2) . Et overkritisk fluid er et fluid, typisk et som er gass-formig ved omgivelsesbetingelsene, som holdes ved en temperatur over sin kritiske temperatur og ved et trykk over sitt kritiske trykk. Karbondioksyd har en kritisk temperatur på 31"C og et kritisk trykk på 72,8 atmosfærer. Det er rikelig tilgjengelig, relativt billig, ikke-eksplosivt og gjennomgående sikkert for bruk ved næringsmiddelbehandling.

I tillegg kan en såkalt forsterker tilsettes til det overkritiske fluidet for å forbedre det overkritiske fluidets løsningsmiddelegenskaper. De mest anvendbare forsterkerne er alkoholer og estere som koker ved lave til middels temperaturer. Typiske forsterkere omfatter metanol, etanol, etylacetat og lignende. Forsterkerne kan tilsettes til det i det vesentlige kaffein-frie, overkritiske fluid i mengder på mellom ca. 0,1 og 20 vektprosent. De forsterkere som overveies brukt her er for det meste typisk ikke overkritiske fluider ved de beskrevne arbeidsbetingelsene. I stedet er forsterkerne ganske enkelt oppløst i det overkritiske fluidet og forbedrer dets løsningsmiddel-egenskaper.

I én utførelsesform kombineres den valgte forsterkeren med det i det vesentlige kaffein-frie, overkritiske fluidet i de beskrevne mengder før mating av det overkritiske fluidet til ekstraksjonskaret. Alternativt mates det i det vesentlige kaffein-frie, overkritiske fluidet til ekstraksjonskaret uten forsterkeren. Forsterkeren innføres så i ekstraksjonskaret og kombineres derved med det overkritiske fluidet ved et punkt, ved hvilket det overkritiske fluidet har gått gjennom mellom 1/4 og 1/3 av lengden av kolonnen. Denne arbeidsmåten gir en viss vasking av bønnene med forsterker-fritt, overkritisk fluid for å fjerne eventuelle rester av forsterker fra kaffebønnene.

De ekstraksjonskarene som er tenkt brukt her, omfatter dem som gir effektiv kontakt mellom råkaffebønnene og det overkritiske fluidet, og som kan motstå de nødvendigvis forhøyede trykk som er innbefattet med bruken av overkritiske fluider. Det foretrukne ekstraksjonskaret er en forlenget kolonne, med en lengde mellom fire og ti ganger diameteren, slik at råkaffe-bønnene holdes som et skikt når det overkritiske fluidet går gjennom det. Ekstraksjonskaret, spesielt en langstrakt kolonne, er mest typisk anbragt vertikalt for å oppnå fordelen med tyngekraften for å tilveiebringe bevegelse av bønnene gjennom karet.

All den stund den overkritiske fluidekstraksjonsmetoden er motstrøms, er den ende av karet fra hvilken de dekaffeinerte kaffebønnene uttømmes, også den ende til hvilken det i det vesentlige kaffein-frie, superkritiske fluidet mates, og den ende av karet til hvilken den udekaffeinerte råkaffen tilføres er også den ende fra hvilken de kaffein-ladede fluidet trekkes ut. For det vertikale, langstrakte karet er det foretrukket å tømme ut porsjonen av dekaffeinert kaffe fra bunnen av karet, for best å anvende tyngdekraften som hjelp ved bevegelsen av råkaffen gjennom kolonnen. Progresjonen av råkaffeskiktet gjennom karet oppstår ved den periodiske uttømmingen og tilførselen av porsjoner av råkaffe. Når porsjonen av dekaffeinert råkaffe periodisk uttømmes, får vekten av kaffeskiktet dette skikt til å bevege seg nedover, idet det tomrom som skapes på toppen av kolonnen fylles av den porsjon av ikke-dekaffeinert kaffe som samtidig tilføres til karet. Nettoeffekten er progresjonen av råkaffe som tilføres til ektraksjonskaret nedover gjennom kolonnen, hvorpå den dekaffeinerte kaffen til slutt uttømmes. Naturligvis er det ikke nødvendig å anbringe kolonnen vertikalt eller å tømme ut den dekaffeinerte råkaffen fra bunnen av karet, men et slikt skjema er mest hensiktsmessig, spesielt med hensyn på tilførsel og uttømming av råkaffebønner.

