PL211738B1 - Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego metodą ekstrakcji nadkrytycznej mającego zastosowanie w przemyśle piwowarskim. Stosowanie ekstraktów w procesie warzenia piwa powoduje zmniejszenie objętości surowca i ograniczenie ilości usuwanych z brzeczki wychmielin oraz zwiększenie stopnia wykorzystania substancji piwowarsko aktywnych. Rosnące zużycie ekstraktów wynika przede wszystkim z ich wysokiej i trwałej jakości oraz mniejszej zawartości zanieczyszczeń niż w szyszkach czy granulacie.

Ekstrakty chmielowe to skoncentrowane wyciągi żywic i olejków aromatycznych zawartych w szyszkach chmielu. Postęp w analityce chmielu ujawnił jego skomplikowany skład i przemiany substancji goryczkowych oraz pozwolił na ocenę ich znaczenia w produkcji piwa. Analizowane grupy składników chmielu to substancje goryczkowe, olejki i garbniki.

Z punktu widzenia, jakości piwa najważniejszymi składnikami wchodzącymi w skład substancji goryczkowych są:

- żywice miękkie zawierające alfa-kwasy, które przechodzą w izo-alfa-kwasy nadające piwu charakterystyczny, szlachetny gorzki smak oraz beta-kwasy i inne związki będące źródłem mniej szlachetnej goryczki,

- żywice twarde nadające piwu nieprzyjemną goryczkę.

Olejki chmielowe stanowią mieszaninę ponad 100 substancji decydujących o aromacie piwa. Głównymi składnikami olejków chmielowych są: myrcen, humulen, kariofilen i famesen.

Początkowo ekstrakty chmielowe otrzymywano w procesie ekstrakcji cieczowej. Jako rozpuszczalniki do otrzymywania ekstraktów stosowano, np. chlorek metylu, heksan, etanol. Obecnie stosuje się jeszcze częściowo etanol, ale głównie ditlenek węgla w procesie ekstrakcji nadkrytycznej. Obydwa rozpuszczalniki są substancjami „naturalnymi” dla przemysłu spożywczego i spełniają wymagania produkcji piwa wysokiej jakości oraz wymagania ochrony środowiska.

Zastosowanie gazów do ekstrakcji w stanie nadkrytycznym opiera się na spostrzeżeniu, że sprężone gazy podobnie jak ciecze mają zdolność do rozpuszczania nielotnych substancji. Proces ekstrakcji nadkrytycznej, zwany krótko ekstrakcją nadkrytyczną, jest stosunkowo nową dziedziną. Właściwości gazów w warunkach nadkrytycznych odbiegają znacznie od właściwości gazów doskonałych (np. ich gęstość zbliża się do gęstości cieczy) i pojawia się m.in. zdolność do rozpuszczania mniej lotnych substancji. Gaz jako rozpuszczalnik w stanie nadkrytycznym ma korzystne dla procesu ekstrakcji parametry: małą lepkość, wysokie współczynniki dyfuzji, oraz brak napięcia powierzchniowego. Dzięki temu procesy wymiany masy zachodzą szybciej w płynie nadkrytycznym niż w cieczy.

Zdolność płynu w stanie nadkrytycznym do ekstrakcji (rozpuszczania) zwiększa się ze wzrostem jego gęstości. Gęstość płynu rośnie ze wzrostem ciśnienia powodując wzrost rozpuszczalności ekstrahowanych składników w ekstrahencie. Powyżej punktu krytycznego silna zależność gęstości i rozpuszczalności od ciś nienia umożliwia ekstrakcję przy wysokim ciśnieniu i wydzielanie ekstraktu przy obniżeniu ciśnienia. Oprócz ciśnienia, znaczącymi parametrami procesu ekstrakcji są: temperatura, szybkość przepływu rozpuszczalnika przez złoże i czas ekstrakcji. Wpływ temperatury na przebieg ekstrakcji jest dwojaki. Im wyższa temperatura, tym niższa gęstość, ale wyższa szybkość wydzielenia żywic z materiału roślinnego. Ograniczeniem w stosowaniu wyższej temperatury jest zazwyczaj trwałość składników ekstraktu. Wzrost szybkości przepływu rozpuszczalnika powoduje wzrost szybkości ekstrakcji, natomiast ze wzrostem czasu trwania procesu zwiększenia się stopień wyekstrahowania surowca.

