Przedmiotem wynalazku jest sposób wydzielania kofeiny ze srodowiska wodnego.Do otrzymania kawy odkofeinowanej znane byly dotychczas drwa sposoby ekstrakcji kofeiny z ziarna. Zgodnie ze sposobem pierwszym, ziarno kawy zielonej (nie palonej) poddaje sie ekstrakcji woda lub. roztworem wodnym zawierajacym po¬ chodzace z ziairna kawy zielonej substancje stale nie bedace kofeina, a nastepnie otrzymany ekstrakt wodny oddziela sie od ziarna, po czym z ekstraktu usuwa sie kofeine, zazwyczaj za pomoca ekstrakcji rozpuszczalnikiem lub na drodze adsorpcji na sta¬ lym adsorbencie. Otrzymany ekstrakt nie zawiera¬ jacy kofeiny mozna zawrócic do calosci ziarna kawy.Drugi sposób polega na bezposrednim kontakcie ziarna z rozpuszczalnikiem kofeiny, zazwyczaj chlorkiem metylenu, z nastepujacym po tym od¬ parowaniem rozpuszczalnika i otrzymaniem, w po¬ zostalosci, kofeiny. Sposród róznych proponowa¬ nych stalych adsorbentów, wegiel aktywny zapew¬ nia pewne korzysci w stosunku do takich sub¬ stancji jak zywice polimeryczne, a to dlatego, ze jest latwo dostepny i podatny do regeneracji Jednakze, zauwazono, ze kontaktowanie wodnego ekstraktu z weglem aktywnym czesto prowadzi do podwyzszenia wartosci pH, co zwiazane jest z po¬ gorszeniem barwy i aromatu zdarna kawy Obecnie stwierdzono, ze niepozadany wzrost pH mozna wyraznie zmniejszyc, jesli stosuje sie wegiel aktywny wykazujacy w zawiesinie wodnej odczyn zasadniczo obojetny.Wedlug wynalazku sposób wydzielania kofeiny z wodnego roztworu zawierajacego kofeine wy¬ ekstrahowana z ziarna kawy zielonej oraz pocho¬ dzacych z niego cial stalych nie bedacych kofeina, polega na tym, ze kontaktuje sie ten roztwór z za¬ sadniczo obojetnym weglem aktywnym, a nastepnie oddziela sie ten wegiel aktywny, wraz z zaadsorbo- wana na nim kofeina, od wodnego roztworu o. zmniejszonej zawartosci kofeiny.Uzywany w niniej¬ szym opisie termin „zasadniczo obojetny", stosowa¬ ny do okreslania wegla aktywnego, oznacza, ze w przypadku, gdy wegiel ten zanurzony jest w wodzie, wartosc pH pozostaje zasadniczo nie zmieniona.Wegiel o tej wlasciwosci otrzymac mozna albo przez przemywanie kwasem wegla aktywowanego termicznie, z nastepujacym potem przemywaniem woda do odczynu obojetnego, albo przez zobojetnie¬ nie wegla aktywowanego kwasem wodnym roztwo¬ rem alkalicznym, z nastepujacym po tym przemy¬ ciem woda do odczynu obojetnego.Wodny roztwór kofeiny otrzymuje sie w zwykly sposób, obejmujacy kontaktowanie ziarna kawy zielonej z woda w czasie wystarczajaco dlugim do zredukowania zawartosci kofeiny w ziarnie do po¬ zadanego poziomu. Kontaktowanie to mozna wyko¬ nac albo w ukladzie p-rzecdwpradowym stosujac urzadzenie podobne do aparatów uzywanych do ekstrahowania palonej kawy przy wytwarzaniu 127 869127 869 3 4 ekstraktu kawy, albo w procesie okresowym, przy czym woda w stalej objetosci recyrkuluje w sposób ciagly przez ziarno kawy w