I betraktning av de høye trykk som foreligger, gjennomføres den periodiske tilførsel og uttømming av kaffen lettest ved bruk av mellomliggende trykkar. Disse karene er bare mindre trykkar med omtrent samme volum som de porsjoner kaffe som periodisk tilføres og uttømmes, og som er isolert på begge ender av ventiler, typisk kuleventiler. Et trykkar befinner seg både umiddelbart over og under ekstraksjonskaret, og begge forbindes med dette gjennom én av ventilene. Før tiden for den periodiske tilførselen og uttømmingen fylles det øvre trykkaret (som er vertikalt og langstrakt) med det ønskede volum bønner, og trykk-karet isoleres. Det gjenværende hulrommet i trykkaret fylles så med det overkritiske fluidet, for å øke trykket til det som holdes i ekstraksjonskaret. Når det er tid for den periodiske tilførselen og uttømmingen, åpnes den ventilen som forbinder det nedre og ellers tomme trykkaret med ekstraksjonskaret. På tilsvarende måte åpnes den ventil som forbinder det øvre trykkaret og ekstraksjonskaret, hvorved de udekaffeinerte kaffebønnene tilføres til karet. Begge ventilene lukkes så. Det øvre trykkaret er i det vesentlige tomt, bortsett fra en liten mengde overkritisk fluid. Det nedre trykkaret inneholder den dekaffeinerte kaffen og noe overkritisk fluid. Det overkritiske fluidet i det nedre trykkaret kan ventileres til et holdekar eller det øvre trykkaret før tømming av bønnene derfra, for å beholde det kost-bare fluidet. Alternativt kan roterende låser av den type som er kjent for bruk på trykkar anvendes, for å tilveiebringe glattere, lettere automatisert operasjon. Slike roterende låser har imidlertid en tendens til å være mer mekanisk komplekse, koste mer og generelt kreve mer vedlikehold.

Uttømmingen av porsjonen av dekaffeinerte råkaffebønner og tilførselen av porsjonen av udekaffeinerte bønner utføres periodisk, etter en etableringstid som beskrevet ovenfor. Den porsjon av dekaffeinerte bønner som periodisk uttømmes varierer mest foretrukket mellom 5 og 33% av volumet av den råkaffe som inneholdes i ekstraksjonskaret. Tilsvarende måles også den porsjon udekaffeinerte kaffebønner som periodisk tilføres til karet mot volumet av kaffeskiktet. En høyde som er omtrent lik den porsjon av uttømte, dekaffeinerte bønner tilføres samtidig til den motsatte enden, vanligvis toppen, av det langstrakte karet. Dersom f.eks. 15% av volumet av råkaffeskiktet uttømmes, tilføres da samtidig de ekvivalente 15% av volumet til karet som udekaffeinerte råkaffebønner.

Spesielle arbeidsbetingelser er selvsagt relatert til utformingen av et gitt sysem, men oppfinnelsen utføres mest

foretrukket slik at produktiviteten maksimeres, mens det tilveie-bringes tilstrekkelig dekaffeinering av rå bønner, fra hvilke det typisk ønskes å ekstrahere minst 97% av det kaffein som opprinne-lig foreligger. To av de viktigere arbeidsbetingelsene er vektforholdet mellom overkritisk fluid og kaffe og frekvensen av den

periodiske uttømmingen og tilførselen av kaffebønnene. Det foreligger konkurrerende mål ved valg av det optimale vektforholdet. Det er naturligvis foretrukket å anvende den minst mulige mengde av det overkritiske fluidet for å minimere operasjonsutgiftene. Bruk av en utilstrekkelig mengde av fluidet minsker imidlertid produktiviteten og øker kaffeinkonsentrasjonen i det kaffein-ladede, overkritiske fluidet til dets maksimalt oppnåelige nivå før det ønskede dekaffeineringsnivå oppnås, og derved eliminerer den totale drivkraften for ekstraksjonen av kaffein fra råkaffe-bønnene. Det er mest foretrukket at vektforholdet mellom overkritisk karbondioksyd og kaffebønner er mellom 30 og 100 kg overkritisk fluid/kg kaffe som behandles gjennom karet.