Najpowszechniej stosowanym ekstrahentem, zwłaszcza w przemyśle spożywczym jest ditlenek węgla. Szczególnie łatwo oddziela się od ekstraktu, nie wchodzi z nim w reakcję chemiczną i nie stanowi zanieczyszczenia produktu. Ekstrakcja nadkrytyczną ditlenkiem węgla dla otrzymywania ekstraktu chmielowego ma następujące zalety:

• ditlenek węgla ekstrahuje przede wszystkim szlachetną goryczkę, znacznie mniej żywic twardych (dających w piwie nieprzyjemną goryczkę) oraz polarnych substancji goryczkowych sprzyjających procesowi starzenia ekstraktów;

• dwutlenek węgla wstrzymuje wzrost drobnoustrojów tlenowych i hamuje procesy utleniania, przez co zapewnia trwałą, wysoką jakość ekstraktu;

• ekstrakty na bazie ditlenku węgla można przechowywać przez długi czas w pokojowej temperaturze bez zmiany właściwości, • olejki aromatyczne przechodzą do ekstraktu otrzymywanego ditlenkiem wę gla iloś ciowo;

PL 211 738 B1 • w ditlenku węgla praktycznie nierozpuszczalne są azotany, polarne pestycydy i metale ciężkie;

• ditlenek węgla jest substancją nieszkodliwą, niepalną, chemicznie obojętną, bez zapachu, ma małe ciepło parowania oraz łatwo oddziela się od ekstraktu.

Te cechy powodują, że obecnie najwięcej ekstraktów otrzymuje się na świecie przy pomocy ditlenku węgla.

Znany jest z polskiego zgłoszenia Nr P 329 365 dwustopniowy równoległy sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego, który polega na tym, że cyrkulujący strumień ditlenku węgla po separacji rozdziela się na dwa strumienie, z których jeden bez zmiany ciśnienia i po obniżeniu temperatury kieruje się do ekstraktora ekstrakcji wstępnej zawierającego świeży surowiec. Drugi strumień ditlenku węgla spręża się do ciśnienia powyżej 25 MPa i wprowadza się do ekstraktora zawierającego częściowo wyekstrahowany (w ekstrakcji wstępnej) surowiec. Po ekstrakcji strumienie z obu ekstraktorów łączy się i poddaje separacji. Ekstrakcję wstępną chmielu prowadzi się w temperaturze 0-60°C i pod ciśnieniem 10,0-25,0 MPa, natomiast ekstrakcję w drugim stopniu prowadzi się w temperaturze 70-150°C i pod ciśnieniem 30,0-50,0 MPa. Cyrkulowany strumień dwutlenku węgla rozdziela się na dwa strumienie w stosunku wagowym od 0,1:1 do 10:1.

Celem naszych prac było opracowanie takiego rozwiązania, aby można było prowadzić fazę ekstrakcji w sposób dynamiczny z ciągłym przepływem rozpuszczalnika.

Istota wynalazku polega na tym, że przez złoże granulatu chmielowego o zawartości wody poniżej 7% przepuszcza się ditlenek węgla o natężeniu 8-12 kg CO2/kg granulatu/h do czasu uzyskania stopnia ekstrakcji alfa kwasów powyżej 95%.

Następnie płyn poekstrakcyjny oziębia się do temperatury pokojowej rozprężając do 5,0-6,0 MPa i wydziela się ekstrakt chmielowy, który homogenizuje się i konfekcjonuje. Ditlenek węgla z wyekstrahowaną wodą oziębia się i wydziela zawartą w nim wodę przy temperaturze 23-27°C, korzystnie 1-3°C powyżej temperatury skraplania CO2, ewentualnie osusza się na sitach molekularnych, a następnie uzupełnia się poekstrakcyjny strumień CO2 o świeży ditlenek i po uzyskaniu parametrów nadkrytycznych, zawraca się do obiegu.

Ekstrakcję prowadzi się w temperaturze 45-55°C, przy ciśnieniu 25,0-30,0 MPa, korzystnie 28,0 MPa, do czasu uzyskania stopnia ekstrakcji alfa kwasów powyżej 95%. Korzystnie jest gdy, złoże granulatu wynosi max 5,0-5,5 m, a średnica ziaren wynosi 6-8 mm.