ilosci stalej, a kofeine usuwa sie z ekstraktu w kazdym cyklu przed zawróceniem ekstraktu do ziarna. W ukladzie prze- ciwpradowym wodne srodowisko ekstrakcyjne za¬ wierajace kofeine oraz pochodzace z zielonej kawy substancje stale nie bedace kofeina, spotyka sie z kawa o stopniowo wzrastajacej zawartosci ko¬ feiny. W momencie opuszczania ukladu ekstrakt obciazony kofeina kontaktuje sie z adsorbentem, korzystnie znów w kolumnowym ukladzie przeciw- pradowym.Zasadniczymi czynnikami wplywajacymi ma prze¬ bieg procesu sa temperatura, stosunek ilosci cieczy ekstrakcyjnej cLo ilosci kawy, stosunek ilosci wegla do ilosci kawy, czas, oraz szybkosc przeplywu, przy czym kazdy z mich mozna dopasowac do zadanego poziomu odkofeinowania. W sposobie wedlug wy¬ nalazku obojetny wegiel aktywny uzywac mozna tak w procesie okresowym jak i w ukladzie prze- ciwpradowym. W obu przypadkach dokonuje sie zaawyczaj zabezpieczenia ciaglosci procesu przez podwojenie ilosci zlóz adsorbenta, tak ze w czasie pracy jednego, lub kilku zlóz, inne mozna poddac regeneracji, Odkofeinowania ziarna kawy zielonej korzystnie dokonuje sie z uzyciem wody diejonizowanej. Sto¬ sunek ilosci wody do ilosci kawy w zadnej mierze nie jest decydujacy, ale ustalany raczej z uwagi na praktyczne uwarunkowania narzucone przez operacje w skali przemyslowej. Totez nalezy unikac tak nadmiernie duzych objetosci, jak równiez ta¬ kiego stosunku ilosciowego wody do kawy, który nie zapewnia dostatecznej ekstrakcji kofeiny.Stwierdzono, ze na ogól, wystarczajaco dobre wy¬ niki daje stosunek wagowy wody do kawy zielonej wynoszacy co najmniej okolo 3 czesci wody na 1 czesc kawy.Zgodnie z jednymi z korzystnych wariantów spo¬ sobu wedlug wynalazku, kontaktowanie ziarna kawy zielonej w postaci stalego zloza przeprowa¬ dza sie w kolumnie lub w odpowiednim bebnie lub podobnym ekstraktorze. W obu przypadkach wa¬ gowe ilosci kawy i wody sa stale, przy czym od¬ ciagana z kolumny lulb ekistraktora woda obciazona kofeina przed zawróceniem zostaje odkofeinowana przy uzyciu obojetnego wegla aktywnego. Waga wegla stanowi zwykle 20—30% wagi kawy zielonej poddawanej odkofeinowaniu. Calkowity czas kon¬ taktowania zalezy, miedzy innymi, od stosunku woda/kawa, temperatury i pozadanego stopnia od¬ kofeinowania. W wiekszosci przypadków wynosi on od 3 do 10 godzin. Temperatura korzystni© miesci sie w zakresie 60—90°C. Zazwyczaj unika sie stosowania nizszej temperatury ze wzgledu na ryzyko rozwoju drobnoustrojów, zwlaszcza przy dluzszym czasie kontaktowania, co prowadzi do fermentacji cukrów obecnych w ekstrakcie. Poza tym, szybkosc dyfuzji kofeiny z ziaren obniza sie, wraz z temperatura. Powyzej temperatury 90°C, przy dluzszym czasie kontaktowania mozna oslabic aromat i praktycznie trudno jest utrzymac te tem¬ perature bez zastosowania aparatury cisnieniowej.W innym korzystnym wairiancie sposobu wedlug