Frekvensen for den periodiske tilførselen og uttømmingen er også en signifikant operasjonsbetingelse relatert til dekaffeineringseffektivitet. Det er ønskelig å maksimere produktiviteten, med det er også viktig å ekstrahere den ønskede mengde kaffein fra bønnene, og således må frekvensen for uttømming og tilførsel balanseres mellom de to formålene. Den mest foretrukne frekvensen vil avhenge av et gitt system, men det er funnet at porsjonene av i det vesentlige dekaffeinerte kaffebønner hensiktsmessig uttømmes mellom 10 og 120 minutter. I betraktning av at tilfør-selen av porsjonen av udekaffeinerte råkaffebønner mest foretrukket skjer samtidig med uttømming av bønnene, er frekvensen for tilførselen av porsjonene av udekaffeinerte bønner også mellom hver 10 og 120 minutter. Den totale oppholdstiden for råkaffe-bønnene i ekstraksjonskaret bestemmes av frekvensen av den periodiske uttømming og tilførsel i tillegg til størrelsen av den porsjon som periodisk uttømmes og tilføres. Dersom således 15% av volumet av en langstrakt kolonne uttømmes (og den tilsvarende porsjon tilføres) hver 54 minutter, er den totale oppholdstiden for bønnene i karet 6 timer. Ifølge de grenser som er satt foran, er den totale oppholdstiden for råkaffebønnene i det langstrakte karet mellom ca. 2 og 13 timer.

I tillegg er den temperatur og det trykk som holdes i ekstraksjonskaret også signifikante operasjonsvariabler, fordi både temperaturen og trykket må være over de kritiske konstanter for å gi det overkritiske fluidet. Selv om det ikke er noen tilsvarende øvre grense for temperatur eller trykk, skal temperaturen ikke være så høy at bønnenes kvalitet ødelegges eller trykket så høyt at det kreves for kostbart utstyr. De rå bønnene er følsomme for virkningene av temperatur, idet forskjellige typer av bønner har varierende grad av toleranse for øket temperatur. En temperatur over ca. 100°C kan ha en tendens til å ødelegge smaken for noen råbønnetyper. Dekaffeineringshastigheten favoriseres imidlertid av en relativt høy temperatur, og således er det ikke ønskelig å mate det overkritiske fluidet til karet nøyaktig ved den kritiske temperaturen. Temperaturen i ekstraksjonskaret holdes mellom 80 og 100°C, avhengig av råbønnenes toleranse for temperatur. Trykket i karet må holdes på minst det kritiske trykk for å tilveiebringe det overkritiske fluidet. Det har lenge vært kjent at økende trykk øker løsningsmiddel-kapasiteten for det overkritiske fluidet. Det nås imidlertid et punkt, typisk ved omkring 400 atmosfærer, hvor den økede kapasiteten ikke rettferdiggjør den økete utgiften ved å vedlike-holde slike trykk.

Det kan være ønskelig å innføre fuktighet i systemet for å lette dekaffeineringen. De udekaffeinerte råkaffebønnene kan fuktes før tilførsel av bønnene til ekstraksjonskaret, hvilket solubiliserer kaffeinet som inneholdes i bønnene, og derved gjøre det solubiliserte kaffeinet lettere ekstraherbart. De udekaffeinerte bønnene fuktes derfor til mellom 25 og 50 vektprosent fuktighet. I tillegg blir det i det vesentlige kaffein-frie, overkritiske karbondioksyd mettet med vann før det mates til ekstraksjonskaret. Slik metning av et overkritisk fluid er typisk mellom 1 og 3 vektprosent fuktighet. Dekaffeineringseffektivi-teten økes således ved innføring av fuktighet i systemet.