Najkorzystniej jest gdy prowadzi się proces ekstrakcji w n ekstraktorach, korzystnie 4-6, dla jego uciąglenia pod względem pracy maszyn z tym, że w co najmniej dwóch ekstraktorach trwa faza ekstrakcji, przy czym ekstraktor napełnia się dwuetapowo, na początku ditlenkiem węgla po separacji ekstraktu, który ulega rozprężeniu, a następnie CO2, który poddaje się sprężaniu (o ciśnieniu 28,0 MPa). Ekstrakcję prowadzi się w przeciwprądzie z obniżką temperatury ekstrakcji.

W wyniku przeprowadzonych badań określono zależność stopnia wyekstrahowania surowca i skład otrzymanego ekstraktu od:

- natężenia przepływu ditlenku węgla,

- temperatury ekstrakcji,

- ciśnienia ekstrakcji,

- czasu trwania procesu.

Proces otrzymywania ekstraktu chmielowego opisano w przykładzie.

P r z y k ł a d

Proces ekstrakcji prowadzono w ekstraktorze. Przez złoże granulatu chmielowego o zawartości wody 6,85% przepuszczano ditlenek węgla o temperaturze 48°C, ciśnieniu 28,5 MPa i natężeniu 11,5 kg CO2/kg granulatu/h. Średnica ziaren granulatu zasypanego do ekstraktora wynosiła 6 mm, a wysokość złoża 5,10 m. Ekstrakcję prowadzono do czasu uzyskania stopnia ekstrakcji alfa kwasów 95,6%.

Płyn ekstrakcyjny otrzymany w procesie produkcyjnym po odseparowaniu, okresowo przesyłano do homogenizatora, a następnie konfekcjonowano.

Ditlenek węgla z wyekstrahowaną wodą oziębiano do temperatury 24°C i wydzielano zawartą w nim wodę. Osuszono gazowe CO2 na sitach molekularnych. Ciekły ditlenek po uzyskaniu parametrów nadkrytycznych zawracano do obiegu.

Claims (8)

1. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego metodą ekstrakcji przy zastosowaniu ditlenku węgla w stanie nadkrytycznym przy ciśnieniach do 30,0 MPa i wydzielaniu ekstraktu z roztworu, znamienny tym, że przez złoże granulatu chmielowego o zawartości wody poniżej 7% przepuszcza się ditlenek węgla o natężeniu 8-12 kg CO₂/kg granulatu/h do czasu uzyskania stopnia ekstrakcji alfa kwasów powyżej 95%, następnie płyn poekstrakcyjny oziębia się do temperatury pokojowej rozprężając do 5,5-6,0 MPa i wydziela się ekstrakt chmielowy, który homogenizuje się i konfekcjonuje, przy czym ditlenek węgla z wyekstrahowaną wodą oziębia się i wydziela zawartą w nim wodę przy temperaturze 23-27°C, korzystnie 1-3°C powyżej temperatury skraplania CO2, ewentualnie osusza się na sitach molekularnych, a następnie uzupełnia się poekstrakcyjny strumień CO2 o świeży ditlenek węgla, i po uzyskaniu parametrów nadkrytyczynych, zawraca się do obiegu.

2. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego według zastrz. 1, znamienny tym, że ekstrakcję prowadzi się w temperaturze 45-55°C do uzyskania stopnia ekstrakcji alfa kwasów nie mniejszego ni ż 95%.

3. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego według zastrz. 1, znamienny tym, że ekstrakcję prowadzi się przy ciśnieniu 25,0-30,0 MPa, korzystnie 28,0 MPa.

4. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego według zastrz. 1, znamienny tym, że złoże granulatu wynosi max 5,5 m.

5. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica ziaren wynosi 6-8 mm.

6. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego według zastrz. 1, znamienny tym, że korzystnie prowadzi się proces ekstrakcji w n ekstraktorach, korzystnie 4-6, dla jego uciąglenia pod względem pracy maszyn.

7. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego według zastrz. 6, znamienny tym, że co najmniej w dwóch ekstraktorach trwa faza ekstrakcji, przy czym napełnia się dwuetapowo ekstraktor, na początku ditlenkiem węgla po separacji ekstraktu, który ulega rozprężeniu, a następnie CO2, który poddaje się sprężaniu o ciśnieniu 28,0 MPa.

8. Sposób otrzymywania ekstraktu chmielowego według zastrz. 7, znamienny tym, że ekstrakcję prowadzi się w przeciwprądzie z obniżką temperatury ekstrakcji do 5°C.