wynalazku, uzytym w ciaglej ekstrakcji i odko^ feinowaniu ziarna kawy zielonej, stosuje sie uklad przeciwpradowy.Kawe zielona ekstrahuje sie przy uzyciu urzadze¬ nia podobnego do urzadzenia stosowanego do ekstrahowania kawy palonej. Do najbardziej wy¬ czerpanego ekstraktora doplywa swieza woda o temperaturze, zazwyczaj od 90 do 120°C. Ko¬ rzystnie stosuje sie wode dejonizowana. Stosunek ilosciowy wody do kawy nie jest decydujacy, ala na ogól wynosi od 3:1 do 15 : 1 wagowo. Ilosc ekstraktotów i czas cyklu dobiera sie tak, aby uzy¬ skac pozadany stopien odkofeinowania. Mozna uzyc az do 8 ekstraktorów w ukladzie szeregowym, przy dlugosci trwania cyklu od 15 do 120 minut.Ekstrakt wodny, zawierajacy kofeine oraz pocho¬ dzace z ziarna kawy zielonej ciala stale nie bedace kofeina, mozna poddac zaitezandu przed przeprowa¬ dzeniem odkofeinowania za pomoca skontaktowania z obojetnym weglem aktywnym, np. w ukladzie przeoiwpradowym. W ukladzie tym wegiel miesci sie w kilku kolumnach, a ekstrakt przechodzi przez te kolumny w szeregu. Co pewien czas usuwa sie z ukladu najbardziej wysycona kolumne i wpro¬ wadza nowa kolumne zawierajaca swiezy wegiel.Temperatura wewnatrz kolumn korzystnie wynosi od 60—90°C. Ilosc kolumn, czas cyklu dla kazdej kolumny i czas pozostawania dobiera sie tak aby zapewnic zadany stopien odkofeinowania oraz aby zminimalizowac ilosc uzywanego wegla. Waga wegla zazwyczaj wynosi 10—20% wagi kawy zielonej pod¬ danej odkofeinowaniiu.Jest pozadane, aby w ukladzie okresowym z re¬ cyrkulacja, temperatura kontaktowania wegla z ekstraktem wynosila okolo 60°C w celu unikniecia problemów mikrobiologicznych, podczas gdy w urza¬ dzeniu kolumnowym temperatura wlotu powinna byc z tego samego powodu nieco wyzsza. Nie zaob¬ serwowano dobrze okreslonej zaleznosci miedzy tem¬ peratura a adsorpcja kofeiny.Poniewaz wegiel aktywny adsorbuje kwasy rów¬ nie dobrze jak kofeine, pH ekstraktu wodnego pod¬ nosi sie, osiagajac wartosc maksymalna wynoszaca 6.0—7,5. Jednakze, w trakcie procesu wartosc pH ponownie obniza sie tak, ze w przypadku, gdy uzyskuje sie 97% odkofeinowania, przewyzsza ona naturalna wartosc pH ekstraktu wodnego kawy zielonej o mniej niz 1 jednostke. W przeciwienstwie dc tego, wartosc pH ekstraktu kawy zielonej skon¬ taktowanego z niezobojetnionym weglem aktyw¬ nym podnosi sie do ponad 9,0, czym prawdopo¬ dobnie mozna wytlumaczyc pogorszenie zabarwie¬ nia i aromatu.Dla objasnienia, ponizej podane sa wyniki uzy¬ skane w przypadku uzycia róznych rodzajów wegla aktywnego w procesie okresowym. Uzywa sie wody dejonizowanej i kawy w stosunku wzajemnym 4 : 1 i 24% wegla w stosunku do wagi kawy zie¬ lonej. Proces prowadzi sie w temperaturze ukladu utrzymywanej na poziomie 70°C w ciagu 8 godzin. 