Det er ifølge foreliggende oppfinnelse funnet at motstrøms-operasjon i kaffeinekstraksjonstrinnet med overkritisk fluid gir en forbedret dekaffeineringseffektivitet og muliggjør fremstil-ling av en dekaffeinert kaffe med forbedret kvalitet sammenlignet med tidligere kjente systemer. Kontakten mellom et overkritisk fluid og kaffein-holdige råkaffebønner resulterer i en fordeling av kaffein mellom fluidet og bønnene uavhengig av systemoppbyg-ningen. Det er naturligvis ønskelig å overføre så mye kaffein fra bønnene til fluidet som mulig. Nevnte fordeling er imidlertid begrenset av den relative løseligheten for kaffeinet i det overkritiske fluidet mot dets løselighet i råkaffebønnen. En fordelingskoeffisient kan beregnes basert på forsøksmålinger ved et gitt sett av betingelser, idet fordelingskoeffisienten defineres som konsentrasjonen av kaffein i det overkritiske fluidet delt med konsentrasjonen av kaffein i råkaffebønnene, ved et likevektspunkt. De betingelser som generelt påvirker en fordelingskoeffisient omfatter temperatur, trykk og fuktighetsnivå i råbønnene. Fordelingskoeffisienten for overkritisk C02 som et kaffeinløsningsmiddel for råkaffebønner er f.eks. beregnet å være 0,026 ved en temperatur på ca. 85°C, et trykk på ca. 250 bar og et fuktighetsnivå i råbønnene på ca. 35-40 vektprosent.

Det er funnet at det kontinuerlige motstrømssystemet som benyttes ved oppfinnelsen gir en stor fordel sammenlignet med tidligere kjente satssystemer, fordi det kaffein-ladede, overkritiske fluidet er i kontakt med nye råkaffebønner som har råkaffens naturlig forekommende kaffeinnivå, like før fluidet forlater ekstraksjonskaret. Det naturlig forekommende kaffeinnivå et varierer avhengig av typen av rå bønner som dekaffeineres. F.eks. har Robusta-kaffe typisk et kaffeinnivå på ca. 2 vektprosent, mens Colombia-kaffe typisk har et kaffeinnivå på ca. 1,1 vektprosent. Fordi det overkritiske fluidet som forlater ekstraksjonskaret er i kontakt med nye rå bønner, øker kafféinkonsentra-sjonen i det overkritiske fluidet som forlater karet til dets asymptotiske grense, eller tilnærmet til dette, basert på kaffeinfordelingskoeffisienten for det gitte fluid. Det er funnet at med motstrømsoperasjon er kaffeinkonsentrasjonen i det overkritiske fluid som forlater ekstraksjonskolonnen typisk minst 50% av den maksimalt oppnåelige kaffeinkonsentrasjonen og fortrinnsvis minst 70% av den maksimalt oppnåelige kaffeinkonsentrasjonen, idet den maksimale, oppnåelige kaffeinkonsentrasjonen defineres av fordelingskoeffisienten og det naturlig forekommende kaffein-nivået i den råkaffen som dekaffeineres. En så høy kaffeinkonsentrasjon er meget ønskelig, fordi det reflekterer et effektivt dekaffeineringssystem, og det muliggjør effektiv gjenvinning av kaffeinet fra det overkritiske fluidet som et

verdifullt biprodukt.

Når kaffein fordeles fra råkaffebønnene i et satssystem, faller imidlertid den maksimalt oppnåelige kaffeinkonsentrasjonen i det overkritiske fluidet dramatisk. Derfor er det nødvendig med en meget større mengde overkritisk fluid i et satssystem sammenlignet med motstrømsekstraksjonssystemet ifølge foreliggende oppfinnelse for å oppnå samme dekaffeineringsgrad. For å oppnå 97% dekaffeinering av råkaffe med overkritisk karbondioksyd behøves f.eks. omtrent 33 ganger så mye karbondioksyd for å dekaffeinere bønnene i et satssystem, sammenlignet med motstrøms-systemet ved foreliggende oppfinnelse. Videre er kaffeinkonsentrasjonen i det kaffeinladede, overkritiske karbondioksydet som forlater motstrømsekstraksjonssystemet ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvilket ekstraksjonssystem inneholder Milds-kaffebønner, av størrelsesorden 280 ppm sammenlignet med et satssystem hvor karbondioksydet forlater systemet med en kaffeinkonsentrasjon på ca. 8 ppm. Denne økede kaffeinkonsentrasjonen som oppnås ved hjelp av motstrømsekstraksjonen ifølge oppfinnelsen er spesielt viktig ved at det muliggjør effektiv gjenvinning av kaffeinet fra det overkritiske fluidet.

Mange kaffeinfjerningsteknikker er kjent på fagområdet. Det kaffein-ladede, overkritiske fluidet kan f.eks. føres gjennom et absorberende skikt, som f.eks. et skikt av aktivert karbon, for å absorbere kaffeinet. Alternativt kan kaffeinet gjenvinnes ved å senke trykket til det kaffein-ladede, overkritiske fluidet for å utfelle både kaffeinet og en eventuell forsterker som kan være anvendt. Det er imidlertid funnet at overkritiske fluider ikke er helt selektive for kaffein, men ganske typisk ekstraherer både ikke-kaffeinfaststoffer og kaffein. Overkritisk karbondioksyd ekstraherer f.eks. typisk ikke-kaffeinfaststoffer og kaffein i et vektforhold på ca. 1,5:1 til 3:1 ikke-kaffeinfaststoffer til kaffein. Dersom overkritisk karbondioksyd således ekstraherer kaffein fra råkaffe for å øke dens kaffeinkonsentrasjon til 220 ppm, vil nevnte fluid også inneholde ca. 300-660 ppm ikke-kaf f ein-faststof fer . Det er funnet at de to metodene som er beskrevet ovenfor for kaffeingjenvinning, nemlig absorpsjon og trykksenking, svikter når det gjelder selektivt å gjenvinne kaffein. Snarere tapes ikke-kaffein-faststoffer som er viktige for kaffens smakskvalitet, fra det overkritiske fluidet med kaffeinet under kaffeingjenvinningen.

Ifølge foreliggende oppfinnelse mates det kaffein-ladede, overkritiske fluidet som er fjernet fra kaffeinekstraksjonskaret, kontinuerlig til et motstrøms-væskeabsorpsjonsapparat. Kontinuerlige, motstrøms væskeabsorpsjonssystemer er upraktiske og uøkonomiske for bruk i tidligere kjente dekaffeineringssystemer med overkritisk fluid på grunn av den lave kaffeinkonsentrasjonen i det kaffein-ladede, overkritiske fluid som forlater satseks-traktoren. Imidlertid er et motstrøms-absorpsjonsapparat ikke bare effektivt og økonomisk slik det anvendes i foreliggende oppfinnelse, men det er i tillegg funnet at polare fluider oppviser en utmerket selektivitet for kaffein når det kommer i kontakt med overkritiske fluider som er ladet med kaffein og inneholder ikke-kaffeinfaststoffer. Når det i det vesentlige kaffein-frie, overkritiske fluidet forlater absorpsjonsapparatet, inneholder det typisk meget nær det samme nivå av ikke-kaffein-faststof f er som da det kom inn i absorpsjonsapparatet. Dersom dette fluid tilbakeføres til kaffeinekstraksjonskaret, ekstraherer det således ingen målbar mengde av ikke-kaffeinfaststoffer fra de rå bønnene som dekaffeineres. Som et resultat av dette har de dekaffeinerte bønnene som fremstilles ved hjelp av foreliggende oppfinnelse en bedre smakskvalitet. I tillegg elimineres det utbyttetap som generelt er forbundet med ikke-kaffein-faststof f tap ved hjelp av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse.