40 45 50 55127 869 Rodzaj wegla A. Aktywowany termicznie, ni£ zobojetniony 1 Al A 2 A 3 B. Aktywowany termicznie, zo bojetniony B 1 B 2 B 3 B 4 C. Aktywowany kwasem, zobo-» jetniony C 1 Tabela PH wegla w wo¬ dzie des¬ tylowa¬ nej w temperai- turze °C ,8 11,2 9,5 7,5 7/7 8,5 7,4 6,2 1 Maksymal¬ na wartosc pH eks¬ traktu w tempera¬ turze 20°C 9,4 9,6 9,5 6,7 6,2 7,5 6,5 6,5 Koncowa wartosc pH eks¬ traktu w tempera¬ turze °C 7,2 7,0 7,1 . 6,2 ,9 6,1 ,5 6,4 Po zakonczeniu odkofeinowania, zazwyczaj poza¬ dane jest, w celu unikniecia nadmiernych strat, zawrócenie substancji stalych nie bedacych ko¬ leina, wystepujacych w ekstrakcie wodnym, do od- kofeinowanego ziarna kawy zielonej. Mozna tu po¬ sluzyc sde róznymi metodami. I tak, np. ziarno mozna wstepnie wysuszyc, zazwyczaj az do zawar¬ tosci wilgoci 10—45% wag., a nastepnie skontakto¬ wac bezposrednio z ekstraktem. Alternatywnie ektrakty mozna wstepnie zatezyc np. przez odpa¬ rowanie, az do zawartosci substancji stalych 15— —55°/o wag., a nastepnie skontaktowac z ziarnem.Zadowalajacy poziom ponownego wlaczenia cial stalych uzyskuje sie po 4—8 godzinach, korzystnie w temperaturze 60—80°C. Korzystnie, calkowita ilosc wody jest taka* aby koncowa zawartosc wody w ziarnie nie przekraczala 55q/o wag. Wode „calko¬ wita" stanowi wilgoc resztkowa w ziarnie wstepnie wysuszonym oraz woda wystepujaca w ekstrakcie wodnym. Po ponownym wcieleniu cial stalych kawe suszy sie, az do zawartosci wilgoci 5—12% wag., Ta Wegiel aktywny mozna regenerowac okresowo przez ogrzewanie lufo ekstrakcje rc^puszczalndkiem, Wynalazek objasniaja nastepujace przyklady, w których wszystkie czesci, proporcje i udzialy pro¬ centowe wyrazone sa jako wagowe, jesli tego nie zaznaczono inaczej. ?- Przyklad I. Zobojetniony wegiel aktywny wytwarza sie przez przemycie handlowego termicz¬ nie aktywowanego wegla 2% HC1, amastepnie prze¬ mycie woda dejonizowana o pH 6,0, az do uzyska¬ nia stalej wartosci pH przemywek 6,0; Nastepnie do ekstraktom bebnowego zaladowuje sie 2000 czesci ziarna kawy zielonej lacznie z 7000 czesci wody dejonizowanej. Temperature podnosi sie do 80°C i utrzymuje ja w dalszym ciagu. Nastepnie z eks¬ traktu odciaga sie roztwór i zawraca do obiegu z szybkoscia 15000 czesci/godzine, z przeplywem przez kolumne zawierajaca 230 czesci zobojetnio¬ nego wegla aktywnego, przed powrotem do ekstrak- tora. Po uplywie 1 godziny, do pierwszej kolumny przylacza sie szeregowo kolumne druga, takze za¬ wierajaca 230 czesci zobojetnionego wegla aktyw¬ nego.Po uplywie 5 godzin trwania calej operacji, re¬ cyrkulacje zatrzymuje sie i ekstrakt, o pH 6,2 od¬ dziela sie od ziarna. Ziarno suszy sie do zawartosci % wilgoci i miesza z ekstraktem, który poprzed¬ nio zatezony zostal do. 20% zawartosci substancji stalych. Mieszanie kontynuuje sie przez 6 godzin w temperaturze 65°C. Nastepnie kawe o zawartosci wilgoci wynoszacej 45% suszy sie do "wilgotnosci 8,5%.Kawa pozbawiona 97% kofeiny ma dobry wyglad, podobny do naturalnego wygladu ziarna nie odko- feinowanego, ma jednak