Ifølge oppfinnelsen opereres væskeabsorpsjonsapparatet under overkritiske betingelser. Typisk er temperaturen og trykket inne i absorpsjonsapparatet identisk, eller meget nær identisk, med temperatur- og trykkbetingelsene i ekstraksjonskaret. Som diskutert ovenfor vil den kritiske temperaturen og det kritiske trykket variere avhengig av det fluid som anvendes. Konstruksjo-nen av absorpsjonsapparatet anses å ligge godt innenfor fag-mannens dyktighet. Typisk opereres absorpsjonsapparatet med en pakning som er valgt fra de som er lett tilgjengelige på fagområdet. Generelt bringes det polare fluidet i kontakt med det overkritiske fluidet i et vektforhold på ca. 5:1 til 25:1, og typisk ca. 10:1 til 20:1, overkritisk fluid til polart fluid. Vann er det foretrukne, polare fluid for bruk i det kontinuerlige motstrømsapparatet i forbindelse med oppfinnelsen. Det fore-trekkes at det polare fluidet fjerner minst 90 vektprosent av det kaffein som inneholdes i det kaffein-ladede, overkritiske fluidet, og mer foretrukket 95 vektprosent av kaffeinet.

Oppfinnelsen beskrives ytterligere med henvisning til figurene. Fig. 1 viser en foretrukken utførelsesform av kaffein-ekstraksjonkaret. Ved stabile tilstandsbetingelser er ekstraksjonskaret 5 fylt med et skikt av råkaffebønner. Et i det vesentlige kaffeinfritt, overkritisk fluid mates til den første enden av ekstraksjonskaret 6, og kaffein-holdig, overkritisk fluid trekkes ut fra den andre enden av ekstraksjonskaret 4. Råkaffe inntas periodisk gjennom ventil 1 til trykkaret 2. Ventiler 3 og 7 åpnes samtidig intermitterende for å tilføre råkaffen fra trykkaret 2 til den andre enden av ekstraksjonskaret 4 og uttømme en porsjon av i det vesentlige dekaffeinerte råkaffebønner fra den første enden av ekstraksjonskaret 6 til trykkaret 8. Ventiler 3 og 7 lukkes så. Ventil 9 åpnes så for å tømme ut den i det vesentlige dekaffeinerte råkaffen fra trykk-karet 8. Ytterligere råkaffe innføres gjennom ventil 1 i trykk-kar 2 og fremgangsmåten gjentas.

Fig. 2 er en skjematisk illustrasjon av et dekaffeineringssystem for anvendelse ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvor råkaffe (12) mates til et ekstraksjonskar (10) og fjernes derfra som dekaffeinert råkaffe (14). Et i det vesentlige kaffein-fritt, overkritisk fluid mates i motstrøm til de rå bønnene som strøm 16 inn i ekstraksjonskaret, og forlater dette som en kaffein-ladet fluidstrøm (18). Den kaffein-ladede strømmen (18) mates så til et vannabsorpsjonsapparat (20) og forlater dette som en i det vesentlige kaffein-fri, overkritisk fluidstrøm (16). Vann mates i motstrøm som strøm 22 til vannabsorpsjons-apparatet og forlater dette som en vandig, kaffein-holdig strøm (24) .

Eksempel 1

Et langstrakt trykkar med en høyde som er ca. 5 ganger dets diameter ble ladet med 100% Colombia-råkaffe som var forhåndsfuktet til et fuktighetsinnhold på ca. 30-40 vektprosent. Omtrent 55 kg råkaffe inneholdes i ekstraksjonskaret. Til bunnen av ekstraksjonskaret ble det kontinuerlig matet i det vesentlige kaffein-fritt, overkritisk karbondioksyd ved et trykk på ca. 250 atm. og en temperatur på ca. 130°C. Karbondioksydet ekstraherte kaffein og ikke-kaffeinfaststoffer fra råkaffen etterhvert som det beveget seg oppover gjennom ekstraksjonskaret. Det kaffein-ladede, overkritiske karbondioksydet som også inneholdt ikke-kaf feinfaststof fer , forlot kontinuerlig toppen av ekstraksjons-karet. Hvert nittende minutt ble omtrent 10% av volumet av kaffeskiktet uttømt i et bunntrykkar, mens det samme volum av forhåndsfuktet Colombia-kaffe samtidig ble tilført fra et på forhånd ladet topptrykkar inn i toppen av ekstraksjonskaret.

Den totale oppholdstiden for råkaffen i ekstraksjonskaret var

ca. 3 timer. Vektforholdet mellom overkritisk karbondioksyd og kaffe var ca. 50 kg karbondioksyd/kg kaffe.

Kaffeinfordelingskoeffisienten for overkritisk karbondioksyd og råkaffebønner er målt til å være ca. 0,026 ved disse arbeidsbetingelsene. Den gjennomsnittlige kaffeinkonsentrasjonen i Colombia Mild kaffe er ca. 1,22 vektprosent på tørrbasis, eller ca. 1,08 vektprosent som sådan. Den maksimalt oppnåelige kaffeinkonsentrasjonen i det overkritiske karbondioksydet er således omtrent 280 ppm. Det kaffein-ladede, overkritiske karbondioksydet som forlater toppen av ekstraksjonskaret ble funnet å ha en kaffeinkonsentrasjon på ca. 200 ppm, eller omtrent 71% av den maksimalt oppnåelige kaffeinkonsentrasjonen. Det kaffein-ladede, overkritiske karbondioksydet ble også funnet å inneholde ca. 350 ppm ikke-kaffeinfaststoffer. Den kaffe som ble uttømt til bunn-trykkaret, ble funnet å være minst 97 vektprosent dekaffeinert.

Eksempel 2

Det kaffein-ladede, overkritiske karbondioksydet fra eksempel 1 ble kontinuerlig matet til bunnen i et absorpsjonsapparat med en diameter på 10,8 cm, høyde på 12 m og en pakkehøyde på 9,6 m. Karbondioksydet ble matet med en hastighet på 613 kg/time. Vann ble matet til toppen av absorpsjonsapparatet ved en hastighet på 50-55 kg/time. Absorpsjonsapparatet ble operert med et trykk på ca. 250 atm. og en temperatur på ca. 130°C. Den følgende tabell viser den utmerkede selektiviteten for kaffein som oppvises av vannet, hvilket ga en kaffeinrenhet på ca. 88%.