barwe nieco ciemniejsza.Po upaleniu i przygotowaniu naparu, napar pod¬ dany badaniu przez zespól wprawnych kiperów uzyskuje dobra ocene jakosci i barwy. Po dodaniu mleka do filizanki, napar przybiera barwe czerwo- no-brazowa, bez sladów zabarwienia szarego.Przyklad II—IV, Proces odkofeinowania ka¬ wy prowadzi sie w sposób jak wyzej opisano w przykladzie I, z ta rózoica, ze wprowadza sie rózne modyfikacje jesli chodzi o surowiec i parametry procesu. Otrzymane wyniki zestawione sa w po¬ nizszej tabeli 2.Po odkofeinowaoiu, ciala stale nie bedace kofeina laczy sie z ziarnem odkofeinowanym. ......Przyklad V. Ziarno kawy zielonej poddaje sie odkofeinowaniu w sposób ciagly metoda przeciw- bela 2 40 50 Przy¬ klad I II III I IV pH wegla* 7,5 7,5 7,5 7,4 Stosunek woda/kawa 3,5 3,5 3,5 4,0 Wegiel jako % kawy 23 23 23 Tempe¬ ratura 9C 80 65 80 65 Czasi ogólem (godz.) 7 8 Koncowe PH ekstraktu 6,2 6,2 6,0 ,5 % odko- | feinowania 1 kawy 97 97 97 97 * Mierzone w wodzie destylowanej w temperaturze 20°C. a nastepnie poddaje paleniu. W modyfikacji tego pradowej ekstrakcji roztworem wodnym. Stosuje sposobu kontaktuje sie z ziarnem kawy substancje sie 6 ekstraktorów w ukladzie szeregowym, z któ- stale nie bedace kofeina w ilosci mniejszej od ilosci rych kazdy zawiera 60 kg kawy zielonej. Ekstrakcje wyekstrahowanej w trakcie odkofeinowania. w prowadzi sie z uzyciem wody dejonizowanej w127 809 ietfi^&iwu! 10d°C, wprowadzanej do ekstraktora rtefb&ifdiztej wyczerpanego. Roztwór wodny zawiera¬ jacy koM&tia i ^btftancje $tale nie bedace kofeina pótihóózACe z ziairina kawy zielonej usuwa sie w telnp*ttiUirz6 8(J°C t etetraiktora zawierajacego kawe najmniej wyczerpana. Ostatni ekstraktor za- wiercajfcfcy kawe najbardziej odkofeinowana usuwa sie z Ukladu i 1 raz na godzine dodaje ekstraktor zawierajacy swieze ziarno kawy zielonej. Stosunek ilosci wody do ilosci ziarna kawy zielonej wynosi $0:1, tak, ze szybkosc przeplywu wody wlotowej do ukladu wynosi 600 litrów/godzine.Ekstrakt opuszczajacy najmniej wyczerpana kawe zielona przepuszcza sie w przeciwpradzie przez 3 kolumny w ukladzie szeregowym, przy czym kazda kolumna zawiera 35 kg zobojetnionego wegla aktywnego przygotowanego w sposób podobny do sposobu opisanego w przykladzie I. W kolumnach utrzyimije sie temperature 75°C. Co 4 godziny usu- Ta kawy zielonej oraz pochodzace z niego substancje stale nie bedace kofeina, znamienny tym, ze kon¬ taktuje sie ten roztwór z zasadniczo obojetnym weglem aktywnym, a nastepnie oddziela sie wegiel aktywny, wraz z zaadsOffoowana na nim kofeina, od roztworu wodnego o obnizonej zawartosci ko¬ feiny. 2. Sposób wedlug zastrz, 1, znamienny tym, ze kontaktowanie prowadzi sie w temperaturze od 60 do 90°C. 3. Sposób wedlug zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, ze obniza sie zawartosc kofeiny w roztworze wod¬ nym zasadniczo do wartosci zerowej, a zawarte w roztworze i pochodzace z ziarna kawy zielonej sub- stancji stale nie bedace kofeina laczy sie z ziarnem kawy zielonej o obnizonej zawartosci kofeiny i sub¬ stancji stalych nie bedacych kofeina. 4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze jako wodny roztwór wprowadzany w kontakt z bela 3 ii Przy¬ klad I 11 V A B pH Aro- wegla* mat 7,5 Dobry swiezy 7,5 Dobry swiezy 7,5 Swiezy, aroma¬ tyczny ,8 Slaby 9,5 Lekko orzecho¬ wy Lekko chlebowy Smak Dobry, calokowicie wyrazny, zrówno¬ wazony Dobry, kwasny, wyrazny, z po¬ smakiem Naturalny, wy¬ razny, lagodny, zrównowazony Lekko orzechowy, cierpki, kwasny, nikly Agresywny, lekko orzechowy nie¬ swiezy Barwa po do¬ konaniu Czerwono- -brafcowa Czerwono- -brazowa Czerwono- -brazowa Szaro-bra¬ zowy Szarawo- -brazowy Kategoria 3 1 1 4 Skala za¬ dowolenia 6,9 7,1 7,1 4,2 4,1 * Mierzone w wodzie destylowanej w temperaturze 20°C. wa sie kolumne zawierajaca wegiel najbardziej na¬ sycony i dodaje swieza kolumne.Odkofeinowane ziarno kawy zielonej suszy sie do zawartosci Wilgoci 20*/o i miesza z odpowiednia iloscia ekstraktu odkofeLnowanego, uprzednio za- tezOttiegó p 2*M zawartosci cial stalych. Mieszanie kontynuuje sie w ciagu 6 godain w temperaturze 75*C. Nastepnie kawe zawierajaca 45*/© wilgoci suszy sie do zawartosci 9,OVo wilgoci* W ponizszej tabeli 3 -zestawione sa wyniki oceny dokonanej przez zespól wprawnych kiperów napo¬ jów otrzymanych z kawy odkofeinowanej sposobem wedlug przykladów I, II i V i upalonej. Kawe tych rodzajów porównuje sie z kawa odkofeinowana w sposób podobny do sposobu opisanego w przy¬ kladnie I, ale z uzyciem wegla uzytego w przy¬ kladzie I, nie zobojetnionego kwasem, który daje w wodzie destylowanej pH 10,8 (A) oraz wegla, który daje w wodzie destylowanej pH 9,5 (B).Zastrzezenia patentowe 1. Sposób wydzielania kofeiny z wodnego roztwo¬ ru, zawierajacego kofeine wyekstrahowana z ziarna 40 50 55 weglem aktywnym stosuje sie roztwór otrzymany przez skontaktowanie ziarna kawy zielonej ze sro¬ dowiskiem wodnym takim jak woda, wodny roz¬ twór substancji stalych 'z kawy zielonej, nie beda¬ cych kofeina lub wodny roztwór substancji stalych z kawy zielonej nie bedacych kofeina zawierajacy niewielka ilosc kofeiny i nastepnie oddzielenie wod¬ nego srodowiska od ziarna kawy zielonej.. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze zawartosc kofeiny w roztworze wodnym po skon¬ taktowaniu z weglem aktywnym obniza sie do war¬ tosci bliskiej zeru. 6 Sposób wedlug zastrz. 4, znamienny tym, ze stosuje sie stosunek wodnego srodowiska do ziarna kawy zielonej 3 : 1—15 :1. 7. Sposób wedlug zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, ze wprowadza sie w kontakt z weglem aktywnym wodny roztwór lub srodowisko zawierajace kofeine, zawierajacy stale substancje w ilosci nie przekra¬ czajacej 10°/e wagowych.OZGraf, Z.P. Dz-wo, z. 153 (80-1-15) 11.85 Cena 100 ii PL PL