Det i det vesentlige kaffein-frie, overkritiske karbondioksydet som forlot absorpsjonsapparatet, ble tilbakeført til ekstraksjonskaret i eksempel 1. De dekaffeinerte råkaffebønnene som ble produsert ved tilbakeføring av det i det vesentlige kaffein-frie karbondioksydet inneholdende ikke-kaffeinfaststoffer, ble brukt for å fremstille et kaffebrygg (A). Et kontroll-kaffebrygg (B) ble fremstilt fra identiske bønner som var dekaffeinert med overkritisk karbondioksyd, som var i det vesentlige fritt for karbondioksyd og ikke-kaffeinfaststoffer. Denne overkritiske karbondioksydstrømmen hadde gått gjennom et skikt med aktivert karbon, som hadde adsorbert kaffein og ikke-kaf feinfaststof f er fra en kaffein-ladet, overkritisk karbon-dioksydstrøm generert ved fremgangsmåten fra eksempel 1. Kaffebrygg A ble bedømt av et panel av ekspertkaffesmakere å ha en bedre smakskvalitet enn kaffebrygg B. Den forbedrede smakskvaliteten for brygg A ble tilbakeført til nærværet av ikke-kaf feinfaststof fer i det tilbakeførte karbondioksydet, som hindret tapet av verdifulle smaksforbindelser fra råkaffebønnene under dekaffeineringen.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for ekstrahering av kaffein fra råkaffe-bønner, karakterisert ved at den omfatter: a) kontinuerlig å mate i det vesentlige kaffeinfritt, superkritisk karbondioksyd som inneholder ikke-kaffein-faststoff og mettet med vann, til nedre ende av et langstrakt, i det vesentlige vertikalt ekstraksjonskar som inneholder råkaffe-bønner med et fuktighetsinnhold på 25-50 vekt%, kontinuerlig, i motstrøm, å bringe det superkritiske karbondioksyd og råkaffebønnene i kontakt med hverandre i ekstraksjons-karet for å bevirke ekstraksjon av kaffein fra kaffen inn i det superkritiske karbondioksyd, og kontinuerlig å tappe ut superkritisk karbondioksyd som inneholder kaffein og ikke-kaf feinfaststof f, fra øvre ende av ekstraksjonskaret; b) å uttappe en porsjon av kaffebønnene i nevnte kar fra nedre ende av ekstraksjonskaret, idet den uttappede porsjon omfatter dekaffeinerte kaffebønner; c) å bevege de gjenværende kaffebønner nedad i ekstraksjons-karet i en utstrekning som tilsvarer i alt vesentlig den mengde av dekaffeinerte kaffebønner som er uttappet fra ekstraksj onskaret; d) å innføre fuktige råkaffebønner som har et fuktighetsinnhold på 25-50%, inn i øvre ende av ekstraksjonskaret i en mengde som tilsvarer i alt vesentlig den mengde av dekaffeinerte kaffebønner som er uttappet fra ekstraksjonskaret; e) å holde temperaturen i ekstraksjonskaret på 80-140 °.C; f) å mate det superkritiske karbondioksyd som inneholder kaffein og ikke-kaffeinfaststoff som er uttappet fra øvre ende av ekstraksjonskaret, til et absorpsjonsapparat; g) kontinuerlig og motstrøms å bringe det superkritiske karbondioksyd som inneholder kaffein og ikke-kaffein-faststof f i kontakt med vann i absorpsjonsapparatet ved en temperatur og et trykk som i alt vesentlig har samme verdi som i ekstraksjonskaret, for å ekstrahere i alt vesentlig alt kaffein som inneholdes i det superkritiske karbondioksyd, men uten å ekstrahere noen nevneverdig mengde av ikke-kaffeinfaststoffet derfra; h) å uttappe kaffeinladet vann fra absorpsjonsapparatet; i) å uttappe i alt vesentlig kaffeinfritt superkritisk karbondioksyd som inneholder ikke-kaffeinfaststoff, fra absorpsj onsapparatet; j) å resirkulere det i alt vesentlig kaffeinfrie superkritiske karbondioksyd som inneholder ikke-kaffeinfaststoff, til nedre ende av ekstraksjonskaret, som krevet i trinn a); og k) periodisk å gjenta trinn b), c) og d) mens trinnene a) og e) til j) utføres for å bevirke ekstraksjon av kaffein fra de nevnte råkaffebønner.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at i trinn a) uttappes superkritisk karbondioksyd fra øvre ende av ekstraksjonskaret med en kaffeinkonsentrasjon som er minst 50% av den maksimalt oppnåelige kaffeinkonsentrasjon, idet den maksimalt oppnåelige kaffeinkonsentrasjon er definert ved kaffeinfordelings-koeffisienten for nevnte superkritiske karbondioksyd.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at det uttappes superkritisk karbondioksyd hvor kaffeinkonsentrasjonen er minst 70% av nevnte maksimum.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det uttappes fra, og inn-føres i, nevnte ekstraksjonskar en mengde av kaffebønner som er mellom 5 og 33% av volumet av kaffebønnene som inneholdes i ekstraksj onskaret.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at uttappingen av kaffebønner fra, og innføring av kaffebønner i, nevnte ekstraksjonskar utføres mellom hver 10 minutter og 120 minutter.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det anvendes et vektforhold mellom superkritisk karbondioksyd og kaffebønner på mellom 30 og 100 kg superkritisk karbondioksyd/kg kaffe.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at uttappingen av kaffebønner fra, og innføring av kaffebønner i, ekstraksjonskaret utføres via trykkar.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter å kombinere en forsterker med nevnte kaffeinfrie superkritiske karbondioksyd før mating av det superkritiske karbondioksyd til ekstraksj onskaret.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at i trinn g) overføres minst 90% av kaffeinet og mindre enn 5% av ikke-kaffeinfaststoffet fra det superkritiske karbondioksyd til vannet.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den også omfatter å gjenvinne kaffein fra det kaffeinladede vann som er uttappet fra absorpsj onsapparatet.